ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ

​PROSPECTS FOR IMPLEMENTATION OF MONITORING AND PROTECTION SYSTEMS FOR ELECTRICAL MACHINES IN THE AGRICULTURAL INDUSTRIAL COMPLEX

Maxim Salov

student, Tomsk state Agrarian College,

Russia, Tomsk

Pavel Maikov

student, Tomsk state Agrarian College,

Russia, Tomsk

Leonid Korolkov

scientific director, Tomsk State University,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В статье дан анализ основных неисправностей асинхронного электропривода. Предлагается обзор устройства мониторинга и защиты для электроустановок. Представлены результаты практических испытаний в различных рабочих и аварийных ситуациях. Предложен алгоритм практических и лабораторных занятий. Дан краткий анализ функционала и характеристик устройства.  Определено, используемое устройство позволяет осуществить практически все виды защит для асинхронного электропривода, дает возможность реализовать функцию мониторинга работы электроустановки. Предложен алгоритм внедрения подобного рода устройств. Дана оценка перспектив внедрения подобных устройств   на сельхозпредприятиях.

ABSTRACT

The article provides an analysis of the main faults of an asynchronous electric drive. An overview of monitoring and protection devices for electrical installations is provided. The results of practical tests in various operational and emergency situations are presented. An algorithm for practical and laboratory classes is proposed. A brief analysis of the functionality and characteristics of the device is given. It has been determined that the device used makes it possible to implement almost all types of protection for an asynchronous electric drive and makes it possible to implement the function of monitoring the operation of an electrical installation. An algorithm for introducing such devices is proposed. The prospects for introducing such devices at agricultural enterprises are assessed. 

Ключевые слова: защита асинхронного привода; мониторинг режимов работы электроустановок; пусковой ток асинхронного двигателя; электропривод; электродвигатели; условия эксплуатации; отказы; защита; ток; напряжение; мониторинг; управление; номинальный ток; аварийные режимы.

Keywords: asynchronous drive protection; monitoring of operating modes of electrical installations; starting current of an asynchronous motor; electric drive; electric motors; terms of Use; failures; protection; current; voltage; monitoring; control; rated current; emergency modes.

Развитие энерговооружённости сельскохозяйственных предприятий непосредственно связано с применением электропривода. В 1986 году число эксплуатируемых электродвигателей достигало 16 миллионов единиц [1, с. 5]. Установленная мощность в 1990 г. прогнозировалась более 100 млн. кВт. [2, с. 3]. Наибольшее число электродвигателей эксплуатируется в механических и ремонтных мастерских, при обработке зерновых и масленичных культур, для приготовления кормов, водоснабжения, вентиляции и пр. Растет единичная мощность двигателей, наиболее распространённые от 1,5 до 15 кВт. На промышленных предприятиях, электродвигатели эксплуатируются в основном в нормальных условиях, оптимально загружены, и обслуживаются должным образом. В сельском хозяйстве режим использования жёстче – агрессивная среда, запыленность, влажность, недогружены по мощности, работают в кратковременном и сезонном режиме, напряжение часто нестабильно и не симметрично, часто используются двигатели общепромышленных стандартов вместо специализированных серий. Все эти факторы ведут к частым отказам. Трудно не согласиться с автором [3, с. 123] «Анализ причин отказов электродвигателей показал, что, несмотря на тяжелые условия работы в сельском хозяйстве, подавляющее большинство их можно было сохранить при надежной и правильно выбранной защите». К основным аварийным режимам можно отнести – обрыв фазы до 50% аварий на отрасль, блокировка ротора до 25 %, технологические перегрузки до 10%, снижение сопротивления изоляции (относительно нормативов) до 15%, нарушение охлаждения и пр. Основные неисправности электродвигателей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Основные виды неисправностей электродвигателей

