Pierwszenstwo: Opublikowano: 20.X.1967 23.IV.1964 (P 104 403) 54080 KI. 21 c, 68/50 MKP .tlBLIC UKEr*** p j flWfcl tan, u*k,iloi Wspóltwórcy wynalazku: dr inz. Stanislaw Szpilka, mgr inz. Alfons To¬ mik, inz. Pawel Kudera, mgr inz. Joachim Pie- siur Wlasciciel patentu: Glówny Instytut Górnictwa, Katowice (Polska) Uklad asymetrycznego zabezpieczenia trójfazowych silników elektrycznych i ich obwodów zasilajacych Przedmiotem wynalazku jest uklad asymetrycz¬ nego zabezpieczenia trójfazowych silników elek¬ trycznych i ich obwodów, reagujacy na asymetrie pradów bedaca wynikiem pelnych i niepelnych zwarc dwufazowych, zwarc miedzyzwojowych, oraz zwiekszenia opornosci lub przerwy w jednej fazie, w tym takze w obwodzie wirnika.Znane zabezpieczenia reagujace na asymetrie pradów, oparte na zasadzie odfiltrowania sklado¬ wej symetrycznej przeciwnej kolejnosci faz pra¬ dów, wyposazone sa na ogól w bardzo czule spola¬ ryzowane przekazniki, pobierajace moc do zadzia¬ lania bezposrednio z filtru pradowego. Wymaga to stosowania dokladnych przekladników pradowych o duzej mocy, celem uzyskania niezbednej mocy filtru do zadzialania przekaznika przy malych asy¬ metriach oraz zmniejszenia uchybu filtru. Oprócz tego zabezpieczenia takie maja te wade, ze na sku¬ tek trudnosci zestrojenia filtru w szerokim zakre¬ sie zmian pradów, jak równiez wyeliminowania uchybu wypadkowego przekladników, oraz wobec wystepujacej asymetrii odbiorników, pojawia sie dosc znaczny falszywy sygnal wzrastajacy wraz z obciazeniem roboczym. Ogranicza to czulosc tych zabezpieczen do rzedu 30%, oraz zmusza do stoso¬ wania dosc znacznej zwloki czasowej, celem wy¬ eliminowania falszywych zadzialan.Wyjatek stanowi tu zabezpieczenie trójfazowych sieci elektrycznych, reagujace na asymetrie pradów, które dzieki dokladnemu napieciowemu filtrowi 10 15 20 25 80 2 skladowej symetrycznej przeciwnej kolejnosci faz pradów, wspólpracujacemu z przekaznikiem za po¬ srednictwem wzmacniacza o wejsciu ograniczaja¬ cym czesciowo falszywe sygnaly w stanach nie¬ ustalonych, dziala praktycznie bezwlocznie z duza czuloscia maksymalna wynoszaca 15% w stosunku do pradu znamionowego. Zabezpieczenie to jednak nie nadaje sie do pojedynczego silnika, gdyz jego prad rozruchowy wielokrotnie przekraczalby prad znamionowy zabezpieczenia, co nie wystepuje tak drastycznie w sieci zasilajacej grupe odbiorników, mogacych w najniekorzystniejszych przypadkach rozruchu spowodowac prad maksymalny niewiele przekraczajacy prad znamionowy. Przede wszyst¬ kim przy kilkakrotnym przekroczeniu pradu zna¬ mionowego, które w sieci moze byc spowodowane tylko zwarciem trójfazowym wzrasta sygnal od trzech harmonicznych pradów pojawiajacych sie nieuchronnie w obwodach wtórnych przekladników pradowych, mogacy spowodowac falszywe zadzia¬ lanie zabezpieczenia. Równiez nastepuje tutaj duzy wzrost nieustalonej asymetrii w chwili zamykania styków lacznika, oraz w okresie trwania przeteze- nia poteguje sie asymetria wstepna, spowodowana warunkami zasilania i róznicami w impedancjach poszczególnych faz silnika.Poza tymi trudnosciami, w zabezpieczeniu poje¬ dynczego silnika chodzi o dalsze zwiekszenie czu¬ losci, celem objecia ochrona równiez uszkodien wewnetrznych. 