|
|||
|
|
|||
|
|
Защита трёхфазных асинхронных двигателей Содержание
1. Ввод
1.1. Введение и обоснование актуальности темы2. Обзор работ, близких по тематике 2.1 Работы магистров ДонНТУ, близких по тематике3. Результаты и выводы магистерской работы 3.1. Описание полученных и планируемых результатов по теме 1.1. Введение и обоснование актуальности темы Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространённым электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин - это трехфазные асинхронные электродвигатели. АД обычно рассчитаны на срок службы 15-20 лет без капитального ремонта, при условии их правильной эксплуатации. Под правильной эксплуатацией АД понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электродвигателя. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это, в первую очередь, плохое качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя, стоимость которого составляет примерно 70% от цены нового двигателя. Помимо этого, работа на аварийных режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности. Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит расход электроэнергии и эксплутационные расходы. Но, для того, чтобы выбрать эту защиту необходимо знать, как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов протекающих в нем в случае аварий. Современные стандарты большинства стран мира, включая и Россию, предъявляют все более высокие требования к безопасной эксплуатации асинхронных электродвигателей. Высокие показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их эксплуатации при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить только установкой надлежащей защиты. Существуют разные подходы к обеспечению максимально возможной защиты двигателя, предлагающие как аналоговые, так и цифровые устройства для достижения этой цели. Но, практически все они имеют и целый ряд существенных недостатков, влияющих на качество работы: одни отличаются неоправданной избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи короткого замыкания или перегруза и т. д. Для того, чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких аварий защищает конкретное устройство, принцип их действия и конструктивные особенности. Электродвигатели часто устанавливаются в производственной зоне, содержащей и другие объекты, требующие контроля. Поэтому возможность совмещения в одной проектной базе устройства защиты электродвигателя и устройства сбора и контроля информации, предназначенного для управления широким набором оборудования: от непосредственно рабочего, до периферийного представляется достаточно перспективным решением. Таким образом, актуальность предложенной системы автоматического контроля и управления базируется на следующих пунктах:
Целью работы является создание теоретической модели двух интегрируемых, но самодостаточных систем: интеллектуальной информационно открытой системы защиты трёхфазного асинхронного двигателя и системы сбора и контроля информации в производственных условиях. Задачами, предназначенным для разрешения в ходе магистерской работы, являются:
1) Рассмотрение современных подходов к защите АД 1.3. Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность Научная новизна:
Практическая ценность: На основании проведенных исследований и полученных результатов будут разработаны математические модели реализации на аппаратном уровне с целью внедрения в производство работоспособного продукта в виде блока защиты АД, системы сбора и контроля информации в производственных условиях [1]. 2. Обзор работ, близких по тематике 2.1 Работы магистров ДонНТУ, близких по тематике «Оценка пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях» Получена аналитическая зависимость вероятности возникновения пожаров при эксплуатации асинхронных электродвигателей от частоты появления обрывов фазных проводников, длительности существования такого режима, частоты появления горючего материала на корпусах электродвигателей и сроков его осмотров, а также от надежности системы отключения защитного коммутационного аппарата и сроков его диагностики. Полученные данные в результате исследования позволяют выбрать интервал времени между проверками отключения защитного коммутационного аппарата и срока проверки наличия горючего материала (пыли) на корпусах асинхронных электродвигателей, при котором вероятность пожаров при эксплуатации на промышленных предприятиях АД будет отвечать норме ГОСТ 12.1.004-91. Это позволит почти полностью исключить случаи появления пожаров при эксплуатации электродвигателей. Разработана математическая модель и предложена методика, которые позволяют прогнозировать вероятность появления возможных пожаров от эксплуатации асинхронных электродвигателей, разрабатывать организационные и технические мероприятия, позволяющие обеспечивать нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень пожарной безопасности.