Учитывая сложные условия функционирования электропривода, это может приводить к поражению животных и людей электрическим током. До 80 % всех отказов двигателей связано с несовершенством их защиты. Стандартные схемы подключения электродвигателей предполагают наличие автоматического выключателя в цепи питания двигателя. Известно, что автоматические выключатели с время токовой характеристикой C, как правило, не могут обеспечить эффективной защиты двигателя, и предназначены в основном для защиты питающего кабеля. Специализированные аппараты с характеристикой D и/или возможностью настройки уставки по номинальному току, в большинстве случаев, не позволяют обеспечить защиту двигателя в полной мере. Широкая номенклатура выпускаемых тепловых реле – токовые, линейные и пр. обеспечивают защиту, как правило, только по превышению номинального тока. Отсутствие входного контроля неправильный выбор уставок осложняют условия эксплуатации. Наиболее полно отвечают современным требованиям специализированые устройства мониторинга и защиты двигателей, их выпускает ряд производителей. Поскольку анализ достоинств и недостатков при широкой номенклатуре выпускаемых устройств выходит за рамки данной статьи предлагаем рассмотреть УМЗ-10 DBRTS IP64, кратко УМЗ-10 представлено в [4, с. 13]. Устройство мониторинга и защиты (УМЗ) представляет собой комбинированное многофункциональное устройство, объединяющее различные виды токовых защит, защиты по напряжению питания, функции контроля, мониторинга, накопления статистических данных о работе электроустановки, местного и/или дистанционного управления. Устройство обеспечивает мониторинг всех основных параметров двигателя и при правильной настройке может обеспечивать защиту двигателя по целому ряду параметров.

Трехуровневая максимальная токовая защита с возможностью установки задержек по времени в период времени пуска.

Реализована возможность переключения алгоритма защиты в пороговый режим либо на защиту по обратной квадратичной зависимости времени отключения от действующего значения тока.

Защита от токов короткого замыкания.

Минимальная токовая защита.

Защита от замыканий на землю во время работы электроустановки (защита по току нулевой последовательности).

Защита от несимметрии тока в фазах и от обрыва фазы.

Защита от снижения и повышения напряжения питания при работающей электроустановке.

Предпусковая проверка сопротивления изоляции обмоток электродвигателя относительно корпуса по допустимому уровню.

Контроль чередования фаз во время работы двигателя.

Контроль напряжения питания перед запуском двигателя.

Контроль температуры двигателя при помощи встроенных в обмотку температурных датчиков (РТС-термисторов).

Один из вариантов схемы подключения УМЗ представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема подключения УМЗ-10 DBRTS IP64 в ходе практических работ с группой Э-337 ОГБПОУ «ТАК»

Мониторинг токов в цепи питания двигателя осуществляется при помощи трансформаторов тока (могут использоваться иные датчики тока). Проверка сопротивления изоляции производится перед пуском, должно быть не ниже 500 ± 50 кОм. Контроль температуры осуществляется посредством установленных в лобовые части обмоток двигателя термисторов типа PTC. Управляющий ключ «Q2» коммутирует цепь переменного тока от 0,03 до 2А напряжением до 420 В. Питание устройства осуществляется от источника переменного тока частотой 50 Гц, напряжением от 180 до 440 В. Сигнальный контакт «Q1» (сухой контакт) коммутирует цепь переменного тока от 0,03 до 2А напряжением до 420 В. Алгоритмы защиты и автоматики, разработаны в соответствии с техническими требованиями к отечественным системам РЗА. Производитель гибко реагирует на запросы конечного потребителя, выпуская целое семейство УМЗ, с различным набором функций и исполнений. При необходимости имеется возможность дополнить серийно выпускаемые устройства аналоговыми и дискретными входами и выходами. Предлагается ряд интерфейсов для обмена информацией с персональными компьютерами, смартфонами, контроллерами и серверами АСУ ТП. Предлагается также ассортимент комплектующих и сопутствующих устройств: пульты управления, датчики тока разъемные и не разъемные, делители напряжения, блоки внешней индикации, различные интерфейсные адаптеры. Возможные варианты исполнения УМЗ поясняются блок-схемой представленной на рисунке 2. Потребитель при желании может определить состав функций и интерфейсов ему необходимых под конкретные технологические процессы. Устройство работает с сервисной программой «Протэк» [5]. Имеется возможность подключения к контроллерам и серверам АСУ ТП старшего уровня. Возможен графический мониторинг текущей работы защищаемой электроустановки, просмотр графиков и журналов в реальном времени. Обмен данными через интерфейс RS-485 ведется по протоколу MODBUS RTU. Обмен данными через интерфейс Ethernet ведется по протоколам MODBUS TCP/IP и MODBUS RTU over TCP/IP. Карту адресов регистров можно скачать на сайте www.reletomsk.ru в разделе «Сервисная программа Протэк».

