Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции ЭУПО / Глава1 / Устр защит откл

.doc
Скачиваний:
22
Добавлен:
27.12.2015
Размер:
429.06 Кб
Скачать
    1. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО

ОТКЛЮЧЕНИЯ

Оснащение электрооборудования промышленных установок устройствами защитного отключения предусматривается международными стандартами. Электрооборудование полиграфического производства имеет нагрузки, питающиеся одно- и трехфазным напряжением. Примерами нагрузок, снабжающихся однофазным напряжением, могут служить маломощные электроприводы, устройства нагрева тигельных машин или клеевых устройств, электроприводы маломощных компрессоров и вентиляторов в одноножевых резальных машинах и прочее оборудование. Примерами нагрузок, снабжающихся трехфазным напряжением, могут служить электроприводы печатных машин, устройства инфракрасной сушки, больших одноножевых резальных машин и т. п.

С начала рассмотрим устройство защитного отключения для трехфазной нагрузки.

Функциональное назначение устройства. Устройство защитного отключения трехфазное электронное (УЗОТЭ) является примером электронного устройства автоматики. Оно предназначено для защитного отключения энергопотребителей (электродвигателей, нагревательных элементов, например трубчатых электронагревателей ТЭНов тигельных машин, галогенных ламп копировальных рам и т. п.) при возникновении следующих аварийных ситуаций в их работе:

– обрыв линейного (фазного) провода в линии электроснабжения энергопотребителя независимо от места обрыва;

– перекос фаз питающей сети, например, в линии электроснабжения печатной машины, резальной машины и т. п., в линии электропитания приводного асинхронного двигателя, например позолотного пресса, сталкивателя стопы бумаги резальной машины и т. п.;

– превышение номинального или рабочего тока энергопотребителей при возникновении неисправностей технологического оборудования;

– превышение пускового тока и времени пуска электропривода технологического оборудования

– возникновение возможности поражения электрическим током обслуживающего персонала.

Устройство прибора. Конструктивно прибор выполнен в пластмассовом корпусе, состоящем из основания и крышки. Все элементы электронной схемы размещены на одной плате, укрепленной на основании. На плате находится переменный резистор R8 «УСТ. ВРЕМЯ», служащий для задания времени отсечки пусковой перегрузки, резистор R3 «УСТ. ТОКА», служащий для установки номинального тока нагрузки, а также световая индикация на двух светодиодах: один V9 – «НОРМА» (зеленого цвета), сигнализирующий о нормальном режиме работы энергопотребителя, второй V2 – «ПЕРЕГРУЗКА» (красного цвета), сигнализирующий об аварийном режиме работы энергопотребителя при одновременном свечении с индикатором V9 «НОРМА» и об отключенном двигателе в аварийной ситуации при отдельном свечении. Подключение внешних цепей производится через клеммник, укрепленный на основании устройства. Для ввода прибора в действие напряжение его питания подается до подачи напряжения на энергопотребитель, например, выключателем QF (рис. 1.48). Питание устройства осуществляется напряжением 220 В от одной из фаз напряжений, на которой устанавливается измерительный трансформатор тока (в рассматриваемой схеме фаза А) и нулевого провода.

Описание принципа действия устройства. Принципиально устройство состоит из двух одинаковых каналов, воздействующих на отключающий электронный ключ VS (симистор – электронный аналог релейного контакта), находящийся в цепи питания катушки пускателя, управляющего включением-отключением силовой нагрузки (коммутирущеющего силовую нагрузку, т. е. энергопотребитель).

Канал токовой защиты преобразует напряжение, снимаемое с вторичных обмоток и1–и2 (в пределах 0,4…0,8 В) одного или двух трансформаторов тока (ТА1, ТА2) в постоянное напряжение выпрямителем UZ1, емкостным фильтром С1 и С2, работающим на нагрузочный резистор R2. Значение этого напряжения пропорционально току, потребляемому энергопотребителем.

