способ токовой защиты двигателя с зависимой характеристикой срабатывания

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ С ЗАВИСИМОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ СРАБАТЫВАНИЯ, при котором измеряют ток статора, измеряют или задают температуру охлаждающего воздуха, математически моделируют тепловое состояние двигателя, используя в качестве величины, характеризующей количество выделяемого тепла в единицу времени, кратность действующего значения тока по отношению к длительно допустимому току статора во второй степени, формируют выходной сигнал по достижении предельной температуры, а охлаждение двигателя моделируют по экспоненциальному закону, отличающийся тем, что постоянные времени задают раздельно как для обмотки статора, так и для магнитопровода, определяют с учетом температуры охлаждающего воздуха длительно допустимую кратность тока, для кратностей тока менее длительно допустимой определяют температуру теплового баланса обмотки, моделируют адиабатический характер процесса нагрева обмотки в функции кратности тока статора во второй степени, ограничивая его температурой теплового баланса или предельной температурой при кратностях тока, превышающих длительно допустимую, процесс нагрева магнитопровода моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температур обмотки и температуры магнитопровода, процесс охлаждения обмотки моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температуры обмотки и температуры теплового баланса обмотки либо температуры магнитопровода, если она превышает последнюю, процесс охлаждения магнитопровода моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температур магнитопровода и охлаждающего воздуха, причем процесс нагрева или охлаждения обмотки совмещают во времени с процессами нагрева и охлаждения магнитопровода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении температуры теплового баланса обмотки ограничивают нижний уровень температуры охлаждающего воздуха.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют превышение температуры от пускового тока защищаемого двигателя и максимальную предпусковую температуру обмотки, при которой обеспечивается пуск или самозапуск двигателя без превышения предельной температуры обмотки, по достижении максимальной предпусковой температуры блокируют пуск двигателя, а при одновременном снижении напряжения сети ниже заданной величины отключают двигатель, для чего дополнительно измеряют напряжение сети.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при моделировании процесса нагрева обмотки задают верхний уровень ограничения кратности тока статора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к способам защиты двигателей, при которых контролируют ток нагрузки защищаемого двигателя, моделируют процессы его нагрева и охлаждения и воздействуют на отключение с задержкой времени, зависящей от интенсивности этих процессов в случае, когда перегрев двигателя превышает допустимый.

В релейной защите известны способы токовой защиты двигателей, основанные на моделировании процессов их нагрева. Известен способ, при котором измеряют ток статора, математически моделируют тепловое состояние двигателя, используя в качестве величины, отражающей количество выделенного тепла в единицу времени, кратность действующего значения тока по отношению к номинальному току статора во второй степени [1]. Охлаждение двигателя моделируют по экспоненциальному закону в функции превышения температуры двигателя. Процессы нагрева и охлаждения совмещают во времени, а постоянную времени охлаждения выбирают в зависимости от факта вращения ротора. Выходной сигнал формируют при достижении предельной температуры перегрева.

Недостатком способа является то, что отсутствует контроль температуры охлаждающего воздуха, кроме того, двигатель рассматривается как однородное тело, что допустимо лишь при малых кратностях тока перегрузки. Указанные недостатки предопределяют низкий коэффициент чувствительности защиты при малых кратностях тока перегрузки и не позволяют использовать перегрузочные способности двигателя.

Известен также способ защиты двигателей от перегрузок с непрерывным контролем теплового режима с учетом изменяющихся условий охлаждающей среды, при котором измеряют ток статора, измеряют или задают температуру охлаждающего воздуха, математически моделируют тепловое состояние двигателя, используя в качестве величины, отражающей количество выделенного тепла в единицу времени, кратность действующего значения тока по отношению к номинальному току статора во второй степени, охлаждение двигателя моделируют по экспоненциальному закону в функции превышения температуры двигателя, совмещают во времени процессы нагрева и охлаждения, суммируют величину превышения температуры двигателя с температурой охлаждающего воздуха, а выходной сигнал формируют при достижении суммой температур предельной величины _макс [2] . Способ [2] позволяет моделировать тепловой процесс в электродвигателе согласно выражению

= ₀+_доп 1 - e , (1) где - температура двигателя;

_доп - превышение температуры, соответствующее установившемуся тепловому режиму при кратности тока, равной 1;

I - ток статора;

I_доп - длительно допустимый ток статора;

t - время;

Т - постоянная времени нагрева;

_о - температура охлаждающего воздуха.

