CC BY
39
Сведения об авторах
Сыркин Владимир Анатольевич - старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Кинель, Российская Федерация). Тел.: 8 (846) 634-63-46. E-mail: sirkin_va@mail.ru.
Васильев Сергей Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Кинель, Российская Федерация). Тел.: 8 (846) 634-63-46. E-mail: si_vasilev@mail.ru.
Машков Сергей Владимирович - кандидат экономических наук, декан инженерного факультета, ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Кинель, Российская Федерация). Тел.: 8 (846) 634-63-46. E-mail:mash_ser@mail.ru.
Фатхутдинов Марат Рафаилевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Кинель, Российская Федерация). Тел.: 8 (846) 634-63-46. E-mail: fathutdinov_mr@mail.ru.
Information about the authors Syrkin Vladimir Anatolievich - senior lecturer of the Electrification and automation of agroindustrial complex department, FSBEI HE «Samara State Agricultural Academy» (Kinel, Russian Federation). Phone: 8 (846) 634-63-46. E-mail: sirkin_va@mail.ru.
Vasilev Sergey Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of Electrification and automation of agroindustrial complex department, FSBEI HE «Samara State Agricultural Academy» (Kinel, Russian Federation). Phone: 8 (846) 634-63-46. E-mail: si_vasilev@mail.ru.
Mashkov Sergey Vladimirovich - Candidate of Economic Sciences, dean of engineering faculty, FSBEI HE «Samara State Agricultural Academy» (Kinel, Russian Federation). Phone: 8 (846) 634-63-46. E-mail: mash_ser@mail.ru.
Fatkhutdinov Marat Rafailevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of Electrification and automation of agroindustrial complex department, FSBEI HE «Samara State Agricultural Academy» (Kinel, Russian Federation). Phone: 8 (846) 634-63-46. E-mail: fathutdinov_mr@mail.ru.
УДК 621.314.11:621.316.925.4
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ © 2018 г. И.В. Юдаее, С.В. Волобуее, А.С. Феклистое
Рассмотрены вопросы повышения эффективности защиты асинхронных двигателей, работающих в электроприводах сельскохозяйственных установок и машин. Несмотря на большое количество существующих и вновь разрабатываемых устройств защиты двигателей, аварийность последних в сельском хозяйстве остается высокой. При этом большинство новых аппаратов защиты проектируются с функционалом микропроцессорной техники, с трудом отвечая требованиям к аппаратам защиты: эффективность, простота конструкции и низкая стоимость. Наиболее подходящими под эти требования устройствами защиты являются тепловые реле, в основу работы и описания принципа действия которых положено физическое моделирование косвенного способа измерения температуры статарной обмотки двигателя. В силу присущих тепловым реле недостатков, они имеют невысокие измерительные и функциональные свойства. Поэтому для улучшения эксплуатационных свойств реле был проведен анализ дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен между элементами в асинхронном двигателе и тепловом реле. Это позволило установить связь параметров реле с протекающим по нему току двигателя и выявить, что необходимо соответствующее изменение тока реле относительно тока двигателя. Для реализации этого способа повышения эффективности защиты асинхронного двигателя тепловым реле было спроектировано устройство защиты, содержащее цифровой нелинейный преобразователь тока с подключенным к нему тепловым реле. Был разработан алгоритм работы устройства и получена функция преобразования выходного тока цифрового нелинейного преобразователя тока, что дало возможность добиться практически полного совпадения время-токовых характеристик теплового реле и асинхронного двигателя, т.е. повысить измерительные и функциональные свойства реле.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, тепловое реле, дифференциальные уравнения, время-токовые характеристики, цифровой нелинейный преобразователь тока.
The questions of increase of efficiency of protection of the asynchronous motors working in electric drives of agricultural installations are considered. Despite the large number of existing and newly developed engine protection devices, their accident rate in agriculture remains high. At the same time, most of the new protection devices are based on microprocessor technology, which hardly meet the requirements for protection devices: efficiency, simplicity of design and low cost. The most suitable for these requirements are protection devices thermal relays, which are based on the physical simulation of indirect way of measuring the temperature of the stator winding of the engine. Due to inherent deficiencies, thermal relays have low measuring and functional properties. Therefore, to improve these properties of the relay, the differential equations describing the heat transfer between the elements in the asynchronous motor and the thermal relay were analyzed. This made it possible to establish a connection between the relay parameters and the motor current flowing through it and to identify that a corresponding change in the relay current relative to the motor current is necessary. To implement this method of improving the protection efficiency of the asynchronous motor thermal relay was developed a protection device containing a digital nonlinear current converter with a thermal relay connected to it. The algorithm of the device operation was developed and the function of converting the output current of a digital nonlinear current converter was obtained. This made it possible to achieve almost complete coincidence of the time-current characteristics of the thermal relay of the asynchronous and the motor, i.e. to increase the functional measurement and properties of the relay.
