Спосіб захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань

Реферат: Винахід належить до області електротехніки, зокрема до способів релейного захисту і може бути використаний для захисту трифазного асинхронного електродвигуна при виткових замиканнях в обмотках електродвигуна. Спосіб захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань включає одночасне вимірювання параметрів першої гармоніки струму і вимірювання амплітуди вищих резонансних гармонік струму, формування сигналу на відключення електродвигуна у разі, якщо вони протягом допустимого контрольного часу відрізняються від заданих, при цьому додатково з вимірюванням амплітуди вищих резонансних гармонік струму вимірюють частоти вищих резонансних гармонік струму, які існують в діапазоні зміни індуктивності електродвигуна від пускового режиму до номінального режиму, контрольний час встановлюють пропорційно кількості замкнутих витків електродвигуна, а сигнал на відключення електродвигуна формують у разі збільшення частоти вищої резонансної гармоніки струму від заданої та досягнення амплітудою заданого значення, протягом встановленого контрольного часу. Використання пропонованого способу забезпечує можливість виконання умов резонансу для виткових замикань, що призводить до підвищення чутливості захисту до виткових замикань, знижуючи обсяг пошкоджень електродвигуна. UA 105420 C2 (12) UA 105420 C2 UA 105420 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області електротехніки, зокрема до способів релейного захисту і може бути використаний для захисту трифазного асинхронного електродвигуна при виткових замиканнях в обмотках електродвигуна. Відомий спосіб захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань статора (RU, № 2297704 СІ, кл. Н02Н 7/08, опубл. 20.04.2007 p.), що включає вимірювання миттєвих значень струмів і напруг на затискачах електродвигуна, перетворення їх в напругу, пропорційну струму, і в напругу, пропорційну напрузі, здійснюють реєстрацію отриманих сигналів, за допомогою датчика швидкості здійснюють вимірювання ковзання двигуна, визначають миттєві значення струму, напруги і фазу виникнення перехідного процесу, обчислюють наступні миттєві значення струму при вихідних значеннях еквівалентного активного опору та еквівалентної індуктивності електродвигуна, обчислені миттєві значення струму порівнюють з відповідними зареєстрованими значеннями, визначають їх різницю і, в залежності від її величини, змінюють значення еквівалентного активного опору та еквівалентної індуктивності електродвигуна, причому якщо отримана різниця має позитивне значення, то значення еквівалентного активного опору та еквівалентної індуктивності збільшують, а при негативній різниці зменшують. Корекцію параметрів здійснюють до досягнення різницею між обчисленими і зареєстрованими значеннями струму встановленого граничного мінімального значення. Отримані параметри, при вимірюваному значенні ковзання, порівнюють із заданими, і якщо значення еквівалентного активного опору та еквівалентної індуктивності виходять за межі допустимих, то формують сигнал на відключення електродвигуна. Реалізація відомого способу знижує швидкодію захисту, що призводить до високих обсягів пошкоджень електродвигуна, так як збільшує час шкідливої дії виткового замикання. Це обумовлено тим, що відлік часу на відключення йде не від моменту виникнення виткових замикань, а тільки після порівняння обчислених значень еквівалентного активного опору та еквівалентної індуктивності, при вимірюваному ковзанні, з допустимими значеннями. Протягом процесів обчислення та порівняння електродвигун підданий впливу виткових замикань, що значно збільшує обсяг пошкоджень електродвигуна. Слід зазначити, що спосіб не забезпечує захист електродвигуна від виткових замикань, які виникають під час обчислень. Початок обчислювального процесу реагує на будь-який перехідний процес, не обов'язково пов'язаний з витковим замиканням. Якщо перехідний процес, пов'язаний з витковим замиканням малої кількості витків завершиться до закінчення процесу обчислення за попереднім перехідним процесом, то таке виткове замикання для