SU754556A1 - Устройство для максимальной токовой защиты трехфазной нагрузки 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты асинхронного электродвигателя питаемого от тиристорного регулятора напряжения, например для электроприводов крановых механизмов в случае обрыва в ⁵ цепи тиристора или при исчезновении управляющего импульса на тиристоре.

Известно устройство для защиты трехфазных электроустановок от несимметрии фазных токов, содержащее выпрямитель, фильтр второй гармоники, сглаживающий фильтр и блок сравнения. Фильтр второй, гармоники из переменной составляющей выпрямленного напряжения выделяет напряжение второй гармоники, которое выпрямляется, сглаживается и потом сравнивается с постоянной составляющей выпрямленного напряжения и при их определенном соотношении на выходе устрой- _м ства появляется сигнал, используемый для защиты .

Недостатками устройства являются его неработоспособность при появлении

2

в токе нагрузки постоянной составляющей, а также невозможность использования для защиты трехфазной цепи, питаемой от несимметричного тиристорного регулятора напряжения.

Известно также устройство для контроля неисправностей вентилей. В нем используется дифференциальный трансформатор, магнитный поток которого при исправном состоянии тиристоров компенсируется с помощью дополнительной обмотки, получающей питание от регулируемого источника ^2].

Недостатком этого устройства является невозможность его применения для трехфазной нагрузки, соединенной с источником питания трехпроводной линией, а также при регулировании угла , отпирания тиристоров.

Наиболее близким к предлагаемому по' технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для токовой защиты асинхронного двигателя и тиристоров от недопустимых значений тока

3 754556

4

статора. Это устройство содержит три трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в каждую фазу нагрузки, а вторичные обмотки шунтированы резисторами, соединены в звезду и подключен!.! ко входу трехфазного выпрямителя, а выход выпрямителя через сглаживающий фильтр подключен к исполнительному органу и. Недостатками такого устройства являются его ограниченные функциональные возможности и, в частности, неработоспособность при наличии постоянных составляющих фазных токов нагрузки, которые появляются, например, при обрыве цепи тиристора, а также при исчезновении управляющего импульса на тиристоре и могут привести к перегрузке по току элементов нагрузки, в качестве которой может служить, например, трехфазный асинхронный двигатель. Анализ режимов работы асинхронного электродвигателя с неисправным тиристорным регулятором напряжения показывает, что на пониженных скоростях потери в обмотках статора увеличиваются почти в 3 раза по сравнению с нормальным режимом работы.

Это является причиной имеющего место в практике выхода из строя двигателя, работающего с указанной выше неисправностью тиристорного регулятора напряжения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для максимальной токовой защиты . трехфазной нагрузки, содержащее тиристорный регулятор напряжения, подключенный к фазам защищаемой наг'рузки, трансформаторы тока в каждой фазе, первичные обмотки которых подключены к фазам защищаемой нагрузки, а вторичные обмотки нагружены на соответствующие резисторы, соединены в звезду и подключены ко входам трехфазного выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр подключен к одному входу исполнительного органа, выход которого подключен к управляющему входу тиристорного :регулятора напряжения, дополнительно введены трехфазный трансформаторный блок, однофазный двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, причем первичные обмотки трехфазного трансформаторного блока подключены к фазам защищаемой нагрузки, а вторичные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, подключены через однофазный двухполупериодный выпрямитель и вновь введенный ·

сглаживающий фильтр к другому входу

вышеупомянутого исполнительного органа.

Трехфазный трансформаторный блок выполнен в виде трехфазного трансформатора напряжения, первичные обмотки которого соединены в звезду.