Keywords: asynchronous motor, thermal relay, differential equations, time-current characteristics, digital nonlinear current converter.
Введение. Сельскохозяйственное производство сегодня не может обойтись без электропривода, основным элементом которого, в большинстве случаев, являются асинхронные электродвигатели. Накопленный опыт эксплуатации последних показал, что ежегодно, вследствие возникновения различных аварийных и ненормальных режимов работы, из строя выходит значительное количество этих двигателей [1]. Поэтому необходимы разработка и принятие мер, направленных на сокращение выхода их из строя.
Одной из таких мер является подбор аппаратов защиты двигателей, которые должны быть максимально эффективными, простыми и дешевыми. Анализ существующих конструкций аппаратов для защиты двигателей показал, что в настоящее время нет универсального устройства защиты, несмотря на то, что самыми совершенными и наиболее перспективными являются микропроцессорные устройства защиты [2-5], но они сложно устроены и дорогие, а самими распространенными, из-за простоты конструкции и низкой стоимости, являются тепловые реле (ТР). Поэтому, именно ТР для защиты асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве следует рассматривать в качестве технических средств, удовлетворяющих заявленным ранее требованиям.
Результаты исследований и их обсуждение. ТР будет эффективным в том случае, когда его
7 7 7 £ £ £
Р
J/
J?
J/
рабочие параметры правильно согласованы с параметрами двигателя. Такое согласование возможно только при максимальном совпадении времени достижения предельно допустимой температуры двигателя и температуры срабатывания ТР.
Асинхронный двигатель (АД), с точки зрения теории нагрева, представляет собой сложную термодинамическую систему, неоднородную по своим тепловым параметрам. Исследование такой системы возможно с помощью составления ее математической модели, которая описывается дифференциальными уравнениями [6].
В основу работы ТР положено физическое моделирование косвенного способа измерения температуры двигателя. Тепловые процессы, протекающие при этом в ТР, состоящем из нагревателя и биметаллической пластинки, также описываются соответствующими дифференциальными уравнениями [6].
Анализ систем дифференциальных уравнений показал, что наиболее подходящим способом согласования параметров АД и ТР является изменение тока реле относительно тока двигателя [7-9].
Для реализации этого способа было разработано «Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току» (патент РФ на ПМ № 183431 [10]), блок-схема которого показана на рисунке 1.
1
5ИГ
if
SJ
/ !
1 - цифровой нелинейный преобразователь тока; 2 - электротепловое реле; 3 - трансформаторы тока; 4 - блок управления; 5 - блок питания; 6 - силовой блок; 7 - входные зажимы; 8 - выходные зажимы; 9 - силовые шины Рисунок 1 - Блок-схема устройства для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току
Разработанное устройство дает возможность получить для конкретного ТР семейство время-токовых характеристик (ВТХ) и работает согласно следующему алгоритму: трансформаторами тока контролируется ток в каждой фазе, и если он попадает в заданный предел 1,05-1нд ^ 1п ^ 1,5-1Нд, то цифровой нелинейный преобразователь тока изменяет выходной ток устройства в соответствии с функцией преобразования выходного тока /р = Щ. Если ток находится за пределами выбранного интервала, то /р = 1$.
Для исследования были выбраны двигатель АИР71В4УЗ и реле РТЛ 100704, ВТХ которых приведены на рисунке 2.
Анализ поведения кривых на рисунке 2 показывает, что при протекании одинакового тока по обмоткам АД и ТР наблюдается значительное расхождение их время-токовых характеристик. Поэтому необходимо изменение тока РТ относительно тока АД. Например, при 5%-й перегрузке по току двигатель достигает предельно допустимой температуры нагрева за 700 с, а
ТР сработает за это же время, но при кратности тока 1,15. Для 10%-й перегрузки время составляет 475 с, при этом кратность тока реле должна составлять 1,187. Анализ для остальных токов перегрузки аналогичен. Зависимость тока реле от тока двигателя приведена на рисунке 3.
