Тема: Микропроцессорные аппараты защиты

ЛЕКЦИЯ 7.

Применение микроконтроллеров в электроаппаратостроении

Применение микропроцессорной техники в электроаппаратостроении идет по следующим трем направлениям:

- использование микропроцессоров как основного функционального логического элемента электрического аппарата, выполняющего обработку поступающих сигналов. Примером могут служить реле защиты, микропроцессорная реализация которых позволяет наилучшим образом согласовать времятоковые характеристики реле и защищаемого объекта, другие типы реле (мощности, направления мощности, фазы и т. д.), требующие для выполнения своих функций обработки поступающих на реле сигналов. К ним следует отнести также электронно-цифровые управляющие устройства электроприво­дов, автономных источников электропитания, термо- и светорегуляторы;

- технологические устройства, применяемые при изготовлении электроаппаратуры. Известно, что технология электрических аппаратов во многом является сходной с таковой в машиностроении, но есть технологические операции, характерные для аппаратного производства. Так, параметры надежности аппарата можно подтвердить только в результате специфических для электроаппаратостроения испытаний по наработке на отказ аппарата в заданных условиях. Эти испытания требуют для некоторых аппаратов проведения до 100 миллионов коммутаций, причем объективная регистрация сбоев и отказов невозможна без микропроцессорной техники;

- применение микропроцессоров, связанное со сбором информации о состоянии аппаратуры в комплектных распределительных устройствах (КРУ) на подстанциях, электростанциях и других энергетических объектах. Состояние аппаратуры, прежде всего защитной, свидетельствует как о текущих режимах, так и о возникновении и развитии аварийных ситуаций, и эта информация должна быть передана диспетчеру на центральный пульт. Микропроцессорные системы сбора информации о состоянии аппаратуры все увереннее вытесняют традиционные пульты управления.

Контрольные вопросы

1. По каким трем направлениям идет применение микропоцессоров?

2. Расскажите про каждое направление.

Проблемы согласования времятоковых характеристик защищаемых электротехнических устройств и аппаратов их защиты остро стоят в электротехнике. Аппаратура защиты не должна допускать перегрева защищаемых объектов, поскольку это приведет к преждевременному выходу из строя, и не должна реагировать на непродолжительные токи перегрузки, не нагревающие объект свыше допустимой температуры. Традиционно проблему пытались разрешить на основе физического подобия тепловых процессов нагрева защищаемого объекта и процессов в аппарате защиты. В качестве физически подобных принимались тепловые процессы (нагрев биметаллической пластины или плавкой вставки) и электромеханические процессы (электромагнитные и индукционные системы). Практически, из-за сложности и трудоемкости настройки таких защит на времятоковую характеристику объекта удовлетворительно разрешить проблему защиты объектов не удалось.

С появлением возможности встраивать микропроцессор в аппарат защиты можно говорить о появлении средств математического моделирования нагрева защищаемого объекта. Гибкость математического моделирования, несложная настройка на любые параметры объекта защиты сделали микропроцессорные аппараты незаменимыми средствами, обеспечивающими надежную работу электрооборудования. Рассмотрим пример теплового микропроцессорного реле токовой защиты трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, структурная схема которого приведена на рис. 10.5.

В том случае, если во время предыдущего включения двигателя реле КА автоматически не срабатывало, то его нормально замкнутые контакты (НЗК) КА, включенные последовательно с катушкой электромагнита контактора КМ, находятся в замкнутом состоянии. При нажатии на кнопку SB1 «Пуск» срабатывает контактор КМ, замыкает свои силовые контакты КМ, и на двигатель М подаётся трёхфазное напряжение. Ротор асинхронного двигателя придёт во вращение. Кроме этого, слаботочный нормально открытый контакт (НОК) контактора (блок-контакт) КМ зашунтирует кнопку SB1 «Пуск» и поставит контактор на самопитание.

