Защита асинхронных электродвигателей от токов перегрузки с непосредственным контролем температуры обмотки в момент пуска Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Електротехшка. Радютехшка

УДК 621.316.91: 621.316.573

к.т.н. Середа О. Г.

(НТУ «ХП1», м. Харше, Украгна, e-mail: [email protected])

ЗАХИСТ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУН1В В1Д СТРУМ1В ПЕРЕВАНТАЖЕННЯ З БЕЗПОСЕРЕДН1М КОНТРОЛЕМ ТЕМПЕРАТУРИ

ОБМОТКИ В МОМЕНТ ПУСКУ

Доведена необх1дтсть безпосереднього контролю температуры обмотки асинхронных електродеигуте. Шляхом анал1зу екстремальних значень миттееог потужност1 що спожиеаеться електродеигуном е початкоеий момент часу тсля пуску, зд1йснюеться контроль над темпера-турним режимом електродеигуте, що працюють е поеторно-короткочасному режим1. Надано теоретичне обгрунтуеання можлиеост1 отримання тформацп про параметри електричного кола е перех1дному режимi змти струму збурення, зокрема еизначення температури асинхрон-них електродеигуте шляхом контролю за змiною актиеного опору обмотки. Розроблено алгоритм функщонуеання мтропроцесорного пристрою захисту асинхронних електродеигуте, що працюють е поеторно-короткочасному режимi, еiд неприпустимого перегрiеу обмоток.

Ключоеi слова: асинхронний електродеигун, мтропроцесорний пристрт захисту.

Постановка проблеми. Системи елект-ропостачання пщземних прничих машин будуються за принципом передачi елект-роенерги по кабелях вщ вибухозахищених комплектних розподшьчих пристро!в (КРП) центрально! пщземно! пщстанци до комплектних трансформаторних пщстан-цш (КТП), що перетворюють напругу 6 (10) кВ в напругу 380, 660 або 1140 В з по-дальшим розподшом електроенерги через апарати керування й захисту на електро-двигуни (ЕД) прничих машин. При цьому допускасться пщключення до одного КРП не бшьше трьох технолопчно зв'язаних пересувних пщстанцш або трансформато-рiв однаково! потужносп за умови забез-печення високо! чутливостi максимального струмового захисту, що надзвичайно ускладнюе систему пщземного електропо-стачання шахт [1]. Одним з напрямiв вдос-коналення вибухозахищених КТП е пщ-вищення !х функцiональних можливостей в частинi систем захисту на сторош низь-ко! напруги. Це вимагае створення конс-трукцiй, що мiстять в собi пристро! захис-ту приеднань для живлення й керування роботою ЕД прничих машин [2].

При змшному тривалому режимi роботи деякi робочi органи та механiзми створю-

ють навантаження, що змiнюеться у великих межах, наприклад, в машинах для дро-блення. Перюдичш перевантаження ЕД супроводжуються недовантаженнями аж до холостого ходу. Окреме короткочасне збшьшення струму не призводить до не-безпечного зростання температури. Проте, якщо надструми повторюються, дiя тд-вищено! температури на iзоляцiю ЕД шви-дко накопичуеться. Процес на^вання ЕД при змiнному навантаженнi вiдрiзняеться вiд процесу нагрiвання при постшному або слабо вираженому змiнному навантаженш. При коливаннях навантаження ЕД постш-но перебувае в перехiдному процеа. Про-тiкання перехiдних теплових процеав при змiнному навантаженнi — явище складне й не завжди пщдаеться розрахунку. Тому температуру обмоток ЕД не можливо ощ-нити за струмом, що протжае в даний момент часу. З огляду на те, що окремi час-тини ЕД на^ваються по-рiзному, всере-динi ЕД вiдбуваеться передача теплоти з одше! частини в шш1 Пiсля вiдключення ЕД температура обмоток статора може зростати за рахунок теплоти, що надхо-дить вщ ротора. Таким чином, величина

© Середа О. Г., 2014

ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)

Електротехшка. Радютехшка

струму не вщображае стутнь на^ву iзо-ляци. Слщ врахувати, що в деяких режимах ротор буде на^ватися бшьш штенси-вно, а охолоджуватися менш iнтенсивно, нiж статор. Складнiсть процеав теплооб-мiну ускладнюе контроль на^ву ЕД. По-вторно-короткочасний режим роботи е найбiльш несприятливим з точки зору дп захисту. Перiодичне вмикання в роботу передбачае короткочасне перевантаження ЕД. При цьому величина перевантаження повинна бути обмежена за умови на^ву обмоток не вище допустимого значення. Захист, що стежить за температурою на-^ву обмотки, повинен отримувати вщпо-вщний сигнал. Оскшьки в перехiдних режимах струм i температура можуть не вщ-повiдати один одному, то захист, дiя яко'1 базуеться на вимiрюваннi струму, не може виконувати сво'1 функци належним чином.