Выходная характеристика цифрового нелинейного преобразователя тока была аппроксимирована полиномом третьей степени и получена функция преобразования выходного тока, протекающего по ТР: 1Р(1д)=0,488-(1д)3 - 2,5252-(1д)2 + 4,67131д~ 1,5398. (1)
1,С
800
600
400
200
Рисунок 2 - Время-токовые характеристики двигателя АИР71В4УЗ и теплового реле PTJ1100704
1.5 1,4 1,3 1,2 1,1
1р,о.е.
у =0.488 х3 - 2,5252 К: = x2 + 4,ó7i: ) 996? (х - 1,5398
1,1
1,2
1,3
1,4
1.5
1д,о.е.
Рисунок 3 - Выходная характеристика цифрового нелинейного преобразователя тока в диапазоне ¡а = 1.05 - 1,5
Данная функция преобразования имеет коэффициент детерминации Н2=0,9%2. Затем была проведена компиляция в программе «MPI.ABXIDEv5.05»
с функцией преобразования тока и последующим программированием микроконтроллера (рисунок 4).
221 222
223
224
225
226 227 223
у/***************************************************************************
void Polinom {void) // функция преобразования выходного тока (НПТ)
? Í
Poli = 0.488+pow(Id,3>-2.5252*pow¡Idp2>+4.6713*Id-1.5338;
// где Id - текущеее значение тока двигателя
} // конец функции
//***********************+*+*■**■************+************+*+*■**+**************
Рисунок 4 - Код программы с функцией преобразования тока, записанный на языке программирования «С»
Полученная время-токовая характеристика устройства для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току показана на рисунке 5.
Характер поведения кривых на рисунке 5 показывает, что совместное использование теплового реле
РТЛ100704 и цифрового нелинейного преобразователя тока с выходной характеристикой, соответствующей выражению (1), позволяет добиться практически полного совпадения время-токовых характеристик реле и двигателя.
800 600 400 200 о
с
m ■BTX АД
P .TX TP .TX устр
_ _ _
1,1 1,2 1.3 1.4 1,5 ,
1д,о.е.
Рисунок 5 - Время-токовые характеристики
Выводы. Из всего сказанного следует, что современное сельское хозяйство еще не готово полностью переходить на микропроцессорные устройства защиты из-за их высокой стоимости и нехватки квалифицированного персонала для их обслуживания, поэтому требуется постепенное внедрение цифровых устройств, одним из которых вполне может стать спроектированное устройство для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току, которое объединило в себе всем хорошо известное и проверенное годами эксплуатации тепловое реле и несложные цифровые компоненты, позволяющие в комплексе существенно повысить эффективность защиты двигателя.
Литература
1. Киреева, Э.А. Возможные неисправности асинхронных электродвигателей и их ремонт / Э.А. Киреева // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. - 2008. -№6. -С. 37-41.
2. Heising, C.R. Digital Relay Software Quality / C.R. Heising, R.C. Patterson, E.Y. Weintraub. - General Electric, GER_3660. - Edinburgh, UK, 1989. -14 p.
3. Heising, C.R. Reliability Expectations for Protective Relays. Developments in Power Protection / C.R. Heising, R.C. Patterson // Fourth International Conference in Power Protection, 11-13 Apr., 1989.-Edinburgh, UK, 1989.-P. 23-26.
4. Ward, S. Improving Reliability for Power System Protection / S. Ward, T. Dahlin II 58th Annual Protective Relay Conference, Atlanta, GA, April 28-30, 2004.
5. Gurevich, V. Reliability of microprocessor - based protective devices - revisited / V. Gurevich II Journal of Electrical Engineering. - 2009. - Vol. 60. - № 5. - P. 295-300.
6. Волобуев, С. В. Эффективность зашиты асинхронных электродвигателей тепловыми реле / С.В. Волобуев II Механизация и электрификация с.х. —2011. — № 6. — С. 24-25.
7. Волобуев, С.В. Согласование кривых нагрева и время-токовых характеристик асинхронных двигателей и тепловых реле второго порядка / С.В. Волобуев II Промышленная энергетика. - 2012. - № 6. - С. 30-33.
8. Волобуев, С.В. Дифференциальные уравнения и характеристики нагрева электродвигателей и тепловых реле / С.В. Волобуев, И.Я. Сомов, В В. Мусцевой II Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 2 (26). -С. 215-219.
9. Волобуев, С.В. Поиск совокупности параметров теплового реле, дающей требуемую кривую нагрева / С.В. Волобуев II Научные основы стратегии развития АПК и сельских территорий в условиях ВТО: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ВолГАУ, 28-30 января 2014 г., г. Волгоград. - Волгоград, 2014. - Т. 3. - С. 419-426.
