Способ защиты трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от затянувшегося пуска

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Технический результат, заключающийся в повышении быстродействия защиты электродвигателя при затянувшемся пуске, достигается путем того, что в способе защиты, основанном на фиксации затухания свободной апериодической составляющей тока статора, сравнении тока статора с заданным значением, выделении периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, сравнении указанной периодической составляющей с пороговым значением и действии на отключение электродвигателя при непревышении указанной периодической составляющей в течение заданного времени порогового значения, дополнительно производят сравнение текущей частоты периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, с пороговым значением, а сигнал на отключение электродвигателя подают, если текущая частота этой составляющей в течение заданного времени не превышает порогового значения. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем - электродвигатель) и может быть использовано на электрических станциях, а также на промышленных предприятиях для защиты электродвигателей от повреждений в результате перегрузок по току при затянувшемся пуске.

Известен способ защиты электродвигателей от затянувшегося пуска, заключающийся в том, что при пуске фиксируется продолжительность времени, в течение которого интегральное (действующее или средневыпрямленное и др. ) значение тока статора превышает заданный уровень /1/. Решение о необходимости отключения электродвигателя от питающей сети принимается, если указанная продолжительность превышает длительность успешного пуска в его наихудших условиях, определяемых напряжением на зажимах обмотки статора и нагрузкой приводимого во вращение механизма.

Недостатком этого способа является большая выдержка времени отключения защищаемого электродвигателя при затянувшемся пуске. Защитное устройство мощного электродвигателя при этом срабатывает по факту превышения тока статора и длительности существования этого превышения в течение 20-30 с. Это приводит к перегреву обмоток электродвигателя, а следовательно, к интенсивному старению изоляции машины.

Наиболее близким к предлагаемому является способ защиты электродвигателя от перегрузки и сверхтока, описанный в /2/. Согласно этому способу фиксируют затухание свободной апериодической составляющей тока статора, выделяют периодическую составляющую тока статора, вызванную свободной апериодической составляющей тока ротора, как разность положительных и отрицательных полуволн тока статора, сравнивают полученную разность с заданным значением и при недостижении указанной разностью заданного значения на интервале времени, равном периоду минимально возможной частоты вращения ротора после затухания апериодической составляющей тока статора, отключают электродвигатель с ускорением до истечения допустимого времени нормального пуска, а при достижении этой разностью токов заданного уровня в указанном интервале времени запрещают срабатывание защиты с ускорением.

Указанный способ обеспечивает эффективную защиту электродвигателя при несостоявшемся пуске, т. е. при отсутствии вращения ротора. Однако в эксплуатации имеет место затянувшийся пуск, при котором ротор электродвигателя разворачивается с недостаточным ускорением. При таком пуске разность полуволн тока статора достигает заданного уровня, запрещая ускоренное срабатывание защиты. Электродвигатель отключается защитой от перегрузки, отстроенной по времени от продолжительности нормального пуска. В результате обмотки статора и ротора получают значительный перегрев.

Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение быстродействия защиты электродвигателей при затянувшемся пуске.

Поставленная задача решается тем, что в способе защиты асинхронного электродвигателя от перегрузки и сверхтока, основанном на фиксации затухания свободной апериодической составляющей тока статора, сравнении тока статора с заданным значением, выделении периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, сравнении указанной периодической составляющей с пороговым значением и действии на отключение электродвигателя при непревышении указанной периодической составляющей в течение заданного времени порогового значения, дополнительно производят сравнение текущей частоты периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, с пороговым значением, а сигнал на отключение электродвигателя подают, если текущая частота этой составляющей в течение заданного времени не превышает порогового значения.

На чертеже представлена функциональная схема устройства от затянувшегося пуска электродвигателя.

Устройство состоит из преобразователя тока 1, масштабирующего усилителя 2, формирователя модуля тока статора 3, фильтра нижних частот 4, пороговых органов 5 и 6, реле частоты 7, элемента "ЗАПРЕТ" 8, логической схемы совпадения "И" 9, элемента времени с выдержкой на срабатывание 10 и выходного органа 11.

Предложенный способ основан на следующих теоретических положениях. При включении электродвигателя с неподвижным ротором на напряжение питающей сети в токе статора возникают 3 составляющие: - принужденная периодическая составляющая, действующее значение которой в первом приближении равно I_П.S = K_П.ТI_{HOM S}, где К_П.Т - кратность пускового тока статора; I_{HOM S} - номинальный ток статора; - быстрозатухающая апериодическая составляющая тока статора i_a1 = I_a.0,1•, где I_a.0,1 - начальное значение составляющей (в пределе равно T_a1 - постоянная времени затухания составляющей (не превышает 0,05 с); - медленно затухающая апериодическая составляющая тока статора
i_a2 = I_a,02•,
где I_a,02 - начальное значение составляющей (достигает )
T_a2 - постоянная времени затухания составляющей (составляет 0,5-3 с в зависимости от номинальной мощности электродвигателя).