Из выражения (1) очевидно, что различной величине тока соответствует определенная величина превышения температуры _доп при установившемся тепловом режиме, которая описывается уравнением

= _доп = K²_I (2)

Известно, что допустимое кратковременное превышение температуры по отношению к длительно допустимой принимается равной 1,3, а согласно ГОСТ 183-74

_макс = _доп + _о = _доп + 40^oС=

= 120^оС . (3)

Отсюда очевидно, что, моделируя тепловой процесс согласно способу [1], в зоне кратностей тока от 1 до 1,14 I_доп образуется зона нечувствительности, т. е. не обеспечивается защита двигателя при этих кратностях тока в то время, когда в качестве длительно допустимого рекомендуется принимать ток, равный 1,05 I_н.

Использование в выражении (1) в качестве слагаемого температуры охлаждающего воздуха позволяет корректировать параметры защиты как по температуре теплового баланса, так и по времени срабатывания. Если температура газообразной охлаждающей среды отлична от 40^оС, предельно допустимые превышения температуры частей электрической машины пересчитывают, причем пересчет допустим только в пределах 30-60^оС. Указанное требование не реализуют защиты, работающие согласно способу [2].

Существенным недостатком способа [1] и [2] является то, что двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее обобщенную постоянную времени нагрева. При этом либо не обеспечивается защита при больших кратностях тока, либо недоиспользуется перегрузочная способность двигателя при малых кратностях тока перегрузки. Если постоянную времени выбрать для малых кратностей тока перегрузки, то при больших кратностях например при затянувшемся пуске или заклинивании ротора, перегрев обмотки превысит предельные величины. Если постоянную времени выбрать для больших токов, то при малых кратностях тока перегрузки защита будет ложно отключать двигатель.

Кроме того, способы [1] и [2] не обеспечивают блокировку включения двигателя или его самозапуска при перегреве обмотки и не предусматривают от тока выдержки времени срабатывания при больших кратностях тока, что необходимо для двигателей с тяжелыми условиями пуска.

Цель изобретения - улучшение защитных характеристик устройств для осуществления предложенного способа.

Это достигается тем, что при способе токовой защиты двигателя с зависимой характеристикой срабатывания, при котором измеряют ток статора, измеряют или задают температуру окружающей среды, математически моделируют тепловое состояние двигателя, используя в качестве величины, отражающей количество выделенного тепла в единицу времени, кратность действующего значения тока статора по отношению к его номинальному значению во второй степени, формируют выходной сигнал при достижении предельной температуры, а охлаждение двигателя моделируют по экспоненциальному закону. Согласно изобретению постоянные времени нагрева и постоянные времени охлаждения задают раздельно как для обмотки статора, так и для магнитопровода, определяют с учетом температуры охлаждающего воздуха длительно допустимую кратность тока, для кратностей тока менее длительно допустимой определяют температуры теплового баланса обмотки, моделируют адиабатический характер процесса нагрева обмотки функции кратности тока статора во второй степени, ограничивая его температурой теплового баланса или предельной при кратности тока, превышающих длительно допустимую, процесс нагрева магнитопровода моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температур обмотки и магнитопровода, процесс охлаждения обмотки моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температуры обмотки и температуры теплового баланса либо температуры магнитопровода, если она превышает последнюю. Процесс охлаждения магнитопровода моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температур магнитопровода и охлаждающего воздуха. Причем процесс нагрева или охлаждения обмотки совмещают во времени с процессами нагрева и охлаждения магнитопровода.