5408054080 3 4 Wszystkie dotychczasowe trudnosci i wady zostaly usuniete dzieki zastosowaniu ukladu wedlug %wy¬ nalazku. Istota wynalazku polega na zastosowaniu dwóch filtrów napieciowych skladowych symetrycz¬ nych przeciwnej i zgodnej kolejnosci faz pradów uniwersalnych do dowolnej kolejnosci faz sieci, za¬ silanych z dwóch dwuuzwojeniowych przekladni- ków"pradowych o malej mocy, przy czym filtr skla¬ dowej przeciwnej stanowi czlon rozpoznajacy stan awaryjny zabezpieczonego obiektu, sterujacy przez a bardto czuly wzmacniacz tranzystorowy przekaz¬ nikiem wykonawczym, zas filtr skladowej zgodnej, steruje czlonem korygujacym odpowiednio czulosc wzmacniacza na okres '¦ trwania przetezen syme¬ trycznych. Poza tym w obwodzie filtru skladowej przeciwnej, celem zwiekszenia czulosci zastosowano filtr czestotliwosciowy eliminujacy wplyw trzeciej hormonicznej od skladowej zgodnej, wystepujacej w pradach wtórnych przekladników. Istotne jest równiez sterowanie czlonu korygujacego czulosc w chwili zalaczenia silnika, zrealizowanego stykami pomocniczymi lacznika, dla odstrojenia sie od nie¬ ustalonej asymetrii, pojawiajacej sie na skutek nierównoczesnego zamykania styków lacznika wla¬ czajacego silnik. W efekcie uzyskano bardzo wy¬ soka czulosc maksymalna zabezpieczenia na skla¬ dowa symetryczna przeciwnej kolejnosci faz pradu wynoszaca 5% pradu znamionowego, przy dzia¬ laniu praktycznie bezzwlocznym.Wynalazek przedstawiony jest w przykladowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia uklad polaczen zabezpieczenia asymetrycznego trójfazowego silników, fig. 2 — zaleznosc czulosci zabezpieczenia C od skladowej zgodnej pradu Jl w stosunku do pradu znamionowego JN, zas fig. 3 charakterystyke czasowo zalezna zabezpieczenia, jako funkcje czasu zadzialania t od stosunku skla¬ dowych przeciwnej kolejnosci faz pradów 12, I2r.Zabezpieczenie sklada sie z czlonu pomiarowego CP, czlonu wykonawczego CW, oraz zasilacza sie¬ ciowego ZS. Czlon pomiarowy CP ma dwa obcia¬ zone przekladniki pradowe dwuuzwojeniowe 111, 112 oraz 121, 122, podlaczone do dwóch dowolnych faz obwodu trójfazowego, oraz samoczynny prze¬ lacznik kolejnosci faz zaopatrzony w bezposredni filtr kolejnosci faz napiec skladajacy sie z oporni¬ ków R27 i kondensatora Cli, podlaczonych do od¬ powiednich faz obwodu jak przekladniki pradowe, oraz z prostownika w ukladzie Gretza Pr3, oporu R26 i przekaznika P2.- Glówne uzwojenia wtórne pradowych przeklad¬ ników 111 i 121 obciazone sa jednakowymi dzielni¬ kami oporowymi Rl i R2, oraz przesuwnikami fa¬ zowymi skladajacymi sie z kondensatora Cl i dziel¬ nika oporowego R3 i R4, zas uzwojenia pomocnicze 121 i 122 obciazone sa podobnie, lecz dzielnikami z R5 i R6, oraz przesuwnikami C2, R7 i R8.Polaczenia oporników R2 z opornikami R4 oraz analogiczne oporników R6 z R8 przez odpowiednie styki przekaznika P2 do zacisków wyjsciowych a—b oraz c—d, stanowia wlasciwe filtry napiecio¬ we skladowych symetrycznych przeciwnej i zgod¬ nej kolejnosci faz pradu, niezaleznie od wystepu¬ jacej kolejnosci falz w obwodzie zabezpieczonym.Na wejsciu a—b czlonu wykonawczego CW znaj¬ duja sie w kolejnosci równolegle wlaczone obwody: korektora czulosci skladajacego sie z opornika R20 i tranzystora T6, filtru czestotliwosciowego z in- dukcyjnosci LI i L2 i kondensatora C3, korektora 5 charakterystyki z diody Dl i kondensatora C4, opornika wejsciowego RIO, oraz kompensacji tem¬ peraturowej zlozonej z oporników Rll, R12, R13, R14, diody D2 i tranzystora T3 — polaczone