«Создание тепловой защиты асинхронного двигателя 6 кВ с.н. ТЭС» "Координирующая SCADA-система управления МНЛЗ" Проведено ознакомление с объектом управления и спроектирована информационная система контроля и управления МНЛЗ. Для разработанной системы определен состав задач контроля и управления, структура информационных потоков. Проведен анализ существующих SCADA – систем и выбрана Trace Mode. Спроектирована локальная сеть для АСУ ТП МНЛЗ. «Определение влияния параметров работы асинхронного двигателя и питающей сети на его нагрев и полезную мощность» Разработаны алгоритмы определения допустимой по условиям нагрева токовой нагрузки закрытого АД с начальным нагревом, при запусках через заданный интервал времени, а также при переменной величине нагрузки; определено влияние параметров повторно-кратковременных режимов (S4) на допустимую полезную мощность; разработаны основные положения математической модели нагрева группы АД—при отключении напряжения во время работы в номинальном режиме—при подаче напряжения и сомозапуске. Даны практические рекомендации по определению полезной мощности в кратковременных режимах S2 для АД с начальным нагревом, при запусках через определенный интервал времени, а также при переменной величине нагрузки; для работы закрытого АД в повторно-кратковременных режимов (S4) разработаны рекомендации по определению предельных параметров режима (число включений в час, допустимая мощность); определена допустимая мощность взрывозащищенных АД в продолжительном режиме S1 при несимметрии сети. Получены расчётно-теоретические оценки нагрева обмоток двигателей группового привода при отключении напряжения и самозапуске. Проведен расчетно-теоретический анализ и обобщение экспериментальных данных по определению влияния несимметрии напряжения на нагрев и допустимую мощность взрывозащищенных АД в продолжительном режиме работы S1. Разработаны основные положения математических моделей мощных закрытых АД в режиме S1 - отключение напряжения (выбег) - самозапуск. 1. Разработаны методы определения допустимого тока статора (полезной мощности) закрытого АД в кратковременных режимах: - при переменной нагрузке; Выполнено ряд контрольных расчетов для взрывозащищенных АД. 2. Определен допустимый уровень токовой нагрузки обмотки статора для серии взрывозащищенных АД в кратковременных режимах (при неизменном характере нагрузки) с различной продолжительностью нагружения. 3. Определено влияние параметров повторно-кратковременного режима S4 на допустимую полезную мощность закрытого АД. 4. Определено влияние несимметрии напряжения и допустимой полезной мощности закрытого АД. 5. Отработаны основные положения определения теплового состояния АД в режиме S1—отключение напряжения (выбег)—самозапуск. "Специальные вопросы расчета асинхронных двигателей" Рассматривается вопрос расчета переходного процесса в сети электроснабжения при пуске АД, определяется реальная величина напряжения на его зажимах, изменяющегося в процессе пуска, получены реальные величины пусковых моментов, пусковых потерь и времени пуска, а также рассчитаны кривые нагрева обмоток с учетом всех отмеченных факторов. Разработаны методики расчета теплового состояния закрытых обдуваемых АД в продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременных режимах работы с учетом реальных величин напряжений на зажимах в процессе пуска.
«Автоматизация анализа аварийных ситуаций в электрических системах» Разработана экспертная система, предназначенная для работы в составе автоматизированной системы оперативного управления локальными объектами электроэнергетической системы Разработан метод автоматизированного анализа аварийных ситуаций непосредственно после их появления. Метод использует аналоговые и дискретные сигналы, вызванные повреждениями и изменениями схемы соединений оборудования электрической системы, отражающими состояние выключателей, устройств релейной защиты и автоматики. Метод позволяет оценивать работу устройств релейной защиты и автоматики, выключателей. «Исследование и разработка системы автомвтизации учета и контроля технологических процессов рудного двора доменного цеха металлургического комбината» «Автоматизированная система контроля содержания алюминия в потоке боксита» Разработан метод расчёта концентрации алюминия в боксите с динамичной поправкой результатов к условиям внешней среды и точных значений концентрации, которые были получены по результатам химического анализа. Система помогает решить очень важную проблему в области обогащения алюминия на глинозёмных предприятиях, а также обеспечить максильную эффективность производства и его экологическую безопасность при оптимальных финансовых затратах на закупку сырья. «Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии» Разработана модель автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии и обоснованы методы оценки эффективности от её внедрения в производство. Проведён сравнительный анализ автоматизированных систем фирм, действующих на украинском рынке АСКУЭ, который может быть полезен потенциальным заказчикам таких систем, а также фирмам, разрабатывающим системы такого класса. «Расчетно-теоретический анализ теплового состояния взрывозащищенных асинхронных двигателей в режимах короткого замыкания и после них» Решена задача расчетно-теоретического определения