Захист асинхронних електродвигунів від струмів перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів

Abstract

Мета. Теоретичне обґрунтування, розробка та реалізація у вигляді алгоритму функціонування мікропроцесорного пристрою способу теплового захисту асинхронних електродвигунів від струмів перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів. Методика. Для вирішення поставленого завдання використовувалася теорія розкладання аналогових сигналів, що являють собою складні гармонійні коливання, на елементарні гармонійні складові, що утворюють спектр коливань, з метою порівняння їх властивостей, шляхом застосування теорії дискретних сигналів і систем, а також методів спектрального аналізу та фільтрації дискретних сигналів. Універсальність гармонійного аналізу полягає в тому, що будь-який періодичний сигнал може бути синтезований з гармонійних коливань з певними амплітудами, частотами та початковими фазами. Розроблена математична модель визначення гармонійного складу фазних струмів мереж електропостачання з ізольованою нейтраллю та з нелінійними видами навантажень і, як наслідок, зі спотворенням синусоїдальної форми зміни фазних струмів, шляхом множення аналогових залежностей струму в часі на гратчасту дельта-функцію з різними інтервалами дискретизації. Застосування простих і широко використовуваних у пристроях релейного захисту, зокрема в мікропроцесорних розчіплювачах автоматичних вимикачів, математичних операцій інтегрування квадратів миттєвих значень струму гармонійно поєднується з математичним апаратом побудови інших видів мережевих захистів. Результати. Доведена необхідність підвищення чутливості теплового захисту асинхронних електродвигунів від струмів перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів. Шляхом гармонійного аналізу нелінійних спотворень фазних струмів забезпечується підвищення надійності захисту електродвигунів за рахунок урахування вищих гармонійних складових у фазних струмах, а саме п’ятої гармоніки струму, що призводить до додаткових втрат і нагрівання обмоток електричних двигунів. При цьому використовується максимально простий і широко застосовуваний у релейному захисті математичний апарат визначення середньоквадратичних значень струмів найбі-льш значущих вищих гармонік. Наукова новизна. Теоретично досліджена можливість розширення переліку реалізованих захистів у розчіплювачах автоматичних вимикачів на основі результатів цифрової обробки сигналів від датчиків струму шляхом гармонійного аналізу спектру фазних струмів за наявності нелінійних спотворень. Запропоноване нове технічне рішення, що дозволяє в режимі ковзного моніторингу сформувати час спрацьовування автоматичних вимикачів для надійного захисту асинхронних електродвигунів від струмів перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів. Практична значимість. Розроблений алгоритм функціонування мікропроцесорного пристрою захисту асинхронних електродвигунів від неприпустимого перегрівання обмоток при струмах перевантаження з урахуванням нелінійних спотворень фазних струмів.

Purpose. Theoretical justification and engineering of induction motors heat protection method from overload currents with the taking into account nonlinear distortion of the phase currents and implementation as microprocessor device functioning algorithm. Methodology. To solve the problem the research employed the theory of the representing complex harmonic oscillations analog signals expansion into the oscillation spectrum forming elementary harmonic components in order to compare their properties by applying the theory of discrete signals and systems, as well as methods of spectral analysis and discrete signals filtering. The harmonic analysis versatility is that any periodic signal may be synthesized from harmonic oscillation certain amplitude, frequency, and initial phase. A mathematical model for determining the phase current harmonic content of power supply networks with isolated neutral and non-linear loads types and, as a consequence, the distortion of sinusoidal phase currents change is developed by multiplying the analog current in time dependency on the grate delta-function with different sampling intervals, in which the use of simple and widely used in relay protection units, in particular circuit breakers microprocessor trip, mathematical operations of integration squares instantaneous current allows the most in harmony with the mathematical tools to build other network protection types. Findings. The necessity to increase the sensitivity of the induction motors heat protection from overload currents taking into account nonlinear distortion of the phase currents was proved. By nonlinear distortion harmonic analysis of the phase currents the motor protection reliability increasing provided by taking into account the higher harmonic components of the phase currents, namely, the fifth harmonic current, which causes additional losses and heating of the stator winding. It uses the simplest and widely used in protective relaying mathematical apparatus determining of most significant higher harmonics currents RMS. Originality. A possibility of extending the implemented protection list of circuit breakers trip units based on the digital processing of signals from the current sensors is theoretical research by the harmonious analysis of phase currents spectrum with the nonlinear distortions presence. A new technical solution was proposed that allows in the online sliding monitoring mode to form response time of circuit breakers for the reliable protection of induction motors from overload currents taking into account nonlinear distortion of the phase currents. Practical value. The microprocessor protection functioning algorithm of induction motors was designed against impermissible heating coils with overload currents taking into account nonlinear distortion of the phase currents.