Способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов

ПИСАНПАТЕНТУ ИЗОБР Е 54) ЭЛЕ РЕЖ 57) И ц во еднего и. поконтлевой ю сети ющие соотв опред ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(56) Авторское свидетельство СССР%553709, кл, Н 02 Н 7/08, 1977,Авторское свидетельство СССРМ 670995, кл. Н 02 Н 7/081979.Авторское свидетельство СССРМ 936181, кл, Н 02 Н 7/07, 1982.Грундулис А,О, Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. М,: Агропромиздат, 1988. с. 28-31,ПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ МОВпользование: применяется для эащихфазных электродвигателей от токоерегрузки. несимметрии питающей Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защитц 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 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 составляк 1 щие 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 сос 1 авляющих контролируемого напряжения пороговых отключают электродвигатель от сети, а по факту наличия биения судят об обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора, 6 ил. напряжением и если оно выше посл отключают электродвигатель от се ставленная цель достигается тем, чт ролируемое напряжение между н точки обмотки статора и нейтраль фильтруют и выделяют составл напряжения с частотами 11(1-Я) + 1) иК 22 1 где. б - частота сети; Я - скольжение ротора; 22 - число зубцов ротора; Р - число пар полюсов статора: К=1,2,3, выя ел я ют наличие биения с частотой биений 211, выпрямляют составляющие напряжения с частотами 11(1-Я) +1 и 11 и сравнивают ихК 22етственно с пороговым напряжением еляющим допустимую токовую пере 1816333где К=1,2,3Е 2 - число зубцов ротора;Р - число пар полюсов,Основная волна магнитодвижущей силы ро тора вращается относительно самого ротора с частотой Л и= поЯ, где по=600/Р- частота вращения поля статора; Л - частота тока обмотки статора; Я - скольжение ротора.Зубцовые гармоники поля ротора име ют вил раз больше полюсов РиД=иг 2Р ивращаются относительно ротора с частотой 20 РрйпЮ гд Р 60 60(4) Согласно (1) наиболее ярко выраженыгармоники с порядковым номером 35 Рг 2 = - + 1 и Ра 2 = -- 1 при К=1,Е 2 1 2Р РОднако в контролируемом напряжении будут составляющие с частотами 1 ю 2 или 1 эг 2 , если они образуют нулевую последователь ность. При симметричном режиме питанияв контролируемом напряжении будут составляющие напряжения, генерируемые гармоники с порядковыми номерами кратными трем, Например, при 22=22; Р=1;45 К 2=21, 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 питаю щего трансформатора (фиг, 3) наряду стретьей и зубцовой гармоники появляется составляющая напряжения с частотой сети б, а в случае обрыва фазы на высокой стороне питающего трансформатора составляющая напряжения с частотой т 1 исчезает (фиг,4), В контролируемом напряжении присутствуют составляющие напряжения с частотами 1 и 2 и 1 ж и третья гармоника и так как порядок эубцовых гармоник ме 2 и Ре 2 отличаются на 2, то и частоты 1 фе 2 и 1 мг 2 грузку и с пороговым напряжением определяющим допустимую асимметрию сети, припревышении указанных составляющих контролируемого напряжения пороговых отключают электродвигатель от сети, а пофакту наличия биений судят об обрыве фазына высокой стороне питающего трансформатора.На фиг. 1-4 приведены осцилограммыконтролируемого напряжения между нулевой точки обмотки статора и нейтралью сетипри; симметричном питающем напряжении(фиг,1), асимметрии (фиг,2), обрыве однойфазы на низкой стороне питающего трансформатора (фиг,3), обрыве одной фазы навысокой стороне питающего трансформатора (фиг,4); на фиг,5 - зависимость контролируемого напряжения (1) согласно прототипуи составляющей контролируемого напряжения с частотой Щ 1-Я) -- +Ц от нагрузкиК Е 2электродвигателя в симметричном режимепитания; на фиг, 6 - схема устройства, реализующего описываемый способ защиты,Способ защиты осуществляется следующим образом.Современные трехфазные асинхронные электродвигатели характеризуются высокой степенью использования активныхматериалов, в том числе электротехнической стали, Это обстоятельство приводит ктому, что практически синусоидальная волна магнитодвижущей силы в нелинейнойферромагнитной среде возбуждает несинусоидальную волну магнитной индукции,спектр которой содержит нечетные пространственные гармоники, названные гармониками насыщения, Гармоникинасыщения вращаются с синхронной скоростью. В фазах обмотки статора индуктируются ЭДС, содержащие. нечетныегармоники, в том числе и кратные трем, Гар- .моники ЭДС кратные трем, направлены водну и ту же сторону во"всех фазах обмоткистатора и имеют соответствующую кратнуючастоту. Поэтому при изолированной нулевой точке обмотки статора, соединенной взвезду, между нейтралью сети и нулевойточкой обмотки статора присутствует напряжение в основном третьей гармоники(см. фиг.1),Кроме третьей гармоники в контролируемом напряжении присутствуют и более высокие гармоники, генерируемые эубцовымигармониками поля ротора, Порядок высшихгармонических, обусловленных зубчатостью ротора, равенРа = К- + 1Р(2) Если ротор вращается с частотой п=по(1-Я),то поля зубцовых гармоник вращаются в пространстве с частотойпрД=ЛпрД+и = + по(1-Я) (3)по ЯРг 2и пересекая неподвижную обмотку статора индуктирует в ее фазах ЭДС с частотой Е5 10 15 25 ЗО 35 45 50 55 отличаются одна от другой на 211. Например, для 72=22, Р=1, К=1, согласно (4) приЯ=О, 1 р юг=2311=1150 Гц,рог11=1050Гц.