Устройства защиты асинхронных электродвигателей серии рдц начальник кб ОАО «Электротехнический завод» Киричук Леонид Николаевич Асинхронные электродвигатели: защита от аварийных режимов работы
| Вид материала | Документы |
- Обоснование параметров фильтровой защиты электродвигателей от аварийных режимов работы, 294.67kb.
- Программа технического перевооружения ОАО «Рогачевский завод «Диапроектор» на период, 5337.32kb.
- Проблемы проектирования и применения вентильных и асинхронных электродвигателей в установках, 131.91kb.
- Краев Валерий Валентинович Уважаемые участники семинар, 70.77kb.
- Указания по монтажу заземляющих устройств, 592.65kb.
- Оборотное водоснабжение. Очистка сточных вод. Энергосбережение, 33.63kb.
- Члены Совета директоров ОАО «Саранский телевизионный завод», 11.41kb.
- Открытое акционерное общество, 31.39kb.
- Красноярск, 198.17kb.
- Политика ОАО “Кировский завод “Маяк” в области обработки и защиты персональных данных, 44.27kb.
Устройства защиты асинхронных электродвигателей серии РДЦ
Начальник КБ ОАО «Электротехнический завод»
Киричук Леонид Николаевич
Асинхронные электродвигатели: защита от аварийных режимов работы
I. Введение.
Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет легко и экономически выгодно приводить в движение разнообразные рабочие механизмы: конвейеры, подъемно-транспортное оборудование, насосы, вентиляторы, компрессоры, металлорежущие станки, прокатные станы, швейное оборудование, пр.
Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, является наиболее распространенным электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин — это трехфазные асинхронные электродвигатели. По статистике сейчас в общественном производстве России находится не менее 50 млн. единиц трехфазных АД напряжением 0,4 кВ.
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. Например, 60% скважных электронасосных агрегатов ломаются чаще одного раза в году. 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.
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.
II. Аварийные режимы АД.
Аварии АД.
Аварии АД подразделяются на два основных типа: механические и электрические. Механические аварии – это: деформация или поломка вала ротора, ослабление крепления сердечника статора к станине, ослабление опрессовки сердечника ротора, выплавление баббита в подшипниках скольжения, разрушение сепаратора, кольца или шарика в подшипниках качения, поломка крыльчатки, отложение пыли и грязи в подвижных элементах, пр.
.
Электрические аварии АД, в свою очередь, делятся на три типа:
- сетевые аварии (аварии по напряжению), связанные с авариями в питающей электросети;
- токовые аварии, связанные с обрывом проводников в обмотках статора, ротора или кабеля, межвитковым и междуфазным замыканием обмоток, нарушением контактов и разрушением соединений, выполненных пайкой или сваркой; аварии, приводящие к пробою изоляции в результате нагрева, вызванного протеканием токов перегруза или короткого замыкания;
- аварии, связанные со снижением сопротивления изоляции вследствие ее старения, разрушения или увлажнения.
Для защиты асинхронных электродвигателей от электрических аварий разработана и выпускается серия устройств РДЦ-01.
Одним из типопредставителей данной серии является реле РДЦ-01-051
- Назначение РЕЛЕ
Реле защиты двигателя РДЦ-01-051 с цифровой настройкой и индикацией контролируемых параметров предназначено для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей 3х127/220 В, 3х220/380 В (в том числе глубинных насосов) от последствий:
- перегрузок;
- асимметрии нагрузки;
- работы с недогрузкой;
- превышения питающего напряжения;
- понижения питающего напряжения;
- обратного чередования фаз при включении реле;
- снижения сопротивления изоляции перед пуском двигателя
и коммутации электрических цепей при достижении контролируемыми параметрами определенных, предварительно запрограммированных уровней.
Одновременно, кроме защитных функций, реле имеет возможность мониторинга следующих параметров:
- потребляемого тока по каждой фазе (IА, IВ, IС);
- напряжения в сети по каждой фазе (UА, UВ, UС);
- частоты сети;
- моторесурса.
- ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Реле РДЦ-01-051 относится к статическим реле максимального тока без оперативного питания, с цифровой индикацией значений контролируемых параметров и программируемой дискретной установкой уставок срабатывания входных воздействующих величин.
Измерительные токовые цепи реле предусмотрены для прямого включения в сеть на номинальный ток до 5 А, или через внешние измерительные трансформаторы тока типа Т-0,66 (или подобные), на номинальный ток в диапазоне (5/5…500/5) и класса точности 0,5.