Напряжения, снимаемые с вторичных обмоток трансформаторов, не должны отличаться друг от друга на величину более 20%, что обеспечивается достаточным равенством токов, протекающих в фазных проводах энергопотребителя. Напряжение на резисторе R2 участвует в распределении напряжения питания Uпит между сопротивлением R1 и частью сопротивления переменного резистора R3. Напряжение, снимаемое с сопротивления R1, поступает на вход 2 преобразователя частоты D1. Перед включением энергопотребителя на схему управления им (SB1, SB2 и КМ, рис. 1.49) подается напряжение. Од-новременно оно поступает на устройство защитного отключения (точки 4–5). При отсутствии тока энергопотребителя отсутствует напряжение на сопротивлении R2, поэтому на сопротивлении R1 достаточно высокий уровень напряжения, который прикладывается к входу 2 преобразователя частоты D1. Если на входе 2 высокий уровень, то на выходе 3 низкий, а на выходе 6 имеется знакопеременное напряжение прямоугольной формы. Это напряжение выпрямляется диодом V4, создавая ему положительный уровень, и поступает на базу транзистора VT2. В результате транзистор VT2 открывается и от напряжения питания начинает протекать ток через него, светодиод V9 и оптопару VT3. Оптопара VT3 закарачивает диагональ выпрямительного моста UZ2, и напряжение 220 В, приложенное к симмистору VS (точки 4–6), через сопротивление R14 по управляющему электроду симмистора включает его, тем самым подготавливает цепь включения пускателя KМ (рис. 82). Нажатием кнопки SB2 подается напряжение на катушку пускателя KМ, который включается и своими силовыми контактами KМ подает напряжение на энергопотребитель. При включении энергопотребителя возникают пусковые токи, превышающие его номинальные значения. При пусковых токах напряжение на сопротивлении R2 превышает выставленное резистором R3 напряжение, и это приводит к низкому уровню напряжения на сопротивлении R1, что вызывает снижение уровня напряжения на выходе 6 преобразователя частоты D1 и появление колебаний положительного напряжения прямоугольной формы U3. Это напряжение дифференцируется цепочкой из светодиода V2 и конденсатора C2. Положительные импульсы этого продифференцированного напряжения через сопротивления R4 подается на базу транзистора VT1, который включается-отключается с частотой дифференцирующего напряжения. Напряжение U3 приводит к импульсному свечению светодиода V2, чем предупреждает о протекании пусковых токов. С коллектора транзистора VT1 напряжение поступает на вход 2 микросхемы D2, в которой объединены таймер и триггер. Напряжение, поступающее на вход 2, запускает таймер. Время, определяющее задержку появления напряжения на выходе таймера после появления такового на входе, задается RC-цепью из резистора R8 и конденсатора C7. Это время должно превышать нормативное время действия пусковых токов. У различных энергопотребителей время действия пусковых токов различно, и поэтому для использования устройства имеется возможность изменения времени задержки таймера. Эта возможность реализуется изменением сопротивления R8. Если за время работы таймера пусковые токи уменьшились до нормативных значений, на выходе 3 микросхемы D1 появится низкий уровень напряжения, что приведет к закрытию транзистора VT1 и появлению напряжения на входе 2 микросхемы D2, останавливающего работу таймера. Устройство защиты не отключит энергопотребитель. Если продолжительность действия пусковых токов превысит нормативное значение, то после отработки таймером выдержки времени его выходное напряжение приводит в действие триггер, который устанавливается в единичное состояние, в результате чего на выходе 9 микросхемы D2 появляется низкий уровень напряжения, закрывающий транзистор VT2 и оптопару VT3. Отключение оптопары расшунтирует диагональ выпрямителя UZ2, что снимает напряжение с управляющего электрода симмистора VS, в результате чего он закрывается. Закрытие симмистора VS отключает пускатель KМ, а его силовые контакты отключают энергопотребитель от напряжения питания. После появления низкого уровня на выходе 9 микросхемы D2 положительный уровень напряжения на выходе 6 микросхемы D1 уменьшается. Это создает срыв колебаний и появление на выходе 3 высокого положительного уровня напряжения, устойчиво открывающего транзистор VT1, что дает постоянное свечение светодиода V2. Закрытие транзистора VT2 прекращает свечение светодиода V9. Для возвращения устройства защиты в исходное состояние необходимо снять с него напряжение питания примерно на 10 с. При этом разрядится времязадающий конденсатор С7 и при повторной подаче напряжения питания на устройство триггер микросхемы D2 восстановит высокий уровень напряжения на выходе 9 микросхемы D2 и подготовит устройство к работе.