Перюдичний перегрiв обмотки скоро-чуе термш служби iзоляцii. Саме вщ вели-чини перевищення температури iзоляцii обмоток залежить термiн служби iзоляцii та ЕД в цiлому. Переев на кожнi 8^10 оС понад допустимого скорочуе термш служби iзоляцii в 2 рази (правило «восьми гра-дуав» Монтзiгера) [3]. Згщно з останнiми дослiдженнями, тривала робота двигуна зi струмовим перевантаженням всього на 5% вщ номшального скорочуе термiн його служби в 10 разiв [4]. Таким чином, контроль температури обмотки е важливим за-собом забезпечення тривалого термшу служби електродвигушв.

Анал1з досл1джень 1 публжацш. Вщо-мi способи захисту асинхронних електродвигушв вщ струмiв перевантаження II, в яких захисна часострумова характеристика формуеться з використанням так звано'1' «штегрально'1» уставки QL:

QL = ^ , (1)

де Iph — середньоквадратичне (дiюче)

значення фазного струму, ^ — час спра-цьовування захисту при струмi переванта-ження.

При crpyMi перевантаження iнтегральна уставка забезпечуе зворотну залежнiсть

tL = f (iph) часу tL вiд квадрата величини

фазного струму Iph. Якщо термiчне наван-таження на ЕД, що захищасться, переви-щить Ql i вiдбyдеться спрацьовування за-хисту, то алгоритм роботи захисного пристрою передбачае витримку часу повторного вмикання tr. Величина tr вибираеться за умови охолодження ЕД до регламенто-вано'1 [5] температури. Це дозволяе здшс-нювати хоча б непрямий контроль над те-мпературним режимом ЕД, що е незапере-чною перевагою застосування штегрально'1 захисно! характеристики з уставкою Ql . Водночас, зазначенi властивостi захисно! характеристики негативно впливають на ефективнiсть роботи технологiчного обла-днання, що працюе в повторно-короткочасному режимг 1нтегральна уставка ЕД, що працюе в складi вказаного об-ладнання, yповiльнюе роботу останнього i знижуе його продуктивнють. Тому, в захи-сних пристроях вщ стрyмiв перевантажен-ня ЕД, призначених для роботи в повтор-но-короткочасному режиму передовi елек-тротехнiчнi компани виключають штегра-льнi уставки, замiнюючи 1'х часовими. Ча-сова уставка знижуе час iснyвання перевантаження, й тим самим дозволяе швидше провести повторне вмикання ЕД.

Прикладом захисного пристрою ЕД вщ стрyмiв перевантаження е реле TeSys LR97D i LT47 фiрми «Schneider electric» [6]. Ц реле розробленi для забезпечення захисту саме в повторно-короткочасному режимi роботи ЕД з пщвищеним моментом навантаження при блокуванш ротора або зникненнi фази, при затяжному пуску зi зростаючим моментом або частих вми-каннях механiзмiв, що мають велику шер-цiю та високу ймовiрнiсть заклинювання в сталому режимi, таких механiзмiв як кон-веери, дробарки та змшувач^ вентилято-ри, насоси та компресори, центрифуги й сушарки, преси, пщйомники, оброблюва-льнi верстати тощо. Серед захисних функ-

ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)

Електротехшка. Радютехшка

цш реле LR97D i LT47 вщзначають швид-ке виявлення перевантаження в nopiB^HHi з пристроями теплового захисту на основi штегрально'1 уставки QL.

Поряд з перевагами способу захисту вщ перевантажень ЕД без використання шер-цшних iнтегральних уставок, слiд вщзна-чити i недолiки. Основним недолшом е вiдсутнiсть контролю рiвня термiчного на-вантаження, якого зазнають ЕД не осна-щенi термiсторами. У випадку агресивного режиму частих пусюв без зниження наван-таження на технолопчне обладнання на-грiв обмотки ЕД може перевищити допус-тимий рiвень. Нагадаемо, що в повторно-короткочасному режимi значному нагр> ванню пiддаеться не весь ЕД в цшому, а лише його обмотки, зокрема, ix iзоляцiя.

1снуе декшька теxнiчниx рiшень опосе-редкованого контролю за температурою обмотки ЕД.