Основные параметры реле:
Номинальные трехфазные (фазные/линейные) напряжения питания
UФ.НОМ / UЛ.НОМ, номинальной частотой 50 Гц ………………………….. 127/220, 220/380 В
Пределы допустимых отклонений напряжения питания от номинального:
- верхний предел ……………………………………………………………..+30% от UНОМ
- нижний предел …………………………………………………………… -35% от Uном
Номинальный входной ток внутренних трансформаторов тока по каждой фазе – 5 А.
Диапазон измерения тока внутренними трансформаторами тока по каждой фазе – (0,1…50) А.
Средняя основная погрешность измерения напряжения и тока …………………. 2 %
Количество десятичных разрядов индикатора – 4:
- 1 разряд – режим;
- 3 разряда – значение.
Количество светодиодных индикаторов – 7:
- K индикатор состояния выходного реле;
- I > индикатор токовой перегрузки;
- I ≠ индикатор асимметрии тока;
- I < индикатор холостого хода;
- U> индикатор превышения напряжения;
- U< индикатор понижения напряжения;
- ABC индикатор неправильного чередования фаз.
При снижении сопротивления изоляции ниже порога происходит мигание всех 6-ти аварийных светодиодов.
Установка порогов срабатывания защиты по напряжению:
- уставка номинального фазного напряжения питания реле UНОМ, переменного тока частотой 50 Гц …………………………………………………………………..127 или 220 В
- диапазон уставок максимального напряжения UМАКС ……… (110…125)%·UНОМ
- диапазон уставок минимального напряжения UМИН …………… (70…95)%·UНОМ
Гистерезис по напряжению срабатывания ……………………………………… 5 %
Дискретность уставок по напряжению …………………………………………..… 1 В
Установка порогов по току:
- Уставка коэффициента трансформации внешнего трансформатора тока КТ – (1…100).
- Уставка номинального тока двигателя IНОМ – (1…500)А.
- уставка порога срабатывания перегрузки по току … (1,1…2,0)·IНОМ, дискретность 0,1
- уставка порога срабатывания звена холостого (сухого) хода ……. (20…85)%·IНОМ
- уставка асимметрии тока нагрузки IАСИМ …………………………… (20…55)%· IНОМ
Гистерезис по току срабатывания …………………………………………………….5 %
Дискретность уставок по току – зависит от КТ:
- при КТ = 1 – дискретность 0,1 А;
- при КТ = (2…20) – дискретность 1 А;
- при КТ = (21…100) – дискретность 10 А.
Установка временных параметров:
- уставка времени запуска электродвигателя tЗАП …………………………....(1…10) с
- уставка задержки срабатывания звена холостого (сухого) хода
tЗАД.ХХ – (1…255) с, точность ±1 с.
- уставка задержки срабатывания звена напряжения (UМАКС, UМИН) и звена тока (IАСИМ, обрыв фаз), tЗАД.НТ ..…………………………………………………………(0…255) с, точность ±1 с.
- уставка количества автоматических повторных пусков после аварийного отключения по току ..……………………………………………………..(0…5) через (15±3) с.
Порог срабатывания по снижению сопротивления изоляции двигателя - 500±100 кОм.
При перегрузке по току время срабатывания зависит от времени запуска двигателя и величины перегрузки по току (см. раздел 3).
Коммутационная способность в цепях переменного тока – около 250 В·А, АС-22 по ДСТУ 3020-95.
и количество контактов реле ………………………………………...1 замыкающий
Срок службы реле ………………………………………………………….. не менее 8 лет
Габаритные и установочные размеры реле приведены на рисунке 1
Схема внешних подключений показана на рисунке 2.
Рисунок 1 - Габаритные и установочные размеры реле РДЦ-01-051
1 - клемма подключения цепи измерения изоляции
2 - клемма контакта исполнительного реле
3…6 - клеммы подключения 3-х фазной сети (UA, UB, UC, UN)
7-8 - клеммы подключения цепи IА
9-10 - клеммы подключения цепи IB
11-12 - клеммы подключения цепи IС
Рисунок 2 - Схема внешних подключений реле РДЦ-01-051
- УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕ
- Устройство реле.
Реле РДЦ-01-051 осуществляет защиту и управление электродвигателем через пускатель, контакторный выключатель или другие аппараты приспособленные к автоматической работе и обладающими отключающей способностью для токов короткого замыкания защищаемой цепи. Выходной цепью реле является замыкающий контакт, подключенный последовательно с катушкой пускателя (контактора).
Реле РДЦ-01-051 не имеет оперативного напряжения питания. Контролируемое напряжение является одновременно и напряжением питания.
