CC BY
16
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.316.925
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ УСТРОЙСТВА ФИЛЬТРОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
© 2010 г. О.В. Кобзистый, А.П. Мартынов
Азово-Черноморская государственная Azov-Black Sea State Agroengineering
агроинженерная академия, г. Зерноград Academy, Zernograd
Приводится схема устройства селективной фильтровой защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных режимов работы. Для устройств данного типа предлагается методика определения параметров срабатывания. Правильный расчет и выбор параметров срабатывания позволит исключить ложные срабатывания устройства защиты.
Ключевые слова: устройство селективной фильтровой защиты; асинхронный электродвигатель; параметры срабатывания; несимметрия; ложные срабатывания; коэффициент напряжения прямой последовательности; режим работы сети.
In article the circuit of the device of selective filter protection of asynchronous electric motors from asymmetrical operating modes is resulted. For devices of the given type the technique of definition of parameters of operation is offered. Correct calculation and a choice ofparameters of operation will allow to exclude false operations of the device ofprotection.
Keywords: the device of selective filter protection; the asynchronous electric motor; parameters of operation; asymmetry; false operations; factor of a voltage of direct sequence; operating mode of a network.
Для защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных режимов работы электрической сети предпочтительными являются устройства фильтровой защиты. Устройства этой группы реагируют на токи или напряжения симметричных составляющих, которые непосредственно сопровождают несимметричные режимы. Устройства фильтровой защиты выполняются преимущественно на базе фильтров напряжения или тока обратной и нулевой последовательностей.
Также возможно использование фильтров напряжения прямой последовательности (ФНПП), что дает определенные преимущества. Применение ФНПП позволяет уменьшить количество элементов схемы устройства защиты, так как можно отказаться от использования промежуточного электромагнитного реле для управления магнитным пускателем, что является стандартным для устройств защиты с фильтрами напряжения и тока обратной и нулевой последовательностей. Благодаря этому устройства данного типа имеют высокое быстродействие, высокую надежность, низкую стоимость, удобны в эксплуатации, имеют низкое потребление электроэнергии.
По принципу действия устройства фильтровой защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных режимов работы с использованием фильтров напряжения прямой последовательности должны отключать электродвигатель при обрыве фазы, недопустимой несимметрии напряжений, продолжительном снижении напряжения, смене чередования фаз. В то же время они не должны допускать ложных срабатываний, которые могут возникнуть при коротких замыканиях, кратковременной несимметрии и непро-
должительных провалах напряжения. Выполнение данных условий обеспечивает высокую функциональную надежность устройства защиты.
Параметром срабатывания устройства фильтровой защиты на базе ФНПП является уставка по напряжению прямой последовательности, при которой устройство защиты отключает защищаемый электродвигатель. Но регулирование только этого параметра не позволяет избежать ложных срабатываний в некоторых режимах. Поэтому было разработано устройство фильтровой защиты селективное со смежными токовыми защитами, принципиальная электрическая схема которого приведена на рисунке.
Устройство селективной защиты трехфазных потребителей от несимметричных режимов работы содержит: электромагнитный пускатель KM1, кнопку «Пуск» SB1, кнопку «Стоп» SB2. Параллельно кнопке «Пуск» SB1 дополнительно включен оптосимистор VS1, светодиод цепи управления которого через то-коограничивающее сопротивление R2 и диодный мост VD1... VD4 подключается к фильтру напряжения прямой последовательности. Фильтр напряжения прямой последовательности выполнен одноплечевым на конденсаторе С1, активном сопротивлении R1 и дросселе L1. Диодный мост VD1...VD4 подключается одним выводом между конденсатором и дросселем, а другим к третьей незадействованной плечом фильтра фазе сети. Для обеспечения селективности действия со смежным аппаратом защиты потребителей от сверхтоков FU1.. .FU3 параллельно аноду и катоду диодного моста VD1... VD4 включен конденсатор С2.