способу залишається не поміченим. На практиці це збільшує час шкідливої дії виткових замикань, що і призводить до високого обсягу пошкоджень для електродвигуна. Крім того, відомий спосіб має низьку чутливість до виткових замикань, обумовлену необхідністю відбудовування від впливу тривалої несиметрії напруги живлення і зміни величини повітряного зазору між ротором і статором. Таким чином, виткове замикання, яке зароджується, з малим числом витків, залишається не поміченим тривалий час, що і збільшує обсяг пошкодження електродвигуна. Високий обсяг пошкоджень електродвигуна обумовлений тим, що контроль еквівалентних величин електродвигуна здійснюють за параметрами першої гармоніки струму, що і знижує чутливість до виткових замикань. Найбільш близьким аналогом пропонованого способу є спосіб захисту від перевантаження асинхронних електродвигунів (SU, № 1436175 А1, кл. Н02Н 7/08, опубл.07.11.1988 p.), що включає вимірювання амплітуди вищих резонансних гармонік струму, порівняння їх із заданими і формування сигналу на відключення електродвигуна у разі, якщо вони тривалий час відрізняються від заданих, причому витримку часу на відключення зменшують при зниженні частоти резонансної гармоніки. Відомий спосіб не забезпечує досягнення необхідного технічного результату з наступних причин. Захист від перевантаження здійснюють по амплітуді вищих резонансних гармонік струму, частота якої жорстко пов'язана зі швидкістю обертання ротора і індуктивністю електродвигуна, яка збільшується при збільшенні навантаження на валу електродвигуна. При збільшенні навантаження на валу електродвигуна, швидкість обертання ротора зменшується, індуктивність двигуна збільшується, що і призводить до зменшення частоти резонансної гармоніки струму. Чим більше навантаження на валу двигуна, тим більше індуктивність електродвигуна, тим менше частота резонансної гармоніки і тим менше витримка часу на відключення електродвигуна. У даному способі вибирають ті резонансні гармоніки струму, які виникають при перевантаженні електродвигунів і частота яких зменшується при збільшенні навантаження на валу двигуна. 1 UA 105420 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вибрані для захисту від перевантаження резонансні гармоніки струму використовувати для захисту від виткових замикань неможливо, тому що умови резонансу при виникненні виткових замикань інші, ніж при перевантаженні електродвигуна. Умовою існування резонансу вищих гармонік струму при перевантаженні є збільшення індуктивності електродвигуна при збільшенні навантаження на валу електродвигуна. Умовою існування резонансу вищих гармонік струму при виткових замиканнях є зменшення індуктивності електродвигуна при збільшенні кількості замкнутих витків. Частота резонансної гармоніки струму при виткових замиканнях збільшується, а при перевантаженні зменшується. Перевантаження і виткове замикання по-різному впливають на резонансні гармоніки струму. Перевантаження електродвигуна зміщує резонансні гармоніки вниз, а виткове замикання вгору, відносно до резонансної гармоніці струму при номінальному режимі роботи електродвигуна. Даний спосіб не помічає виткове замикання, тому що для гармонік струму, вибраних для захисту від перевантаження не виконуються умови резонансу для виткових замикань. Таким чином, відомий спосіб не дозволяє забезпечити захист від виткових замикань, оскільки вибрані для захисту від перевантаження резонансні гармоніки струму пов'язані з індуктивністю електродвигуна, яка збільшується при збільшенні навантаження на валу двигуна, а замикання малого числа витків обмотки статора викликає зменшення індуктивності електродвигуна і зміну умов резонансу для перевантаження. Амплітуди резонансних гармонік, вибраних для захисту від перевантаження зменшуються, так як для них умови резонансу погіршаться. При замиканні великої кількості витків індуктивність електродвигуна ще більше зменшиться і умови резонансу не будуть виконуватися, а амплітуда резонансної гармоніки, вибраної для захисту від перевантаження зменшиться до нуля. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань, в якому за рахунок контролю параметрів вищих резонансних гармонік струму в розширеному діапазоні зміни індуктивності електродвигуна забезпечується можливість виконання умов резонансу для виткових замикань, що призводить до підвищення чутливості захисту до виткових замикань, знижуючи обсяг пошкоджень електродвигуна. Поставлена задача вирішується тим, що в способі захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань, що включає одночасне вимірювання параметрів першої гармоніки струму і вимірювання амплітуди вищих резонансних гармонік струму, формування сигналу на відключення електродвигуна у разі, якщо вони протягом допустимого контрольного часу відрізняються від заданих, згідно з винаходом додатково з вимірюванням амплітуди вищих резонансних гармонік струму вимірюють частоти вищих резонансних гармонік струму, які існують в діапазоні зміни індуктивності електродвигуна від пускового режиму до номінального режиму, контрольний час встановлюють пропорційно кількості замкнутих витків електродвигуна, а сигнал на відключення електродвигуна формують у разі збільшення частоти вищої резонансної гармоніки струму від заданої та досягнення амплітудою заданого значення, протягом встановленого контрольного часу. Суть способу захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведена схема захисту; на фіг. 2 - схема заміщення для однієї фази; на фіг. 3 - залежність витримки часу від кількості W α замкнутих витків; на фіг. 4 - залежність резонансної частоти від кількості W α замкнутих витків; на фіг. 5 - частотно-часова характеристика. На фігурах позначені: 1 - джерело енергії; 2 - магнітний пускач; 3 - асинхронний електродвигун; 4 - трансформатор струму в двох фазах; 5 - блок сполучення; 6 - амплітудночастотний вимірювач; 7 - реєстратор сигналів; 8-9 - вхід схеми; 10 - еквівалентний активний опір r асинхронного електродвигуна; 11 - еквівалентна змінна індуктивність L асинхронного електродвигуна; 12 - еквівалентна ємність С асинхронного електродвигуна; 13 - трансформатор струму в одній фазі типу ТТ; 14-15 - вихід з трансформатора струму; f 1 - частота першої гармоніки струму; fн – нижня частота резонансної гармоніки струму; f в - верхня частота резонансної гармоніки струму; W a - кількість замкнутих витків. Трансформатор 4 струму перетворює струм двигуна в пропорційну йому напругу по всьому частотному діапазону. Блок сполучення 5 перетворює напругу з трансформатора струму до виду, зручного для амплітудно-частотного вимірювача 6. Вимірювач 6 виділяє гармоніки, чутливі до виткових замикань, а реєстратор 7 сигналів запам'ятовує параметри резонансних гармонік струму. Асинхронний електродвигун для джерела енергії являє самоналагоджувальний коливальний контур з послідовно включеними еквівалентної змінної індуктивності (L) 11, еквівалентного активного опору (r) 10, сумарної електричної еквівалентної ємності (С) 12. Індукція магнітного 2 UA 105420 C2 5 10 15 20 25 30 поля в повітряному зазорі асинхронного електродвигуна відрізняється від синусоїди, тому в обмотках електродвигунів виникає нескінченний спектр гармонік струму. Параметри коливального контуру: r - еквівалентний активний опір обмоток двигуна і С - сумарна електрична еквівалентна ємність відносно корпусу електродвигуна шин джерела енергії і обмоток електродвигуна в процесі роботи двигуна залишаються постійними. Еквівалентна індуктивність L обмоток двигуна величина змінна. Зміна еквівалентної індуктивності L призводить до зміни резонансної частоти гармонік струму. Параметри гармонік струму вимірюють трансформатором струму і в перетвореному вигляді подають на вхід амплітудно-частотного вимірювача. Нижня частота fн резонансної гармоніки струму відповідає номінальному режиму електродвигуна і максимальному значенню індуктивності Lmax, при цьому кількість замкнутих витків W α=0. Верхня частота fв резонансної гармоніки струму відповідає пусковому режиму електродвигуна і мінімальному значенню індуктивності Lmin, при цьому замкнені накоротко усі витки обмотки W α=1. Спосіб здійснюють наступним чином. Після підключення електродвигуна 3 до шин джерела 1 енергії за допомогою магнітного пускача 2 електродвигун