10. Пат. 183431 РФ, МПК Н02Н 5/04. Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току / Волобуев С.В., Феклистов А.С., Юдаев И.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. -№ 2018124407: заявл. 03.07.2018; опубл. 27.09.2018. Бюл. №27.
References
1. Kireeva Je.A. Vozmozhnye neispravnosti asinhron-nyh elektrodvigatelej i ih remont [Possible faults of induction motors and their repair], Elektrooborudovanie: espluatacija i remont, 2008, No 6, pp. 37-41. (In Russian)
2. Heising C.R. Patterson R.C., Weintraub E.Y. Digital Relay Software Quality, General Electric, GER-3660, - Edinburgh, UK, 1989. 14 p.
3. Heising C.R. Patterson R.C. Reliability Expectations for Protective Relays, Developments in Power Protection, Fourth International Conference in Power Protection, 11-13 Apr., 1989, Edinburgh, UK, 1989, pp. 23-26.
4. Ward S., Dahlin T. Improving Reliability for Power System Protection, 58th Annual Protective Relay Conference, Atlanta, GA, April 28-30, 2004.
5. Gurevich V. Reliability of microprocessor - based protective devices - revisited, Jounal of Electrical Engineering, 2009, Vol. 60, No 5, pp. 295-300.
6. Volobuev S.V. Effektivnost' zashhity asinhronnyh elektrodvigatelej teplovymi rele [Efficiency of protection of asynchronous electric motors by thermal relays], Mehanizacija i elek-trifikacija s.h., 2011, No 6, pp. 24-25. (In Russian)
7. Volobuev S.V. Soglasovanie krivyh nagreva i vremja tokovyh harakteristik asinhronnyh dvigatelej i teplovyh rele vtorogo porjadka [Coordination of heating curves and time-current characteristics of asynchronous motors and second-order thermal relays], Promyshlennaja jenergetika, 2012, No 6, pp. 30-33. (In Russian)
8. Volobuev S.V., Somov I.Ja., Muscevoj V.V. Differen-cial'nye uravnenija i harakteristiki nagreva elektrodvigatelej i teplovyh rele [Differential equations and heating characteristics of electric motors and thermal relays], Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie, 2012, No 2 (26), pp. 215-219. (In Russian)
9. Volobuev S.V. Poisk sovokupnosti parametrov tep-lovogo rele, dajushhej trebuemuju krivuju nagreva [Search for a set of parameters of the thermal relay, which gives the required heating curve], Nauchnye osnovy strategii razvitija APK / seiskih territorij v uslovijah VTO: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konfeencii, posvjashhennoj 70-letiju obrazovanija VolGAU, 28-30 janvarja 2014 g, Volgograd, 2014, T. 3, pp. 419-426. (In Russian)
10. Volobuev S.V., Feklistov A.S., Judaev I.V. Ustrojstvo dlja zashhity trehfaznogo elektrodvigatelja ot peregruzki po toku [Device for protection of three-phase electric motor against over-current], pat. 183431 RF, MPK N02N 5/04, zajavitel' i patentoob-ladatel' FGBOU VO Volgogradskij GAU, No 2018124407; zajavl. 03.07.2018; opubl. 27.09.2018, Bjul. No 27. (In Russian)
Сведения об авторах
Юдаев Игорь Викторович - доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и информационно-управляющие системы», заместитель директора по научной работе, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: 8-902-381-83-39. E-mail:etsh1965@mail.ru.
Волобуев Сергей Васильевич - старший преподаватель кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий АПК», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: 8-927-506-40-43. E-mail:sergey-aspir14@yandex.ru.
Феклистов Андрей Сергеевич - ассистент кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: (8442) 41-16-04. E-mail: feklistov_as@mail.ru.
Information about the authors Yudaev Igor Viktorovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Heat power engineering and information control systems department, Deputy Director for scientific work, Azov-Black Sea Engineering Institute - a branch of the FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8-902-381-83-39. E-mail: etsh1965@mail.ru.
Volobuev Sergey Vasilievich - senior lecturer of the Electrotechnology and electrical equipment in the agriculture department, FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: 8-927-506-40-43. E-mail: sergey-aspir14@yandex.ru.
Feklistov Andrey Sergeevich - assistant of the Electrotechnology and electrical equipment in the agriculture department, FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: (8442) 41-16-04. E-mail: feklistov_as@mail.ru.
