Способ токовой защиты асинхронного электродвигателя

союз советснихсоцидлистичеснихРЕСПУБЛИН 9) 110 22 ц), н о 2 н 7/085, 7/о 8, 3/08, 5/о 4 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ й политехническииКавказский научноинститут природных лектробам рео вигат- щиты; на фиг. 3 - свободный переход; ный токасинхронного двигателя при пуске и его составляющие: периодическаяи апериодическая1В цепи статора включен измеритель тока 1, трансформатор тока 2 и преоЬразователь ток - напряжение 3, к которомуподключены выпрямители положительных и отрицательных полуволн тока 4 и 5, нагруженные инерционным звеном 6, элементом задержки 7 и блоком 8 моделирования теплового состояния асинхронного двигателя. Выход инерционного звена 6 соединен с блоком. компенсации апериодического тока 9 коммутируемого ключом 10, подсоеГОсудАРстВенный нОмитетпО изОБРетениям и ОтнРытиямПРИ ГННТ СССР(54) СПОСОБ ТОКОВОНОГО ЗЛЕКТРОДВИГАТ(5) Изобретение орелейной защиты элких систем. Целью Е.ф, Минаков, С,Л, Кужеков 88.8)детельство СССР 2 Н 3/085 .1983. тельство СССР 2 н 7/085, 1987. Й ЗАОИТЫ АСИНХРОНЕЛЯтносится к области ементов электричес изобретения являет Изобретение относится к э технике, в частности к спосолейной токовой защиты электр д елей.Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения чувствительности защиты и свободной периодической составляющей пускового типа и быстродействия отключения электродвигателя при заклинивании ротора и коротких замыканиях.На фиг. 1 изображена блок-схема,реализующая способ токовой защиты . асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема, реализующая способ токовой зася повышение надежности путем улучшения чувствительности защиты к свободной периодической составляющей пускового тока электродвигателя и быстродействия при заклиниваниях ротора икоротких замыканиях. Цель достигаетсятем, что тепловое состояние машинымоделируется тремя апериодическимиэлементами с взаимной связью и ключевойсхемой увеличения постоянной времени нагрева модели при успешном пуске машины,Способ защиты обеспечивает пониженный небаланс сигнала частотой 50 Гцв выделяемых свободных составляющихтока, повышенную чувствительность кпоследним. Также оЬеспечивается более высокая точность и Ьыстродействиеидентификации разворота ротора приподключении машины к сети. 3 ил,диненным УПравляющей цепью к элементу задержки 7. Ьпок компенсации 9 подключен к компаратору 11 по схеме сравнения с опорным потенциалом как положительного напряжения, так и отрицательного. К компаратору 11 присоединена управляющая цепь ключа с самоудержанием 12, соединяющего своей исполнительной частью дополнительный конденсатор с одним из основных конденсатороц блока моделирования теплового состояния 8. Кроме того, выходы выпрямителей ч и 5 через формирователь напряжения, пропорционального периодической составляющей первичного тока и его производной 13 присоединены к выходному компаратору 11, соединенному .выходом одновременно с блоком моделирования теплового состоя ния 8, а выходом - с исполнительным органом 15 защиты.Устройство для реализации способа работает следующим образом.Первичный ток защищаемого электро двигателя после трансформации первичным и промежуточным трансформаторами 2 и 3 преобразуется однополупериодными выпрямителями 1 и 5 в напряжения, пропорциональные амплитудным значениями соответственно положительной и отрицательной полуволн, Каждый из полупериодов принужденной составляющей пускового тока. частотой 50 Гц смещается относительно оси времени свободными переходными составляющими: апериодическимипериодическимищ, (фиг. 3). Результирующее смещение и положительной, и отрицательной полУволн тока кРиваЯ 1 ь, фиг. 3) 40 совпадает по знаку с одной из них и противоположно другой. Следовательно, амплитуда одной из полуволн увеличивается, амплитуда другой - в такой же мере уменьшается. Напряжения 45 пропорциональные этим амплитудам, суммируются с различными знаками операционным усилителем инерционного звена 6. В результате суммирования значения свободных составляющих удваиваются, а принужденных - компенсируются. Поэтому выходное напряжение инерционного звена 6, имеющего постоянную времени около 20-25 мс, изменяется под воздействием именно свободного тока х с, Одна из его составляющих - свооодная периодическая- появляется только при разП,Сфгоне машины и является, следоеательно, признаком успешного пуска. 6 этомслучае время срабатывания. защиты иек-.симально и превышает с некоторым. запасом время пуска двигателя,Для разделения.