przez opornik R9 i opornik regulowany Rr ze wzmacnia¬ czem na tranzystorach Tl i T2, których kolektory polaczone sa z przekaznikiem wykonawczym PI.Styk pil przekaznika PI bocznikuje emiter i ko¬ lektor tranzystora T2. Drugi zestyk przelaczny pl2 wlaczany jest w obwód przekaznika Pst steruja¬ cego stycznikiem glównym zabezpieczanego obwo¬ du St, oraz w obwód lampki sygnalizacyjnej L.Natomiast na drugim wejsciu c—d czlonu wy^ko- . nawczego CW polaczonym z filtrem skladowej zgodnej, znajduje sie prostownik Pr2 polaczony przez filtr wygladzajacy zlozony z kondensatora C9 i oporników R16 i R17 ze wzmacniaczem pradu stalego na tranzystorach T4 i T5 o oporze wejscio¬ wym R18, których kolektory polaczone sa z opor¬ nikiem obciazajacym R15, oraz baza tranzystora T6 — korektora czulosci.Dodatkowo na wejscie wzmacniacza pradu stale¬ go za posrednictwem styku pst przekaznika Pst wlaczony jest szeregowy uklad opornika R19 i na¬ ladowanego kondensatora CIO.Wzmacniacze zasilane sa z zasilacza pradu stale¬ go ZS skladajacego z prostownika w ukladzie Gret¬ za Prl — którego zaciski g — h podlaczone sa do napiecia pradu zmiennego, z filtru wygladzajacego C7, C8 i R25, oraz z dzielnika oporowego R21, R22, R23, R24 stabilizowanego diodami Zenera Dzl i Dz2.Do zacisków wyjsciowych e—f czlonu pomiaro¬ wego CP polaczony jest przycisk Pp do przeprowa¬ dzania próby.Przed zalaczeniem stycznika St, wlaczajacego za¬ bezpieczany odcinek wraz z silnikiem S do sieci, nastepuje samoczynne dopasowanie filtrów sklado¬ wych symetrycznych przeciwnej i zgodnej kolej¬ nosci faz pradów do wystepujacej w sieci kolejnos¬ ci faz, dzieki filtrowi kolejnosci faz napiec, na któ¬ rym pojawia sie sygnal uruchamiajacy przekaznik P2 tylko w przypadku kolejnosci faz niezgodnej ze stanem zainstalowania zabezpieczenia.Styki przelaczne przekaznika P2 sluza do pola¬ czenia bedacych do dyspozycji uzytecznych spad¬ ków napiec na oporach R2 oraz R6 dzielników ob¬ ciazajacych i na oporach R4 oraz RS dzielników przesuwników fazowych w ten sposób, aby nieza¬ leznie od kolejnosci faz, zawsze na zaciskach a—b pojawial sie sygnal napieciowy proporcjonalny do skladowej symetrycznej przeciwnej kolejnosci faz pradów, zas na zaciskach c—d sygnal proporcjo¬ nalny do skladowej symetrycznej zgodnej kolejnos¬ ci faz pradu. Poziomy tych sygnalów jak i czulosci wspólpracujacych wzmacniaczy sa tak dobrane, aby sygnal uruchamiajacy przekaznik wykonawczy Pi za posrednictwem wzmacniacza odpowiadal skla¬ dowej przeciwnej pradu o wartosci 5% pradu zna¬ mionowego, zas sygnal wyprostowany, zaczynaja¬ cy reagowac na wzmacniacz pradu stalego, odpo- 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6054080 wiadal skladowej zgodnej pradu poczawszy od wartosci 150% pradu znamionowego.Na wyjsciu a—b czulego filtru skladowej prze¬ ciwnej, pojawia sie równiez sygnal od trzeciej i dalszych hormonicznych skladowej zgodnej w wy¬ niku odksztalcenia pradów wtórnych, który celem zapewnienia wysokiej czulosci zabezpieczenia jest eliminowany przez filtr czestotliwosciowy LI, L2 oraz C3.Do zalaczenia stycznika St uklad przygotowany jest w ten sposób, ze obwód pojemnosci CIO i opo¬ ru R19 laduje sie przez styk pst napieciem z zasi¬ lacza, osiagajac potencjal 4-2, zas wzmacniacz T4, T5 spolaryzowany jest przepustowo tak, ze prak¬ tycznie potencjal +3 polaryzuje maksymalnie za¬ porowo tranzystor