Трехфазный трансформаторный блок выполнен в виде соединенных в разомкнутый треугольник дополнительных вторичных обмоток упомянутых трансформаторов тока.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 - соответственно функциональные схемы устройства при использовании в качестве трехфазного трансформаторного блока трансформатора напряжения и дополнительных вторичных обмоток трансформаторов тока; на фиг. 4 - экспериментальные механические характеристики асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения. Сплошными линиями показаны полученные экспериментально механические характеристики асинхронного двигателя типа МТ-1И-6 3,5кВт, 908 об./мия при питании от исправного тиристорнош) регулятора напряжения: в разомкнутой системе при полностью открытом регуляторе характеристика а и жесткие механические характеристики б, в, г для замкнутой системы электропривода. Пунктирными линиями показаны соответствующие характеристики д, е, ж, з, при отсутствии тока в цепи одного тиристора, что имеет место, например при отсутствии импульса на управляющем электроде этого тиристора. Характеристики на фиг. 4 сняты для схемы на фиг. 2, где в качестве трехфазной нагрузки 1 используется двигатель с контактными кольцами.

Устройство содержит трехфазную нагрузку 1, питаемую от тиристорного регулятора 2 напряжения (который может быть выполнен как по симметричной, так я по несимметричной схемам), трансформаторы 3, 4 и 5 первичные обметки которых включены последовательно с выходными зажимами тиристорного регулятора 2' напряжения^ а вторичные обмотки шунтированы резисторами 6,7 и 8 и соединены в звезду, выходы которой подключены ко входу трехфазного выпрямленного моста 9, выход моста 9 подключен через сглаживающий фильтр 10 к одно5

754556

6

му входу исполнительного органа 11, трехфазный трансформаторный блок 12 первичные обмотки которого 13, 14и ^подключены к фазам нагрузки, а вторнчныеобмотки 16, 17 и 18 соединены в разомкнутый треугольник моста и подключены ко входу выпрямительного моста 19, выходы которого подключены через сглаживающий фильтр 20 ко второму входу исполнительного органа 11, а выход последнего соединен со входом системы управления регулятора 2 напряжения.

В устройстве (см. фиг. 2) в качестве блока 12 использован трехфазный трансформатор напряжения, первичные обмотки которого соединены в звезду и подключены к зажимам трехфазной нагрузки 1, а вторичные обмотки соединены в разомкнутый треугольник и подключены ко входу выпрямительного моста 19.

В устройстве (см, фиг, 3) трансформаторы тока 3, 4 и 5 содержат дополнительные вторичные обмотки 16, 17 и 18 соответственно, соединенные в разомкнутый треугольник и подключенные ко входу выпрямительного моста 19.

Устройство работает следующим образом . _ч

Если фазные токи нагрузки 1 имеют недопустимо большие значения и не содержат постоянных составляющих, то на первом входе исполнительного органа 11 подключенного к трехфазному выпрямителю 9, появляется напряжение, вызывающее его срабатывание, что приводит к отключению тиристорного регулятора 2 напряжения (например, путем снятия управляющих импульсов с управляющих электродов тиристоров регулятора 2).

Если же отсутствует ток в цепи одного тиристора регулятора 2 (например, из-за нарушения контакта зажима проводника, подходящего к управляющему электроду тиристора), то в цепи нагрузки появляются постоянные составляющие токов. В этом случае из-за насыщения трансформаторов тока 3, 4 и 5 сигнал на выходе выпрямителя 9 оказывается недостаточным для срабатывания исполнительного органа 11, однако на его втором входе возникает напряжение, вызывающее срабатывание исполнитель-’ ного органа, что приводит к отключению тиристорного регулятора 2 напряжения. Допустим, что трехфазный трансформаторный блок 12 состоит из трех отдельных середечников, на одном из которых, расположены обмотки 13 и 16, на другом - обмотки 14 и 17, а на третьем обмотки 15 и 18, Примем первичные обмотки 13, 14 и 15 подключены к фазам

нагрузки, а вторичные обмотки 16, 17

5 и 18 соединены в разомкнутый треугольник и подключены ко входу выпрямителя 19. .Допустим также, что сопротив ление второго входа исполнительного органа 11 достаточно велико. При этом

10 можно пренебречь током, протекающим по обмоткам 16, 17 и 18, а в таком случае можно принять, что трехфазный трансформаторный блок 12 работает в режиме холостого хода. Примем также,

15 что сумма токов , ΐ₄₄ , проте„ кающих по первичным обмоткам 13, 14

и 15 равна нулю, т.е.

