Способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов Советский патент 1993 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных электродвигателей от токовой перегрузки, несимметрии питающей сети, обрыва фазы на высокой и низкой сторонах питающего трансформатора.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, исключение ложных срабатываний и увеличение чувствительности защиты при аварии на высокой стороне питающего трансформатора.

В способе защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов при котором контролируют напряжение между нулевой точки обмотки статора и нейтралью сети, выпрямляют ее и сравнивают величину выпрямленного напряжения с пороговым

напряжением и если оно выше последнего отключают электродвигатель от сети, поставленная цель достигается тем, что контролируемое напряжение между нулевой точки обмотки статора и нейтралью сети фильтруют и выделяют составляющие

напряжения с частотами fi(1-S) ± 1 и

fi где fi - частота сети; S - скольжение ротора; Z2 - число зубцов ротора; Р - число пар полюсов статора; ,2,3,... выявляют наличие биения с частотой биений 2fi, выпрямляют составляющие напряжения с частотами fi(1-S) -е ±1 и fi и сравнивают их

соответственно с пороговым напряжением определяющим допустимую токовую пере00

(

СА О) СО

СО

грузку и с пороговым напряжением определяющим допустимую асимметрию сети, при превышении указанных составляющих контролируемого напряжения пороговых отключают электродвигатель от сети, а по факту наличия биений судят об обрыве фазы на высокой стороне питающего трансформатора.

На фиг, 1-4 приведены осцилограммы контролируемого напряжения между нулевой точки обмотки статора и нейтралью сети при: симметричном питающем напряжении (фиг. Т), асимметрии (фиг.2), обрыве одной фазы на низкой стороне питающего трансформатора (фиг.З), обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора (фиг.4); на фиг.5 - зависимость контролируемого напряжения (1) согласно прототипу и составляющей контролируемого напряжеKZ2

Vz2 К ± 1 ,

ния с частотой fi(1-S)-р- ±1 от нагрузки

электродвигателя в симметричном режиме питания; на фиг. б - схема устройства, реализующего описываемый способ защиты.

Способ защиты осуществляется следующим образом.

Современные трехфазные асинхронные электродвигатели характеризуются высокой степенью использования активных материалов, в том числе электротехнической стали. Это обстоятельство приводит к тому, что практически синусоидальная волна магнитодвижущей силы в нелинейной ферромагнитной среде возбуждает несинусоидальную волну магнитной индукции, спектр которой содержит нечетные пространственные гармоники, названные гармониками насыщения. Гармоники насыщения вращаются с синхронной скоростью. В фазах обмотки статора индуктируются ЭДС, содержащие нечетные гармоники, в том числе и кратные трем, Гармоники ЭДС кратные трем, направлены в одну и ту же сторону фазах обмотки статора и имеют соответствующую кратную частоту. Поэтому при изолированной нулевой точке обмотки статора, соединенной в звезду, между нейтралью сети и нулевой точкой обмотки статора присутствует напряжение в основном третьей гармоники (см. фиг. 1).

Кроме третьей гармоники в контролируемом напряжении присутствуют и более высокие гармоники, генерируемые зубцовыми гармониками поля ротора, Порядок высших гармонических, обусловленных зубчатостью ротора, равен

О)

,2.3...;

2.2 - число зубцов ротора; Р - число пар полюсов. Основная волна магнитодвижущей силы ро- тора вращается относительно самого ротора с частотой Д n n0-S, где n0 60fi/P- частота вращения поля статора; fi - частота тока обмотки статора; S - скольжение рото- ра.

Зубцовые гармоники поля ротора имеют в vZ2 раз больше полюсов PrZ2 vzz Р и вращаются относительно ротора с частотой

15

(2)

Если ротор вращается с частотой (1-S), то поля зубцовых гармоник вращаются в пространстве с частотой

20 n q

nvz2 А vЈL + л ± р. n0(1 -S) (3)

и пересекая неподвижную обмотку статора индуктирует в ее фазах ЭДС с частотой

25

,,, Pvz2- ni22 v& Р fvЈ---gg----g

rio s

V&

+ П0(1

|Ґ

(1 -S)±1

(4)

Согласно (1) наиболее ярко выражены гармоники с порядковым номером

vZ2 +

при .