.
- Порядок включения.
При подаче напряжения питания на клеммы 3…6, выходное реле обесточено и его контакты (клеммы 2-4) находятся в исходном (разомкнутом) состоянии.
Для замыкания контактов реле должны соблюдаться условия:
- соответствие напряжения питания уставкам (напряжение должно находится в диапазоне Umax- гистерезис ÷ Umin + гистерезис);
- сопротивление изоляции выше порога;
- прямое чередование фаз.
Контроль прямого или обратного чередования фаз осуществляется только в момент включения реле.
При выполнении данных условий – контакты реле замыкаются.
- Работа реле РДЦ-01-051 до включения двигателя.
После того, как в реле РДЦ-01-051 закмнулись выходные контакты (клеммы 2 – 4), начинается цикл ожидания включения двигателя (в случае ручного запуска двигателя). Признаком включения двигателя является наличие тока через измерительные трансформаторы. Индикатором ожидания является мигающий индикатор сухого хода. В данном состоянии реле может находиться как угодно долго. Во время ожидания реле ведет контроль напряжения и сопротивления изоляции двигателя.
- Контроль фазных напряжений сети
- Контроль сопротивления изоляции.
Реле контролирует сопротивление изоляции с момента подачи напряжения на реле до пуска двигателя, т.е. до момента начала протекания тока через трансформаторы тока. После этого контроль сопротивления изоляции прекращается и возобновляется после аварийного отключения двигателя (отключения пускателя). В случае нарушения сопротивления изоляции, повторные пуски запрещаются. Признаком аварийного отключения по сопротивлению изоляции, являются все мигающие светодиоды
- Работа реле РДЦ-01-051 во время пуска и работы двигателя.
- Контроль токов и напряжений
- Контроль токов и напряжений
В течении времени запуска двигателя Тзап реле проводит контроль токов по параметрам «сухой ход» и «асимметрия тока». По параметру «перегрузка» контроль не проводится, благодаря чему обеспечивается селективность реле к пусковым токам двигателя
После окончания времени запуска двигателя дополнительно включается защита от перегрузки по токам (см. п 3.8 ) и напряжениям.
При наличии сразу нескольких аварийных параметров на светодиодах может быть зафиксирован только параметр по которому произошло отключение реле.
- Работа АПВ.
Устройство позволяет осуществлять автоматические повторные пуски (АПВ программируются оператором от 0 до 5) при автоматической работе двигателя. АПВ работает только после отключения двигателя (т.е. после прекращения протекания тока через ТТ) по следующим аварийным параметрам:
- Перегрузка;
- Асимметрия тока;
- Сухой (холостой) ход.
Повторные пуски происходят через 15 ± 3с
Если причина аварии не исчезла, то после отработки последнего цикла АПВ, устройство запоминает параметры на светодиодном экране и высвечивает причину отключения на соответствующих светодиодах, показывающих причины по которым произошло отключение. При этом работа устройства блокируется.
При отключении двигателя по причине снижения или превышения напряжения при автоматической работе двигателя число пусков не ограничено. Пуски происходят после восстановления напряжения в заданных пределах с учетом гистерезиса.
- Перезапуск реле.
Для разблокирования устройства необходимо отключить и включить питание устройства.
Для того, чтобы устройство запоминало параметры при которых произошло отключение при ручном пуске, необходимо установить число пусков – 0.
- Счетчик моторесурса.
Моторесурс двигателя считается во время протекания тока через двигатель. Накопление моточасов происходит с кратностью 0,5 ч. Моточасы отображаются на экране в тысячах часов в виде трех цифр. Например, 9.99 (девять тысяч девятьсот девяносто часов), т.е. цена деления соответствует десяти часам работы двигателя.
- Работа реле при перегрузке по току .
При перегрузке по току время срабатывания зависит от времени запуска двигателя и величины перегрузки по току и рассчитывается по следующей формуле:
(1)где А – кратность тока перегрузки; В – постоянная равная 1,05; Q – временные характеристики тока (зависят от времени запуска двигателя, см. таблицу 1).
Таблица 1 – Временные характеристики
-
Время запуска
двигателя, с
Соответствие характеристики Q
Для двигателей общего применения
Для двигателей глубинных насосов
1
30
30
2
75
75
3
120
4
180
5
255
6
270
7
280
8
290
9
295
10
300
П
орог срабатывания перегрузки по току в диапазоне (1,1…2,0)·IНОМ – вводится уставкой. Время срабатывания при перегрузке по току в диапазоне (1,1…10,0)·IНОМ рассчитывается микроконтроллером программно по формуле (1). График зависимости времени срабатывания от перегрузки представлен на рисунке 4.Рисунок 4 - Зависимость времени срабатывания при перегрузке.
