RU188808U1 - Реле защиты от неправильного чередования фаз - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к силовой электротехнике, и может быть использована для защиты потребителей трехфазной силовой сети, в том числе электропривода, от неправильного чередования фаз напряжения.Из уровня техники известны различные варианты конструкции реле для защиты от смены чередования фаз. Всем таким решениям присущи те или иные недостатки, главным образом недостаточная надежность в силу значительного числа элементов и наличия полупроводниковых деталей (диодов, тиристоров, транзисторов) в составе реле. Современные изделия подобного рода могут выполняться на микроконтроллерах, однако это имеет также свои недостатки - например, чувствительность к помехам в питающей сети или зависание программы микроконтроллера. В более ранних решениях затруднено использование реле защиты в высоковольтных промышленных сетях, поскольку имеется непосредственная гальваническая связь элементов с питающей сетью. Это означает, что требования к номинальному напряжению полупроводниковых элементов схемы должны значительно превышать уровень напряжения в питающей сети.Предлагаемое решение упрощает конструкцию реле защиты от смены чередования фаз, делает ее более надежной и бесперебойной. Несомненно, такое реле востребовано в промышленных установках, и позволяет защитить потребителей (особенно, электропривод разного рода, в том числе насосов) от неправильного чередования фаз. Неправильное подключение двигателя приводит к обратному направлению его вращения, что недопустимо.Основным достигаемым результатом является упрощение конструкции и повышение надежности реле защиты от неправильного чередования фаз в нагрузке. В отличие от большинства известных из уровня техники решений, для реализации реле защиты не требуется применение полупроводниковых диодов и транзисторов, также не требуются сложные комплектующие типа микроконтроллеров и микросхем.

Description

Название полезной модели. Реле защиты от неправильного чередования фаз.

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике, и может быть использована для защиты потребителей от неправильного чередования фаз напряжения.

Уровень техники. Известно устройство для защиты трехфазной нагрузки от неправильного чередования фаз [А.с. СССР №635552], содержащее подключенный к двум фазам и нулевому проводу трехфазной сети фазочувствительный элемент, выполненный из тиристора и диода с последовательно соединенным резистором в цепи управляющего электрода тиристора, анод которого через катушку исполнительного реле подключен к одной из фаз, катод тиристора соединен с нулевым проводом, а анод диода, включенного в цепь управляющего электрода тиристора, подключен к опережающей фазе. Между упомянутым резистором и управляющим электродом тиристора включен элемент задержки сигнала управления.

К недостаткам такого решения можно отнести использование диодов и тиристоров, что при работе в промышленной сети с высоким напряжением снижает надежность и безопасность устройства.

Также известно устройство для защиты трехфазной сети от изменения чередования фаз [А.с. СССР №864412], содержащий контактор, силовые контакты которого подключены между источником питания и трехфазной сетью, блок контроля чередования фаз по схеме несимметричной звезды, в которой включены первый резистор, конденсатор и второй резистор последовательно с выпрямительным мостом, в диагональ которого включена катушка реле, замыкающие контакты которого включены в цепь катушки упомянутого контактора. Дополнительно устройство защиты оснащено вторым промежуточным реле, вторым выпрямительным мостом и вторым контактором, один из силовых контактов которого включен параллельно силовому контакту первого контактора, подключенного к третьей по порядку фазе, а два других подключены соответственно между входом силового контакта первого контактора, подключенного к первой фазе и выходом контакта первой фазы, при этом в луч звезды последовательно с первым резистором включен второй выпрямительный мост, в диагональ которого включена катушка второго реле, замыкающие контакты которого включены в цепь катушки второго контактора.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие двух реле, двух выпрямительных мостов и балластных резисторов с конденсатором, что ведет к снижению надежности устройства при длительной работе, а также ограничивает его работу в высоковольтных сетях из-за отсутствия развязки с питающей сетью и повышению требований к элементам схемы.

Такое решение является по своей технической сущности наиболее близким прототипом к заявляемой полезной модели.

Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные варианты конструкции реле для защиты от смены чередования фаз. Всем таким решениям присущи те или иные недостатки, главным образом недостаточная надежность в силу значительного числа элементов и наличия полупроводниковых деталей (диодов, тиристоров, транзисторов) в составе реле. Современные изделия подобного рода могут выполняться на микроконтроллерах, однако это имеет также свои недостатки - например, чувствительность к помехам в питающей сети или зависание программы микроконтроллера. В более ранних решениях затруднено использование реле в высоковольтных сетях, из-за непосредственной гальванической связи элементов с питающей сетью. Это приводит к тому, что номинальное напряжение полупроводниковых элементов схемы должны значительно превышать уровень напряжения в питающей сети. Уже при напряжении питающей сети 380 вольт надежность таких решений значительно снижена, а в сетях с напряжением 3,3 кВ и выше работа крайне затруднительна.

Таким образом, перед предлагаемым решением стоит следующая задача: упрощение конструкции, при отказе от полупроводниковых элементов (диодов, тиристоров) в составе реле, а также введение гальванической (трансформаторной) развязки с питающей сетью. Это позволит улучшить эксплуатационные качества реле, и расширит область применения на область высоковольтных сетей.

На фигуре 1 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной сети переменного тока. Очевидно, что угол сдвига между фазами равен 120 электрическим градусам между любой из трех фаз. В таком случае, для фазы А сдвиг равняется 0 электрических градусов, для фазы В сдвиг равен 120 электрическим градусам, для фазы С сдвиг равен -120 электрическим градусам - что эквивалентно углу сдвига 240 электрических градусов. В целом, основное отличие трехфазной сети переменного тока - наличие цикличности в происходящих процессах чередования фаз в определенной последовательности. В таком случае, при периодичности питающей сети 360 электрических градусов [1, 2], запаздывание на 240 градусов эквивалентно опережению на - 120 градусов. Наибольшее значение правильное чередование фаз питающей трехфазной сети имеет для электродвигателей, смена двух фаз на обмотке статора которых ведет к смене направления вращения (реверсу) в обратном направлении. Это крайне нежелательно, и может вести не только к снижению производительности электропривода, но и к убыткам.