Однако в контролируемом напряжении будут составляющие с частотами f vz.2 или fVz2 , если они образуют нулевую последовательность. При симметричном режиме Питания в контролируемом напряжении будут составляющие напряжения, генерируемые гармоники с порядковыми номерами кратными трем. Например, при

, 45, 87,... .На фиг. 1 видно, что контролируемое напряжение состоит из третьей и зубцовой гармоники.

При асимметрии сети (фиг. 2) и при обрыве одной фазы на низкой стороне питающего трансформатора (фиг. 3) наряду с третьей и зубцовой гармоники появляется составляющая напряжения с частотой сети fi, а в случае обрыва фазы на высокой стороне питающего трансформатора составляющая напряжения с частотой fi исчезает (фиг,4). В контролируемом напряжении присутствуют составляющие напряжения с частотами fvz2v fvz2 и третья гармоника и так как порядок зубцовых гармоник VZ2 и отличаются на 2, то и частоты f VZ2 и f v z2

отличаются одна от другой на 2fi. Например, для , , , согласно (4) при . f Гц, f VZ2-21 Гц.

В результате сложения двух составляющих с примерно равными амплитудами и близкими, но не равными частотами f VZ2 и f VZ2 получаем биения с частотой биений равной 2fi, осциллограмма которых приведена на фиг.4 (9).

Величина магнитодвижущей силы зуб- цовой гармоники ротора (1) определяется величиной тока ротора - с ростом тока ротора растет и индукция магнитного поля гармоники, следовательно, растет и составляющая контролируемого напряжения с частотой f VZ2 (см. зависимость 2 на фиг.5). Здесь же показана зависимость I контролируемого напряжения согласно прототипу. Ее характер показывает, что в симметричном режиме возможны ложные срабатывания защиты так как контролируемое напряжение зависит от нагрузки электродвигателя - с ростом нагрузки вначале оно падает, а потом увеличивается.

Таким образом, в симметричном режиме работа электродвигателя в контролируемом напряжении присутствует составляющие напряжения с частотами 3fi и

fi (1 - S)±1J, генерируемыми гармониками насыщения и зубцовыми гармониками ротора кратные трем.

Величина составляющей с частотой

KZ2

Ы

(1 - S) ± 1 зависит от нагрузки

электродвигателя и возрастает с ростом последней. Следовательно фильтруя и выпрямляя эту составляющую, получим информацию о перегрузке двигателя.

При асимметрии сети и обрыве одной фазы на низкой стороне питающего трансформатора в контролируемом напряжении появляется составляющая с частотой fi. i Фильтруя и выпрямляя эту составляющую, получим информацию о асимметрии и обрыве фазы на низкой стороне питающего трансформатора,

При обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора в контролируемом напряжении появляются

KZ2,

составляющие в частотами )+1 и

(1-S)-1, которые образуют биения с

частотой биений 2fi. Фиксируя факт появления биений судим об обрыве одной фазы на высокой стороне питающего напряжения.

0

5

0

5

0

5

Схема устройства, реализующая описанный способ защиты состоит (фиг.6) из ограничителя амплитуды 1, фильтров 2,3.8. выпрямителей 4,5,6, блоков задержки 7,9, компараторов 10,11,12, блоков индикации 13,14,15. блока 16 логического сложения ИЛ И, исполнительного элемента 17, блока управления 18, резисторов 19.

Защита электродвигателя 20 от аварийных режимов по предложенному способу осуществляется следующим образом. Контролируемое напряжение DON между нулевой точки обмотки электродвигателя 20 и нейтралью сети питающего трансформатора 21 поступает на вход ограничителя амплитуды 1. При изолированной нейтралью сети используются три резистора 19, соединенных в звезду и подключенных параллельно с обмоткой электродвигателя. В этом случае контролируемых напряжением является напряжение Uoo1 между нулевыми точками обмотки электродвигателя и резисторов. Фильтр 2 выделяет составляющую напряжения с частотой сети fi. фильтр 3-е частотой зубцовой гармоники

fi 2-(1-S) ±1. Составляющие выпрямляются соответственно выпрямителями 4 и 6. Контролируемое напряжение выпрямляется выпрямителем 5 и из выпрямленного напряжения фильтром 8 выделяется составляющая с частотой 2f 1. Для предотвращения ложных срабатываний защиты при кратковременных асимметричных и токовых перегрузках используются блоки задержки 7 и 9. После задержки составляющая напряжения с частотой fi поступает на вход компаратора 10, составляющая напряжения с частотой

rKZ2/

1-S) ±1 - на вход компаратора 12, а

составляющая напряжения с частотой 2f i - на вход компаратора И. Выходные сигналы компараторов логически суммируются в блоке 16. Исполнительный элемент 16 при возникновении аварии подает команду блоку управления 18 на отключение электродвигателя от сети. Одновременно блоки индикации 13. 14, 15 сигнализируют о наступлении того или иного аварийного режима.