- Подключение реле РДЦ-01.
Схема реле РДЦ-01-051 не обеспечивает гальваническую развязку цепей управления (клеммы «2», «4»), с питающей цепью (клеммы «3»…«6»)
Схема защиты двигателя может быть построена по двум вариантам.
ВАРИАНТ 1. Прямое включение реле защиты двигателя в измерительные токовые цепи. Данный вариант распространяется на двигатели с номинальным током до 5 А. Схема защиты двигателя при прямом включении представлена на рисунке 5а.
ВАРИАНТ 2. Включение реле защиты двигателя в измерительные токовые цепи через внешние измерительные трансформаторы тока (типа Т-0,66). Данный вариант распространяется на двигатели с номинальным током до 500 А. Схема защиты двигателя при таком включении представлена на рисунке 5б.
FU - защитные предохранители;
К – электромагнитный пускатель;
S1 – кнопка включение двигателя;
S2 – переключатель автоматическая/ручная
работа (А/Р);
S3 – кнопка выключение двигателя.
ТА - внешние измерительные трансформаторы.
а) прямое включения реле РДЦ-01-051
б) включения реле РДЦ-01-051 через внешние измерительные трансформаторы.
Рисунок 5 – Схемы включения реле РДЦ-01-051.
В настоящее время мы имеем серию устройств, которые позволяют подключать напрямую маломощные двигатели до 10 кВт ( 20А) без внешних ТТ, имеют контроль сопротивления изоляции перед пуском электродвигателя, учет моторесурса с дискретностью 1мин, имеют защиту паролем от несанкционированного изменения уставок.
Исполнения РДЦ-01 представлены в таблице.
Исполнения устройства микропроцессорной защиты РДЦ-01
| Функции устройств | Исполнения | ||||
| 050 | 051 | 052 | 200 | 201 | |
| Функции защиты | |||||
| Номинальные токи, А | 1-500 | 1-500 | 1-500 | 1-20 | 1-20 |
| Отключение при перегрузке по току электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Отключение при работе электродвигателя с недогрузкой (по сухому ходу) | + | + | + | + | + |
| Отключение при работе электродвигателя с недопустимой асимметрией токов | + | + | + | + | + |
| Отключение при превышении питающего напряжения | + | + | + | + | + |
| Отключение при понижении питающего напряжения | + | + | + | + | + |
| Запрет включения при неправильном чередовании фаз | + | + | + | + | + |
| Запрет включения при нарушении изоляции электродвигателя | | + | + | | + |
| Запрет включения при залипании контактов пускателя или контактора | | + | + | | + |
| Ограничение количества повторных пусков электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Сервисные функции | |||||
| Цифровая индикация режимов работы | + | + | + | + | + |
| Счетчик моторесурса электродвигателя с дискретностью | 10 час | 10 час | 1 мин | 10 час | 10 час |
| Измерение текущих действующих значений токов по фазам | + | + | + | + | + |
| Измерение текущих действующих значений напряжений по фазам | + | + | + | + | + |
| Индикация частоты питающей сети | + | + | + | + | + |
| Квитирование | | + | + | | + |
| Пароль | | + | + | | + |
Обобщая замечания и пожелания потенциальных потребителей, мы пришли к выводу, что необходима разработка новой серии устройств защиты с новыми возможностями, расширенным функционалом.
Поэтому в настоящее время разрабатывается новая серия реле РДЦ-02-06
Отличительные особенности данной серии.
Конструктивно данная серия имеет два исполнения:
- исполнение с выступающим монтажом
- исполнение с утопленным монтажом
Функционально данная серия отличается тем, что в ней дополнительно предусмотрено:
- Контроль тока утечки на "землю" во время работы электродвигателя ;
- Наличие функции блокировки ротора, что позволяет быстро отключать двигатель, если в процессе работы после пуска возникает резкий скачок тока, что может быть связано с заклиниванием приводного механизма.
- Контроль температуры корпуса двигателя при помощи внешнего датчика, который поставляется при заказе.
Важной особенностью данной серии является наличие трех выходных реле:
- Первое реле с одним замыкающим и одним переключающим реле предназначено для включения пускателя;
- Второе реле «Перегрузка» с одним замыкающим контактом замыкается при начале перегрузки и может служить сигналом для сброса нагрузки двигателя;
- Третье реле «Авария» с одним замыкающим контактом замыкается после отключения выходного реле по причине аварии и может служить для сигнализации или для запуска резервного двигателя через соответствующий вход.