Електроннi реле E16DU-E1250DU перевантаження фiрми «ABB» [7] моделюють термiчнi характеристики поведшки ЕД. При частих пусках виршальне значення мае не номiнальний, а бшьш високий пус-ковий струм ЕД, а також пускова частота — час пуску й вимикання. При кожному пуску вщбуваеться надзвичайно сильне на^вання ЕД, але за короткий час. При цьому температура може перевищити до-пустиму межу. Щоб уникнути виведення двигуна з експлуатацп його слщ зупинити. Спрацьовування реле перевантаження вщ-буваеться, якщо температура перевищить максимально допустиме значення. Алгоритм спрацьовування реле визначае допус-тиму тривалють пуску ЕД, коли в результат тривалого пуску або частих пусюв се-редне ефективне значення струму досягае значення номшального. Термiсторнi реле типу CM-MSE, CM-MSS i CM-MSN фiрми «ABB» контролюють температурний режим ЕД, оснащених температурним датчиком з позитивним температурним кое-фiцiентом опору (термютором). Вбудованi в обмотки ЕД термютори вимiрюють сту-пiнь на^вання двигуна, що дозволяе кон-

тролювати рiзнi експлуатацiйнi умови: переев внаслiдок недостатнього охоло-дження, важкий пуск, част вмикання та вимикання, однофазний режим роботи, гальмування, асиметрш фаз. При названы навiть одного термiстора понад встановлену межу вихщне реле вiдключае ЕД вщ мережi.

Система захисту Moeller ZEV [8] та електроннi реле перевантаження Siemens Sirius 3RB20/21 [9] пщходять для найбiльш важких умов пуску ЕД. Клас спрацьовування налаштовуеться й дозволяе надшно захистити двигун з часом розгону до 40 секунд. Наростання струму рееструеться вбудованим трансформатором струму й обробляеться вщповщною електрошкою, яка потм видае iмпульс на допомiжнi ви-микачi. Замикання на землю виявляеться завдяки зовшшшм трансформаторам вито-ку. Можливiсть об'еднання термiсторниx датчиюв в едину систему дозволяе забез-печити повний захист двигуна. Термютор-нi реле захисту Moeller EMT6 та Siemens Sirius 3RB22/23 мають необхщш характеристики для взаемоди з термiсторами при затяжних пусках або зупинках ЕД.

Спiльним недолгом перерахованих теxнiчниx рiшень теплового захисту ЕД е обмеженють ix застосування. Реле перева-нтаження з контролем температури за до-помогою термiсторiв можуть застосовува-тися тiльки для захисту ЕД, в обмотки яких вбудоваш термютори. Бшьш ушвер-сальним буде безпосереднш контроль за перевищенням температури обмотки ЕД при перевантаженш не за допомогою ви-мiрювання опору термiсторiв [10, 11], яю ще потрiбно вмонтувати в обмотку, а за допомогою вимiрювання ступеня збшь-шення активного опору Rm само'1' обмотки ЕД. Тобто коли в якост датчика темпера-тури використовуеться сама обмотка ЕД.

В техшчному рiшеннi [12] вимiрювання опору Rm з метою визначення температури обмотки ЕД здшснюеться спецiальним пристроем, який пщключаеться до обмотки перед ii вмиканням. Для пiдключення вузла вимiрювання Rm та його вщключен-

ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)

Електротехшка. Радютехшка

ня перед пуском ЕД, використовуеться промiжне реле, контакти якого з'еднують цей вузол з колом живлення ЕД. Такий споаб вимiрювання опору Rm, який вима-гае введення додаткового обладнання з промiжним реле, обумовлюе пiдвищенi габарити й вартiсть захисного пристрою та знижуе надшнють його роботи. Крiм того, при використаннi описаного способу вим> рювання Rm при захисп ЕД, що працюють в повторно-короткочасному режиму зни-жуеться динамiчнiсть роботи технолопч-ного обладнання. Перед черговим пуском ЕД необхiдно здiйснювати вс описанi ви-ще операци тдключення, вимiрювання та вiдключення вузла вимiру Rm.

З урахуванням викладеного, уявляеться доцiльним розробити таке технiчне ршен-ня визначення Rm з метою контролю тем-ператури обмотки ЕД, в якому розрахунок Rm проводиться без додаткових вузлiв ви-мiру, а тiльки за рахунок аналiзу стввщ-ношення активно'].' та реактивно'].' потужно-стей, що споживаються ЕД при пуску. Контроль температури обмотки ЕД шляхом аналiзу екстремальних значень миттево'1' потужностi дозволяе спростити функцiо-нальний склад пристрою захисту тим самим знизивши фiнансовi витрати на його виготовлення, тому що не потрiбнi додат-ковi вузли вимiрювання Rm й пристро'1' ке-рування ними, а також забезпечити дина-мiчнiсть роботи як самих ЕД, так i техно-логiчного устаткування, що працюють в умовах повторно-короткочасного режиму, за рахунок того, що вимiр температури обмотки ЕД здшснюеться дуже швидко, за час, що не перевищуе 10 мс.

