Повышение эффективности тепловых устройств защиты асинхронных двигателей

Введение. Сельскохозяйственное производство сегодня не может обойтись без электропривода, основным элементом которого, в большинстве случаев, являются асинхронные электродвигатели. Накопленный опыт эксплуатации последних показал, что ежегодно, вследствие возникновения различных аварийных и ненормальных режимов работы, из строя выходит значительное количество этих двигателей [1]. Поэтому необходимы разработка и принятие мер, направленных на сокращение выхода их из строя.

Одной из таких мер является подбор аппаратов защиты двигателей, которые должны быть максимально эффективными, простыми и дешевыми. Анализ существующих конструкций аппаратов для защиты двигателей показал, что в настоящее время нет универсального устройства защиты, несмотря на то, что самыми совершенными и наиболее перспективными являются микропроцессорные устройства защиты [25], но они сложно устроены и дорогие, а самими распространенными, из-за простоты конструкции и низкой стоимости, являются тепловые реле (ТР). Поэтому, именно ТР для защиты асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве следует рассматривать в качестве технических средств, удовлетворяющих заявленным ранее требованиям.

Результаты исследований и их обсуждение. ТР будет эффективным в том случае, когда его рабочие параметры правильно согласованы с параметрами двигателя. Такое согласование возможно только при максимальном совпадении времени достижения предельно допустимой температуры двигателя и температуры срабатывания ТР.

Асинхронный двигатель (АД), с точки зрения теории нагрева, представляет собой сложную термодинамическую систему, неоднородную по своим тепловым параметрам. Исследование такой системы возможно с помощью составления ее математической модели, которая описывается дифференциальными уравнениями [6].

В основу работы ТР положено физическое моделирование косвенного способа измерения температуры двигателя. Тепловые процессы, протекающие при этом в ТР, состоящем из нагревателя и биметаллической пластинки, также описываются соответствующими дифференциальными уравнениями [6].

Анализ систем дифференциальных уравнений показал, что наиболее подходящим способом согласования параметров АД и ТР является изменение тока реле относительно тока двигателя [7-9].

Для реализации этого способа было разработано «Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току» (патент РФ на ПМ № 183431 [10]), блок-схема которого показана на рисунке 1.

1 - цифровой нелинейный преобразователь тока; 2 - электротепловое реле;

3 - трансформаторы тока; 4 - блок управления; 5 - блок питания; 6 - силовой блок;

7 - входные зажимы; 8 - выходные зажимы; 9 - силовые шины

Рисунок 1 - Блок-схема устройства для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току

Разработанное устройство дает возможность получить для конкретного ТР семейство время-токовых характеристик (ВТХ) и работает согласно следующему алгоритму: трансформаторами тока контролируется ток в каждой фазе, и если он попадает в заданный предел 1,051нд 5 1_п< 1,5-Us, то цифровой нелинейный преобразователь тока изменяет выходной ток устройства в соответствии с функцией преобразования выходного тока Ip = f(U). Если ток находится за пределами выбранного интервала, то 1_Р = /а.

Для исследования были выбраны двигатель АИР71В4УЗ и реле РТЛ 100704, ВТХ которых приведены на рисунке 2.

Анализ поведения кривых на рисунке 2 показывает, что при протекании одинакового тока по обмоткам АД и ТР наблюдается значительное расхождение их время-токовых характеристик. Поэтому необходимо изменение тока РТ относительно тока АД. Например, при 5%-й перегрузке по току двигатель достигает предельно допустимой температуры нагрева за 700 с, а

ТР сработает за это же время, но при кратности тока 1,15. Для 10%-й перегрузки время составляет 475 с, при этом кратность тока реле должна составлять 1,187. Анализ для остальных токов перегрузки аналогичен. Зависимость тока реле от тока двигателя приведена на рисунке 3.

Выходная характеристика цифрового нелинейного преобразователя тока была аппроксимирована полиномом третьей степени и получена функция преобразования выходного тока, протекающего по ТР: 1р(1₈)=0,488(1д)³ - 2,5252(1а)²+ 4,6713Һ-1,5398. (1)

Рисунок 2 - Время-токовые характеристики двигателя АИР71В4УЗ и теплового реле РТЛ100704

Рисунок 3 - Выходная характеристика цифрового нелинейного преобразователя тока в диапазоне R = 1.05 - 1,5

Данная функция преобразования имеет коэффициент детерминации R²=0,9962. Затем была проведена компиляция в программе «MPLABXIDEv5.05»

с функцией преобразования тока и последующим программированием микроконтроллера (рисунок 4).

22S

//***************************************************************************

void Polinom {void)              // функция преобразования выходного тока (ЕПТ)

{

Poli = О.488*pow(Id,3)-2.5252*pow(Id,2)+4.6713*Id-l.5398; // где Id - текущеее значение тока двигателя

}                                // конец функции

//***************************************************************************

Рисунок 4 - Код программы с функцией преобразования тока, записанный на языке программирования «С»

Полученная время-токовая характеристика устройства для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току показана на рисунке 5.

Характер поведения кривых на рисунке 5 показывает, что совместное использование теплового реле

РТЛ100704 и цифрового нелинейного преобразователя тока с выходной характеристикой, соответствующей выражению (1), позволяет добиться практически полного совпадения время-токовых характеристик реле и двигателя.

Рисунок 5 - Время-токовые характеристики

Выводы. Из всего сказанного следует, что современное сельское хозяйство еще не готово полностью переходить на микропроцессорные устройства защиты из-за их высокой стоимости и нехватки квалифицированного персонала для их обслуживания, поэтому требуется постепенное внедрение цифровых устройств, одним из которых вполне может стать спроектированное устройство для защиты трехфазного электродвигателя от перегрузки по току, которое объединило в себе всем хорошо известное и проверенное годами эксплуатации тепловое реле и несложные цифровые компоненты, позволяющие в комплексе существенно повысить эффективность защиты двигателя.