Рисунок 2. Блок схема возможных исполнений УМЗ

Внешний вид устройства показан на рисунке 3. Устройство смонтировано в щит управления двигателем 0,75 кВт, для проведения серии тестовых пусков и отработки проведения лабораторных и практических занятий в специализированной аудитории ОГБПОУ «Томский аграрный колледж» (см. рис.3).

Рисунок 3. Внешний вид УМЗ-10 DBRTS IP64

В устройствах с интерфейсом Bluetooth настройка, управление защищаемой электроустановкой, просмотр текущих токов, напряжений и т.д. может осуществляться из сервисной программы Протэк при помощи мобильного устройства (смартфона, планшета) с операционной системой Android версии 4.4 и выше. Средства мониторинга рассматриваемого устройства позволяют получить пусковые характеристики, параметры холостого хода и работы под нагрузкой анализ которых позволяет более точно выставить требуемые уставки как по току, так и по времени. В обычных условиях для получения части подобной информации о режимах пуска и работы двигателя понадобится как минимум токовые клещи, мультиметр, шунты, осциллограф и некоторое время. Как правило, алгоритм выбора уставок защит выглядит следующим образом. Исходя из данных на двигатель Pн=750 Вт, Uн=400 В, Cos(φ)=0,82, ηн=0,892, Kп=7, производится расчет номинального и пускового токов по формулам (1,2).

                                                        (1)

                                                                          (2)

Iн — номинальный ток, А;

Pн — номинальная мощность, Вт;

Uн — номинальное напряжение, В;

Cos(φ) — номинальный коэффициент мощности электромотора;

ηн — номинальный коэффициент полезного действия;

Iпуск— пусковой ток, А;

Kп— коэффициент кратности пускового тока к номинальному значению.

Для нашего двигателя Iн=1,48 А, Iп=10,36 А, ток уставки может задаваться на 15-20% выше номинального Iуст=2,5 А. С учетом пускового тока производится выбор автоматического выключателя. По току уставки выбирается тепловое реле. Сервисное программное обеспечение (ПО) «Протэк» позволяет оценить, в режиме записи текущих параметров, фактические значения пускового и номинального токов (см. рис. 4.) Iн=1,7 А, Iп=3,6 А, и уточнить расчёт.

Рисунок 4. Регистрация режима пуска двигателя УМЗ-10 DBRTS IP64

УМЗ уже при вводе значения номинального тока, по заданным алгоритмам, корректирует рекомендуемые диапазоны уставок. Электрик сельхоз предприятия при правильно поставленной работе периодически проверяет номинальные токи.  Однако для современного уровня аппаратов защиты этого недостаточно. Используя УМЗ и сервисную программу, мы получаем полную информацию по режимам работы двигателя. Применяя эту информацию должным образом, можем выбрать и довольно точно настроить необходимые параметры защиты. Даже без использования сервисной программы УМЗ отображает необходимые параметры на дисплее (см. рис. 3.). В данном конкретном случае отображаются величина напряжения в цепи питания, фазные токи и ток нулевой последовательности, текущее действующее значение дисбаланса токов фаз. Используя оборудование колледжа, мы воспроизвели некоторые возможные штатные и аварийные режимы работы электропривода. Отключение на холостом ходу, ступенчатый пуск, реверс, неполнофазный режим (см. рис. 5.), дисбаланс токов путем шунтирования обмотки двигателя (см. рис. 6.). Во всех перечисленных случаях УМЗ отрабатывает отлично. Сохранение графиков токов и напряжений в интервале до 20 секунд после защитного отключения, позволяет качественно производить анализ причин отключения.