Формулювання мети. Теоретичне об-грунтування, розробка та реашзацп у ви-глядi алгоритму функцiонування мшро-процесорного пристрою способу захисту асинхронних ЕД вiд струмiв переванта-ження з безпосереднiм контролем температури обмотки в момент пуску, в якому визначення активного опору й подальшого розрахунку температури обмотки ЕД здш-снюеться при кожному пуску.

Матер1али дослщження. Контроль над температурним режимом обмоток ЕД про-понусться проводити в перехщному режи-мi збурення електричного кола (пуск ЕД) за дискретними значенням фазних струмiв

ija , ijb , ijc ( ij(a,b,c)) та напруг u ja , u jb ,

Ujc ( Uj(a,b,c) ). Можливiсть такого контролю заснована на аналiзi характеру змши в часi миттевих значень сумарних активно' p^it) та реактивно'1 q^it) потужностей трифазного кола в перший перюд Т1 вини-кнення збурення, а саме за стввщношен-ням екстремальних значень pmax залежнос-тi p^it ) та qmax залежностi q^it ) в перех> дному режимi змiни пускового струму. Аналiзу, по суп, пiддаеться залежнiсть су-ми добутюв дискретних значень фазних струму ij (ab^ ) на дискретш значення фазних напруг Uj (abc), вщповщно.

Дослiджувалась поведшка в часi митте-

вих значень Pja , Pjb , Pjc ( Pj(a,b,c) ) акти-вно"1 та qja , qjb , qjc ( qj(a,b,c)) реактивно] потужностей в перехiдному режимi пуску ЕД при рiзних значеннях електромагштно'' постшно'' часу т електричного кола. За до-помогою математичного моделювання процесу пуску ЕД отримаш часовi залеж-ност миттевих активно' p^it ) та реактивно'].' q^it ) потужностей вах трьох фаз:

)= Pa (t)+ Pb (t)+ Pc (t), (2)

q^t )=qa it )+ qb it )+ qc it ), (3)

де Pa (t) = ia (t)ua (t^ Pb (t) = ib (t)ub (t^ pc (t) = ic (t)uc (t) — миттевi значення ак-

тивних потужностей, що споживаються

ЕД в фазах а, b, с, вiдповiдно;

qa (t) = ia (t)Ua (t ~ T/4);

qb (t) = ib (t)Ub (t - Tj4);

qc (t) = ic (t)uc (t - T/4) — миттевi значення

реактивних потужностей, що споживають-ся ЕД в фазах а, b, с, вщповщно; Т — пер> од змши напруги мережi живлення.

Електротехшка. Радютехшка

Biдомi аналггичш вирази для змши в час стрyмiв в перехiдномy режимi в симе-тричнiй трифазнiй системi:

!a (t) = v2i„h [sin(rat + у - ф + 2 л/ З)-

-t¡ т

- sin (у - ф + 2 л/З) - e

ib (t) =yÍ2Iph [sin(rat + у - ф)-

- sin(у-ф)-e~г!х ; ic (t) = V2Iph [sin(rat + у - ф - 2ЛЗ)-

- sin (у - ф - 2л/ З)- e

-ti т

(4)

(5)

(6)

u

,(t ) = V2uph sin (rat + у + 2 Л з) ; (7)

иь (t ) = V2uph sin (rat + у) ;

(8)

uc

(t ) = V2uph sin (rat + у - 2 Л з) , (9)

ре( ) = З phU ph[cos ф-

- cos(rat + ф) - e т

(10)

qz

(t ) = 3I DhU ph[:

phU ph Lsin ф

- sin(rat + ф) - e г!т

(11)

де Iph — середньоквадратичне (дшче)

значення перюдично'1' складово'1' фазного струму; ф = arctg(raL/R) — кут зрушення, на який перюдична складова фазного струму вщстае вiд фазно'1' електрорушшно'1' сили (ЕРС); L, R — шдуктивнють i актив. , L sin ф

ний опiр фази; т = — =--постшна

R ra cos ф

часу електричного кола; ra = 2л/- — куто-ва частота мережц f — робоча частота ме-режi; у — момент виникнення струму збу-рення.

Вирази для змши в час фазних ЕРС:

де Uph — середньоквадратичне (дiюче) значення фазно'' ЕРС; у — початковий кут ЕРС y фазi b (момент виникнення збурен-ня).

Як випливае з виразiв (7)-(9) напруги в фазах, на вiдмiнy вщ стрyмiв, не мають аперюдично'' складово''.

Пiсля пiдстановки рiвнянь (4)-(9) в (2) i в (З) та вщповщних перетворень i спро-щень, отримаемо аналiтичний опис змiни миттево'' потyжностi що споживаеться ЕД в початковий момент пуску:

Аналiз B^a3ÏB (10) i (11) показав, що характер залежностей рz (t ) i qz (t ) в пере-хiдному режимi змiни струму не залежить вщ у. Це означав, що характер змши фун-кцiй pz(t ) i qz(t ), зокрема ïx екстремальнi значення pmax i qmax залежать тiльки вiд по-стiйноï часу електричного кола т.