ϊ, _Λ+'ΐ ,+ 1 г. - 0. 43 44 45

(1)

20 Если при указанных условиях по фазам нагрузки 1, питающихся от регулятора 2 напряжения, протекают токи, то на вторичных обмотках 16, 17 и 18 трансформаторного блока 12 наводятся электро25 движущие силы, соответственно равные

(2/

47

?. =-=

^ха <51

(3/

30

35

' лб'/

(41

где ψ.

оИ

- потокосцепления обмоток 16, 17 и 18 соответственно;

- взаимоиндуктивности между обмотками 13 и 16, 14 и 17, 15 и 18

соо тв етств енно.

При этом напряжение ка входе выпрямителя 19

⁴⁵ и -г -е »2. -^1^КЛ^<з^+ма’лч^+мз'45')·· ^υβΜ9'V Ча--(51

Если фазные токи нагрузки 1 не содержат постоянных составляющих, то и

50 » · · . ·

токи , ι, I ^5 соответственно в обмотках 13, 14 и 15 не содержат постоянных составляющих, а при этом все сердечники трехфазного трансформаторкого блоха 12 работают на линейных участках кривых намагничивания, и, поскольку эти-сердечники выполнены одинаковыми, то взаимоиндуктивности Μ , М ₂ ^и М равны между собой, а напряжение

754556

К/., равно нулю, что следует также из формулы выражения (5) с учетом соотношения { I).

Если фазные токи нагрузки 1 содержат постоянные составляющие, то и токи 1^3, '44 , ϊ<5 в первичных обмотках трехфазногО трансформаторного элемента также содержат постоянные составляющие, причем сумма постоянных составляющих токов в указанных первичных обмотках согласно ( 1) равна нулю. При этом по обмоткам 13, 14 и 15 протекают постоянные составляющие токов разных значений. Если значения постоянных составляющих токов одинаковы, то их сумма не равняется нулю, что противоречит условию (ΐ). Наличие постоянных составляющих токов в обмотках 13, 14 и 15 вызывает насыщение сердечников трехфазного трансформаторного элемента, причем степень насыщения различных сердечников неодинакова, так как по обмоткам 13, 14 и 15 протекают постоянные составляющие токов равной величины, как показано выше. Следовательно, при этом взаимоиндуктивности М, , М 2 , М3 не равны между

собой, а.в таком случае напряженней^ на входе выпрямителя 19, и, соответ- ^Л ственно на втором входе исполнительного органа 11, не равно нулю.

В самом деле, допустим, что равна нулю сумма вида

Μ ί + КА ι л Μ ι -О ( 345 (θ)

Тогда из последнего выражения с учетом формулы ( 1) следует

10

1М„

(7)

40

откуда видно, что между значениями токов (дд и ‘45 В каждый момент време, ни имеет место определяемая только значениями вэаимоиндуктивностей количественная связь, а этого не может быть, так как токи ι 44 и переменные и изменяются во времени; например^в один момент времени равен нулю ток в другой момент времени равен нулю ток . Следовательно, сумма вида (Мд»_4э + М2Ч4 + М_%»4₉ ) при разных Мд, , М₃не может равняться нулю, а при этом согласно формуле (5) и напряжение 9^^ не равно нулю.

/

Следовательно, при отсутствии постоянных составляющих фазных токов нагрузки 1 напряжение на входе выпрямителя

15

20

19, и соответственно, на втором входе исполнительного органа 11, равно нулю как при симметричной, так и при несимметричной схемах регулятора 2 напряжения, поскольку в рассуждениях не используют условие, согласно которому по фазам протекают токи одинаковой амплитутуды, а принимают во внимание только соотношение ( 1).

Трехфазный трансформаторный блок 12 может быть выполнен как в виде трансформаторов напряжения, так и в виде трансформаторов тока, поскольку в обоих случаях оказываются справедливыми формулы (2) - ( 5).