Кроме того, дополнительно в частных случаях осуществляют следующее: при определении температуры теплового баланса обмотки ограничивают нижний уровень температуры окружающей среды, определяют превышение температуры от пускового тока защищаемого двигателя и максимальную предпусковую температуру обмотки, при которой обеспечивается его пуск или самозапуск без превышения предельной допустимой температуры обмотки, при достижении максимальной предпусковой температуры блокируют пуск двигателя, а при одновременном снижении напряжения в сети ниже заданной величины отключают двигатель, для чего дополнительно измеряют напряжение сети. При моделировании процесса нагрева обмотки задают верхний уровень ограничения кратности тока статора.

Предлагаемый способ отличается от прототипа наличием указанных существенных признаков и тем самым соответствует критерию "новизна". Отличительной особенностью способа является то, что постоянные времени нагрева и охлаждения задают раздельно для обмотки и магнитопровода с учетом режима работы двигателя. Известно, что постоянная времени нагрева равна постоянной времени охлаждения при работающем двигателе и отличается при отключенном. Задание различных постоянных времени для обмотки и для магнитопровода позволяет точнее моделировать процессы нагрева и охлаждения как обмотки, так и всего двигателя. Нагрев обмотки моделируют как адиабатический, в функции кратности тока статора по отношению к его длительно допустимому значению во второй степени, а ее температура определяется уравнением

_м= + _м.нач , (4) где _м - температура обмотки (медь);

_м.нач. - температура обмотки в начале процесса;

_о^ж - температура охлаждающего воздуха (не менее 30^оС);

_м.н. - постоянная времени нагрева обмотки (меди).

Решение уравнения (4) относительно t дает выражение допустимого времени работы двигателя с перегрузкой по току:

t_доп= . (5)

Тогда время срабатывания защиты в функции кратности тока статора во второй степени можно получить из формулы (5) с учетом коэффициента запаса

t_с.з. = t_доп ^. К_з. (6)

При выполнении защиты в соответствии с выражением (6) отключение двигателя должно происходит при выполнении условия

I²dt > . (7)

Так как интегрирование в течение достаточно большого промежутка времени любого значения тока приводит к срабатыванию защиты, то процесс интегрирования ограничивают во времени. Ограничение времени интегрирования тока осуществляют для кратностей тока менее длительно допустимых значений при нагреве обмотки до температуры теплового баланса, которую определяют по формуле

_М= ^*₀+(_м.доп-40C)K²_I , (8) где _м.доп - длительно допустимая температура обмотки.

Из выражения (8) видно, что если температура охлаждающего воздуха отличная от 40^оС, производят коррекцию температуры теплового баланса обмотки с ограничением минимальной величины _о^ж, при этом длительно допустимую кратность тока статора с учетом температуры охлаждающего воздуха определяют по формуле:

K_Iдоп= (9)

Если температура обмотки меньше температуры теплового баланса, моделируют нагрев обмотки согласно выражению (4) до достижения ею температуры теплового баланса. Если температура обмотки выше температуры теплового баланса, определенной согласно выражению (8), то моделируют процесс охлаждения обмотки. Охлаждение обмотки при условии, что _mбольше _ст, моделируют по экспоненциальному закону

_м= (_м.нач-_м) + _м , (10) где _м.нач. - температура обмотки в начале процесса;

_м.охл. - постоянная времени охлаждения обмотки ( _м.охл. равна _м.н, при работающем двигателе и _м.охл. больше _м.н. при отключенном двигателе).

Если температура теплового баланса обмотки оказывается ниже температуры магнитопровода, например, при отключении двигателя или сбросе нагрузки, что процессе охлаждения обмотки описывается уравнением

_м= _ст+(_м.нач-_ст) , (11) где _ст - температура магнитопровода (стали).