результирующегосвободного тока на периодическую иапериодическую составляющие в первые25-28 мс после подключения двигателяк сети выход инерционного звена клю"чом 10 соединяют с элементом выделения апериодического тока 9. Разделение свободных составляющих основанона зависимости свободного периодического тока от частоты вращения ротора й , а именно на том обстоятельстве, что при м) = 0 и х 8= О. 9 момент подключения электродвигателяк сети имеет место равенство ы нулю.Следовательно, в этот момент разностное напряжение на выходе выпрямителейи 5 инапряжение инерционного звена6 не содержат свободной периодической составляющей, Следует отметить,что к блоку выделения апериодическойсоставляющей выходное напряжение инерционного звена 6 прикладывается нена нулевом интервале времени (эа время ас = 0 при включении электродвигателя ток его статора не изменяетсяпо сравнению с его предшествующимзначением, например нулевым, еслидвигатель был отключен), а на отрезке в 25-28 мс, когда и пренебрежимо,мала; это время необходимо для выделения апериодической составляющейтока выпрямителями 1 и 5. Первые период - полтора и необходимы для сравнения амплитуд положительной и отрицательной полуволн тока, т,е, выделения апериодической составляющей.Напряжением данной составляющей токазаряжается конденсатор элемента 9,подсоединяемого ключом 10 параллельно выходу 6, Однако .через 25-.28 мсключ 10 дешунтирует выход компаратора11 и элемент 9 оказывается включеннымпоследовательно с выходом блока 6,причем его напряжение, пропорциональное апериодической составляющей переходного тока, вычитается из суммарного свободного тока (выделяемогона выходе блока 6), Следовательно,на выходе компаратора 11 действуеттолько свободная. периодическая составляющая переходного пускового тбка.Компаратором 11 осуществляетсясравнение текущего значения свободного периодического тока с заданным55 5 158 значением (как при положительном его знаке, так, и при отрицательном). Ненулевое значение опорного напряжения компаратора исключает возможность его срабатывания от небаланса.с частотой 50 Гц. Напряжение небаланса имеет место в разностном сигнале выпрямителей 4 и 5 и существенно снижается инерционным звеном 6 (фильтром низших частот и по сравнению с сумматором. - усилителем, поэтому дающим гораздо большее отношение напряжения инфранизкой частоты на выходе к напряжению небаланса с частотой 50 Гц). Так как полностью исключить небаланс невозможно, то порог срабатывания компаратора 11 выставляется большим периодической составляющей его входного напряжения при кратности первичного тока частотой 50 Гц, равной пусковой.1 Компаратор 11 при наличии низкочастотного периодического тока переключателя,.вызывая отпирание ключас самоудержанием 12 (аналого тиристора), Последний, в свою очередь, подключает дополнительную емкость к РСмодели теплового состояния двигателя,увеличивая до максимального значениявремя достижения ее выходным напряжением порога срабатывания выходногокомпаратора 14. Следует отметить,что многоконтурная тепловая модельв данном способе защиты не толькоэквивалентирует нагрев каждого изразнородных в тепловом отношенииэлементов машины: обмоток статора,стали, обмоток ротора (каждому элементу соответствует отдельная емкостьи резистивная связь, характеризующая взаимную теплопередачу), но ипредполагает контроль предельноготемпературного состояния двух элементов: обмоток статора и ротораПропорциональные им напряжения подаются на компаратор 14. Если, такимобразом, по истечении времени, рав"ного длительности разгона машины,ток не снизил своего значения доуровня номинального или меньшего(например, при затянувшемся пуске),напряжение выхода тепловой моделидвигателя достигает порога переключения компаратора, который вырабатывает сигнал на срабатывание исполнительного органа 15, а соответственно, отключение электродвигателя,22626Выходное напряжение выпрямителей4 и 5, кроме того, преобразуется формироеателем 13 в наПряжение Б 1 = 5 = К 1 + К - - где К К - вещественд 1 лКгаС ф1 ф 2ные коэффициенты, определяющие соот"ношение тока и его производной в рабочем сигнале отсечки; 1- действующее 10 значение принужденной сосТавляющей(частотой, 50 Гц), Это напряжениетакже сравнивается.компаратором сопорным, обеспечивая срабатывание защиты при сверхтоках (коротких замыканиях с большими кратностями токов)без выдержки времени, т,е. отсечкупо току.Короткие замыкания, к которым нечувствительна отсечка,.вызываюТ нарастание напряжения блока 8, однакобез дополнительной емкости, т.