Устройство защиты трехфазного двигателя от обрыва фазы

Схемы / Прочие схемы
Administrator
2 771
15-04-2017, 21:40
0

В статье приводится описание устройства защиты трехфазного асинхронного двигателя от обрыва фазы питающей сети. Схемой устройства предусмотрен автоматический контроль токов в линии питания двигателя с помощью датчиков трансформаторного типа. Устройство обеспечивает задержку отключения двигателя от питающей сети при коротких замыканиях на соседних участках сети, а также при кратковременном исчезновении фазы источника питания и блокирует пуск двигателя при неполнофазном режиме работы.

Одной из распространенных причин повреждения асинхронных трехфазных электродвигателей (АД) являются неполнофазные режимы их работы, которые возникают из-за обрывов фаз, нарушения контактов в коммутационных или защитных аппаратах.

Тепловые реле, которые предназначены для защиты АД от перегрузки, не всегда срабатывают при обрывах фаз, вследствие чего двигатели перегреваются и выходят из строя из-за повреждения изоляции.

Ниже приводится описание устройства защиты АД от работы на двух фазах, которое отличается от [1] наличием отдельных датчиков тока трансформаторного типа, что позволяет использовать его с магнитными пускателями малой величины, не имеющих тепловых реле. Поэтому область использования устройства более широкая по сравнению с предыдущей разработкой.

Структурная схема устройства защиты приведена на рис.1. Устройство состоит из блока питания БП, трех независимых каналов контроля токов фаз питающей линии А, В, С, каждый из которых содержит датчик тока ДТ, усилитель У и детектор Д, логический элемент "ИЛИ", элемент задержки ЭЗ, пороговое устройство ПУ, электронный ключ ЭК, магнитный пускатель МП, кнопки управления ПС асинхронным двигателем АД.

Принципиальная схема устройства приведена на рис.2. Блок питания собран по бестрансформаторной схеме. Напряжение на него подается непосредственно от одной из фаз трехфазной питающей сети через контакты 1 -2 переключателя БА1, что обеспечивает выбор режима работы АД: обычный без контроля обрыва фаз (контакты 3-4 замкнуты) или автоматический с контролем токов в фазах АД (контакты 12 замкнуты, а 3-4 - разомкнуты). На рис.2 показан автоматический режим.

Выпрямитель блока питания собран по однополупериодной схеме на диоде VD13. Стабилитрон УЭ14 обеспечивает перезаряд гасящего конденсатора С12, шунтированного резистором R27. Этот резистор обеспечивает разряд конденсатора С12 после отключения схемы защиты. Балластный резистор R29 уменьшает бросок тока через конденсаторы С10, С12 при подаче напряжения на блок питания.

Устройство защиты от обрыва фазы состоит из трех независимых одинаковых каналов контроля токов фаз питающей линии, которые работают на общий исполнительный элемент - симистор VS1. Все каналы контроля имеют датчики - трансформаторы тока ТТ1-ТТ3. При протекании тока по первичной обмотке трансформатора, что имеет место при нормальной работе АД, во вторичной обмотке наводится ЭДС, которая подается на вход однокаскадного усилителя, собранного на транзисторе УТ1. С выхода усилителя напряжение через конденсатор С4 подается на вход детектора с удвоением напряжения VD4, VD7, нагрузкой которого является конденсатор С7. Постоянная составляющая сигнала с конденсатора С7 через ограничительный резистор R13 подается на вход транзистора УТ4. Аналогично работают второй и третий каналы (транзисторы УТ5 и УТ6). Транзисторы УТ4-УТ6 и диоды VD10-VD12 образуют логический элемент "ИЛИ". При нормальной работе АД напряжение на коллекторах любого из транзисторов равно нулю, соответственно равняется нулю напряжение на выходе логического элемента "ИЛИ".

Элемент задержки ЭЗ состоит из резисторов 19, R20 и конденсатора С11, от емкости которого зависит величина времени задержки на срабатывание устройства защиты АД. При отсутствии напряжения на выходе элемента "ИЛИ" напряжение на входе порогового устройства ПУ, собранного на транзисторах УТ7-УТ9, отсутствует. При этом транзисторы УТ7, УТ8 образуют триггер Шмитта, что обеспечивает четкую работу исполнительного элемента - симистора У51 в цепи магнитного пускателя. При нормальной работе транзистор УТ7 закрыт, а УТ8 открыт, поэтому открыт транзистор УТ9, открыт симистор VS1, и он шунтирует пусковую кнопку S2 магнитного пускателя.

