CC BY
1УДК 620.9 Киргинцев С.И., Петровский С.В.
Киргинцев С.И.
Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
Научный руководитель: Петровский С.В.
к.т.н., доцент
Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЫ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ
Аннотация: целью работы является исследование доступных на данный момент решений в области защиты асинхронных двигателей, а также разработка собственной микропроцессорной релейной защиты асинхронного двигателя, используемого в металлообработке.
Ключевые слова: микропроцессор, релейная защита, асинхронные двигатели, уставка, автоматика.
1. ВВЕДЕНИЕ.
Асинхронные двигатели широко применяются в металлообрабатывающей промышленности благодаря своей надежности, простоте в обслуживании и эффективности. Приведем пример таких областей применения:
прокатные станы: в металлургической промышленности асинхронные двигатели приводят в движение многие устройства прокатных станов, используемых для обработки металлических листов и полос,
приводы ленточных конвейеров: двигатели используются для привода ленточных конвейеров, перемещающих металлические заготовки и полуфабрикаты по производственным линиям,
электроприводы для станков: асинхронные двигатели применяются в электроприводах различных станков, таких как токарные, фрезерные и шлифовальные, обеспечивая высокую производительность и точность обработки металла.
Следует понимать, что асинхронные двигатели могут подвергаться различным повреждениям и замыканиям в процессе эксплуатации, что требует применения соответствующей защиты для предотвращения серьезных поломок. Вот несколько типичных повреждений и замыканий, которые могут происходить в асинхронных двигателях: перегрев, перегрузка, потеря фазы (фаз), межвитковые замыкания и так далее, о чем подробнее будет рассказано в дальнейшей работе. Все это может привести не только к браку в производстве, но и полной остановки рабочего процесса, производимого на оборудовании, связанным с этим двигателем вследствие его повреждения, а также невозможности ремонта двигателя и необходимости дорогостоящей замены е, а также вынужденному простою. Все это выливается в большую трату денежных средств. Чтобы этого избежать, рекомендуется применять защитные устройства двигателей, в частности релейную защиту.
В связи с этим можно выделить ряд проблем:
Необходимость разработки универсального устройства защиты, сочетающее в себе алгоритмы всех необходимых защит.
Необходимость внедрения предиктивной автоматики, для преждевременной диагностики двигателя.
Возможность сделать защиту дешевой, но в то же время сочетающей в себе возможность применения систем АСУ и мониторинга двигателей.
2. ПРИМЕНЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Максимальная токовая защита в фазах является трехфазной. Она запускается, когда один, два или три тока достигают порога срабатывания.
В устройстве должно быть предусмотрено три ступени максимально токовой защиты:
1) 1 ступень - работает как с выдержкой времени, так и без нее. По своей сути является токовой отсечкой,
2) 2 ступень - работает с независимой от тока выдержкой времени с возможностью пуска по напряжению,
3) 3 ступень - работает с независимой или зависимой от тока выдержкой времени. Выполняет роль защиты от перегрузки.
МТЗ 1 ступени предназначена для защиты от междуфазных коротких замыканий. Ввод в работу МТЗ-1 производится программным ключом К1. МТЗ-1 работает только в том случае, если действующее значение фазного тока будет превышать заданную уставку. И с выдержкой времени 7,ср1ст, или без нее, если задано Тср1ст = 0, формирует сигнал на отключение независимого расцепителя и аварийную сигнализацию.
Использование ненулевой выдержки времени Тср1ст 0,1 с) токовой отсечки может потребоваться для лучшей отстройки от бросков тока при внешних КЗ и при пуске (самозапуске) двигателя.
МТЗ 2 ступени предназначена для защиты от междуфазных коротких замыканий и резервирования действия остальных защит этого устройства.
Ввод в работу МТЗ-2 производится программным переключателем МТЗ-2 работает только в том случае, если действующее значение фазного тока будет превышать заданную уставку. И с выдержкой времени Тср)-2сг формирует сигнал на отключение независимого расцепителя и аварийную сигнализацию.