знаходиться в робочому режимі, а схема захисту - в стані "захист" (фіг. 1). За допомогою трансформатора 4 струму одночасно вимірюють параметри першої гармоніки струму: амплітуду та частоту, і параметри вищих гармонік струму: амплітуду і частоту. Напругу з виходу трансформатора 4 подають на блок сполучення 5, за допомогою якого перетворюють до вигляду, зручного для амплітудно-частотного вимірювача 6. За допомогою вимірювача 6 вибирають гармоніки струму, чутливі до виткових замикань, а за допомогою реєстратора 7 їх запам'ятовують. Чутливими до виткових замикань є гармоніки струму, що знаходяться в резонансі коливального контуру, утвореного елементами конструкції асинхронного електродвигуна. Асинхронний електродвигун для джерела енергії являє самоналагоджувальний коливальний контур з послідовно включеними змінною індуктивністю (L) 11, активним опором (r) 10, і ємністю (С) 12 (фіг. 2). Межі зміни L лежать від мінімального значення індуктивності Lmin при пусковому режимі (при всіх замкнутих накоротко витках обмотки W α=1) до максимального значення індуктивності Lmax, відповідної номінальному режиму роботи електродвигуна (кількість замкнутих витків W α=0). Нижню частоту fн резонансної гармоніки струму, відповідну номінальному режиму електродвигуна (кількість замкнутих витків W α=0), визначають за наступним виразом: fн  35 45 50 55 , 2 L max  C (1) Верхню частоту fв резонансної гармоніки струму, відповідну пусковому електродвигуна (кількість замкнутих витків W =1), визначають за наступним виразом: fв  40 1 1 2 L min  C , режиму (2) Амплітуди вищих резонансних гармонік струму вимірюють трансформатором 13 струму типу ТТ, на його виході 14-15 встановлюють напругу, пропорційну амплітудам виміряних гармонік струму. Попередньо встановлюють контрольний час пропорційно кількості замкнутих витків електродвигуна (фіг. 3). При виникненні виткового замикання зменшується індуктивність L електродвигуна, що призводить до збільшення частоти (фіг. 4) вищої резонансної гармоніки струму. Збільшення частоти вищої резонансної гармоніки струму вимірюють трансформатором 4 струму (фіг. 1). Напругу з трансформатора струму, за допомогою блока сполучення 5, подають на амплітудно-частотний вимірювач 6, за допомогою якого вибирають гармоніки струму, чутливі до виткових замикань. За допомогою реєстратора 7 запам'ятовують параметри резонансних гармонік струму і виконують порівнювання з контрольним часом (фіг. 3). Сигнал на відключення формують у разі збільшення частоти (фіг. 4) вищої резонансної гармоніки струму від заданої та досягнення амплітудою заданого значення, протягом встановленого контрольного часу (фіг. 5). Таким чином, за рахунок контролю параметрів вищих резонансних гармонік струму в розширеному діапазоні зміни індуктивності електродвигуна забезпечується можливість виконання умов резонансу для виткових замикань, що призводить до підвищення чутливості захисту до виткових замикань, знижуючи обсяг пошкоджень електродвигуна. 3 UA 105420 C2 Використання запропонованого способу забезпечує економічний ефект за рахунок зменшення вартості і часу після аварійного ремонту електродвигуна. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб захисту асинхронного електродвигуна від виткових замикань, що включає одночасне вимірювання параметрів першої гармоніки струму і вимірювання амплітуди вищих резонансних гармонік струму, формування сигналу на відключення електродвигуна у разі, якщо вони протягом допустимого контрольного часу відрізняються від заданих, який відрізняється тим, що додатково з вимірюванням амплітуди вищих резонансних гармонік струму вимірюють частоти вищих резонансних гармонік струму, які існують в діапазоні зміни індуктивності електродвигуна від пускового режиму до номінального режиму, контрольний час встановлюють пропорційно кількості замкнутих витків електродвигуна, а сигнал на відключення електродвигуна формують у разі збільшення частоти вищої резонансної гармоніки струму від заданої та досягнення амплітудою заданого значення, протягом встановленого контрольного часу. 4 UA 105420 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5