Диоды УD1-УD3 во входных цепях транзисторов УТ1-УТ3 обеспечивают защиту транзисторов при переходных процессах в линии питания двигателя АД, что имеет место при включении в сеть и коротких замыканиях. Для снижения скорости нарастания напряжения на симисторе параллельно с ним включают конденсатор С13. Резистор R28 ограничивает ток разряда конденсатора С13. Устройство работает следующим образом. Предположим, что напряжение на всех трех фазах сети присутствует. Переключателем ЗД1 подаем напряжение на блок питания устройства с помощью контактов 1-2. Запускаем АД, нажав кнопку S2 ("Пуск"). При этом срабатывает магнитный пускатель, и через контакты К1.2 подается трехфазное напряжение на клеммы С1-С3 двигателя. Во всех трех трансформаторах тока наводится ЭДС, в результате все каналы устройства открыты, на выходе элемента "ИЛИ" напряжения нет, симистор VS1 открыт и через закрытый контакт К1.1 магнитного пускателя шунтирует пусковую кнопку S2. Пуск АД закончен.

При обрыве любой фазы, например "А", ток в первичной обмотке ТТ1 исчезает, и канал защиты фазы "А" закрывается (на коллекторах УТ1 и УТ4 - высокое напряжение). На выходе элемента "ИЛИ" появляется сигнал, триггер Шмитта переходит в другое устойчивое состояние, закрывается транзистор УТ9, а значит, и симистор УБ1. Катушка магнитного пускателя обесточивается, и АД отключается от сети.

Детали. В устройстве используются резисторы R1-R24 типа МЛТ-0,25; R25-R29 типа МЛТ-0,5; диоды VD1-VD12 типа Д9Г можно заменить диодами типа Д9Д, Д9Б, Д310-Д312, а диод VD13 типа Д226 - диодом типа КД105 с любым буквенным индексом. Вместо стабилитрона VD14 типа Д815Д можно использовать Д815Г. Конденсаторы С1-С11 типа К50-6 на напряжение 25 В. Конденсатор С12 состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов типа К73-17, 2 мкФ, 400 В, они могут быть заменены соответствующими конденсаторами типа МБГО-2. Транзисторы УТ1-УТ8 типа КТ361 можно использовать с любым буквенным индексом. Транзистор УТ9 серии КТ315Г можно заменить транзистором серии КТ312. Вместо симистора VS1 типа КУ208Г можно использовать унифицированный типа ТС112-10-4 на 10 А, 400 В с любой последней цифрой не ниже 4, они имеют практически тот же корпус, что и диоды КД202. Датчики тока ТТ1-ТТ3 выполнены на сердечнике из феррита марки М2000НМ1 и типоразмера К33х16х9. Для АД мощностью 1,1 кВт первичные обмотки датчиков содержат по 2 витка провода линии, питающей двигатель, вторичные - 25-50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,18 мм.

Все детали каждого канала устройства, включая элемент "ИЛИ", смонтированы на отдельной печатной плате размером 90х50 мм, толщиной 1 мм. Подобным образом на отдельных платах смонтированы блок питания и пороговое устройство вместе с элементом задержки. Все печатные платы устанавливают в корпусе обычного промежуточного реле переменного тока типа РП23 одна над другой и крепят к основанию реле тремя шпильками.

Наладка. При выключенном автоматическом выключателе АВ отсоединяют от резистора R26 управляющий электрод симистора УБ1, а сам симистор шунтируют проволочной перемычкой. Затем, включив АВ, переключателем БД1 контактами 1-2 включают устройство в сеть. Авометром измеряют напряжение на выходе блока питания, которое должно находиться в пределах 9...13 В в зависимости от типа использованного стабилитрона. Кнопкой Б2 запускают двигатель АД и проверяют наличие напряжения на выходе датчиков тока, которое должно составлять 1... 1,5 В при номинальной нагрузке АД. Если напряжение выходит за указанные пределы, то его корректируют изменением количества витков первичной обмотки датчиков тока, после чего проверяют открытое состояние транзисторов каждого канала (УТ1, УТ4; УТ2, УТ5; УТ3, УТ6) и отсутствие сигнала на выходе элемента "ИЛИ". При этом транзисторы УТ8 и УТ9 должны быть открытыми. После этого выключают АД и АВ, восстанавливают работу схемы защиты, сняв проволочную перемычку с симистора УБ1, устанавливают в каждой из фаз питающей линии однополюсный автоматический выключатель и запускают АД с помощью кнопки Б2. При этом пусковая кнопка Б2 за счет открытия симистора VБ1 и замыкания контактов К1.1 магнитного пускателя должна зашунтироваться. Если шунтирование не состоялось (АД останавливается при отпускании кнопки Б2), надо подобрать соответствующую величину сопротивления R26.

