Призначення мікропроцесорних пристроїв захисту електродвигунів
В даний час мікропроцесорні пристрої захисту (МПЗ) є основним напрямом розвитку релейного захисту. Окрім основної функції – аварійного відключення енергетичних систем, вони мають додаткові функції в порівнянні з пристроями релейного захисту інших типів (наприклад, електромеханічними реле) по реєстрації аварійних ситуацій. У деяких типах пристроїв введені додаткові режими захисту, які принципово не можуть бути реалізовані на пристроях релейного захисту на електромеханічній або аналоговій базі.
До переваг МПЗ відносяться:
• покращені показники швидкодії, чутливості і надійності в порівнянні з пристроями релейного захисту на електромеханічних реле;
• наявність сервісних функцій: самодіагностика, реєстрація і запис сигналів до енергонезалежної пам’яті, можливість інтеграції МПЗ в АСУТП об'єкту енергетики і т.п.
До недоліків МПЗ відноситься:
• вища вартість і неремонтопридатність (в разі виходу з ладу блоку управління, економічно доцільно замінити його в цілому);
• відсутність єдиного стандарту на апаратуру, МПЗ різних розробників не є взаємозамінними.
Більшість фірм виробників припиняють випуск електромеханічних реле і пристроїв і переходять на цифрову елементну базу. Перехід на нову елементну базу не приводить до зміни принципів релейного захисту, а лише розширює її функціональні можливості, спрощує експлуатацію і знижує вартість. Саме по цих причинах мікропроцесорні реле дуже швидко займають місце застарілих електромеханічних і мікроелектронних. Основні характеристики МПЗ значно вище мікроелектронних, а тим більше електромеханічних. Так, потужність, споживана від вимірювальних трансформаторів струму і напруги, знаходиться на рівні 0,1-0,5 ВА, апаратна погрішність – в межах 2-5%.
Світовими лідерами у виробництві МПЗ є ALSTOM, ABB і SIEMENS, крім того багато МПЗ випускаються вітчизняними виробниками.
МПЗ різного призначення мають багато загального, а їх структурні схеми дуже схожі і подібні представленою на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема МПЗ
Центральним вузлом цифрового пристрою є мікропроцесор МП, який через свої пристрої введення-виводу обмінюється інформацією з периферійними вузлами. За допомогою цих додаткових вузлів здійснюється сполучення МП із зовнішнім середовищем: датчиками вхідної інформації, об'єктом керування, оператором і т.д.
Слід зазначити, що в реальному пристрої захисту може використовуватися декілька мікропроцесорів, кожен з яких буде зайнятий вирішенням окремого фрагменту загального завдання з метою забезпечення високої швидкодії. Так, фірма ALSTOM, для цієї мети, використовує один потужний процесор, а фірма ABB, використовує 4-10, які працюють паралельно.
Неодмінними вузлами МПЗ є: вхідні U1 – U4 і вихідні KL1 – KLj перетворювачі сигналів, тракт аналого-цифрового перетворення U6, U7, кнопки управління і введення інформації від оператора SB1, SB2, дисплей H для відображення інформації і блок живлення U5. Сучасні МПЗ, як правило, оснащуються і комунікаційним портом X1 для зв'язку з іншими пристроями.
Вхідні перетворювачі забезпечують гальванічну розв'язку зовнішніх кіл від внутрішніх кіл пристрою. Одночасно, вхідні перетворювачі здійснюють приведення контрольованих сигналів до єдиного вигляду (як правило, до напруги) і нормованого рівня. Тут же здійснюється попередня частотна фільтрація вхідних сигналів перед їх аналого-цифровим перетворенням. Одночасно приймаються заходи по захисту внутрішніх елементів пристрою від дії перешкод і перенапружень.
Розрізняють перетворювачі аналогові (U3, U4) і логічні (U1, U2) вхідних сигналів. Перші прагнуть виконати так, щоб забезпечити лінійну (або нелінійну, але з відомим законом) передачу контрольованого сигналу у всьому діапазоні його зміни. Перетворювачі логічних сигналів, навпаки, прагнуть зробити чутливими лише до вузької області діапазону можливого знаходження контрольованого сигналу.
Вихідні релейні перетворювачі. Дії реле на об'єкт, що захищається, традиційно здійснюється у вигляді дискретних сигналів управління. При цьому вихідні кола МПЗ виконують так, щоб забезпечити гальванічну розв'язку комутованих ланцюгів як між собою, так і відносно внутрішніх ланцюгів МПЗ. Вихідні перетворювачі повинні мати відповідну комутаційну здатність і, в загальному випадку, забезпечувати видимий розрив комутованого ланцюга.