Рисунок 5. Аварийное отключение (обрыв фазы B)

Рисунок 6. Аварийное отключение (дисбаланс токов, превышение по фазе А)

Другими словами, мы не только сохраняем оборудование, но и получаем информацию о причинах его нештатной работы. В нашем случае обмен информацией УМЗ - персональный компьютер, либо смартфон (см. рис. 8) обеспечивался по протоколу Bluetooth. ПО «Протэк» имеет дружелюбный интерфейс, проста в использовании, имеет все нужные функции, полезная, функциональная, удобная программа. Нам представилось, интересным опробовать УМЗ в работе по схеме пуска двигателя с переключением звезда - треугольник. Вариант подключения представлен на (рис. 7.), производитель рекомендует подключать трансформаторы тока после QF1, позже мы поясним почему. Присутствие в схеме теплового реле КК1 обусловлено алгоритмом практического занятия. В ходе выполнения задания студенты должны провести расчет и измерение номинального тока для соединения звездой, определить ток уставки, выбрать тепловое реле соответствующего диапазона, задать уставку по току. Затем проверить его работу путем проверки времятоковой характеристики теплового реле на соединении треугольником. Полагаем уместным отметить, возможная неисправность теплового реле перегорание греющей спирали в одной из фаз, что приводит к неполнофазному режиму работы электропривода. Далее студенты переходят к выполнению настроек УМЗ. Представленная схема включения трансформаторов тока УМЗ предполагает смену направления фаз при переключении со звезды на треугольник что должно привести к срабатыванию соответствующей защиты, по превышению тока нулевой последовательности, поскольку в данном исполнении это расчетная величина (см. рис. 9. значение Iнп=2,88 А). Таким образом, для студента на практическом занятии выполняется постулат Конфуция «Скажи мне – и я забуду, покажи мне – и я запомню, дай мне сделать – и я пойму».

Рисунок 7. Схема включения УМЗ для проведения практических занятий (переключение звезда - треугольник)

В современных условиях пуск с переходом со звезды на треугольник используется в тех случаях, когда нужно снизить пусковые токи с меньшими затратами и относительно простой схемой. Разберем алгоритм работы данной схемы: После нажатия кнопки SB1, запитывается катушка пускателя КМ1, в результате чего, замыкаются силовые контакты КМ1 и при помощи дополнительного контакта КМ1 реализуется самоподхват пускателя. Одновременно подается напряжение на реле времени KT1. Контакты реле времени 15-16 замкнуты и включается пускатель КМ3. Таким образом, происходит запуск двигателя по схеме «звезда». По истечении времени t1 (см. рис. 7, функцианальная диаграмма КТ1), контакт реле времени 15-16 разомкнется, и замкнется контакт 15-18. Вследствие чего, сработает пускатель КМ2, который осуществляет переключение на схему «треугольник». Для предотвращения одновременного включения пускателей КМ2 и КМ3 используется механизм блокировки. Чтобы защитить двигатель от перегрузки, в силовой цепи установлено тепловое реле КК1. В случае перегрузки, тепловое реле разомкнет цепь управления через контакт КК1, и силовая цепь будет разомкнута. Остановка двигателя происходит при нажатии кнопки SB2, которая разрывает цепь питания. Управляющий ключ Q2 УМЗ включен последовательно в цепь питания схемы управления, что также позволяет остановить двигатель при обнаружении аварийных режимов. Функциональная схема щита управления (см. рис. 8). Режим работы двигателя представлен на (рис. 9.).

Рисунок 8. Шит управления (переключение звезда – треугольник), интерфейс ПО «ПРОТЭК» на смартфоне

В соответствии с п.п 7.3.4 руководства по эксплуатации [6, стр. 19] произвели пробный пуск, определили Тпуск и Iпуск. Задали Iном в соответствии с действующими значениями токов фаз выполнили настройки защит. Обобщая написанное, можно сделать вывод, что для облегчения пуска мощного электродвигателя, рекомендуется изначально запускать его по схеме «звезда», что позволяет значительно снизить пусковые токи, уменьшить просадку напряжения в сети, но не позволяет двигателю выйти на номинальный режим работы.