Как только температура обмотки превысит температуру магнитопровода, начинается процесс нагрева магнитопровода. Этот процесс моделируют по экспоненциальному закону в функции разности температур обмотки и магнитопровода согласно выражению

_ст= _ст.нач+(_м-_ст.нач)1- , (12) где _ст.нач, - температура магнитопровода в начале процесса;

_ст.н - постоянная времени нагрева магнитопровода.

Если температура магнитопровода превышает температуру охлаждающего воздуха, начинается процесс охлаждения магнитопровода. Этот процесс описывается уравнением

_ст= ₀+(_ст.нач-₀) , (13) где _ст.охл. - постоянная времени охлаждения магнитопровода ( _ст.охл.равна _ст.н при работающем двигателе и _ст.охл больше _ст.н при отключенном двигателе).

Исключается совмещение во времени моделирования процессов нагрева и охлаждения обмотки. Процессы нагрева и охлаждения магнитопровода моделируют одновременно и совмещаются во времени с процессами нагрева или охлаждения обмотки.

Для двигателей, работающих в режиме частых пусков, актуальным является блокирование пуска при превышении максимальной предпусковой температуры обмотки. Величину максимальной предпусковой температуры определяют по формуле

_бл= _макс- , (14) где К_э - кратность эквивалентного пускового тока;

К_з - коэффициент запаса больший 1.

При снижении напряжения в сети ниже величины, характеризующей нарушение электроснабжения, двигателя, температура обмотки которых превышает максимальную предпусковую, отключают, чем предотвращают их заведомо неуспешный самозапуск. Для двигателей с тяжелыми условиями пуска задают ограничение верхнего уровня кратности тока статора, тем самым в зоне больших кратностей тока обеспечивают независимую часть времятоковой характеристики.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит преобразователь 1 входного тока в напряжение, задатчик 2 сигнала температуры охлаждающего воздуха, масштабирующий орган 3, ограничитель нижнего уровня 4, ограничители верхнего уровня 5 и 15, максиселектор 6, сумматоры 7, 10 и 16 аналоговых сигналов, квадратор 8, пороговые органы 9, 12,0 14 и 19 максимального уровня, формирователь модуля 11, пороговый орган 13 минимального уровня, преобразователи напряжение-частота 17, 18 и 21, логический элемент 2И 20, компаратор 22, делители частоты 23 и 24, элемент задержки 25, мультиплектор 26, логический элемент ИЛИ 27, логический элемент 2И-ИЛИ 28, реверсивные двоичные счетчики 29 и 30, цифроаналоговые преобразователи 31 и 32, а также формирователи выходного сигнала 33 и 34.

Способ осуществляют следующим образом.

Значение моделируемой устройством температуры обмотки _м хранится в счетчике 29, а температура магнитопровода _ст - в счетчике 30. Нагрев моделируется реализацией прямого счета, а охлаждение - обратного. К выходам счетчиков 29 и 30 подключены цифроаналоговые преобразователи 31 и 32. На выходе преобразователя 31 формируется напряжение, пропорциональное температуре обмотки

U₃₁ = f( _м), (15) а на выходе преобразователя 32 формируется напряжение, пропорциональное температуре магнитопровода

U₃₂= f( _ст), (16) Напряжение U₃₁ поступает на входы ограничителя 5, пороговых органов 12 и 14 и на вход В сумматора 10. Напряжение U₃₂ поступает на вход В максиселектора 6 и на вход А сумматора 7. Преобразователь 1 преобразует ток статора защищаемого двигателя в однополярное напряжение, пропорциональное входному току и равное

U₁ = a ^. I, (17) где а - коэффициент пропорциональности.

Это напряжение поступает на вход масштабирующего органа 3, коэффициент передачи которого определяется по формуле

K_п= ; (18) где I_н.тт. - номинальный ток трансформатора тока;

I_доп - длительно допустимый ток статора защищаемого двигателя.