всего комплекса вопросов по определению токов обмоток статоров и роторов, (короткозамкнутые ротора одноклеточные, двухклеточные, глубокопазные с бутылочным пазом ротора) в функции времени короткого замыкания, нагревов обмоток при КЗ с учетом насыщения и вытеснения тока, а также исследования характера изменения температуры всех основных элементов конструкции АД при его нахождении в отключенном состоянии или при работе в номинальном режиме. Разработаны методики численного расчета теплового состояния взрывозащищенных АД в режимах КЗ и после них, которые могут быть использованы во всех заинтересованных органах. «Разработка и исследование компьютеризированной системы мониторинга технологических показателей процесса производства азотной кислоты и диагностики производственного оборудования в условиях ОАО "Концерн "СТИРОЛ"» - разработан драйвер связи объекта с ПЭВМ; - построена подсистема технической диагностики оборудования по производству азотной кислоты на базе нейронных сетей. Построенная подсистема позволяет верно идентифицировать утечки, т.е. определять в какой момент времени в каком блоке произошел сбой. Исходными данными для работы подсистемы являлись искусственно генерируемые величины технологических параметров. В дальнейшем предполагается проверить работоспособность подсистемы с использованием в качестве входных величин реальные данные, полученные от датчиков, расположенных на объекте; - спроектирована СУБД, организующая сбор и обработку хозрасчетной информации. В дальнейшем планируется расширить функциональные возможности данной подсистемы; - проведено технико-экономическое обоснование создания подсистем такого рода. Кроме уже упомянутых направлений развития подсистемы организована локальная сеть со следующими функциями: - организация получения данных от бюро учета (ежесуточно); - организация пересылки отчетов руководству предприятия (ежедневно); - организация обработки запросов, поступающих не только от оператора, но и от руководства предприятия (в произвольное время). «Исследование и обоснование структуры и параметров микропроцессорного устройства контроля вибрации вентиляторов главного проветривания угольных шахт» 2.2 Обзор национального уровня 2.3 Публикации мирового уровня "Основы тепловой модели двигателя и её применения в защите двигателя" Название издания: Protective Relay Engineers, 2005 58th Annual Conference for В статье обсуждаются основы тепловой модели двигателя и её математическая интерпретация, а также физика различных состояний двигателя (перегруз, непредусмотренная остановка, слишком частые или продолжительные запуски, использование рабочих циклов). Пояснены временные константы тепловой модли и другие технические аспекты, влекущие соответствующие изменения в алгоритме тепловой модели. Другие разделы, освещённые в статье, показывают, что подробная и информативная документация по двигателю, совместно с координацией между инженером защиты и поставщиком, ведут к надлежащему выбору параметров тепловой защиты двигателя. В статье представлен детальный обзор остановки, ускорения двигателя и соответствующие тепловые кривые, пояснена сущность тепловой ёмкости и конкретизировано её влияние на выбор средства тепловой защиты. Также обсуждаются некоторые дополнительные методы, такие как кривые перегруза, зависимые от напряжения и перебоя, предназначенные для определения тепловой ёмкости в областях нестандартных применений двигателя. В статье представлена концепция соответствия тепловых временных констант для случаев циклической нагрузки на двигатель. Кроме этого, продемонстрирована работа алгоритма тепловой модели на практических примерах. В статье также описан реальный случай, показывающий как применять и настраивать тепловую модель в случае высокоинерционной загрузки двигателя. В таком контексте в статье также анализируются некоторые ключевые темы, которые обеспечивают безопасную работу двигателя совместно с наличием приемлемых характеристик конструкции двигателя. Авторы: Godsey, B. | Midence, R. | Premerlani, W. | Shulman, E. | M, Thaku | Venkataraman, B. "Electronically enhanced low voltage motor protection and control" "(Низковольтная защита и управление двигателем с увеличенным содержанием электроники)" Название издания: Industry Applications, IEEE Transactions on Abstract Наибольшая разница в защите и управлении двигателем сегодня и в будущем будет состоять в увеличенном количестве электроники. Системы, основанные на электромеханике, ограничены простыми режимами защиты и обычно имеют одинаковое соотношение между входом (например, ток) и реакцией (например, отклонение). Микроконтроллеры, с их повышенной скоростью обработки и наборами запрограммированных инструкций, дают разработчикам средство и свободу в реализации набора методов защиты, а также в их индивидуальной настройке. Возможности компьютеризации позволяют разработчикам совместить в современных системах защиты двигателя множество функций, включающих функции управления, которые раньше реализовывались исключительно схемами с жёсткой логикой. Сейчас разработчик может провести переоценку требований к защите двигателя и предоставить уникальное решение. Также становится возможной замена высокоуровневых контроллеров на специализированные, встроенные в систему защиты. Такая система может обеспечивать передачу