Трехфазный трансформаторный блок 12 может быть выполнен не только на основе трех одинаковых сердечников, но и на основе многофазной магнитной системы, используемой, например для трехфазного трансформатора (см. фиг.2). Действительно, в последнем случае потокосцепления Ц> _л , > Ψ3 вторичных

обмоток трансформаторного блока равны

V ^44-46^4,5-46^5 ’

^Ч,2^=М2'44^+Ц43-41’43^+М45-41'45

(8)

(9)

(10)

30

’ +ΗΛ,

3 45 43-4$ 43 44-П 44’

35

45

50

где М,. ..... М,.. - вэаимноиндуктив44-10 44"17

ности между расположенными на разных сердечниках соответствующими первичными и вторичными обмотками (например, взаимоиндуктив-. ность между обмотками 14 и 16).

Если токи, протекающие по первичным обмоткам 13, 14 и 15, не содержат постоянных составляющих, то магнитная система трехфазного трансформаторного элемента ненасышена, а при этом взаимоицдуктивности между первичными и вторичными обмотками, расположенные на одном сердечнике, и между первичными и вторичными обмотками, расположенными ка разных сердечниках, соответстветвенно одинаковы, т.е.

55

(и)

М ~ КА * КД Л446 ^4-2 / (12)

где М<э и М42 - постоянные величины.

9

754556

10

При условиях (1'1) и (12) с учетом соотношения ( 1) из (8) и ( 10) следует

(13)

(14)

(15)

откуда аналогично формулам (2), (3), (4) и (5) с учетом соотношения (1)

10

ВМ9 4<а 47 ЛЯ

(Ми)'

4‘,

сИ (16.)

т.е. в случаях отсутствия в фазных ₁₅

токах нагрузки 1 постоянных составляющих напряжение О^дравко нулю. Если же фазные токи нагрузки 1 содержат постоянные составляющие, то, аналогично вышеописанному, различные сердечники 20 будут насыщены в разной степени, взаимоиндуктивности между различными обмотками будут отличаться между собой и напряжение и в* будет отлично от нуля. 25

Принцип действия устройства на фиг.2, где в качестве трехфазного трансформаторного блока используется трансформатор напряжения аналогичен вышеописанному. Поскольку первичные обмотки зо

трансформатора соединены в звезду, то сумма токов, протекающих по этим обмоткам, равна нулю.

В устройстве на фиг. 3 в качестве трехфазного трансформаторного блока 35

использованы дополнительные вторичные обмотки 16, 17 и 18 трансформаторов тока 3, 4 и 5 соответственно. Принцип действия устройства на фиг. 3 аналогичен описанному. По первичным о&лоткам 40 трансформаторов 3, 4 и 5 тока протекают непосредственно фазные токи 1 д,

,1_С нагрузки и в случае соединения трехфазной нагрузки в звезду сумма этих токов равна нулю , т.е. 45

\'ί₀*'ο·Ο

Потокос цеп ления , дополнительных вторичных обмоток 16, 17 и 18 трансформаторов 3, 4 и 5 тока 50 соответственно равны

	(18)
’ΛΆν,	(19)
	(20)

где - взаимоиндуктивности между первичными и дополнительными вторичными обмотками трансформаторов 3,4 и 5 тока соответственно;

м₄, *Л₅ , - взаимоиндуктивности между вторичными обмотками трансформаторов тока 3,4 и 5 соответственно;

¹4 ’ ¹ б ^{1 1} 6 " ^{70X11 в} шуитированных резисторами вторичных обмотках трансформаторов тока 3,4 и 5 соответственно.