Выходной сигнал блока 3 поступает на входы аналогового квадратора 8 и порогового органа 9. Задатчик 2 сигнала температуры охлаждающего воздуха формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное температуре охлаждающего воздуха, непосредственно измеряя ее либо задавая уставкой. Напряжение

U₂ = f (_o) (19) поступает на вход С сумматора 7 и через ограничитель 4 нижнего уровня - на вход В сумматора 16. Уровень ограничения в блоке 4 определяется нижним пределом температуры _о, при которой допускается коррекция длительно допустимого тока двигателя. Выходное напряжение квадратора 8 подается на вход А сумматора 16 и через ограничитель 15 верхнего уровня - на вход преобразователя 21 напряжение - частота. Напряжение, равное

U₁₆ = b ^.U₈ + U₄, (20) где U₁₆ - напряжение на выходе сумматора 16;

b - коэффициент пропорциональности;

U₈ - напряжение квадратора, прямо пропорциональному входному току статора во второй степени;

U₄ - напряжение, пропорциональное температуре _о охлаждающего воздуха с ограничением по нижнему уровню, поступает на вход А компаратора 22 и максиселектора 6. На вход В компаратора поступает напряжение U₅, пропорциональное температуре обмотки с ограничением по верхнему уровню, реализуемому ограничителем 5. Уровень ограничения определяется величиной длительно допустимой температуры обмотки _м.доп. Компаратор 22 при равенстве входных напряжений фиксирует режим теплового баланса обмотки. При этом на выходах компаратора присутствуют логические сигналы нулевого уровня, блокирующие через логический элемент 28 работу счетчика 29. Если напряжение на входе А элемента 22 превышает напряжение на входе В, сигнал логической единицы на выходе А > B переключает счетчик 29 в режим прямого счета (нагрев обмотки) и прямоугольные импульсы с выхода преобразователя 21 через логический элемент 28 поступают на счетный вход счетчика 29. Подаваемое на вход преобразователя 21 напряжение ограничивается в необходимых случаях по верхнему уровню с целью получения независимой части характеристики срабатывания при больших кратностях тока. Коэффициент преобразования элемента 21 задают с учетом постоянной времени нагрева обмотки. Элементы 6, 10, 17, 23 и 26 совместно с элементом 28 образуют канал моделирования охлаждения обмотки. Максиселектор 6 подает на вход А сумматора 10 максимальную из величин напряжений, подаваемых на вход максиселектора 6. Сумматор 10 формирует на своем выходе напряжение U₁₀, пропорциональное разнице температур обмотки и температуры теплового баланса обмотки либо температуры магнитопровода, если она превышает последнюю:

U₁₀ = U₃₁ - U₁₆, если U₁₆ > U₃₂ (21) или

U₁₀ = U₃₁ - U ₃₂, если U₁₆ < U₃₂, где U₁₀ - напряжение на выходе сумматора 10;

U₃₁ - напряжение, пропорциональное температуре обмотки, с выхода преобразователя 31;

U₁₆ - напряжение с выхода сумматора 16, соответствующее температуре теплового баланса обмотки;

U₃₂ - напряжение с выхода преобразователя 32, пропорциональное температуре магнитопровода.