е. смалой постоянной времени, Действительно, ввиду отсутствия в токе статорасоставляющих инфранизкой частоты,компаратор 11 остается в исходном,а ключ 12 - в отключенном состоянии.Кроме того, при кратностях тока 0, фК 1 (К- кратность пускового тока; 1, - номинальный ток статора ма, шины) через 25-.28 мс срабатывает орган задержки /, ускоряя своим выходным напряжением нарастание напряженияблока 8, Достижение порога переключения компаратора 14 при этом проЗ 5 исходит за время, не превышающее05 с.При перегрузках машины блок моделирования теплового состояния неподвержен ни замедлению путем включения ключа 12, ни ускорению напря"жением блока 7. В. этом случае времяизменения напряжения блока 8 до уровня срабатывания максимально прибли-,жено к перегрузочной характеристике ф 5 машины, обеспечивая, с одной стороны,допустимый тепловой режим двигателя,а с другой - максимальное использование электроприводом перегрузочныхсвойств двигателя50Таким образом, положительный эффект от использования изоЬретениясостоит в повышении чувствительностизащиты к свободной периодической составляющей пускового тока электродвигателя, Это оЬеспечивается снижением порога срабатывания компараторасвободного периодического тока навеличину апериодической составляю 15822 б 2щей, которая выделяется как разность полуволн тока в начале пуска, когда в свободном переходном токе отсутствует периодическая составляющая, вызванная вращением ротора, и в.последующем компенсируется в сигнале, сравниваемом компаратором с уставкой.За счет компенсации в свободном ,токе его апериодической составляющей повышается быстродействие защиты.при несостоявшихся пусках и заклиниваниях ротора. Отсутствие в сигнале, по которому идентифицируется разворот ро"тора, апериодической составляющей 15 ,много Ьольшей свободной периодической , составляющей на начальном этапе пуска машины, позволяет исключить из , алгоритма функционирования защиты время затухания апериодического тока до значений, меньших свободного периодического тока. Это снижает перегрев машины при ее подключении к сети с заклиненным ротором при стопоренияхв процессе работы.За счет зависимости степени уско рения срабатывания защиты при заторможенном роторе от тока снижается30 ,: время срабатывания с увеличением тока короткого замыкания, что позволяет снизить размеры повреждений машины.Формула изобретенияСпособ токовой защиты асинхронно- З 5 го электродвигателя, при котором раздельно измеряют средневыпрямленные .амплитудные значения тока статора каждого знака, получают сумму этих токов, сравнивают ее величину вместе с производной по времени с уставкой срабатывания отсечки по току, превышающей пусковое значение, и при их равенстве разрешают срабатывание защиты, одновременно моделируют тепловое состояние машины и по достижении предельно допустимой температуры разрешают срабатывание защиты, одновременно выделяют свободные периодические составляющие тока статора низших частот, вызванных апериодическими составляющими тока ротора и его вращением, вычитают модули отрицательных полуволн тока статора из модулей положительных, сравнивают полученную разность с заданным значением, в случае превышения которого на заданном интервале разрешают срабатывание за-. щиты с выдержкой времени, большей времени разгона машины, а в случае, если полученная разность меньше на заданном интервале, разрешают ускоренное отключение электродвигателя, при этом свободные составляющие тока статора получают низкочастотной фильтрацией разности модулей полуволн тока, а моделирование теплового состояния выполняют электрически для статора, ротора и магнитопровода машины, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности путем улучшения чуствитель,ности защиты к своЬодной периодической составляющей пускового тока и быстродействия при заклиниваниях ротора и коротких замыканиях, дополнительно выделяют начальное значение апериодических составляющих тока статора как разность полуволн тока в начале пуска, когда свободные периодические составляющие, вызванные вращением ротора, отсутствуют, в последующем вычитают апериодические составляющие из разности полуволн тока статора, а задан.-. ный интервал времени устанавливают равным максимальному значению первого периода разворота ротора на 360 эл. град при этом ускорение срабатывания при заторможенном роторе выполняют с обратно зависимой от тока выдержкой времени.1582262 иая Составитель К. ШилаРедактор Н, Ывыдкая Техред л.Олийнык ректор Т. Палий Заказ 2093 Тираж 484 ПодписнВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ГКНТ СССР изводственно"издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,1