Устройство для защиты синхронного двигателя от асинхронного режима

 

Изобретение может быть использовано для защиты синхронных двигателей от асинхронного режима работы. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства защиты и повышении его надежности. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее включенный в одну из фазных цепей обмоток статора трансформатор тока, ко вторичной обмотке которого подключены последовательно соединенные избирательный усилитель, выпрямитель, релейный элемент и исполнительный орган, дополнительно введены пороговый орган, счетчик импульсов, также элемент И. Выявление аварийного асинхронного режима в предлагаемом устройстве производится по двум параметрам: по амплитуде и периодичности биений тока статора синхронного двигателя. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты синхронных двигателей от асинхронного режима работы.

Известно устройство для защиты синхронной электрической машины от асинхронного режима работы (а.с. 1354327, Кл. МКИ H 02 H 7/093, БИ N 43, 1987 г. ), содержащее датчик фиксированной частоты, датчик частоты вращения ротора, два формирователя импульсов, два счетчика импульсов, компаратор (элемент И), счетную декаду, блок сброса счетчиков и дешифратор. В устройстве количество импульсов, попадающих в счетную декаду, равно величине скольжения синхронной машины.

Основными недостатками указанного устройства защиты являются: 1) необходимость установки на валу электрической машины дополнительных приспособлений для определения частоты вращения ротора, что не всегда возможно по техническим причинам; 2) необходимость отстройки от режимов пуска.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами за прототип является устройство для защиты двигателя переменного тока от асинхронного хода по а.с. 1205221, Кл. МКИ H 02 H 7/08, БИ N 2, 1986 г. Устройство содержит последовательно соединенные трансформатор тока, избирательный усилитель, выпрямитель, релейный элемент и исполнительный орган. При выпадении из синхронизма синхронного двигателя в токах статора появляются гармонические составляющие тока с частотой скольжения. Избирательный усилитель имеет полосу пропускания частот 0-10 Гц, что соответствует скольжению синхронного двигателя до 20%. При достижении напряжения на выходе выпрямителя уставки срабатывания релейного элемента исполнительный орган осуществляет сигнализацию об аварии или отключение двигателя.

Недостатками прототипа являются: 1) возможность ложного срабатывания устройства защиты при резкопеременной (ударной) нагрузке, что снижает надежность и сужает область применения устройства защиты; 2) необходимость отстройки от ложных срабатываний при пусковых режимах. Время пуска в зависимости от типа двигателей и способа пуска доходит до нескольких десятков секунд. Поэтому отстройка путем введения временной задержки ухудшает быстродействие защиты, введение иных способов блокировки усложняет схему защиты.

Технический результат предлагаемого изобретения - расширение области применения устройства защиты и повышение его надежности.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее включенный в одну из фазных цепей обмоток статора трансформатор тока, ко вторичной обмотке которого подключены последовательно соединенные избирательный усилитель, выпрямитель и релейный элемент, исполнительный орган, дополнительно введены последовательно соединенные пороговый орган, счетчик импульсов и элемент И, причем вход порогового органа соединен с выходом выпрямителя, выход счетчика импульсов соединен с одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом релейного элемента, выход элемента И соединен со входом исполнительного органа.

Введение порогового органа, счетчика импульсов, элемента И и схема их соединения являются признаками, которые отличают заявляемое решение от прототипа.

Сущность изобретения заключается в том, что с помощью дополнительно введенных элементов и их связей определяется конкретный режим работы синхронного двигателя (пусковой режим, режим работы с резкопеременной нагрузкой или асинхронный режим) и при аварийном асинхронном режиме вырабатывается сигнал на отключение или разгрузку двигателя.

Функциональная схема предлагаемого устройства для однофазного исполнения приведена на фиг. 1, где: 1 - трансформатор тока (ТТ); 2 - избирательный усилитель (Ус); 3 - выпрямитель; 4 - релейный элемент (РЭ); 5 - пороговый орган (ПО);
6 - счетчик импульсов (Сч);
7 - элемент И;
8 - исполнительный орган (ИО).

Трансформатор тока 1 включен в одну из фазных цепей обмоток статора, вторичная обмотка ТТ соединена со входом избирательного усилителя 2. Выход Ус 2 соединен со входом выпрямителя 3. Выход выпрямителя 3 соединен со входами релейного элемента 4 и порогового органа 5, выход которого соединен со входом счетчика импульсов 6. Выход РЭ 4 и выход Сч 6 соединены со входами элемента И 7, выход которого соединен со входом исполнительного органа 8, который при асинхронном режиме отключает защищаемый двигатель.

В качестве избирательного усилителя использован низкочастотный активный фильтр пятого порядка, содержащий 2 операционных усилителя, 5 конденсаторов и 7 резисторов, рассчитанный на частоту среза 10 Гц и собранный по схеме, приведенной, например, в книге Б.К. Нестеренко "Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. - М.: Энергоиздат, 1982 г. на стр. 61, рис. 45. Выпрямитель собран с использованием операционного усилителя, например, по схеме, приведенной в вышеуказанной книге Б.К. Нестеренко на стр. 67, рис. 50 г. Релейный элемент 4 служит для преобразования выпрямленного сигнала с амплитудой выше уставки срабатывания (U_оп) в постоянный сигнал.