Рассмотрим работу устройства при следующих аварийных режимах.

Симметричная токовая перегрузка. В контролируемом напряжении присутствуют только составляющие напряжения с частоif -у

тами 3fi и fi - {1-S}± 1(см. фиг.1). Фильтром 3 составляющая с частотой 3fi отсекается и на выпрямитель 6 поступает

- x rKZ2M только составляющая с частотой (1- S) ±1, зависящая от нагрузки электродвигателя (см. кривую 2 на фиг.5). Если величина этой составляющей превышает значение порогового напряжения компаратора 12, то поступает команда на отключение электродвигателя и блок индикации 15 сигнализирует о перегрузке.

Обрыв одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора.

В контролируемом напряжении появляются биения с частотой 2fi см. фиг. 4). После выпрямления фильтром 8 выделяется составляющая напряжения с частотой 2fi и если ее величина больше порогового напряжения компаратора 11, то поступает команда на отключение электродвигателя и блок индикации 14 сигнализирует об обрыве фазы на высокой стороне питающего трансформатора.

Обрыв одной фазы на низкой стороне питающего трансформатора или .чрезмерная асимметрия питающей сети.

Контролируемое напряжение содержит

составляющие с частотами fi, 3fi и )± 1(см. фиг.2 и 3). Фильтром 2 отсекаются составляющие с частотами 3fi и

fTKZ2

поступает только составляющая напряжения с частотой.fi. Если величина этой составляющей превышает значение порогового напряжения компаратора 10, то поступает команда на отключение электродвигателя и блок индикации 13 сигнализирует об обрыве фазы (асимметрии) на низкой стороне питающего трансформатора. .. Устройства защиты на базе предлагаемого способа являются многофункциональными. Они выполняют функции токовой защиты, функции контроля качества напряжения сети (асимметрию) и обрыва одной фазы на низкой или высокой стороне питающего трансформатора. Для их создания

(1-S) ±1 и на вход выпрямителя 4

нет необходимости в применении измерительных трансформаторов тока и трансформаторных датчиков тока, масса которых составляет 80-90% от массы всего устройства защиты.

Формула из обретения Способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов, при котором контролируют напряжение между

нулевой точкой обмотки статора и нейтралью сети, выпрямляют его и сравнивают величину выпрямленного напряжения с пороговым напряжением и, если оно выше последнего, отключают электродвигатель от

сети, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, исключения ложных срабатываний и увеличения чувствительности, защиты при аварии на высокой стороне питающего

трансформатора, контролируемое напряжение между нулевой точкой обмотки статора и нейтралью сети фильтруют и выделяют составляющие напряжения с частотами

25

fi(1-S)

K-Z2

,

где f 1 - частота сети;

S - скольжение ротора; Zz - число зубцов ротора;

Р - число пар полюсов обмотки статора;

,2,3,...,

выявляют наличие биений с частотой биений, равной 2fi, выпрямляют составляющие

I/ 7

напряжения с частотами fi(1-S)-p ± 1 и ft

и сравнивают выпрямленные напряжения соответственно с пороговым напряжением, определяющим допустимую токовую перегрузку, и с пороговым напряжением, определяющим допустимую асимметрию сети, при превышении указанных составляющих контролируемого напряжения пороговых отключают электродвигатель от сети, а по

факту наличия биений судят об обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора.

Использование: применяется для защиты трехфазных электродвигателей от токовой перегрузки, несимметрии питающей сети, обрыва фазы на высокой и низкой сторонах питающего трансформатора. Сущность изобретения: в данном способе контролируемое напряжение между нулевой точкой обмотки статора и нейтралью сети фильтруют и выделяют составляющие напряжения с определенными частотами, выявляют наличие биений, выпрямляют составляющие напряжения с теми же частотами и сравнивают выпрямленные напряжения соответственно с пороговым напряжением, определяющим допустимую токовую перегрузку, и с пороговым напряжением, определяющим допустимую асимметрию сети, при превышении указанных составляющих контролируемого напряжения пороговых отключают электродвигатель от сети, а по факту наличия биения судят об обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора. 6 ил. ел С