Устройство контроля несимметрии питания асинхронного электродвигателя

Автор: В.Г. Дубовик, Л.Н. Лебедев, А.Ю. Волошин
(Национальный технический университет Украины Киевский политехнический институт)

Введение

Несимметрия напряжений оказывает негативное влияние на работу потребителей, поскольку приводит к снижению надежности и экономичности работы асинхронных двигателей, систем освещения, конденсаторных установок, устройств автоматики к увеличению потерь мощности в линиях электропередач и трансформаторах, снижение КПД машин и производительности рабочих механизмов. Нормирование значения показателей качества по несимметрии [1] в настоящее время часто нарушается [2], однако необходимый контроль для выявления нарушений и, тем более, учёт влияния этих нарушений на работу системы и её элементов отсутствуют [3].

Цель работы

Разработка системы контроля несимметрии и защита асинхронных электродвигателей при нарушениях симметрии фаз от возникновения аварийных ситуаций.

Материал и результаты исследования

Как критерий оценки несимметрии, согласно ГОСТ 13109 – 97 введены два показателя: коэффициент несимметрии напряжения обратной последовательности К_2U и коэффициент несимметрии напряжения нулевой последовательности К_0U. Для систем электропотребления этим Гостом установлены для обоих показателей допустимые нормы в 2% и предельно допустимые – в 4%. При этом срок службы полностью загруженного асинхронного электродвигателя, который работает при несимметрии напряжения 4% в электрических сетях с номинальным напряжением 0,4 кВ, сокращается в 2 раза [4].

Появление несимметрии напряжения практически всегда влечёт за собой уменьшение составляющей напряжения прямой последовательности. В условиях несимметрии она является работающей составляющей, в отличие от обратной и нулевой последовательностей, вызывающих только дополнительные потери и нагрев обмоток [5]. Как известно, зависимость дополнительных потерь в обмотках статора и ротора в долях суммарных номинальных потерь, вызываемых несимметрией напряжения питания асинхронного двигателя, можно определить по выражению:

где k_2u – коэффициент напряжения обратной последовательности, µ_n – кратность пускового момента, R_20' – приведённое сопротивление ротора к статору для малых скольжений, R_22' – приведённое сопротивление ротора к статору для скольжения s = 2,0, S_ном – номинальное скольжение.

Таким образом, количественный учет влияния степени несимметрии, длительность несимметричного режима позволяет рассчитать потери электрической энергии, спрогнозировать старение и износ из-за перегрева изоляции электродвигателя. Это представляет задачу, которая решается при использовании устройства контроля несимметрии питания асинхронного электродвигателя и его защиты. Несимметрия трехфазной системы напряжения возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжения системы обратной последовательности, которая приводит к изменениям абсолютных значений фазных и межфазных напряжений.

Несимметрия токов может быть значительнее, чем несимметрия напряжения, и предопределяет существенные дополнительные потери. Появление несимметрии напряжения всегда влечет за собой уменьшение общего напряжения прямой последовательности [6].

Определить коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2Ui с интервалом усреднения три секунды в процентах можно как результат і-го наблюдение по формуле:

где U_2(1)і – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в і-ом наблюдении, В.

U_1(1)і – действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты в і-ом наблюдении, В.

На рис. 1 представлена блок-схема устройства контроля несимметрии питания асинхронного электродвигателя, где приняты следующие обозначения: 1 – асинхронный электродвигатель, 2 – блок датчиков тока, 3.1...3.3 – три пороговых элемента, 4.1 и 4.2 – схемы формирования задержки, 5 – блок контроля тока и времени пуска, 6.1...6.3 – формирователи импульсов, 7.1...7.1 – элементы И-НЕ, 8.1...8.3 – элементы И-НЕ, 9 – блок контроля наличия напряжения и порядка чередования фаз, 10 – блок независимой выдержки времени, 11 – ключевой элемент, 12 – катушка электромагнитного пускателя, 13 – блок питания, Е1...Е4 – источники постоянного входного воздействия.

После подачи напряжения в цепи питания электродвигателя нажимается кнопка ПУСК, и оно подается также через размыкающий контакт кнопки СТОП на блок питания 13 и через ключевой элемент 11 на катушку 12 электромагнитного пускателя электродвигателя 1. Силовые контакты пускателя подключают статор асинхронного двигателя 1 к сети, замыкающийся блок-контакт пускателя ставит кнопку ПУСК на блокировку. Рабочий режим пускателя обеспечивается при единичном выходном логическом уровне блока 9 и замкнутом размыкающемся контакте. По статору начинает протекать ток. Сигналы датчиков тока блока 2, импульсные по форме, поступают через пороговые элементы 3.1...3.3, элементы И-НЕ 7.1...7.3 и элементы И-НЕ 8.1...8.3 на блок 9 контроля наличия напряжения и порядка чередования фаз, а также в блок 5 контроля тока и времени пуска.

Рисунок 1 – Блок-схема устройства контроля несимметрии питания асинхронного электродвигателя

Если амплитуда импульсов тока каждой из фаз превышает значение порога срабатывания пороговых элементов 3.1...3.3 с характеристикой U 3.1 = 1 при U₂ > E₁ и 0 при U₂ < E₁, то импульсы проходят через вторые входы элементов И-НЕ 7.1...7.3 на вторые входы элементов И-НЕ 8.1...8.3. На их первые входы поступает сигнал логической единицы из выхода блока 5 контроля тока и времени пуска, что разрешает прохождение сигналов на блок 9 контроля наличия напряжения и порядка чередования фаз, логическая схема которого контролирует наличие импульсов на выходе каждого порогового элемента 8.1...8.3 и порядок их прохождения. При нормальном рабочем режиме на выходе блока 9 сигнал равен логическому нулю U₉ = 0, а на выходе блока 10 независимой выдержки времени U₁₀ = 1. При снижении тока в одной из фаз ниже порогового уровня или при изменении порядка прохождения импульсов на входе элементов 3.1...3.3 на выходе блока 9 сигнал становится равным логической единице U₉ = 1, он передается на блок 10 независимой выдержки времени, который выдает сигнал U₁₀ = 0 с выдержкой t ≥ 5сек, дальше переключается ключевой элемент 11 и снимается питание катушки 12 электромагнитного пускателя. При этом силовые контакты и замыкающийся блок-контакт пускателя размыкаются, напряжение с электродвигателя 1 снимается, и блок 13 питания схемы устройства будет также обесточен.

Выводы

Количественный учет влияния степени несимметрии, длительность несимметричного режима позволяет рассчитать потери электрической энергии, спрогнозировать старения и снос из-за перегрева изоляции электродвигателя путем использования устройства контроля несимметрии питания асинхронного электродвигателя.

Литература

ГОСТ 13109 – 97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
Гольдберг О.Д., Абдуллаев И. П. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. – М.: Энергоиздат, 1984. – 240 с.
Кузнецов В.Г., Григорьев А.С., Данилюк В.Б. Снижение несимметрии и несинусоидальности напряжений в электрических сетях / В. Г. Кузнецов, – К.: Наукова думка, 1992. – 240 с.
Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Булеков В. П., Резников С. Б. Основы теории электроэнергетической совместимости электрооборудования автономных систем: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1997.
Жежеленко И.В. Показатели качества электрической энергии и их контроль на промышленных предприятиях. – М: Энергоатомиздат, 1986. – 168 с.