T6 korektora czulosci, nie znie¬ czulajac w tym stanie wzmacniacza pradu zmien¬ nego Tl, T2. W chwili zalaczania, styki pst przela¬ czaja naladowany obwód CIO, R19 na wejscie wzmacniacza T4, T5 powodujac jego polaryzacje zaporowa na krótki okres okreslony stala czaso¬ wa tego obwodu. W tym czasie potencjal +1 po¬ laryzuje przepustowo tranzystor T6, powodujac zmniejszenie czulosci do poziomu okreslonego opo¬ rem R20, niezbednego dla odstrojenia sie od asy¬ metrii w stanie nieustalonym, pochodzacej od nie- równoczesnego laczenia styków stycznika St. Jedno¬ czesnie w obwodzie zaczyna plynac duzy prad roz¬ ruchowy zalaczonego silnika S, uwypuklajacy wielokrotnie jego dopuszczalna asymetrie, powo¬ dujaca pojawienie sie znacznego sygnalu na filtrze skladowej przeciwnej, oraz duzego sygnalu na fil¬ trze skladowej zgodnej. Zabezpieczenie jednak nie zadziala, gdyz sygnal od skladowej zgodnej po wy¬ prostowaniu polaryzuje zapasowo wzmacniacz T4, T5, powodujac zmniejszenie czulosci w sposób omó¬ wiony wyzej, przy czym intensywnosc i czas trwa¬ nia znieczulenia sa funkcja pradu skladowej zgod¬ nej, która przedstawiono na fig. 2.Przy normalnej pracy silnika S nie zadziala wiec korektor czulosci. Dopiero po pojawieniu sie asy¬ metrii w pradach na wyjsciu filtru skladowej prze¬ ciwnej, powstaje sygnal, który wzmocniony przez wzmacniacz Tl, T2, uruchamia przekaznik PI, po¬ wodujacy wylaczenie silnika S oraz zaswiecenie lampki sygnalizacyjnej L. Przy duzych zwarciach dwufazowych pojawia sie równiez skladowa1 zgod¬ na, powodujaca dzialanie korektora czulosci, co jed¬ nak nie zablokuje zabezpieczenia, gdyz w tym przy¬ padku skladowa przeciwna wielokrotnie przekracza wielkosc rozruchowa.Obwód diody Dl i kondensatora C4 jest prze¬ znaczony do ksztaltowania charakterystyki czaso- wo-zaleznej, przedstawionej na fig. 3, co ma istot¬ ne znaczenie przy wspólpracy kilku zabezpieczen.Jest on waznym uzupelnieniem korektora czulosci w zakresie odstrojenia sie od krótkotrwalych asy¬ metrii, szczególnie gdy sa spowodowane poza za¬ bezpieczonym obwodem.Dzialanie kompensatora temperaturowego w za¬ kresie do +45°C polega na zmianie opornosci wej¬ sciowej przez obwód opornika Rll oraz tranzystora T3, do sterowania którego wykorzystano zaleznosc pradu wstecznego diody D2 od temperatury, jak i zmiane pradów zerowych tranzystorów T2 i T3, co zapewniaja sprzezenia oporowe Rll, R14. Opor¬ nik regulowany Rr sluzy do zmiany czulosci zabez¬ pieczenia, zas przycisk Pp daje mozliwosci prób¬ nego sprawdzenia calego ukladu przy normalnym obciazeniu symetrycznym. 5 Zasadniczym osiagnieciem zabezpieczenia wedlug wynalazku jest praktycznie bezzwloczne reagowa¬ nie na zwarcie dwufazowe z wysoka czuloscia, a wiec równiez na zwarcia niepelne, oroz zwarcie wewnetrzne w silniku, co jest warunkiem zwiek- 10 szenia bezpieczenstwa eksploatacji, jak i ogranicze¬ nia rozmiarów uszkodzenia przez jego wczesne wy¬ krycie, badz ograniczenie dzialania cieplnego pradu zwarcia. Zabezpieczenie niedopuszcza do pracy dwufazowej silników równiez na biegu jalowym. 15 Uklad zabezpieczenia oparty jest na elementach miniaturowych, co umozliwia wykonanie urzadze¬ nia o malym ciezarze i malych gabarytach. Zabez¬ pieczenie nie wymaga fazowania, a ty™ samym do¬ puszcza do zmiany kolejnosci faz sieci, co czesto 20 nastepuje przy zmianach kierunku obrotów sil¬ nika. PL