Также необходимо предусмотреть ввод ускорения второй ступени МТЗ, ускорение МТЗ-2 можно ввести ключом К2. Ускорение МТЗ-2 необходимо для быстрого отключения двигателя от сети при включении его на КЗ. Время
ускорения составляет 1 секунду после того, как запустили двигатель. Ускорение может работать как с выдержкой времени ТУМТЗ, так и без нее, если ГУМТЗ = 0, оно действует на отключение двигателя от сети и аварийную сигнализацию.
3. ПРЕДИКТИВНАЯ АВТОМАТИКА.
В качестве такого датчика, предлагаю использовать датчик со встроенным акселерометром. Датчик вибрации с акселерометром представляет собой устройство, способное измерять ускорение вибраций в определенных направлениях. Акселерометр измеряет изменение скорости (ускорение) оборудования в ответ на воздействие вибрации. Вот может быть устроен датчик вибрации с акселерометром:
Акселерометр. В своей разработке предлагаю использовать MEMS-акселерометр, его преимуществами является компактность и низкое энергопотребление часто используются в датчиках вибрации благодаря своей компактности и низкому энергопотреблению.
Чувствительный элемент. В основе акселерометра находится чувствительный элемент, который может быть частью MEMS-технологии. Чаще всего это микромеханический элемент, реагирующий на ускорение вибраций и генерирующий электрический сигнал.
Преобразователь. Сигнал, сгенерированный чувствительным элементом, преобразуется в электрический сигнал, который может быть интерпретирован и обработан электронной частью датчика.
Логический процессор. Электроника, встроенная в датчик вибрации обрабатывает сигнал от акселерометра. Это может включать в себя усиление сигнала, фильтрацию шумов, а также анализ частотной составляющей вибрации.
Интерфейс. Датчики вибрации с акселерометрами обычно оборудованы интерфейсами для подключения к системам мониторинга, контроллерам или релейной защите. Это может быть стандартный аналоговый сигнал (например, 420 мА), цифровой сигнал (например, по протоколу Modbus) или другие. В нашем случае предлагаю использовать для связи с устройством защиты кабель FTP cat 5e и RJ-45 порт, установленный, как и в датчик, так и в устройство защиты.
Обмен данными между устройствами будет происходить по протоколу передачи данных Modbus RTU.
Монтаж. Датчики вибрации, естественно, необходимо устанавливать на двигатель. Считаю самым удобным типом крепления - внешний магнит, который должен располагаться на тыльной стороне датчика, это позволит закрепить датчик практически в любой точке корпуса двигателя. Если разобрать другие варианты, то вариант с внешней струбциной не совсем надежен, и не на каждый корпус можно закрепить такой тип датчика.
Источник питания. Проблему питания предлагаю решить аналогично проблеме связи с устройством защиты, а именно задействовать одну пару жил кабеля. Напряжения 12 вольт достаточно для питания датчика.
Внешний вид датчика представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Графическое представление разрабатываемого датчика.
4. ВЫВОДЫ.
В существующий период времени наблюдается тенденция перехода на микропроцессорные устройства релейной защиты, в том числе и на двигателях, применяемых в металлообработке. Тем не менее, двигатели продолжают выходить из строя, а их ремонт или полная замена весьма затратные по ресурсам и несут собой потери в связи с простоем оборудования. Применение комплекса
релейной защиты и предиктивной автоматики для раннего выявления проблем с двигателем может стать решением этой проблемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Букреев, И.Н., Горячев, В.И., Мансуров, Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств: учебник.: Радио и связь, Издание 3-е, перераб. и доп., 1990. 416 с;
2. Руководящие указания по релейной защите. Вып.13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчеты. М.: Энергоатомиздат, 1985, -96 с;
3. Микропроцессорное устройство защиты «Сириус-Т». Руководство по эксплуатации. М.: ЗАО «РАДИУС Автоматика», 2010;
4. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с. Kirgintsev S.I., Petrovsky S. V.
Kirgintsev S.I.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
Scientific advisor: Petrovsky S.V.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
DEVELOPMENT OF MICROPROCESSOR RELAY PROTECTION FOR ASYNCHRONOUS MOTORS OF METALWORKING MACHINES
Abstract: the purpose of the work is to study currently available solutions in the field of asynchronous motor protection, as well as to develop its own microprocessor relay protection of an asynchronous motor used in metalworking.
Keywords: microprocessor, relay protection, asynchronous motors, setpoint, automation.