Рисунок 9. Режим работы двигателя при переключении звезда – треугольник

Для выхода двигателя на номинальный режим необходимо осуществить переключение обмоток статора на схему «треугольник». В ходе выполнения работы авторами отмечено, в журнал работы УМЗ пишутся основные параметры каждого включения, однако отсутствуют графики режима нормального пуска. График режима нормального пуска можно получить только в режиме записи данных в реальном времени. На наш взгляд, иметь информацию о предшествующих нормальных пусках электроустановки, полезно по ряду причин.

• Анализ информации о предшествующих нормальных пусках позволяет фиксировать те или иные отклонения суточной, сезонной эксплуатации.
• Анализ информации о предшествующих нормальных пусках, вероятно, позволит более полно оценивать текущее состояние привода.
• Предметно планировать систему предупредительных ремонтов.
• В ряде случаев, эта информация может помочь при разборе аварийного режима.

Возможно это особенность конфигурации именно нашего устройства. В наших планах, провести мониторинг электрооборудования (вентиляция, подача воды) в учебно-производственном хозяйстве. Авторы сходятся во мнении что, наиболее оптимальный алгоритм использования УМЗ можно разделить на несколько этапов.

• Первичный мониторинг параметров работы двигателя, электроустановки. Задание уставок защиты в первом приближении.
• Проведение опытной эксплуатации и накопление более полной информации о режимах работы оборудования. Задание уставок защиты с учетом накопленной статистики.
• Промышленная эксплуатация.

Некоторые сомнения возникают в квалификации и подготовке первичного звена обслуживающего персонала. Если обслуживание теплового реле не вызывает вопросов, то эксплуатация рассматриваемых устройств это уже другой уровень подготовки, и включаться в решение задач по обучению грамотных специалистов, которые могут обслуживать такого рода устройства система среднего профессионального обучения должна еще вчера. Мы подготовили несколько лабораторных и практических занятий, которые позволяют более полно и наглядно показать студентам режимы работы асинхронного привода.

На основании проделанной работы коллектив авторов приходит к выводу – устройства типа УМЗ обеспечивают надежную защиту электродвигателей и будут находить все более широкое распространение в отрасли. Поскольку внедрение подобного рода аппаратов связано с экономическими затратами сначала будут оснащаться более важные затем менее ответственные агрегаты.  Устройство позволяет не только организовать защиту потребителя, но и вести мониторинг параметров работы сети, это помогает правильно выбрать и настроить недорогие аппараты защиты для менее важных агрегатов, оптимизировать системы и графики внутреннего потребления.  Кроме того, предметно построить разговор с электроснабжающей организацией на тему улучшения качества электропитания. Устройство позволяет быстро, точно определить причину аварии и нештатных режимов работы оборудования. Необходимо отметить возможность создания на базе предлагаемых производителем устройств, автоматизированных систем управления начального уровня, что может заинтересовать мелкие и средние сельские предприятия. В устройствах УМЗ кроме защитных функций реализована возможность управления нагрузкой по расписанию. Резюмируя все выше сказанное можно отметить, что потенциал для внедрения подобного УМЗ устройств на предприятиях АПК весьма значительны.

Список литературы:

1. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве: Москва. ВО «АГРОПРОМИЗДАТ» 1988. — 5 с.
2. Курбатова Г.С. Электродвигатели для сельского хозяйства Москва. ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. — 3 с.
3. Коробков И. Ф., Шилова Т. В. Особенности эксплуатации электродвигателей в сельском хозяйстве // Вестник НГИЭИ. 2011. №3 (4). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-ekspluatatsii-elektrodvigateley-v-selskom-hozyaystve (дата обращения: 17.04.2024).
4. Кутыгин С.В. Эксплуатация устройства защиты и мониторинга совместно с частотным преобразователем для защиты электродвигателя «Молодой ученый» технические науки №44 (386) Октябрь 2021 г.
5. Лебедев Е.Н. «СЕРВИСНАЯ ПРОГРАММА ПРОТЭК»— Текст: электронный // ООО ПО «Дион»: [сайт].— URL: http https://reletomsk.ru/doc/ServiceApp_Manual.pdf  (дата обращения: 18.04.2024).
6. УМЗ DB IP54 руководство по эксплуатации ЛТВГ 411711.124 РЭ Томск 2022.