В ходе работы энергопотребителя могут возникнуть токи перегрузки, от которых также следует его защитить. Эту функцию приведенное устройство выполняет, поскольку канал токовой защиты зафиксирует повышение тока в фазах питания энергопотребителя, повысится напряжение на сопротивлении R2, вступит в действие микросхема D1 и далее устройство будет работать по описанному выше алгоритму. Если есть необходимость отключения энергопотребителя сразу после появления токов перегрузки, то схему устройства следует дополнить схемой, состоящей из четырех микросхем D3.1, D3.2, D4.1, D4.2 (JK-триггер, 2И-НЕ). Микросхема D4.1 (2И-НЕ) совместно с резистором R15 и конденсатором С9 устанавливает JK-триггеры по их R-входу в нулевое состояние (Q = 0, = 1) за счет импульсного заряда конденсатора С9. При включении энергопотребителя и появлении пусковых токов напряжение, поступающее на вход 2 микросхемы D2, с помощью микросхемы D4.2 и конденсатора С10 по тактовому входу С переведет триггер D3.1 в единичное состояние (Q = 1, = 0). Поскольку на тактовом входе триггера D3.2 появится логический ноль, которым он не управляется, то его состояние сохранится. При появлении токов перегрузки появившееся вновь напряжение на входе 2 микросхемы D2 микросхемой D4.2 по тактовому входу С триггера D3.1 переведет его в нулевое состояние (Q = 0, = 1). Появление логической единицы на тактовом входе С триггера D3.2 переведет его в единичное состояние (Q = 1, = 0). Низкий уровень на выводе 14 этого триггера через диод V8 закроет транзистор VT2 и, как следствие дальнейшей работы устройства, отключит энергопотребитель от напряжения питания, предотвратив тем самым без задержки его перегрузку.

Для детализации работы устройства рассмотрим построение аналого-цифрового интегрального таймера марки КР1006ВИ1, используемого, в частности, в устройстве УЗОТЭ. Его функциональная схема дана на рис. 1.50. В него входят резисторный делитель R1 = R2 = R3, два компаратора DD1 и DD2, RS-триггер Т с тактирующим входом Е, выходные транзисторы VT1, VT2, VT3. Напряжение питания таймера Uпит, распределенное резисторным делителем, подается на входы компараторов. Одно напряжение Uвх1 подается на инверсный вход компаратора DD1, второе напряжение Uвх2 подается на неинверсный вход компаратора DD2. Напряжения с выходов компараторов управляют по RS-входам состояниями триггера Т. Триггер может устанавливаться в нулевое состояние (Q = 0, = 1) по тактируемому входу Е сигналом низкого уровня Е = 0. Если на выводе 6 таймера напряжение U6 >Uвх1, то с выхода компаратора DD1 поступит сигнал на R-вход триггера для установки его в нулевое состояние. Если на выводе 2 таймера напряжение U2 <Uвх2, то с выхода компаратора DD2 поступит сигнал на S-вход триггера для установки его в единичное состояние.

Если на входы триггера одновременно поступают сигналы установки его в различные состояния, то он будет переключаться в соответствии со следующим приоритетом сигналов. Первый приоритет имеет сигнал на выводе 4 – это сигнал разрешения Е. Если Е = 1 (на тактовом входе триггера высокий уровень сигнала), то работа таймера разрешена. Если Е = 0, то триггер находится в нулевом состоянии. Вторым по приоритету является непрерывный сигнал Uвх2 на выводе 2. Если Е = 1 и U2 < Uвх2, то на выходе Q триггера имеется высокий уровень сигнала Q = 1, и такое состояние триггера не зависит от логического состояния вывода 6, т. е. от соотношения напряжений U6 и Uвх1. Третий приоритет имеет непрерывное напряжение U6. При U6 > Uвх1, U2 > Uвх2 и Е =1 это напряжение U6 устанавливает триггер в нулевое состояние. Транзисторы VT1 и VT2 обеспечивают по току (до 100 мА) непосредственное управление электромагнитным реле. Основная схема включения таймера приведена на рис. 1.51. Режим ее работы соответствует режиму одновибратора. Выход (точка а) времязадающей интегрирующей RC-цепи присоединен к выводам 6 и 7 таймера, а сама RC-цепь – к напряжению источника питания Uпит. Исходно на выводе 2 поддерживается напряжение U2 > Uвх2, а тем самым на входе S триггера имеется логическая единица, что ставит его в нулевое состояние = 1, в результате чего транзистор VT3 открыт и на выходе RC-цепи также имеется нулевой потенциал.