Тракт аналого-цифрового перетворення включає мультиплексор U6 і власне аналого-цифровий перетворювач (АЦП) – U7. Мультиплексор – це електронний комутатор, що по черзі подає контрольовані сигнали на вхід АЦП. Вживання мультиплексора дозволяє використовувати один АЦП (як правило, дорогий) для декількох каналів. У АЦП здійснюється перетворення миттєвого значення вхідного сигналу в пропорційне йому цифрове значення. Перетворення виконуються із заданою періодичністю. У подальшому в МПЗ за цими вибірками з вхідних сигналів розраховуються інтегральні параметри контрольованих сигналів – їх амплітудні або діючі значення.
Блок живлення U5 забезпечує стабілізованою напругою всі вузли даного пристрою, незалежно від можливих змін напруги в живлячій мережі.
Дисплеї і клавіатура є неодмінними атрибутами будь-якого цифрового пристрою, дозволяючи оператору отримувати інформацію від пристрою, змінювати режим його роботи, вводити нову інформацію. Треба відзначити, що дисплей H і клавіатура SB1, SB2 в цифрових реле, як правило, реалізуються в максимально спрощеному вигляді: дисплей – цифро-літерний, одно- (або декілька-) рядковий; клавіатура – декілька кнопок.
Порт зв'язку із зовнішніми цифровими пристроями. Великою перевагою МПЗ є можливість передачі інформації в інші цифрові системи:, персональний комп'ютер і т.д., що дозволяє інтегрувати різні системи, економлячи на каналах зв'язку, витратах на попередню обробку сигналів і тому подібне Комунікаційний порт – необхідний елемент для дистанційної роботи з даним пристроєм.
Поряд з вищеозначеними, в МПЗ в загальному випадку, можуть зустрітися і інші вузли, наприклад, цифро-аналогові перетворювачі при формуванні аналогових сигналів управління і регулювання. Практично вся обробка інформації в будь-якому цифровому пристрої здійснюється усередині МП за певним алгоритмом, реалізованим у вигляді програми роботи.
Універсальний блок захисту асинхронних електродвигунів УБЗ-302
Блок захисту асинхронних електродвигунів УБЗ-302 (рис. 1) виробляється ТО «Novatek-Electro» (Україна) і призначений для постійного контролю параметрів роботи трифазного електрообладнання (в першу чергу трифазних асинхронних електродвигунів): мережевої напруги, діючих значень фазних/лінійних струмів, споживаної потужності, напруги і струмів прямої і зворотної послідовності, опору ізоляції на корпус, диференціальних струмів витоку на землю (струмів нульової послідовності), температурних режимів роботи.
Рис. 2. Універсальний блок захисту асинхронних електродвигунів УБЗ-302
Блок розроблений для широкого використання в інженерних системах будівель і споруд (опалювання, вентиляція, водопостачання, кондиціонування), АСУТП і системах промислової автоматизації, контролю, обліку і диспетчеризації. Блок дозволяє значно знизити вірогідність відмов 3-фазного електрообладнання, зменшити вартість експлуатації, оптимізувати споживання електроенергії і значно підвищити комфортність експлуатації.
Пристрій має розширений набір вбудованого захисту, об'єднуючих в собі функції: реле перевантаження, реле контролю фаз, захист від підвищення струму (з незалежною і залежною від часу витримкою), реле контролю струмів витоку, реле температурного захисту двигуна, контроль повної активної і реактивної потужності, захист від тривалого пуску і блокування ротора, має можливість ручного керування з лицьової панелі приладу, а також журнал аварійних подій.
Блок захисту здійснює повний захист електрообладнання шляхом відключення з подальшим автоматичним включенням або блокуванням повторного пуску в наступних випадках:
• неякісна напруга мережі (обрив, перекіс фаз, недопустимі скачки і провали напруги, порушення чергування фаз);
• симетричне перевантаження за фазними / лінійними струмами, викликане механічними перевантаженнями;
• несиметричне перевантаження за фазними / лінійними струмами, пов'язане з пошкодженням усередині двигуна;
• несиметрія фазних струмів без перевантаження, пов'язана з порушенням ізоляції усередині двигуна;
• зникнення моменту на валу двигуна ("сухий хід" для насосів);
• перевірка рівня опору ізоляції обмоток двигуна на корпус до пуску (при рівні менше 0,5 МОм відбувається блокування;
• захист за струмом витоку;
• контроль перегріву обмоток двигуна за допомогою температурних датчиків.
Наявність другого вихідного реле управління забезпечує можливість організації наступних додаткових режимів роботи: перемикання «зірка-трикутник»; включення з «відкладеним пуском» (наприклад, каскадне включення двигунів); реле дистанційної сигналізації.
Схема підключень до пристрою зображена на рис. 3.
Рис. 3. Схема підключення універсального блоку захисту асинхронних електродвигунів УБЗ-302
Контрольні питання
- Для чого призначені мікропроцесорні пристрої захисту електродвигунів?
- Чим відрізняються мікропроцесорні пристрої захисту електродвигунів від механічних і аналогових пристроїв релейного захисту?
- Назвіть приклади відомих МПЗ.
- Які функції захисту мають більшість пристроїв МПЗ?