данных на общезаводские системы управления. Если раньше такие решения были непрактичны ввиду своей сложности/стоимости, то теперь это становится вполне доступным. Авторы: Bartheld, R.G. | Farag, S.F. | May, W.E. "Интеллектуальные микрокпроцессорные устройства для улучшенной защиты двигателя, гибкое управление и коммуникация на бумажной фабрике." Название издания: IEEE Transactions on Industry Applications Повреждения двигателя на обычной бумажной фабрике очень дорогостоящи. Каждый час после среднестатистической поломки мотора и до починки обходится в сумму до $20000. Починка моторов оборачивается, например, для североамериканской фабрики Champion International на сумму более $10,000,000 в год. Потеря продукции, связанная с этими поломками может достигать поражающих величин, таких как $1,000,000 в день. Учитывая эти факты,Champion International разработала программу использования оборудования интеллектуального управления и защиты двигателя во всех новых сборках, где это возможно, а также для замены отслужившего срок эксплуатации оборудования защиты двигателя. Комбинация улучшенной защиты двигателя, гибкого управления и коммуникации дала возможность Champion осуществлять прямое управление и наблюдение за своими процессами. Улучшенные возможности нового оборудования обеспечивают заблаговременное предупреждение о возникающих проблемах, минимизируют время простоя и улучшают результаты роботы процессов. В статье показана история замены устаревшего электромеханического оборудования защиты и управления. Дополнительно обсуждается современное поколение технологий защиты двигателя и потребность в новом поколении оборудования для защиты двигателя, предоставляющего полную защиту от всех известных недопустимых режимов работы. Авторы: Farag, S.F. | Jhaveri, M.K. "Improving existing motor protection for medium voltage motors." "Улучшение существующей защиты двигателя для двигателей со средним вольтажом." Название издания: IEEE Transactions on Industry Applications Авторы анализируют поломки двигателя и связанные с ними затраты. Возможности и ограничения старых форм защиты двигателя, таких как реле, использующих модель индукции тока, контрастируют с желаемой защитой. Возможности различных типов реле, базирующихся на микропроцессорах рассмотрены с точки зрения на них, как на подходящих кандидатов для улучшения защиты двигателя. Приведен пример проекта, разработанного как часть фундаментальной модификации, а также соответствующие экономические выкладки. Авторы: Paoletti, G.J. | Rose, A. "Устройства для защиты двигателя с усовершенствованными функциями и возможностью передачи данных." Название издания: Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated Industry Applications Society 41st Annual Последние усовершенствования в технологиях и конструкции управления двигателями дали результат в виде использования электронных компонент в новых стартерах двигателя и в специфических реле для защиты от перегрузок. Преимущества использования электроники в пускателях двигателя включают: расширенные функции защиты против поломок различных типов, улучшенные характеристики, способность передавать информацию с контроллера или другой системы управления непосредственно на пускатель. Такая комбинация даёт возможность пользователям на участках управления производственными процессами непосредственно контролировать и наблюдать за элементами таких процессов. Это позволяет предотвратить потенциальные повреждения двигателя, минимизировать время простоя и улучшить резуальтаты производственных процессов. Авторы: Alwin, P.E. "A New Data-Gathering and Control System " Название издания: IEEE Transactions on Communications Автоматическая система сбора и контроля информации C-2000 представляет текущие инновации в области управления производством. Система состоит из главной станции, расположенной в центре коммуникационной сети, связанной с некоторым количеством удалённых станций. Необычно эффективная структура сетевого сообщения, в совокупности с высокой скоростью устройства сопряжения, приводит к исключительно высокой скорости информационного обмена. Также в системе предусмотрена эффективная система безопасности сообщения. Система делится на модули как на функциональном, так и на аппаратном уровне, что позволяет ей быть эффективной при любых требованиях к размеру оборудования. Авторы: Sanders, R. 3. Результаты и выводы магистерской работы 3.1. Описание полученных и планируемых результатов по теме Благодаря простоте конструкции, хорошей надёжности и невысокой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространенным электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин - это трехфазные асинхронные электродвигатели.  Рисунок 1 - Идеализированный трёхфазный ток. Как можно увидеть на рисунке 3.1, каждая фаза трёхфазного тока смещена на 120 (4n/6) градусов относительно другой фазы. Таким образом, сумма значений всех фаз в каждый момент времени равна нулю. Этим можно воспользоваться для математического получения значения третьей фазы в данный момент времени, зная 2 другие, снижая в итоге количество необходимых датчиков с трёх до двух. АД рассчитаны на большой срок службы без капитального ремонта, при условии их правильной эксплуатации. Однако в реальной жизни имеет место плохое качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя. Помимо этого, работа на аварийных режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности. Аварии АД. Аварии АД подразделяются на два основных типа: механические и электрические. В данном случае нас интересуют последние, тем более что они являются основной первопричиной механических аварий в том числе. Электрические аварии АД делятся на три типа:
 Рисунок 2 - Отклонение напряжения.  Рисунок 3 - Несимметрия напряжений.  Рисунок 4 - Несинусоидальность напряжений. Токовые аварии АД. Напряжение на зажимах АД и фазные токи, протекающие по его обмоткам тесно взаимосвязаны и любые, даже небольшие, изменения сетевого напряжения вызывают значительные изменения фазных токов. Для эффективной защиты АД необходимо измерять фазные токи как можно точнее. Согласно последним исследованиям, длительная работа двигателя с токовым перегрузом всего лишь на 5% от номинального, сокращает срок его службы в 10 раз. В связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, особенно во время пусков, в ней присутствует большое количество гармоник высшего порядка, оказывающих существенное влияние на величину действующего значения тока. Поэтому, если принимать решение о работе АД не по вычисленным действующим значениям тока, а по неким усредненным сигналам или, еще хуже, по пиковым значениям, это может привести к ложным выводам о наличии или отсутствии токового перегруза. Различают два вида токового перегруза АД: симметричный и несимметричный. Симметричный токовый перегруз, как правило, связан с механическими перегрузками на валу двигателя. Их значение напрямую связано с режимами работы АД и тепловым перегрузом, о которых речь пойдет ниже. Большая часть токовых аварий АД, связана, в первую очередь, с повреждениями внутри самого двигателя, приводящими к несимметричному токовому перегрузу. Во всех случаях внутренних аварий электродвигателя наблюдается значительная асимметрия фазных токов, превышающая в несколько раз асимметрию напряжений. Поэтому постоянный контроль токов, соотношение токового перекоса с перекосом напряжений, позволяют принимать достаточно достоверные выводы о наличии таких аварий и оперативно отключать двигатель. Режимы работы АД. Основной характеристикой нагрузочных режимов является тепловая характеристика электродвигателя. Работа АД всегда сопровождается его нагревом, что обусловлено происходящими в нем процессами и потерями энергии. Нормативный срок службы электродвигателя определяется, в конечном счете, допустимой температурой нагрева его изоляции. В современных двигателях применяется несколько классов изоляции, допустимая температура нагрева которых составляет для класса А - 105°С, Е - 120°С, В - 130°С, F - 155°C, H - 180°C, С свыше 180°С. Превышение допустимой температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции и существенному сокращению срока его службы.  Рисунок 5 - Кривая изменения температуры двигателя при изменяющейся нагрузке. В эксплуатации, в основном, приходится сталкиваться с режимами, ненормированными ГОСТами. Наиболее характерным является режим с быстроизменяющейся нагрузкой, когда двигатель периодически входит в режим перегрузки, возвращаясь затем на номинальный режим или опускаясь в режим работы с нагрузкой меньше номинальной. Если машина работает в продолжительном режиме, но с переменной нагрузкой (Р1, Р2, Р3…), имеет место неустановившийся тепловой процесс (см. рис. уауралаурлоурало )., т. к. в разные промежутки времени: t1, t2, t3, t4 и т. д. в ней возникают различные потери мощности, а следовательно, различные тепловые потери. Для эффективного контроля количества тепла, накопленного двигателем в процессе работы, необходимо выяснить законы нагрева и охлаждения асинхронного электродвигателя. Уравнение теплового баланса АД. В связи с трудностью проведения такого анализа, принимаются следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность и одинаковую температуру во всех своих точках. Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от нагрузки на валу двигателя. Температура двигателя зависит не только от нагрузки, но и от температуры окружающей среды. Псевдотепловые математические модели электродвигателей положены в основу большинства защит АД от теплового перегруза. Постоянный расчетI2с учетом скорости нагрева и остывания двигателя при, как можно большей степени дискретизации измерений, дают наиболее полную картину о количестве тепла, накопленного двигателем и опасному, с точки зрения допустимого нагрева изоляции. При превышении допустимого нагрева для данного класса изоляции происходит так называемое ускоренное "старение" изоляции: снижается механическая прочность, появляется хрупкость, разломы и трещины, что приводит к снижению ее электрической прочности и пробою. Методы защиты от аварийных режимов. Стремясь защитить двигатели от аварийных режимов, еще с середины прошлого века в энергетике стали применять различную релейную защиту: тепловую, токовую, температурную, фильтровую и комбинированную. Многолетний опыт эксплуатации АД показал, что большинство существующих защит не обеспечивают безаварийную работу АД. Так, например, тепловые реле рассчитывают на длительную перегрузку 25-30% от номинальной. Но, чаще всего, они срабатывают при обрыве одной фазы при нагрузке 60% от номинальной. При меньшей нагрузке реле не срабатывает и АД продолжает работать на двух фазах и выходит из строя в результате перегрева изоляции обмоток. Правильный выбор защитного устройства - это важный фактор в обеспечении безопасной эксплуатации АД. Приборы защиты АД от аварийных режимов можно разделить на несколько видов:
Универсальные устройства защиты АД. Попытки создать эффективную защиту предпринимается различными производителями постоянно. Наибольшее распространение получили две идеологии: угло-фазовый метод, реализованный в большинстве импортных дорогостоящих устройств и контроль параметров работы двигателя по величине действующего значения тока в каждой из питающих фаз, положенный в основу отечественных устройств. Задача создания защитного устройства оказалась достаточно сложной. Во-первых, ток необходимо измерять как можно точнее, ведь известно, что длительная работа АД всего лишь при 5% перегрузе сокращает срок его службы в 10 раз. Во-вторых, в связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, необходимо определять действующее значение токов, включая гармонический анализ, чтобы учесть значения высших гармоник, оказывающих наиболее вредное влияние на пусковые и рабочие характеристики двигателя. Работа по пиковым значениям (длительным фронтам) или по неким усредненным суммам приводит к ложным срабатываниям. В третьих, необходимо обеспечить отстройку от 7-8 кратных пусковых токов, одновременно обеспечив отключение двигателя даже при небольших длительных перегрузках. В четвертых, защита должна быть "умной", т. е. время срабатывания должно зависеть от тока. В пятых, необходимо отключать недогруженный двигатель при возникновении недопустимой ассиметрии токов, т. к. это приводит к биению ротора. В шестых, необходимо учитывать тепло, выделяемое при пусках двигателя, т. к. при частых пусках двигатель может перегреться пусковыми токами, имея на валу нагрузку значительно ниже номинальной. Кроме всего прочего, необходимо различать виды аварий, и по каждой из них принимать свое решение: можно или нельзя включать двигатель повторно. Большинство из представленных на рынке устройств т. н. токовой защиты, мало чем отличаются друг от друга по своим функциональным возможностям и имеют общие недостатки: низкая точность выставления токов, срабатывание по максимально допустимому току, отсутствие измерения напряжения и др. Лишь совсем недавно появились недорогие отечественные устройства, в которых функции защиты реализованы не хуже, а в некоторых, по совокупности параметров, даже лучше, чем у большинства импортных аналогов, включая встроенные защиты преобразователей частоты и устройств плавного пуска. Такие устройства объединяет наличие в измерительной цепи трансформаторов тока, контролирующих рабочие токи, протекающие в обмотках статора, цифровая обработка сигнала, множество контролируемых параметров, простота конструкции. Для анализа был выбран ряд защитных устройств АД, наиболее часто используемых на наших предприятиях, где зачастую отдают предпочтение отечественным устройствам перед их, возможно более совершенными, западными собратьями. Несомненно, основная причина, - цена. В связи с низкой платежеспособностью российских предприятий устанавливать на каждый ответственный электропривод частотный преобразователь достаточно накладно, т. к. при больших мощностях их стоимость составляет несколько тысяч долларов. К тому же, импортные защитные устройства порой не способны выдержать жесткие режимы эксплуатации: повышеннае температура, влажность, низкое качество питающего напряжения, мощные электромагнитные и коммутационные возмущения присутствующие в сети. У них усложнены схемы настройки и отладки, требуется наличие специальных знаний для их эксплуатации, которые отсутствуют у специалистов низшего звена. Цена большинства отечественных устройств не превышает несколько сот долларов, причем практически не зависит от мощности защищаемого АД. Они создавались с учетом наших условий. Способны подстраиваться под реальные условия эксплуатации, при которых, по специфике производства, необходимо иногда загрублять или наоборот ослаблять режимы работы. Просты в обращении и не требуют дополнительных настроек. Сравнение производилось по основным параметрам, которым, на наш взгляд, должно соответствовать универсальное реле защиты АД: защита от аварий в электросети, возможность точной настройки на номинальный (рабочий) ток двигателя, работа по действующим значениям токов, защита от внутренних аварий, защита от механического перегруза, защита от холостого хода ("сухой" ход для насосов, обрыв шкива), защита от теплового перегруза, защита от пробоя изоляции на корпус, пр. Защита от аварий сетевого напряжения Jбрыв, слипание, нарушение последовательности, перекос,скачки, провалы напряжения. В большинстве устройств такой контроль, как правило, отсутствует. В некоторых, перед включением, в лучшем случае проверяется наличие и полнофазность питающей сети. В большинстве случаев о плохом напряжении судят лишь после включения нагрузки по токам, т.е. косвенно. Одновременный контроль токов и напряжений необходим для анализа вида аварии.Такой анализ дает возможность применить соответствующую логику принятия решений. Например, при сетевых авариях повторный пуск разрешать, при авариях, связанных с повреждениями внутри двигателя - запрещать.