LI L2
L3
N
FU1... FU3 SB2
у V V KM1.1...KM1.3
SB1
I—1—t
—•
KM1
VS1
Схема электрическая принципиальная устройства селективной
фильтровой защиты асинхронных электродвигателей от несимметричных режимов работы
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При первоначальном включении кнопки «Пуск» SB1 напряжение питания подается на катушку электромагнитного пускателя KM1, замыкаются силовые контакты электромагнитного пускателя KM1.1.. .KML3 и к электродвигателю M1 прикладывается напряжение питания. В нормальном симметричном режиме работы сети через светодиод цепи управления оптосимистора VS1 протекает выпрямленный ток, достаточный для его открытия. Силовые контакты электромагнитного пускателя KML1...KML3 самоудерживаются электромагнитной силой катушки KM1.
Когда обрывается фаза сети или возникает значительная несимметрия, напряжение прямой последовательности уменьшается. Как следствие этого, снижается напряжение на выходе ФНПП и ток в цепи управления оптосимистора VS1. Причем ток снижается с выдержкой времени за счет дополнительно введенных в цепь управления оптосимистором VS1 конденсатора С2 и токоограничивающего резистора R2. Снижение тока вызывает закрытие оптосимистора VS1 и обесточивание катушки электромагнитного пускателя KM1 с одновременным размыканием силовых контактов электромагнитного пускателя KM1.1 .KM1.3. Для ручного отключения асинхронного электродвигателя в цепи управления предусмотрена кнопка «Стоп» SB2.
Расчет параметров элементов устройства защиты осуществляется для конкретных параметров срабатывания: коэффициента напряжения прямой последовательности Кт и выдержки времени на отключение tЗ. Методика расчета параметров элементов ФНПП приведена в работе [1].
Для обеспечения корректной работы устройства защиты необходимо обосновать его параметры срабатывания (уставки).
Определение параметров срабатывания заключается в установлении их максимального и минимального значений: Kulmm < KU1 < KU1 max , ^mm < t3 < ^max ,
где KU1 - коэффициент напряжения прямой последовательности, о.е.; t3 - выдержка времени на отключение, с.
Основным критерием для определения уставки срабатывания по напряжению прямой последовательности является критерий теплового старения изоляции статорной обмотки электродвигателя. Для определения температуры статорных обмоток электродвигателя в различных режимах его работы существует достаточно много методов, как аналитических, так и экспериментальных [2, 3]. При этом целью исследований является определение порогового значения коэффициента напряжения прямой последовательности Kuit, при котором будет наблюдаться превышение температуры обмотки электродвигателя выше допустимого значения, определяемого классом нагрево-стойкости изоляции обмотки.
Одновременно с этим для обоснования уставки по напряжению прямой последовательности необходимо проанализировать различные режимы работы сети и электродвигателя. Так, во время пуска более мощных электродвигателей снижение напряжения в месте их присоединения может достигать 20 - 30 %. Следовательно, мы можем отстроиться от срабатывания в данном режиме работы сети, ограничив диапазон коэффициента напряжения прямой последовательности значением 0,8 - 0,7 соответственно. Таким же образом можно отстроиться и от нежелательных срабатываний в некоторых других режимах работы сети и электродвигателя, например, однофазных коротких замыканий. Для этого в каждом конкретном случае необходим расчет коэффициента напряжения прямой последовательности в месте установки устройства защиты при различных режимах работы сети. Расчеты выполняются методом симметричных составляющих.
Расчет и моделирование электрической сети 0,38 кВ в среде программы Electronics Workbench показали, что при обрыве фазы коэффициент напряжения прямой последовательности составляет 0,450,6; при однофазном коротком замыкании - 0,55-0,7; двухфазном коротком замыкании - 0,4-0,5; двухфазном коротком замыкании на землю - 0,3-0,35. Диапазоны коэффициента напряжения прямой последовательности в различных аварийных режимах работы сети объясняются возможным варьированием параметров элементов сети.
Анализ напряжения прямой последовательности в различных аварийных режимах показывает, что возможно срабатывание устройства фильтровой защиты и при коротких замыканиях в электрической сети, если время срабатывания данного устройства будет меньше, чем время срабатывания токовых защит.
Сравнивая полученные коэффициенты напряжения прямой последовательности между собой, выби-
раем его минимальное и максимальное значение. При этом если уставка по коэффициенту напряжения прямой последовательности, обоснованная по критерию теплового состояния электродвигателя, меньше, чем в аварийном режиме Ки1Р, то принимаем, что
KU 1min = KU1t , а KU1max = КШР . В противном слУчае,
если KU1t > Ки1Р, принимаем уставку из условия Kui > Kuit. Отстройка от других режимов осуществляется путем загрубления действия защиты на время данного режима или путем введения выдержки времени на отключение.