На рисунку 1 наведен залежносп ps (t ) i q£(t ) для рiзниx випадкiв постiйноï часу т (вiдповiдно cos9), побудоваш за умови, що дiючi значення струмiв i напруг при визначенш миттевих значень pj i qy, а вщ-повiдно i при розрахунку значень p^ i q^, дорiвнюють одиницi. Наведенi залежностi шюструють необxiднi властивостi функцiй Pz(t ) i qS(t ) в переxiдному режимi. Воче-видь, що значення pmax и qmax вiдрiзняють-ся один вщ одного тим сильшше, чим ме-нша постiйна часу т. Тому за стввщно-шенням значень pmax и qmax в першi 10 мс пiсля пуску ЕД, можливо оцшити величину т обмотки ЕД, визначити отр Rm, а вiд-так i температуру обмотки ЕД.

Аналiз змши в час значень p^ i q^ акту-альний протягом першого перюду T1 = 20 мс змши пускового струму. Такий малий штервал часу необхщний для того, щоб виключити вплив початку обертання дви-гуна на величину постiйноï часу т обмотки. Вщомо, що значення коефщента по-тужносп cos9 обмотки ЕД змiнюеться вщ величини 0,2^0,3 на початку пуску до значення 0,9 при виxодi в режим холостого ходу. При збшьшенш швидкосл обертання ЕД, вщповщно, змiнюеться i значення по-стiйноï часу т. Тому, щоб визначити вплив на т саме на^ву обмотки ЕД, необхщно

Електротехшка. Радютехшка

визначати величину т якнайшвидше, до того, як ротор ЕД почне обертання.

Pz(t) 1,5

1,0

0,5

-0,5

т1 = 31,7 мс

т2 = 15,6 мс

т3 = 10,1 мс I

т4 = 5,51 мс

10

б

20 ^мс

Рисунок 1 — Змша в час миттево! потужносп,

що споживаеться електродвигуном в перехщному режим! пуску: а — змша активно! потужносп; б — змша реактивно! потужносп

Використовувати рiзницю qj - Pj реактивно'! та активно'! потужностей, зокрема qmax - pmax, як критерiй оцшки змiни по-стшно! часу т обмотки ЕД при !! на^в^ в загальному випадку, коли величина струму i напруги не дорiвнюють одиницi, не можна. Рiзниця qmax - pmax буде залежати вщ величини пускового струму ЕД. Щоб критерiй змiни т не залежав вщ струму i напруги, вiн повинен бути виражений у вщносних одиницях.

Визначимо робочий штервал змiни величини т при визначенш опору Rm обмотки ЕД при !'!' на^вг Приймемо, що в момент пуску ЕД cos ф = 0,2 при навколиш-

нiй температyрi Тнс = 25 оС. Такий cos9 вiдповiдае постiйнiй часу т 25 = 15,6 мс ( f = 50 Гц). Допустимою температурою обмотки для iзоляцi!' класу «В», при якш зберiгаеться регламентований термiн слу-жби ще! iзоляцi!', е температура TB = 155оС [5]. Отр мiдного дроту при нагрiваннi на AT = 130 оС зросте в 1,55 рази: r155 = 1,55 • r25 . Вiдповiдно, постшна т нагргго! до tb = 155 оС обмотки знизиться до Т155 = 0,645т 25 = 10,06 мс. Таким чином, штервал т = (10 16) мс е робочим. Вщно-

шення K = PmaJ qmax або K = q max/ Pmax використовувати незручно внаслiдок низь-ко! чyтливостi характеристики т = f (K) в робочому iнтервалi змiни т .

Бшьш значущим коефiцiентом ступеня нерiвномiрностi екстремальних значень pmax и qmax при змiнi т, е стввщношення активно! Wp та реактивно! Wq енергiй:

kw =

WQ - WP

W

(12)

p

де

t=71/2

Wp = I PZj At

0

а

Електротехшка. Радютехшка

t=T/2 / . . . \

= Z tyjalja + Ujbljb + Ujcljc

) At; (13)

о

t=Ti/2 Wq = Z ^Sj At =

0

t=Ti/2/ . .

: Z Iм ja -T/4ija + u jb-T/4^ jb +

0

+ M

jc

-T/41jc

i jc) At;

(14)

А^ — iнтервал дискретизаци залежнос-тей ) i qs(í); j - т/4 — номер дискретного значення напруги, зрушеного на чверть перiоду вiдносно дискретного зна-чення струму.

На рисунку 2 наведена залежнють вели-чини коефщента Кф вiд постшно! часу т.