Система сбора и контроля информации в промышленной среде должна состоять из подсистем передачи и приёма, а также подсистемы визуализации, которая позволяет оператору наблюдать за состояниями контролируемых объектов в реальном времени. Такая автоматизация позволит:
Система "Сбора и контроля информации" является системой реального времени. Как и все подобные системы, она состоит из нескольких элементов, включая человека. Рассмотрим эти элементы в порядке следования потоков данных. Датчики Датчики служат для измерения контролируемых показателей объекта. В зависимости от конкретных технических требований, они могут измерять различные физические характеристики (ток, напряжение), а также представлять полученную информацию в аналоговом либо цифровом виде. В данной разработке использовались аналоговые и цифровые датчики, измеряющие уровни напряжения. Рабочая станция Рабочая станция сети базируется на микросхеме RTU-188, содержащей процессор (аналог intel-188), оперативную память, таймер, дискретные и аналоговые порты ввода-вывода, COM-порты. Функция рабочей станции состоит в сборе информации с датчиков в определённые моменты времени, дискретизация аналоговой информации, анализе и выводе полученных показаний или заранее определённых сообщений на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). Вторая функция рабочей станции - пересылка информации через моноканал к главной станции сети. ЖК-индикатор Дисплей предназначен для оперативного отображения состояния обслуживаемого объекта "на месте", т.е. непосредственно на обслуживаемом участке. Выбранный вариант дисплея на базе контроллера HD44780 имеет 4 строки по 16 символов, подсветку, поддерживает русский алфавит, имеет широкий диапазон рабочих температур. Канал Связь между станциями осуществляется по стандартному для промышленности протоколу RS-485. Этот протокол сходен с RS-232, но позволяет соединить в одной сети более 2 станций. RS-485 - полудуплексный протокол, связь двусторонняя с разделением во времени. В промышленной среда не является редкостью необходимость большой протяжённости сети. Использование повторителей решает эту задачу. Канал реализован в виде единого кабеля витой пары, к которому параллельно подключены рабочие станции сети, а также главная станция сети. Преобразователь интерфейсов Так как рабочее место (персональный компьютер) оператора в общем случае не поддерживает протокол RS-485, необходимо преобразовать информацию к стандарту RS-232, который воспринимается любым СОМ-портом. Конвертер ADAM-4510 выполняет необходимое преобразование интерфейсов. Данное устройство поддерживает оба направления передачи данных и широкий диапазон скоростей связи. Главная станция Главная станция - рабочее место (либо его часть) оператора. Главная станция выполняет функции визуализации и контроля полученных от рабочих станций данных, анализе их корректности, ведении статистики. Рабочей средой является программа, реализованная на SCAD-системе Advantech Studio, выполняет функцию драйвера СОМ-порта, обслуживает все уровни сети, начиная от канального и заканчивая прикладным. Оператор Оператор - это человек, который осуществляет контроль за системой, на основе предоставляемой ему в реальном времени информации. Оператор выполняет запуск системы, настройку её параметров, если это необходимо, после чего принимает решения исходя из результатов функционирования рабочей среды. На базе имеющихся аппаратных средств была разработана теоретическая и практическая модели системы сбора и контроля информации. На данный момент реализовано сетевое и прикладное программное обеспечение рабочей и главной станций сети. Конструктивно реализована связь рабочей станции с датчиками и ЖК-индикатором, связь рабочей и главной станции сети с использованием конвертера интерфейсов. Работоспособность модели подтверждена результатами отладки и тестирований. Целью дальнейшей разработки является реализация протокола Modbus для поддержки большего числа рабочих станций и расширения возможностей управления ими. На рисунке 3.6 показан принцип функционирования целевой системы сбора и контроля информации. Программно реализован этап сбора информации с датчиков, вывод их на ЖКИ и передача пакета информации по каналу к главной станции сети с установленной SCADA системой.  