В основе предлагаемого решения лежит использование свойства всех трехфазных цепей, а именно - равенство нулю суммы напряжений всех трех фаз. Наглядно это изображено на фигуре 2, где представлена векторная диаграмма суммы напряжений симметричной трехфазной сети.

Однако, данное свойство (равенство нулю суммы напряжений) верно только при правильном (согласном) включении всех трех фаз. Для случая, когда одна или две фазы имеют неправильную полярность, то равенство нулю суммы напряжений всех фаз нарушается.

На фигуре 3 представлена векторная диаграмма напряжений для случая смены местами подключения двух из трех фаз питающей сети. Для нагрузки это означает смену направления чередования фаз, а электропривод начнет вращаться в противоположную сторону. Но для предлагаемого решения, принципиальная схема которого показана на фигуре 4, это ведет к появлению на выходе напряжения, превышающего уровень напряжения одной фазы. Это объясняется тем, что вторичные обмотки однофазных трансформаторов включаются последовательно и согласно, и имеют строго определенную полярность. Смена двух фаз из трех в питающей сети, ведет не только к смене фаз местами, но и изменению полярности напряжения двух из трех вторичных обмоток однофазных трансформаторов. Таким образом, условие равенства нулю суммы напряжений нарушается - что вызывает срабатывание контактора, катушка переменного тока которого подключена к выходу включенных последовательно и согласно вторичных обмоток.

В состав схемы, изображенной на фигуре 4, входят три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключаются к питающей сети по схеме треугольник. В таком случае, важна взаимная полярность упомянутых однофазных трансформаторов, вторичные обмотки которых имеют равный коэффициент трансформации (обязательное условие для равенства нулю суммы напряжений при правильном чередовании фаз). С учетом того, что все серийно выпускаемые трансформаторы соответствуют техническим условиям, и имеют маркировку выводов, соблюдение этого правила несложно.

При неправильном подключении к питающей сети, когда 2 из 3 фаз подключены неверно (обратно), сумма напряжений вторичных обмоток станет аналогичной представленной на фигуре 3 векторной диаграмме, и вызовет срабатывания управляющей катушке контактора, которая разомкнет группу контактов, подключающих защищаемую нагрузку к питающей сети. Таким образом, имеет место прямой принцип работы реле защиты - при срабатывании, выдается отключающее воздействие на контактор.

Наличие трех однофазных трансформаторов является существенным для работы предлагаемого решения, поскольку непосредственное включение последовательно трех фаз питающей сети невозможно [2]. Трансформаторы обеспечивают не только гальваническую развязку с питающей сетью, но и дают возможность выполнить суммирование напряжений всех трех фаз при последовательном их включении.

Такой принцип работы обеспечивает простое, унифицированное и надежное решение - которое можно реализовать на разные номинальные напряжения питающей сети и мощности нагрузки, при использовании только серийно выпускаемых стандартных комплектующих.

На фигуре 5 представлена функциональная схема предлагаемого решения. Из схемы видно, что реле выполняется проходным - оно получает напряжение от трехфазной питающей сети, которое используется и для работы схемы, и для питания нагрузки - которая подключена к выходу группы нормально замкнутых (в исходном состоянии схемы) контактов. При нарушении условия чередования фаз, на выходе обмоток однофазных трансформаторов появляется напряжение, приходящее на управляющую катушку контактора, что приводит к размыканию контактов и обесточению потребителя электроэнергии.

В предлагаемом решении используется минимальное количество комплектующих, причем вероятность надежной работы для трансформаторов и трехфазного контактора - крайне велика. Следовательно, поставленная перед заявляемым решением техническая задача достигнута.

Предлагаемое решение упрощает конструкцию реле защиты от смены чередования фаз, делает ее более надежной и бесперебойной. Несомненно, такое реле востребовано в промышленных установках, и позволяет защитить потребителей (особенно, электропривод разного рода, в том числе насосов) от неправильного чередования фаз и связанного с этим материального ущерба, возникающего, например, при обратном направлении вращения электропривода исполнительных механизмов.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- для отключения защищаемой нагрузки от питания используется трехфазный контактор с катушкой переменного тока;

- для питания трехфазного контактора используются вторичные обмотки питающих однофазных трансформаторов, соединенные последовательно и согласно;

- в трехфазном контакторе используются нормально-замкнутые контакты, размыкающиеся при подаче питания на катушку.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - значительному упрощению конструкции и повышению надежности работы.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной сети. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток однофазных трансформаторов при правильном чередовании фаз. На фигуре 3 изображена векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток однофазных трансформаторов при неправильном чередовании фаз. На фигуре 4 изображена принципиальная схема реле защиты от неправильного чередования фаз. На фигуре 5 изображена функциональная схема включения реле защиты от неправильного чередования фаз. Здесь 1 - питающая трехфазная сеть, 2 - реле защиты от неправильного чередования фаз, 3 - потребитель электроэнергии.

Список использованной литературы.

1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.

2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.

Claims (1)

1. Реле для защиты трехфазной сети от изменения порядка чередования фаз, содержащее три однофазных трансформатора, оснащенных по одной первичной и одной вторичной обмотке каждый, причем первичные обмотки упомянутых трех однофазных трансформаторов объединяются в треугольник, отличающееся тем, что вторичные обмотки включаются последовательно и согласно между собой, и питают катушку переменного тока трехфазного контактора, оснащенного нормально замкнутыми контактами.

Images