При ручном отключении в случае нажатия на кнопку SB2 «Стоп» цепь питания катушки электромагнита контактора КМ размыкается, силовые контакты КМ отключают двигатель М от сети, а блок-контакт размыкается.

Автоматическое отключение контактора КМ происходит при срабатывании реле КА и размыкании его НЗК КА в цепи питания катушки электромагнита контактора КМ.

На каждой фазе, идущей к двигателю, установлены датчики – трансформаторы тока TAA, TAB и TAC, преобразующие ток фазы в прямо пропорциональное ему напряжение и осуществляющие гальваническую развязку силовых цепей питания двигателя и измерительных схем реле. Обычно микропроцессорное реле комплектуется несколькими наборами трансформаторов тока, перекрывающих диапазон от нескольких ампер до сотен ампер.

Вторичные обмотки трансформаторов зашунтированы низкоомными сопротивлениями т.к. режим холостого хода для них является аварийным. Напряжение на выходе трансформаторов тока содержит информацию о потерях тепла в объекте защиты. Именно эта мощность потерь за время работы двигателя определяет температуру его нагрева относительно температуры окружающей среды. Выделяющаяся тепловая энергия идет на нагрев двигателя пропорционально его эквивалентной теплоёмкости и выделяется в окружающую среду.

Рис. 10.5. Структурная схема МПУ реле защиты АД

Сигнал с датчиков поступает на Цифровой коммутатор напряжения, что позволяет периодически опрашивать датчики и измерять выдаваемое ими напряжение. Переменный резистор R предназначен для первоначальной настройки реле на заданный допустимый ток двигателя.

Напряжение с резистора R поступает на АЦП, преобразуется в соответствующий цифровой код, и этот код через параллельный интерфейс и Порт 2 становится доступным МП.

Микропроцессорное устройство снабжается светодиодными индикаторами режимов работы и иногда цифровыми индикаторами тока в фазах, подключенными к МП через параллельный интерфейс и Порт1. Переключатели SA1-SA4 предназначены для ввода в память информации о постоянной времени нагрева асинхронного двигателя, т.е. для согласования характеристик унифицированного микропроцессорного реле с характеристиками конкретной электрической машины. Кнопка SB 3 «Пуск» позволяет включить МПУ после настройки SA1-SA4.

При превышении током какой-либо из фаз допустимого значения зажигается сигнальный светодиод «I >IДОП», что сигнализирует о возможном срабатывании реле. Если же до срабатывания реле ток изменится до меньшего значения, чем IДОП, а светодиод погаснет, то двигатель не успеет нагреться до допустимой температуры и срабатывания реле не произойдет до новой перегрузки по току. Светодиоды «Реле сработало» и «Реле неисправно» позволяют судить о состоянии МПУ в каждый конкретный момент времени.

Благодаря вычислению действующего значения тока в фазах, оказалось возможным с помощью этого же устройства реализовать еще две функции: защита двигателя от несимметрии фазных токов и обрыва фазы. Несимметрия фаз вызывает дополнительный нагрев двигателя. Крайним случаем несимметрии является обрыв одной из фаз: в этом случае двигатель не может запуститься и находится в режиме короткого замыкания, для которого характерны большие перегрузки по току. В этом случае двигатель должен быть сразу отключен.

Кроме переключателей SA1-SA4 имеется кнопка SB4 «Возврат», позволяющая вернуть реле в рабочий режим после отключения двигателя по тем или иным причинам и замкнуть контакты КА в цепи управления контактором КМ.

В рабочем режиме МПУ производит измерения токов фаз, рассчитывает по ним относительную величину нагрузки, по истечении каждого периода определяет действующие значения токов фаз и сравнивает их между собой. При достижении допустимого значения нагрузки и сохранения этой величины в течение определённого времени происходит отключение реле. Отключение происходит также при существенной несимметрии токов или обрыве одной из фаз.

В нерабочем режиме нажатием кнопки SB5 «Контроль» вызывается тест-программа, проверяющая работоспособность реле.

Дата добавления: 2014-01-11