Если фазные токи нагрузки не Содержат постоянных составляющих, то трансформаторы тока 3,4 и 5 работают на линейных участках кривых намагничивания. При этом справедливы соотношения

где Μθ и Мд_б - постоянные величины. Кроме того, при указанных условиях,

когда трансформаторы тока работают в линейном режиме, токи в шунтированных резисторами вторичных обмотках трансформаторов тока пропорциональны токам соответствующих первичных обмоток, а в этом случае потокосцепления ^46 - ^ψ<7> Несогласно формулы V18), (19) и {20) равны

46	А '
	(21)
"Vг'	1 с/
где К - постоянная	величина.

Для указанных условий напряжение на входе выпрямителя 19 (аналогично ** устройству на фиг. 1 - см. формулы (1), (2), <3), (4) и (5) равно нулю.

В случае протекания по фазам нагрузки токов, содержащих постоянные составляющие, имеет место насыщение сердечников трансформаторов токов 3,4 и 5 и, аналогично устройству на фиг. 1 при этом напряжение I)^установится отличным от нуля, что и вызывает срабатывание исполнительного органа 11.

Трехфазный трансформаторный блок

может быть выполнен в виде отдельных,

ιι

754556

дополнительных трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены последовательно в фазы нагрузки, а вторичные обмотки соединены аналогично обмоткам на фиг. 3, однако в этом случае такие обмотки должны оыТь эа'шунтированы резисторами,

Устройство целесообразно использовать для крановых асинхронных электроприводов с тиристорными регуляторами напряжения. Это определяется тем, что крановые электроприводы работают в условиях повышенной тряски и вибраций, а при этом возможно нарушение контакта, например· управляющего электрода тиристора с подводящим проводником, что при отсутствии соответствующей защиты приведет к нарушению теплового режима двигателя и выходу его из строя.

Из характеристик (см. фиг.4) следует , что при питании асинхронного двигателя от неисправного тиристорного регулятора напряжения (отсутствует управляющий импульс одного тиристора) обеспечивается возможность работы двигателя при всех пониженных скоростях в широком диапазоне изменения момента нагрузки. Таким образом, отмеченнная выше неисправность тиристорного регулятора напряжения внешне никак не проявляется, поэтому двигатель длительное время может работать в указанном режиме. Защита, выполненная в соответствии с известным, на такую неисправность не реагирует.

Использование предлагаемого устройства для максимальной токовой защиты дает возможность защитить асинхронный двигатель от выхода его из строя при наличии в фазных токах постоянных составляющих. Стоимость нового двигателя, затраты на работу по βί ο монтажу и ущерб, вызванный возникающий при описанной ситуации вынужденной останбвкой крана, значительно выше, чем стоимость предлагаемого устройства защиты, поэтому его использование имеет высокий экономический эффект.

Данное устройство имеет простую схему и малую стоимость. Его реализация не встречает технических затруднений.

12

Claims (3)

1. Формула изобретения

   1. Устройство для максимальной токовой защиты трехфазной нагрузки, содержащее тиристорный регулятор напряжения, подключенный к фазам защищаемой нагрузки, трансформаторы тока

   в каждой фазе, первичные обмотки которых подключены к фазам защищаемой нагрузки, а вторичные обмотки нагружены на соответствующие резисторы, соединены в звезду и подключены ко входам трехфазкого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр подключен к одному входу исполнительного органа, выход которого подключен к управляющему входу тиристорного регулятора напряжения, о т л и ч а ющееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, дополнительно введены трехфазный трансформаторный блок, однофазный двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, причем первичные обмотки трехфазного трансформаторного блока подключены к фазам защищаемой нагрузки, а вторичные обмотки, соединены в разомкнутый треугольник, подключены через однофазный двухполупериодный выпрямитель и вновь введенный сглаживающий фильтр к другому входу вышеупомянутого органа.
2. 2. Устройство по π, 1, о т л и чающее с я тем, что трехфазный трансформаторный блок выполнен в виде трехфазного трансформатора напряжения, первичные обмотки которого соединены в звезду.
3. 3. Устройство по.п. 1, о т л и ч а тоще е с я тем, что трехфазный трансформаторный блок выполнен в виде соединенных в разомкнутый треугольник дополнительных вторичных обмоток упомянутых трансформаторов тока.