Кроме этого имеется один вход для дистанционного управления.
Это позволяет создавать схемы совместной работы нескольких РДЦ обеспечивающих комбинированное управление двигателями ( дублирование, вспомогательный режим).
Особенностью данной серии является то, что в ней предусмотрено отключение некоторых защитных функций, например блокировки ротора, функции минимального тока, сопротивления изоляции, функции залипания контактов пускателя, функции тока утечки и др. что позволяет потребителю гибко настроить защиту с учетом специфики эксплуатации электродвигателя.
Одним из важных параметров данной серии является регулируемое время задержки включения перед первым пуском и при повторных пусках после аварийного отключения, что позволяет не допустить одновременного запуска нескольких электродвигателей
В реле предназначенных для защиты насосов предусмотрены пять входов для управления от датчиков уровня жидкости, а исполнение РДЦ-06 имеет управление по времени суток
Кроме этого исполнения РДЦ-05,06 имеют интерфейс RS485 (Modbus) и журнал событий.
В результате мы имеем серию устройств РДЦ-02…06, которые по своему назначению можно классифицировать следующим образом:
- РДЦ-02 токовое с минимальным набором функций защиты
- РДЦ-03 универсальная защита общепромышленных двигателей с максимально необходимым набором функций защиты
- РДЦ-04 универсальная защита общепромышленных двигателей с интерфейсом RS485 с расширенным набором сервисных функций и функций защиты
- РДЦ-05 универсальная защита двигателей глубинных насосов и насосных станций с максимально необходимым набором функций защиты
- РДЦ-06 универсальная защита двигателей глубинных насосов и насосных станций с максимально не обходимым набором защиты с возможностью передачи данных через RS485 и расширенным набором функций защиты и сервиса.
Отличительные характеристики модельного ряда РДЦ -02…06
| Функции устройств | -02 | -03 | -04 | -05 | -06 |
| Функции защиты | |||||
| Номинальные токи, А | 1-1000 | ||||
| Отключение при блокировке ротора электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Отключение при перегрузке по току электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Отключение при работе электродвигателя с недогрузкой | + | + | + | + | + |
| Отключение при работе электродвигателя с недопустимой асимметрией токов | + | + | + | + | + |
| Отключение электродвигателя при превышении уровня тока утечки на землю | + | + | + | + | + |
| Отключение электродвигателя при обрыве токового провода или выгорании контакта пускателя | + | + | + | + | + |
| Отключение при превышении питающего напряжения | | + | + | + | + |
| Отключение при понижении питающего напряжения | | + | + | + | + |
| Отключение электродвигателя при пропадании или обрыве фазы напряжения | | + | + | + | + |
| Запрет включения при неправильном чередовании фаз | | + | + | + | + |
| Запрет включения при нарушении изоляции электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Запрет включения при залипании контактов пускателя или контактора, или утечке тока через контактор или пускатель | + | + | + | + | + |
| Ограничение количества повторных пусков электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Элементы автоматики | |||||
| Непосредственное измерение температуры электродвигателя внешним интегральным датчиком температуры | + | + | + | + | + |
| Подключение датчиков уровня жидкости в резервуаре | | | | + | + |
| Подключение датчика «сухого хода» электродвигателя | | | | + | + |
| Подключение датчика затопления помещения | | | | + | + |
| Логический входы и выходы для автоматического ввода резерва (АВР), дублирования и дистанционного управления | + | + | + | + | + |
| Сервисные функции | |||||
| Цифровая индикация режимов работы | + | + | + | + | + |
| Выход для индикатора перегрузки по току | + | + | + | + | + |
| Управление двигателем по времени суток | | | | | + |
| Возможность отключения неиспользуемых функций | + | + | + | + | + |
| Счетчик моторесурса электродвигателя | + | + | + | + | + |
| Измерение текущих действующих значений токов по фазам | + | + | + | + | + |
| Измерение текущих действующих значений напряжений по фазам | | + | + | + | + |
| Индикация частоты питающей сети | + | + | + | + | + |
| Измерение текущей мощности электродвигателя | | | + | | + |
| Измерение соs электродвигателя | | | + | | + |
| Встроенный интерфейс RS-485 | | | + | | + |
| Сохранение в энергонезависимой памяти хронологической последовательности произошедших событий (до 100 событий) | | | + | | + |
| Конструктивное исполнение | |||||
| Утопленное | | + | + | + | + |
| Выступающее | + | + | + | + | + |