Схема репейного элемента (РЭ) приведена на фиг. 2. РЭ 4 содержит интегральный компаратор D1 (521СА2), триггер D2 (К561ТМ2), конденсатор C1, диод V1, транзистор V2, резисторы Rl-R5. Компаратор преобразовывает входной сигнал в прямоугольные импульсы. Часть схемы (фиг. 2), содержащая D2, C1, V1, V2, R3-R5, представляет собой расширитель импульсов, т.е. преобразователь последовательности прямоугольных импульсов в постоянный сигнал. Это происходит за счет того, что триггер сохраняет свое сработанное от входного импульса состояние до прихода следующего импульса. Чтобы триггер не сбросился по входу R при заряде емкости C1, емкость периодически разряжается через транзистор V2 от каждого входного импульса. Время, на которое расширяется входной импульс, определяется постоянной времени T = R3·C1 и должно быть не менее длительности периода входных импульсов.

Пороговый орган 5 служит для преобразования входного синусоидального сигнала амплитудой выше порога срабатывания в прямоугольные импульсы. Он может быть выполнен также на основе интегрального компаратора 521СА2. Схема подобного компаратора приведена в книге Б.К. Нестеренко на стр. 78, рис. 60а.

Счетчик импульсов собран по схеме, приведенной на фиг. 3, где в качестве счетчика D1 используется десятичный счетчик-делитель К561ИЕ8, на тактовый вход C которого подаются импульсы с выхода порогового органа. При появлении на входе C элемента D1 последовательности импульсов на соответствующих выводах появляются единичные импульсы. Например, при количестве входных импульсов N = 3 на выходе Q появляется импульс, который через переключатель S1 (например, типа ВДМ1) для выставления уставок счетчика поступает на триггер D2 (К561ТМ2). Возврат счетчика в исходное положение (сброс) производится сигналом Лог. 1, поступающим на вход R элемента D1 при включении выключателя синхронного двигателя (СД) через блок-контакт (БК) выключателя.

Исполнительный орган служит для управления выключателем двигателя и содержит элемент времени, транзисторный ключ и промежуточное электромагнитное реле, контакты которого используются для подачи тока на соленоид отключения выключателя. Элемент времени может быть выполнен с использованием RC-цепи или интегральных счетчиков серии К561ИЕ, в качестве промежуточного реле может быть использовано реле типа РП-21.

На фиг. 4 приведены временные диаграммы работы устройства защиты при различных режимах работы СД. При нормальном режиме работы СД ток на вторичной обмотке ТТ не содержит периодическую огибающую, поэтому на выходе Ус 2 сигнал отсутствует, в связи с чем РЭ 4, ПО 5, и устройство защиты в целом не срабатывают.

При асинхронном режиме работы СД (фиг. 4а) ток статора СД содержит периодическую огибающую с частотой биений, пропорциональной скольжению ротора СД. В этом режиме на выходе Ус 2 амплитуда сигнала больше величины уставки (U_уст.) и на выходах РЭ 4 и ПО 5 появляются соответственно постоянный и импульсный сигналы. Однако элемент И 7 не срабатывает пока количество импульсов на входе Сч 6 не превышает N_уст. (на фиг. 4 N_уст. = 3). При N_вх>N_уст на выходе Сч 6 появляется единичный сигнал, что вызывает единичный сигнал на выходе элемента И 7 и ИО 8 срабатывает. В режимах пуска (фиг. 4б) и резкопеременной нагрузки (фиг. 4в) количество импульсов на входе Сч 6 меньше уставки, поэтому защита блокируется от ложных срабатываний.

Таким образом в предлагаемом устройстве защиты выявление аварийного асинхронного режима производится по двум параметрам: по амплитуде и периодичности биений тока статора синхронного двигателя.

Выделение режимов пуска и знакопеременной (ударной) нагрузки от аварийного асинхронного режима СД даст возможность отстроиться от излишних срабатываний устройства защиты и отключать двигатель только при аварийном асинхронном режиме. В результате повышается помехоустойчивость и надежность устройства защиты без ухудшения быстродействия и расширяются область применения устройства, что позволяет предлагаемое устройство использовать для защиты двигателей и с постоянной и с резкопеременной нагрузкой.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства защиты заключается:
1) в уменьшении экономического ущерба на ремонт и замену двигателя за счет повышения надежности устройства защиты;
2) в уменьшении экономического ущерба от нарушения технологического процесса за счет исключения излишних отключений двигателя;
3) в унификации устройства защиты, позволяющего защищать различные типы двигателей.

Формула изобретения

Устройство для защиты синхронного двигателя от асинхронного режима, содержащее включенный в одну из фазных цепей обмоток статора трансформатор тока, ко вторичной обмотке которого подключены последовательно соединенные избирательный усилитель, выпрямитель и релейный элемент, исполнительный орган, отличающееся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные пороговый орган, счетчик импульсов и элемент И, причем вход порогового органа соединен с выходом выпрямителя, выход счетчика импульсов соединен с одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом релейного элемента, выход элемента И соединен со входом исполнительного органа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4