Для определения максимально возможного значения выдержки времени на отключение t3max также
воспользуемся критерием теплового состояния электродвигателя. По результатам экспериментальных или аналитических исследований определяется зависимость времени нагрева обмотки электродвигателя до предельного значения температуры от коэффициента напряжения прямой последовательности
tHaip = f (KU1). Эта зависимость представляет собой
своего рода требуемую предельную защитную характеристику данного электродвигателя. По данной зависимости определяется ограничение по времени срабатывания для наиболее опасного режима обрыва фазы (tнагp обр), что принимается за максимально возможное
время задержки на отключение электродвигателя от
сети (t3max = ^агр.обр ). С другой стоPоHы, минимЭЛь-
ное значение выдержки времени на отключение принимается исходя из необходимости обеспечения селективности действия с токовыми устройствами защиты. Уставка защиты по времени отключения должна быть больше, чем максимальное время действия токовой защиты t3min > tr3max. Максимальное время действия токовой защиты в соответствии с требованиями ПУЭ7 должно составлять не более 0,2 с при фазном напряжении 220 В в системе TN в помещениях для содержания животных и не более 0,4 с в других случаях [4].
В результате проведения экспериментальных исследований с использованием электродвигателя вытяжного вентилятора АИРП 80А6 У2 мощностью 0,37 кВт было установлено, что значение KU1t = KU1min = 0,57 .
Поступила в редакцию
Значение верхней границы диапазона коэффициента напряжения прямой последовательности принимаем, исходя из условия пуска более мощных электродвигателей, равным Ки1тах = 0,8.
Таким образом, для выбора уставки по коэффициенту напряжения прямой последовательности получаем диапазон 0,57 < Ки1 < 0,8.
При определении зависимости /нагр = f (Кт), учитываем, что при Кш > 0,57 время нагрева до предельной температуры равно бесконечности, а минимальное время нагрева будет наблюдаться в режиме обрыва фазы. Минимальное время нагрева до предельной температуры при обрыве фазы составило 830 с. С учетом возможного ухудшения условий охлаждения электродвигателя принимаем в качестве максимально возможной выдержки времени на отключение значение, равное tзmax = 600 с. Диапазон для выбора уставки выдержки времени составляет 0,2 с < tз < 600 с.
При выборе параметров срабатывания из рассчитанных диапазонов коэффициент напряжения прямой последовательности лучше принимать ближе к максимальному значению, а задержку времени на отключение - близкой к минимальному значению.
Правильный расчет и выбор параметров срабатывания позволит исключить ложные срабатывания устройства защиты при минимальном отрицательном тепловом воздействии на обмотку электродвигателя.
Литература
1. Юндин М.А., Кобзистый О.В. К вопросу о выборе уставки срабатывания фильтровой защиты в электроустановках напряжением до 1 кВ. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск. С.25 - 30.
2. Быстрицкий Д.Н. Методика и элементы теории численных методов эксплуатационных характеристик асинхронных двигателей, применяемых в сельскохозяйственном производстве. М., 1969. 147 с.
3. Шаповал К.А. Разработка и исследование устройств защиты электродвигателей в сельскохозяйственном производстве : дис. ...канд. техн. наук. Л., 1977.
4. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.5, 7.6, 7.10. 7-е изд. М., 2003. 176 с.
11 мая 2009 г.
Кобзистый Олег Валентинович - канд. техн. наук, доцент, кафедра Теоретических основ электротехники и электроснабжения сельского хозяйства, Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия. Тел. (86359) 43-5-68. E-mail: [email protected]
Мартынов Александр Петрович - аспирант, кафедра Теоретических основ электротехники и электроснабжения сельского хозяйства, Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия. Тел (86359) 43-5-68. E-mail: [email protected]
Kobzistiy Oleg Valentinovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department of Theoretical bases electrical engineers and electrosupply of an agriculture, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy. Ph. (86359) 43-5-68. E-mail: [email protected]
Martynov Alexander Petrovich - post-graduate department of Theoretical bases electrical engineers and electrosupply of an agriculture, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy. Ph. (86359) 43-5-68. E-mail: [email protected]
