Источник статьи

Автоматизированная система защиты асинхронных двигателей

Аннотация:

В статье рассмотрены принципы проектирования и работы программно-технического комплекса, основными целями которого являются: автоматическое включение/отключение двигателей, автоматическое определение факта перегрузки, отключение двигателя при перегрузках и при выходе из строя механической передачи, определение факта отсутствия двигателя, диспетчеризация и накопление данных о состоянии двигателей. Основная идея алгоритма работы системы состоит в измерении тока двигателя и его анализе в моменты пуска и работы. В статье приведены расчетные формулы, таблицы и графики, а также рекомендации при выборе аппаратного обеспечения.

В огнеупорно-известковом цехе ОАО "Криворожсталь" имеется пять вращающихся обжиговых печей, снабженных электрофильтрами очистки дымовых газов. Фильтры предназначены для улавливания известковой пыли путем её осаждения на электродах, на которые подано напряжение порядка 40 кВ. Для "стряхивания" осажденной на электродах пыли электрофильтры оборудованы короткозамкнутыми асинхронными двигателями мощностью 0,37 кВт. типа АИР-6384. Количество электродов и, соответственно, количество двигателей на один фильтр - 16. Двигатели включаются в работу по заданной от командоаппарата программе. Все электрооборудование (пускатели, реле, автоматические выключатели и др.) расположено в закрытых на ключ помещениях (ПСУ). Средства отключения двигателей при перегрузках в существующих схемах несовершенны и поэтому имеют место выходы из строя двигателей до 10 раз в месяц. А выход из строя двигателей приводит к ухудшению качества фильтрации, что способствует еще большему осложнению экологической обстановки в городе и перерасходу денежных средств цеха на ремонт вышедшего из строя оборудования.

Известно достаточно много готовых технических решений защиты электродвигателей от перегрузок. Но большинство из них спроектировано уже в далеком прошлом и работает на принципах "жесткой" логики. Например, изделие "Устройство защиты двигателя, ТУ У 31.1- 13560309-003-99,1992г." выполнено на микросхемах серии К140! Из-за отсутствия автоматизированной системы контроля и информирования диспетчера время от момента выхода двигателя из строя до обнаружения этого факта лежит в пределах 24-х и более часов. Таким образом, задача автоматического отключения двигателя при перегрузках и оперативной выдачи диспетчеру информации о факте отключения является весьма актуальной.

Целью выполненной разработки было создание программно-технического комплекса, обеспечивающего:
• автоматическое включение-отключение двигателей для работы по заданной программе, т.е. полное исключение командоаппарата;
• автоматическое определение факта перегрузки;
• отключение двигателя при перегрузках;
• отключение двигателя при выходе из строя механической передачи;
• определение факта отсутствия двигателя;
• оперативную выдачу диспетчеру цеха информации о факте отключения двигателя или его отсутствия с привязкой к конкретному ПСУ и конкретной печи;
• Накопление информации о состоянии двигателей для последующего анализа технологического процесса и работы технического персонала.

Структура схема системы содержит следующие основные компоненты: двигатели Дв, автоматические выключатели SQ, пускатели К (k - контакты пускателя, БК - блок-контакт пускателя), модуль гальванической развязки и нормализации токовых сигналов МГР и контроллер, а также пара модемов для выделенной линии и компьютер оператора.

В соответствии с алгоритмом работы фильтра в текущий момент времени включен один двигатель. Поэтому в системе достаточно иметь трехканальный (для каждой фазы) модуль преобразования переменного тока в нормированный сигнал по напряжению с гальваноразвязкой. Факт подачи напряжения на двигатель определяется по замыканию блокконтакта пускателя БК. Включение двигателя осуществляется по команде контроллера контактом МР.

Функции системы по управлению и защите:
• определение и расчет максимальной и среднеквадратической величины тока двигателя;
• принятие решения о состоянии двигателя - заклинен, перегружен, вышла из строя механическая передача или двигатель отсутствует;
• отключение двигателя в случае необходимости;
• передача этой информации компьютеру диспетчера с привязкой к конкретному ПСУ и номеру двигателя.

Функции системы, возлагаемые на компьютер диспетчера:
• ввод данных о времени монтажа двигателя и его параметрах;
• привязка информации о состоянии двигателя к астрономическому времени;
• отображение данных о работе системы в нормальных и аварийных режимах;
• ведение архива о состоянии работы двигателей электрофильтров.

Рассмотрим погрешности измерений и достоверности отключения двигателя при его перегрузках или поломке механической передачи. Представленная на графике зависимость времени отключения двигателя от величины перегрузки рекомендована Международной Электротехнической Комиссией. Примем условие, что суммарная погрешность d определяемого тока двигателя не должна превышать 10 %. Погрешность включает следующие составляющие:

• 1d - огрешность блока преобразования значений тока и гальванической развязки МГР;
• 2d - погрешность аналого-цифрового преобразователя контроллера;
• 3d - методическая погрешность, обусловленная дискретным характером работы контроллера;
• 4d - погрешность вычислений.

Суммарная погрешность 1d и 2d , как будет показано ниже, составляет 0,31%. Погрешностью 4 d можно пренебречь. Поэтому достоверность принятия решения будет в основном определяться составляющей 3 d , величина которой по существу представляет погрешность, обусловленную частотой дискретизации токового сигнала.