Достигнув шунтирования кнопки Б2, проверяют работу устройства при поочередном отключении каждой фазы питающей линии с помощью однополосного автоматического выключателя. При этом следует помнить, что отключение АД защитой происходит не сразу после отключения выключателя, а с выдержкой 0,5...1 с.

Устройство испытано в лабораторных условиях с двигателем серии 4А мощностью 1,1 кВт, напряжением 220/380 В при напряжении сети 380 В. Оно показало надежную защиту АД в случае обрыва фазы при разных нагрузках АД.

Внедрение указанного устройства на производстве даст возможность значительно уменьшить количество случаев выхода из строя АД при обрыве фазы, которое достигает по последним данным, например, в сельском хозяйстве 40-50%.

Применение барьерно-резистивных элементов - баристоров в источниках питания

Баристоры, или барьерно-резистивные элементы (рис.1), предназначены для разделения сигналов, амплитуда которых выше или ниже некоторого определенного пользователем порогового значения - барьера. В идеале такие приборы на выходе низкого уровня должны без искажения передавать входной сигнал, если его амплитуда не достигает порогового (барьерного) значения. При превышении порогового (барьерного) значения входной сигнал автоматически переключается и проходит без искажений на выход высокого уровня.

Баристоры можно использовать в миниатюрных экономичных блоках питания, для амплитудной селекции сигналов, а также в умножителях частоты.

Принцип работы баристора понятен из рис.1. В качестве порогового (барьерного) Z-элемента используется полупроводниковый прибор, имеющий вольтамперную характеристику с участком отрицательного динамического сопротивления (рис.2). В случае если входное напряжение не превышает напряжения переключения барьерного Z-элемента, его сопротивление бесконечно велико. На управляющий вход одного из ключевых элементов поступает напряжение низкого уровня, на вход второго - инвертированное, высокого уровня. Соответственно входной сигнал без потерь пройдет через задействованный (включенный) ключевой элемент. При превышении уровня входного напряжения сверх порогового сопротивление 4-элемента скачкообразно понизится до некоторого конечного значения. Произойдет автоматическое переключение ключевых элементов.

В качестве порогового (барьерного) 7-элемента могут быть использованы стабилитроны, биполярные лавинные транзисторы, динисторные и тиристорные структуры и их управляемые и неуправляемые аналоги.

Схематично баристор и его вольтамперные характеристики для определенного сопротивления нагрузки 1 показаны на рис.З.

Практическая схема использования баристора в бестрансформаторном блоке питания приведена на рис.4, 5. Диаграммы сигналов, присутствующих на входе и выходах баристора (рис.3-5) показаны на рис.6.

Устройство содержит мостовую схему выпрямления подаваемого на прибор напряжения, пороговый и ключевые элементы. На выходе мостовой схемы формируется характерный для этого вида выпрямителей сигнал (рис.6). Когда амплитуда напряжения, снимаемого с мостовой схемы, не превышает напряжение пробоя управляемого аналога динистора (транзисторы УТ1, УТ2), ключевой элемент на составном транзисторе УТ3, УТ4 открыт. Входной сигнал малого (добарьерного) уровня беспрепятственно проходит на выход баристора низкого уровня (сопротивление нагрузки Rн и параллельно ей подключенный конденсатор фильтра Сф).

В соответствии с уровнем сигнала, снимаемого с мостовой схемы, происходит переключение ключевого элемента, см. также диаграммы, приводимые на рис.6. Как только входное напряжение превысит напряжение барьера, отпирается аналог динистора, напряжение на нем падает, транзисторы УГ3 и УГ4 запираются, ток через них не проходит.

Уровнем барьера, при котором происходит переключение ключа устройства, можно управлять вручную потенциометром R3 либо автоматически, за счет использования следящей обратной связи и включения взамен потенциометра R3 управляемого элемента (оптронной пары, полевого транзистора).

При работе устройства от источника повышенного напряжения в качестве выходного составного транзистора должны быть использованы высоковольтные транзисторы и произведена коррекция номиналов резистивных элементов R4).

Литература