В результате сложения двух составляющих с примерно равными амплитудами иблизкими, но не равными частотами 1 м гг и1 мгг получаем биения с частотой биенийравной 211, осциллограмма которых приведена на фиг,4 9),Величина магнитодвижущей силы зубцовой гармоники ротора 1) определяетсявеличиной тока ротора - с ростом тока ротора растет и индукция магнитного полягармоники, следовательно, растет и составляющая контролируемого напряжения с частотой 1 маг см. зависимость 2 на фиг.5).Здесь же показана зависимость контролируемого напряжения согласно прототипу.Ее характер показывает, что в симметричном режиме возможны ложные срабатывания защиты так как контролируемоенапряжение зависит от нагрузки электродвигателя - с ростом нагрузки вначале онопадает, а потом увеличивается.Таким образом, в симметричномрежиме работа электродвигателя в контролируемом напряжении присутствует составляющие напряжения с частотами Зб иКЕг11. (1 - Я) -1, генерируемыми гармоРниками насыщения и зубцовыми гармониками ротора кратные трем,Величина составляющей с частотойт 1 (1 - Я).ф. 1 зависит от нагрузкиК с.гРэлектродвигателя и возрастает с ростом последней. Следовательно фильтруя и выпрямляя эту составляющую, получиминформацию о перегрузке двигателя.При асимметрии сети и обрыве однойфазы на низкой стороне питающего трансформатора в контролируемом напряжениипоявляется составляющая с частотой 11.Фильтруя и выпрямляя эту составляющую,получим информацию о асимметрии и обрыве фазы на низкой стороне питающеготрансформатора,При обрыве одной фазы на высокой стороне питающего трансформатора в контролируемом напряжении появляютсясоставляющие в частотами Ц - (1-Я)+1 иК .2РК 211 - (1-Я)-1, которые образуют биения счастотой биений 211, Фиксируя факт появления биений судим об обрыве одной фазына высокой стороне питающего напряжения. 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 "ИЛИ", исполнительного элемента 17, блока управления 18, резисторов 19,Защита электродвигателя 20 от аварийных режимов по предложенному способу осуществляется следующим образом, Контролируемое напряжение 00)ч 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 20 этом случае контролируемых напряжением является напряжение 000 между нулевыми точками обмотки электродвигателя и резисторов, Фильтр 2 выделяет составляющую напряжения с частотой сети 1. фильтр 3 - с частотой зубцовой гармоники б - -1-Я) +1. Составляющие выпрямляК 2Рются соответственно выпрямителями 4 и 6. Контролируемое напряжение выпрямляется выпрямителем 5 и из выпрямленного напряжения фильтром 8 выделяется составляющая с частотой 211. Для и редотвращения ложных срабатываний защиты при кратковременных асимметричных итоковых перегрузках используются блоки задержки 7 и 9. После задержки составляющая напряжения с частотой 11 поступает на вход компаратора10, составляющая напряжения с частотойКЕ 211 - 1-Я) +1 - на вход компарэтора 12, аР 40составляющая напряжения с частотой 211 -на вход компаратора 11. 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 частотами 311 и Ц - (1-Я)+ 1 см. фиг.1), ФильК 42Ртром 3 составляющая с частотой 311 отсекается и на выпрямитель 6 поступаеттолько составляющая с частотой Ц - (1 КЕг - Б) +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 2 И см, фиг. 4), После выпрямления фильтром 8 выделяется составляющая напряжения с частотой 2 т 1 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 пита 1 ощей сети,Контролируемое напряжение содержит составляющие с частотами 11, Зб 1 и 111 - (1 КЕг -Я)+ 1) (см. фиг.2 и 3), Фильтром 2 отсекаются составляющие с частотами 311 и Ц -- (1-3) .1) и на вход выпрямителя 4К Егпоступает только составляющая напряжения с частотой 11, 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 нет необходимости в применении измерительных трансформаторов тока и трансформаторных датчиков тока, масса которых составляет 80-90 от массы всего устройст ва защиты,Ф ар мул а изобретен и я Способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов, при котором контролируют напряжение между 10 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 15 сети, отличающийся тем,что,сцельюрасширения функциональных возможностей, исключения ложных срабатываний и увеличения чувствительности, защиты при аварии на высокой стороне питающего 20 трансформатора, контролируемое напряжение между нулевой точкой обмотки статора и нейтралью сети фильтруют и выделяют составляющие напряжения с частотами1 ) К а 1)игде 11 - частота сети;Я - скольжение ротора;30 Ег - число зубцов ротора;Р - число пар полюсов обмотки статора;К=1,2,3.,выявляют наличие биений с частотой биений, равной 211, выпрямляют составляющие35напряжения с частотами 1-3) - й 1) и 1К ЕгРи сравнивают выпрямленные напряжениясоответственно с пороговым напряжением,определяющим допустимую токовую пере 40 грузку, и с пороговым напряжением, определяющим допустимую асимметрию сети,при превышении указанных составляющихконтролируемого напряжения пороговыхотключают электродвигатель от сети, а по45 факту наличия биений судят об обрыве одной фазы на высокой стороне питающеготрансформатора.1816333 Составитель И.Собо Техред М,Моргентал ктор Корректор С,дисина Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Га Заказ 1652 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета и 113035, Москва, Жзобретени Раушская дписноеи открытиям при Г