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

т, мс

Рисунок 2 — Змша коефщента KW в функцп постшно! часу т

Як видно з наведено! залежносп, при змш1 постшно! часу т вщ 10,06 мс (cos ф = 0,3 ) до 15,6 мс (cos ф = 0,2 ), тобто

в 1,54 рази, значення коефщента Кф зм>

нюеться вiд величини 0,113 до значення 0,243, тобто майже в 2,16 рази. Вщтак, ко-ефщент Кф е досить значущим параметром оцшки змiни постшно! часу обмотки ЕД при й на^в^ а, в кiнцевому рахунку, i для визначення температури обмотки ЕД.

Таким чином, контролювати збшьшен-ня опору нагрпо! обмотки, а отже i температуру ЕД перед кожним пуском можливо виходячи з аналiзу залежносп т = /(Кф ) постшно! часу т вщ коефiцiента Кф ств-

вiдношення активно! i реактивно! енергiй без додаткових вузлiв вимiрювання опору обмотки i пристро!в керування ними. Вщ-так, спрощуеться конструкцiя пристрою захисту i знижуються фiнансовi витрати на його виготовлення. А за рахунок того, що аналiз спiввiдношення Кф проводиться

дуже швидко, за час 10 мс, забезпечуеться динамiчнiсть роботи як самих ЕД, так i технолопчного устаткування, що працю-ють в повторно-короткочасному режимь

Алгоритм побудови захисту ЕД вщ струмiв перевантаження з контролем тем-ператури обмотки шляхом аналiзу стввщ-ношення активно! фр та реактивно! фQ

енергiй в першi 10 мс змiни пускового струму, полягае в наступному. При кожному пуску ЕД визначаеться коефщент Кф стввщношення фр та фQ. За величиною Кф визначають електромагнггну постшно! часу т0 електричного кола, яка вщповщае нагрiву обмотки ЕД до темпе-ратури Т0 в момент чергового пуску. Величини т i Кф пов'язанi залежнiстю рисунок 2. Порiвняння величини Т0, що вщповщае нагрпому стану обмотки ЕД, с зада-ним (вщомим) значенням т^ при заданш

температурi Ткп i визначення коефщента зниження постшно! часу нагрио! обмотки

K =

(15)

I

в

Електротехшка. Радютехшка

дозволяе легко визначити вщповщне збь льшення активного опору нагргго! обмотки, а вщтак i температуру обмотки Т@ в момент чергового пуску:

К

Т ©=■

■ + 7

а с

кп ■

де аси — температурний коефiцiент

опору MiДi.

На рисунку 3 наведена схема, що шюс-труе роботу мiкропроцесорного пристрою при реалiзацii запропонованого способу (16) захисту ЕД вщ струмiв перевантаження.

ДСН фаза А ДСН фаза В ДСН фаза С

иа \га иЬ \гЬ ис \гс

Визначення:

г/а-> гjЬ, с, и/а-> и/Ьч и/с.

Г

^ 7/2 - ©

Ч/X / 1 \

р// \/ /' 1 ! \ ч*(0

\Р/ V

р /1 /1/ 1 / 1 1 6 1 \ 1 / X р*(О

о| V /5

1 1 Лt ^^ 7

Визначення:

Р* = Р/а+Р/Ь+Рс

Ч* = Ч/а+Ч/Ь+Ч/с

р*/

Виконавчий елемент

Так

Реле часу: tr

Визначення: Г 3 1

t=7^/2

^Р = X Р2/А*

0

t=71/2

Щ = X Ч2/ &

WQ\WI Визначення: (4 )

^ =

WQ - wp

Рисунок 3 — Алгоритшчна схема спрацьовування мшропроцесорного пристрою захисту асинхронних електродвигушв вщ неприпустимого перегр1ву обмоток

Окремi обчислювальнi та лопчш опера-цii, якi виробляе мжропроцесор умовно поданi як модуль Фiзично зазначених мо-дулiв не юнуе, 1'х використання необхiдно для зручносп викладу функцiонування мь кропроцесорного пристрою при реалiзацii запропонованого способу захисту.

Функцюнуе мiкропроцесорний пристрiй у такий споаб.

В кожнiй фазi а, Ь, с обмотки ЕД здшс-нюють безперервний вимiр фазних стру-

мiв, 1'х аналого-цифрове перетворення в дискретш значення ¡/ ) та методом ш-

тегрування квадрапв знайдених дискрет-

• 2

них значень г,

22

г ¡и, г с визначають дiючi

'/с

значення фазних струмiв 1а, 1Ь, 1с. Якщо величина 1а, 1Ь або 1с виявляеться бшьшою значення уставки струму перевантаження /L, виробляють керуючий сигнал на спра-цювання захисту iз заданою витримкою

0

0

ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43) Електротехшка. Рад1отехн1ка