Если ротор электродвигателя не вращается (несостоявшийся пуск), то в токе статора имеют место только эти три составляющие.

В случае успешного и затянувшегося пуска электродвигателя его ротор вращается и в токе статора появляется четвертая составляющая - периодическая составляющая тока статора, наведенная свободным апериодическим током ротора. Эта составляющая далее обозначается как МЗС.

Текущая частота колебаний МЗС связана с угловой скоростью вращения ротора практически линейной зависимостью
f_МЗС≈kω_p,
где ω_p - угловая частота вращения ротора, 1/с;
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа пар полюсов статора p.

Продолжительность полупериода колебаний МЗС составляет

Для мощных электродвигателей привода главных циркуляционных насосов атомных электростанций значение Т_П.П находится в пределах 1-3 с.

Прямая пропорциональная зависимость между угловой частотой вращения ротора электродвигателя и частотой колебаний МЗС объясняет возможность распознавания режимов успешного и затянувшегося пусков. Можно сформулировать признак затянувшегося пуска в следующем виде: пуск затягивается, если в течение заданного времени с момента включения электродвигателя частота МЗС не достигает значения, определяемого наихудшими условиями успешного пуска.

Предлагаемый способ может быть реализован устройством, функциональная схема которого изображена на чертеже.

Устройство работает следующим образом.

При успешном пуске электродвигателя на выходе формирователя модуля тока статора 3 существует сигнал, превышающий уровень срабатывания I_y1 порогового органа 5. Последний, сработав, запускает элемент времени 10. Фильтр нижних частот 4 выделяет МЗС, амплитудные значения которой I_m,мз сравниваются с пороговым значением I_у2 элементом 6. Орган 7 осуществляет сравнение частоты колебаний МЗС f_mз с уставкой f_y.

Выдержка времени элемента 10 выбирается такой, чтобы до ее истечения были выполнены два условия

где I_{m мз} - амплитуда МЗС;
f_мз - текущая частота МЗС;
I_y6, f_y7 - пороговые значения срабатывания органов 6 и 7 соответственно.

При выполнении этих условий на выходе логической схемы совпадения "И" 9 появляется логическая единица. Вследствие этого на выходе элемента "ЗАПРЕТ" 8 сигнал принимает нулевое значение, что вызывает возврат элемента времени 10 и, соответственно, несрабатывание выходного органа 11.

В случае затянувшегося пуска модуль тока статора получается практически таким же, как и при успешном пуске. Пороговый орган 5 срабатывает и запускает элемент времени 10. Фильтр нижних частот 4 выделяет МЗС, амплитуды и частота которой сравниваются с заданными значениями пороговым органом 6 и реле частоты 7. Однако условия (1) до момента срабатывания элемента времени 10 не выполняются. Выходной орган 11 срабатывает и отключает электродвигатель.

Теоретически возможно неправильное срабатывание защиты в режиме самозапуска электродвигателя при наличии на нем остаточного несинхронного напряжения. Отстройку от указанного режима можно обеспечить, например, путем применения технического решения по /3/.

При коротких замыканиях в обмотке статора и при несостоявшемся пуске электродвигателя до момента срабатывания элемента времени 10 не выполняется условие (1) и электродвигатель отключается от питающей сети.

Преимуществом предлагаемого способа и устройства является исключение перегревов обмоток статора и ротора при затянувшемся пуске электродвигателя.

Источники информации
1. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ/В. И. Корогодский, С. Л. Кужеков, Л. Б. Паперно. - М. : Энергоатомиздат, 1987. -248 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 1319132, кл. H 02 H 3/08, 7/085 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР N 1513566, кл. H 02 H 7/08.

Формула изобретения

Способ защиты трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от затянувшегося пуска, основанный на фиксации затухания свободной апериодической составляющей тока статора, сравнении тока статора с заданным значением, выделении периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, сравнении указанной периодической составляющей с пороговым значением и действии на отключение электродвигателя при непревышении указанной периодической составляющей в течение заданного времени порогового значения, отличающийся тем, что дополнительно производят сравнение текущей частоты периодической составляющей тока статора, вызванной свободной апериодической составляющей тока ротора, с пороговым значением, а сигнал на отключение электродвигателя подают, если текущая частота этой составляющей в течение заданного времени не превышает порогового значения.

РИСУНКИ

Рисунок 1