Напряжение с выхода сумматора 10 поступает на вход преобразователя 17 напряжение-частота. Коэффициент преобразования преобразователя 17 задают с учетом постоянной времени охлаждения работающего двигателя. Прямоугольные импульсы с выхода преобразователя 17 поступают на вход делителя частоты 23 и при работающем двигателе через элемент 26 - на четвертые входы логического элемента 28. Если температура обмотки оказывается выше температуры теплового баланса обмотки, на выхода А < B компаратора 22 появляется логический сигнал единичного уровня, а на выходе А > B - нулевой. Счетчик 29 при этом переключается в режим обратного счета ( охлаждение обмотки). Мультиплексор 26 управляется сигналом с выхода порогового органа 9, который фиксирует наличие тока статора. Тем самым при работающем двигателе на четвертый вход элемента 28 поступают импульсы с выхода преобразователя 17, а при отключенном двигателе - с выхода делителя частоты 23. Коэффициент деления определяется отношением постоянной времени охлаждения обмотки отключенного двигателя к постоянной времени охлаждения обмотки работающего двигателя. Взаимодействуя таким образом, элементы 1-4, 5, 6, 10, 10, 15-17, 21-23, 26, 28-32 обеспечивают моделирование теплового состояния обмотки, реализуя либо моделирование процесса ее нагрева согласно выражениям (4), (8) и (9), либо охлаждения согласно выражениям (10) или (11). Элементы 7, 11, 18, 19, 24 совместно с мультиплексором 26 образуют канал моделирования нагрева и охлаждения магнитопровода. На входы сумматора 7 поступают напряжения, пропорциональные температурам обмотки, магнитопровода и охлаждающего воздуха. На выходе сумматора 7 величина напряжения определяется выражением

U₇ = U₃₁ + U₂ - 2 ^. U₃₂, (22) где U₃₁ - напряжение с выхода преобразователя 31, пропорциональное температуре обмотки;

U₂ - напряжение с выхода преобразователя 2, пропорциональное температуре охлаждающего воздуха,

U₃₂ - напряжение с выхода преобразователя 32, пропорциональное температуре магнитопровода.

Если напряжение U₇ положительное, осуществляют моделирование нагрева магнитопровода, а если отрицательное, то охлаждения. Переключение направления счета счетчика 30 осуществляет пороговый орган 19, на выходе которого логический сигнал единичного уровня соответствует положительному входному напряжению, а выходной сигнал нулевого уровня - отрицательному входному напряжению. Одновременно напряжение с выхода сумматора 7 через формирователь модуля 11 подается на преобразователь 18 напряжение-частота. Коэффициент преобразования преобразователя 18 выбирается с учетом постоянной времени нагрева магнитопровода. Прямоугольные импульсы с выхода преобразователя 18 поступают на вход делителя частоты 24 и при работающем двигателе через элемент 26 поступают на счетный вход счетчика 30. При отключенном двигателе счетный вход счетчика 30 подключается с помощью мультиплексора 26 к выходу делителя частоты 24. Коэффициент деления элемента 24 определяется отношением постоянной времени охлаждении магнитопровода отключенного двигателя к постоянной времени нагрева магнитопровода. Взаимодействуя таким образом, элементы 2, 7, 11, 18, 19, 24, 26, 30, 31 и 32 обеспечивают моделирование теплового состояния магнитопровода, реализуя одновременно моделирование нагрева магнитопровода согласно выражению (12) и охлаждения согласно выражению (13). На входы пороговых органов 12 и 14 поступает напряжение, пропорциональное температуре обмотки. При достижении этим напряжением величины, соответствующей максимально допустимой температуре обмотки, срабатывает пороговый орган 14, на выходе которого появляется логический сигнал единичного уровня, который через логический элемент 24 воздействует на формирователь 34 выходного сигнала "отключение". При срабатывании элемента 12 единичный сигнал с его выхода воздействует на формирователь 33 выходного сигнала "блокировка". Уставка срабатывания элемента 12 определяется согласно выражению (14). На вход порогового элемента 13 подают напряжение сети. При снижении напряжения сети ниже величины, характеризующей нарушение электроснабжения (например, ниже 0,6 U_ном), на выходе элемента 13 появляется сигнал логической единицы. При одновременном снижении напряжения сети и достижении максимальной предпусковой температуры обмотки через логический элемент 20 запускается элемент 25 задержки, который с выдержкой времени, отстроенной, например, от быстродействующих защит от коротких замыканий, воздействует последовательно на логический элемент 2 и на формирователь 34 выходного сигнала "Отключение".

Способ позволяет с большей точностью моделировать процессы нагрева и охлаждения двигателя и улучшить защитные характеристики устройств, реализующих способ.