Методическая погрешность измерения тока 9,69% (остаток от заданных 10 %) может быть обеспечена за время t D, равное D = 0,116×0,02 /1,2 = 0,002с, t где 0,116 - заданная абсолютная погрешность измерения тока, т.е. 9,69% от IH ДВ=1,2 А; 0,02 - время достижения IH при пуске, с; 1,2 - номинальный ток двигателя, А.

Слева приведены графики "поведения" тока при разных режимах работы двигателя: А - нормальный режим работы; В - режим "заклинивания", т.е. случай, когда при подаче напряжения на двигатель ротор последнего по механическим причинам остается неподвижным, при этом ток статора остается равным пусковому; С- режим перегрузки, т.е. ситуация, когда при пуске или во время работы ток двигателя превышает номинальное значение; D - режим разрушения механической передачи, т.е. ток двигателя не превышает ток холостого хода; Е - режим отсутствия двигателя: при подаче команды на включение двигателя отсутствует ток последнего.

Т.о. наличие каналов для измерения величины тока по каждой фазе позволяет различать и выдавать относительно подробную информацию о состоянии двигателя, а именно определить: факт перегрузки, когда ток нагрузки по всем трем фазам превышает номинальный и выдавать сигнал отключение, если IДВ / IH³К, где IДВ - ток нагрузки двигателя; IH - номинальный ток двигателя; К - константа, определяемая рекомендованным МЭК графиком зависимости времени отключения двигателя от величины перегрузки.

Факт асимметрии фазных токов, если(IДВФА- IДВФВ) U (IДВФА- IДВФC) U (IДВФВ- IДВФС) ³ 0,3 IH где токи двигателя указаны по фазам сети, 0,3 - абсолютная разность токов, приведенная к номинальному;

Факт перегрузки, когда ток превышает номинальный по трем либо двум фазам, а ток в одной из фаз отсутствует. При этом выдается информация об обрыве конкретной фазы двигателя и перегрузка определяется согласно условию IДВ / IH > К.

Сигнал о заклинивании механической части системы выдается, если: IДВ³ 4IH за t = t2 - t1, где: IДВ - эквивалентный ток двигателя за время t; t1 - момент времени подачи сигнала на включение пускателя; t2 - расчетное время выхода механизма на номинальную скорость.

Эквивалентный ток двигателя определяется как:

где Ij - текущее значение тока в j-й момент времени, равный З t D; сигнал на отключение двигателя при заклинивании не выдается, т.к. пускатель не предназначен для защиты двигателя в этих режимах. По существу это - режим короткого замыкания, защиту от которого выполняет автоматический выключатель; сигнал на отключение при разрушении механической передачи выдается, при условии: IДВ³ IХХ за t = t2 - t1, где IХХ- максимальное значение тока холостого хода;

сигнал на отключение при отсутствии двигателя формируется, если: IДВ £ Z за t = t2 - t1, где Z - максимальное значение сигнала на выходе АЦП, обусловленное "шумами" последнего. Перечисленные принципы и составляют основу резидентного программного обеспечения, т.е. ПО контроллера.

В качестве модулей нормализации токовых сигналов можно рассматривать предложения отечественных компаний - серии модулей PSA, HL-7B, SDI соответственно от фирм "ПРОМСАТ", "ХОЛИТ Дэйта Системе" и "САТУРН Дэйта Интернэшнл" или модули серий 5В, 7В, 8В, DSCA производства DataForth Corp. (США). Требования, которым должны удовлетворять выбранные решения коротко можно сформулировать так: входной ток до 5А, выходное напряжение 0..10В, погрешность преобразования не более +0.25%, полоса пропускания не менее 1000Гц, диапазон рабочих температур -20..+45°С. Количество каналов, которое следует организовать - 3.

Аналого-цифровой преобразователь должен иметь погрешность не хуже 0.1%, число каналов - не менее 3-х и диапазон входных сигналов, согласованный с выходным диапазоном нормирующих преобразователей. Но самое главное требование к АЦП - частота преобразования не менее 100 кГц. А это означает, что АЦП должен быть интегрирован в контроллер, т.е. устройства с последовательными каналами типа RS-232/RS-485 в данном случае не подходят. Это требование сужает круг возможных вариантов построения контроллера. Решения на основе однокристальных микроконтроллеров, безусловно, имеют преимущество в стоимости, но имеют и недостаток - специализированные средства программирования. Компактные решения на основе платформы РС/104 или PC-совместимых контроллеров хорошо известной серии i-8000 обойдутся дороже, но с их программированием проблем будет меньше. Что же касается каналов дискретного В/В и коммуникационных возможностей, то следует обеспечить 16 линий ввода (для фиксации срабатывания пускателей) и столько же для вывода (для включения/отключения двигателей), а также коммуникационный порт RS-232/RS-485.

А в заключение отметим, что за время трехмесячной эксплуатации опытно-промышленного образца системы отказов и сбоев как технических средств, так и программного обеспечения не обнаружено. Время от определения факта наличия неисправности до выдачи команды на отключение двигателя не превышает 1 сек. Факты выдачи системой недостоверной информации о неисправности также не имели места.