Рисунок 6 - Алгоритм функционирования рабочей станции. Упрощённо алгоритм функционирования рабочей станции на данном этапе разработки представлен на рисунке 3.7  Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма рабочей станции. Подробнее про разработанную систему можно прочесть в научно-исследовательской работе "Система контроля информации в промышленной среде" Клешнина И.С. и научно-исследовательской работе "Система сбора информации в промышленной среде" Земцовой Т.А. Блок токовой защиты предназначен для контроля тока, питающего асинхронный двигатель. Основные виды защит, которые он реализует следующие:
Вкратце будут рассмотрены принципы построения каждой из защит. Максимальная токовая защита (МТЗ) МТЗ основана на определении величины среднеквадратического значения тока каждой фазы за каждую половину периода сетевого напряжения и сравнении с текущей уставкой. Срабатывание защиты МТЗ фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании МТЗ дальнейшая работа блокируется до ручного сброса. Защита от перегрузки (ПГЗ) Защита реализована на основе тепловой модели как функция времени срабатывания от величины, превышающей 105% номинального тока. Срабатывание защиты ПГЗ фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании ПГЗ дальнейшая работа блокируется до ручного сброса. Защита от недопустимой асимметрии фаз (АСС) Защита срабатывает при разнице среднеквадратических сигналов токов разных фаз более чем на 20%. Срабатывание защиты АСС фиксируется в энергонезависимой памяти (ЭНП) и на соответствующем индикаторе. При срабатывании АСС дальнейшая работа блокируется до ручного сброса. Защита от обрыва цепи Защита от обрыва цепи срабатывает если среднеквадратический сигнал тока менее 20% от номинального. В случае срабатывании этой защиты дальнейшая работа блокируется до ручного сброса. Алгоритм работы блока приведен ниже.  Рисунок 8 - Блок-схема работы БТЗ. (Часть 1).  Рисунок 9 - Блок-схема работы БТЗ. (Часть 2). В результате проведенной на данный момент работы, создана теоретическая модель системы сбора и контроля информации в производственных условиях. Дальнейшей доработке и углублению подлежит вопрос протоколов транспортного уровня передачи данных в проектируемом варианте сети. На данный момент близка к завершению теоретическая модель интеллектуальной информационно открытой системы защиты трёхфазного асинхронного двигателя. Большинство поставленных для достижения цели задач теоретически разрешены, однако нуждаются в лабораторных и экспериментальных проверках. Продолжается сбор статистических данных, касающихся затронутых в исследованиях вопросов. [1] Научно-исследовательская работа "Система контроля информации в промышленной среде" Клешнина И.С. [2] Научно-исследовательская работа "Система сбора информации в промышленной среде" Земцовой Т.А. [3] Магистерская работа "Система сбора и контроля информации. Блок интеллектуальной токовой защиты" Земцовой Т.А. [4] "АЦ ЖКИ модули на основе контроллера HD44780" [5] "RS-485" Бень Є.О. [6] "RS-422 and RS-485 Application Note" [7] "Fastwel RTU-188 Руководство пользователя" "Приложение А. Встроенные устройства микроконтроллера AM188ES" [8] "ADAM 4510/4510S User's Manual" [9] "Advantech Studio v5.1 Technical Reference Manual" [10] "Advantech Studio v5.1 Getting Started Guide" [11] "MPLAB IDE Quick Start Guide" [12] "MPLAB ICD 2 In-Circuit Debugger User's Guide" [13] "Общая электротехника с основами электроники" Данилов И.А., Иванов П.М. [14] "Курс электротехники" Паначевный Б. И. [15] "Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ" Александров А.М. [16] "MOTOR PROTECTION AGAINST SINGLE-PHASING", Copyrighted Division Bussman [17] "A Product-Based Assurance Model for Mixed-Integrity Markets", Brenton Atchison and Alena Griffiths |