часу tL . Додатково, при кожному повторному пуску ЕД, здшснюють вимiр лшш-них напруг Ujab, Ujbc, ujac у pa3i вимiрювання потужностi за схемою з двома ватметри або фазних напруг Uj (a,b,c) у разi вимiрю-

вання потужностi за схемою з одним ват-метром i штучно! нейтральною точкою. Шляхом множення дискретних значень струму ij) на вщповщш дискретш значення напруги визначають залежностi в час t миттевих потужностей p^(t) i q^(t), що споживаються ЕД при пуску. Значення активно! Wp та реактивно! Wq енергiй визначають за вiдрiзок часу, що дорiвнюе половиш першого перiоду Т1 змши пускового струму. За стввщношенням активно! Wp та реактивно! Wq енергш визначають

температуру Т@ нагргго! обмотки ЕД.

1. У модуш 1 (рисунок 3) аналоговi сиг-нали вiд датчикiв струму i напруги ДСН у фазах a, b, c перетворюються в дискретш

значення ij(a,b,c) та Uj(abc).

2. У модуш 2 визначають залежносп в функцп часу миттевих значень потужностей р£ (t ) з рiвняння (2) та q£ (t ) з рiвняння (3), що споживаються ЕД при пуску.

3. У модуш 3 визначають значення активно! Wp за формулою (13) та реактивно! Wq за формулою (14) електричних енергш, що споживаються ЕД при пуску.

4. У модуш 4 визначають коефщент KW з виразу (12).

5. У модуш 5 в момент пуску ЭД з залежносп т = f (Kw ) за величиною Kw визначають постшну часу т0 нагрпо! обмотки.

6. У модуш 6 за рiвнянням (15) визначають коефщент KT, що характеризуе зменшення постшно! часу Т0 нагрпо обмотки в порiвняннi з заданим значенням Тт , яке вiдповiдае температурi обмотки,

при якiй термiн служби iзоляцй вiдповiдае нормованому термiну служби ЕД.

7. У модуш 7 визначають температуру Т0 нагрио! обмотки ЕД за виразом (16).

8. У модуш 8 знайдене значення Т0 по-рiвнюють з температурною уставкою Т8е1 i у випадку, якщо Т0 > Т8е1, виробляють керуючi сигнали на спрацьовування захис-ту i на формування часу блокування повторного вмикання и.

9. У модуш 9 визначають дiючi значення фазних струмiв 1а, 1Ь, 1С .

10. У модуш 10 виконують порiвняння значень 1а, 1Ь, 1С з величиною максимально! струмово! уставки Якщо величина струму в однш з фаз виявиться бшьшою за IL, виробляють керуючий сигнал «Так» на виконавчий елемент захисту (незалежний розчшлювач автоматичного вимикача).

Мшропроцесорний захисний пристрiй при робот за наведеним алгоритмом фор-муе нову, бшьш досконалу, в порiвняннi з iснуючими, захисну характеристику вщ струмiв перевантажень ЕД, що працюють в повторно-короткочасному режимь При цьому передбачений контроль над темпе-ратурним режимом обмоток ЕД, не осна-щених термюторами. У порiвняннi з ана-логiчними захистами вiдсутнi додаткових вузлiв вимiрювання опору для контролю температури нагрио! обмотки ЕД.

Висновки.

Розроблено та теоретично обгрунтовано метод визначення параметрiв електрично-го кола, який полягае в аналiзi нерiвномiр-ностi екстремальних значень миттево! по-тужностi, що споживаеться в перехщному режимi виникнення струму збурення.

Розроблений споаб теплового захисту електродвигунiв, що працюють в повтор-но-короткочасному режиму вiд неприпус-тимого перевищення температури обмоток при струмах перевантаження за рахунок безпосереднього контролю температури обмотки статора шляхом розрахунку збь льшення !! активного опору.

ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)

Електротехшка. Радютехшка

Швидке, в першi 10 мс тсля виникнен-ня пускового струму, обчислення в реальному час активного опору обмоток статора в гарячому сташ та його порiвняння з вiдомим значенням холодного стану без додаткових вузлiв вимiрювання опору й

Бiблiографiчний список

пристрош 1хнього керування, дозволяе ic-тотно покращити захиcнi влаcтивоcтi апа-paTiB захисту електродвигунiв, значно спростити конструкцш захисного пристрою та зменшити фiнaнcовi витрати на його виготовлення.

1. Новое направление в создании рудничных взрывозащищенных трансформаторных подстанций на низшее напряжение до 3300 В / Н. М. Басов, В. С. Дзюбан, В. В. Кардаш,

B. Е. Кошкин, Т. В. Швецова //Взрывозащищенное электрооборудование: сб. научных трудов. — Донецк : ООО «АИР», 2010. — С. 61-71.

2. Анализ технико-эксплуатационных показателей современных зарубежных взрывозащищенных трансформаторных подстанций /И. Я. Чернов, В. В. Шилов, В. Е. Налбатов, Н. А. Волков, В. Л. Кузнецов // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. — Донецк : ООО «Юго-Восток, Лтд», 2006. — С. 74-89.

3. Закладной А. Н. Методы оценки срока службы асинхронных электродвигателей / А. Н. Закладной, О. А. Закладной // Енергетика та електрифжащя. — 2010. — №4. — С. 63-67.

4. Данилов И. А. Общая электротехника с основами электроники / И. А. Данилов, П. М. Иванов — М.: Высшая школа, 2005. — 745 с.

5. Электрическая изоляция. Классификация и обозначение по термическим свойствам : ГОСТ Р МЭК 60085-2011. — [Введ. 2012-06-01]. — М. : Стандартинформ, 2012. — III, 8 с.

6. Пускорегулирующая аппаратура TeSys : каталог Schneider Electric. — 2007. — 567 с.

7. Низковольтное оборудование ABB. Контакторы, реле управления, аппараты защиты электродвигателей / Технический каталог ABB. — 2010. — 366 с.

8. Пуск и защита электродвигателей : каталог продукции Moeller. — 2009. — 176 с.

9. Низковольтные аппараты управления и распределения Siemens. SIRIUS — SENTRON — SIVACON: каталог LV1 Siemens. — 2007. — 1270 с.

10. Сивокобыленко В. Ф. Способы реализации тепловой защиты асинхронных электродвигателей, основанной на измерении входных сопротивлений /В. Ф. Сивокобыленко, С. Н. Ткаченко // Збiрник наукових праць ДВНЗ «Донецький нащональний техтчний утверситет». Серiя «Електротехшка i енергетика». — Донецьк, 2008. — Вип. 8 (140). — С. 13-18.

11. Сивокобыленко В. Ф. Тепловая защита асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при несимметрии питающего напряжения / В. Ф. Сивокобыленко, С. Н. Ткаченко // Вiс-ник КДПУ iменi Михайла Остроградського. — Кременчук: КДПУ, 2009. — Вип. 3(56). Част. 2. —

C. 74-78.

12. Пат. № 2227354 Российской федерации МПК H02H5/04, H02H7/06 Способ тепловой защиты двигателя и устройство для его осуществления / Г. А. Бугаев, Е. Ю. Ерохин, А. Н. Леонтьев, М. А. Шамис. — № 2002108251/092002108251/09; заявл. 01.04.2002; опубл. 20.04.2004.

Рекомендовано до друку д.т.н., проф. ДонДТУ Заблодським М.М.,

д.т.н., проф. НТУ "ХП1" Болюхом В.Ф.

Стаття надтшла до редакцИ' 10.06.14.

к.т.н. Середа А. Г. (НТУ «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина, е-mail: [email protected])

ЗАЩИТА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ТОКОВ ПЕРЕГРУЗКИ С

непосредственным контролем температуры обмотки в момент

ПУСКА

Доказана необходимость непосредственного контроля температуры обмотки асинхронных электродвигателей. Путем анализа экстремальных значений мгновенной мощности потреб-

_Електротехшка. Радютехшка_

ляемой электродеигателем е начальный момент еремени после пуска, осущестеляется контроль над температурным режимом электродеигателей, работающих е поеторно-краткоеременном режиме. Дано теоретическое обосноеание еозможности получения информации о параметрах электрической цепи е переходном режиме изменения тока еозмущения, е частности определения температуры асинхронных электродеигателей путем контроля за изменением актиеного сопротиеления обмотки. Разработан алгоритм функционироеания микропроцессорного устройстеа защиты асинхронных электродеигателей, работающих е поеторно-краткоеременном режиме, от недопустимого перегрееа обмоток.

Ключевые слова: асинхронный электродеигатель, микропроцессорное устройстео защиты.

Sereda O. G. Candidate of Technical Sciences (National Technical University «Kharkiv Polytechni-calInstitute», Kharkiv, Ukraine, е-mail: [email protected])

PROTECTION OF ASYNCHRONOUS MOTORS FROM OVERLOAD CURRENTS WITH DIRECT CONTROL OF THE WINDING TEMPERATURE AT THE TIME OF START

The necessity of direct winding temperature monitoring of induction motors is proved. The control of the motor temperature, working in intermittent mode is done by the analysis of extreme values of the motor instantaneous power consumption at the initial time after start-up . The theoretical justification for the possibility of obtaining information about the parameters of the electrical circuit in the transient regime change current perturbations, in particular determining the temperature of induction motors by monitoring the change in active resistance of the winding is given. The algorithm of functioning of induction motors microprocessor protection operating in intermittent mode, against impermissible winding heating is developed.

Key words: induction motor; microprocessor-based protection device.