Одновременно открывается транзистор VT2, и на выходе таймера (вывод 3) имеется нулевой потенциал. Если на вход таймера подать отрицательное напряжение Uвх2 (рис. 84), которое обеспечило бы выполнение условия U2 < Uвх2, то на входе S триггера T появится логическая единица, переводящая его в единичное состояние (Q = 1, = 0). В результате этого транзисторы VT2 и VT3 закрываются, а транзистор VT1 открывается. На выходе таймера (вывод 3) появляется напряжение положительного уровня, а конденсатор С3 начнет заряжаться от напряжения питания Uпит через резистор R2. Когда конденсатор С3 зарядится до напряжения, равного Uвх1, на R-входе триггера появится логическая единица, переводящая его обратно в нулевое состояние. Это снова приводит к открытию транзисторов VT2 и VT3, закрытию транзистора VT1 и появлению на выходе 3 нулевого потенциала. Этим моментом времени заканчивается формирование длительности выходного импульса таймера tимп, которая определяется параметрами времязадающей RC-цепи: . Кроме этого, формирование длительности выходного импульса может выполняться сигналом «разрешение», поступающим на вывод 4, который прерывает процесс заряда конденсатора С3. Если это не требуется, то на вывод 4 подается напряжение питания +Uпит. Следующим приемом изменения длительности выходного импульса служит управление работой таймера по входу 5. Внешним управляющим напряжением Uупр осуществляется изменение напряжения Uвх1, до которого заряжается конденсатор С3. При этом длительность выходного импульса будет равна . Наименьшая длительность выходного импульса ограничена быстродействием логических элементов таймера, наибольшая – допустимыми габаритами конденсатора С1 времязадающей цепи. Повышение помехозащищенности работы таймера достигается соединением вывода 5 с общим выводом через конденсатор С1 порядка 0,01 мкФ. Возможны и другие схемы включения таймера КР1006ВИ1.

Устройства встроенной температурной защиты (УВТЗ). Они применяются для защиты электродвигателей от перегрузки, осуществляя непосредственный контроль температуры обмоток двигателя установленными датчиками температуры. На рисунке 1.52 качестве примера приведена электрическая схема такого устройства.

В качестве датчиков температуры использованы полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы) типа СТ14-1. Позисторы СТ14-1 выполнены в виде небольших дисков диаметром 3 мм и толщиной 1,5 мм. Их закладывают в лобовые части статорных обмоток трехфазных асинхронных двигателей со стороны, противоположной вентилятору охлаждения, по одному в каждую фазу, и соединяют последовательно. Тем самым обеспечивают непосредственный контроль температуры в наиболее нагретой части обмотки двигателя. При превышении заданной температуры сопротивление позисторов Rt скачкообразно изменяется примерно в 100 раз. Такое релейное изменение сопротивления датчиков температуры вызывает надежное срабатывание устройства защиты и отключение двигателя от питающей сети. Питание УВТЗ осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В путем подачи его нажатием кнопки SB2 «Пуск» с уменьшением его сопротивлениями Rl, R2 и конденсатором С и выпрямлением его мостовым выпрямителем UZ, выходное напряжение которого стабилизируется стабилитроном VD1. Исполнительная схема составлена на транзисторах VT1 и VT2, включенных по схеме с положительной эмиттерной связью, осуществляемой резистором R5, что образует триггер Шмитта. Входным управляющим сигналом триггера является падение напряжения на Rt, поступающее на базу VT2. Применение триггера Шмита позволяет осуществлять четкое переключение выходного реле KV (отсутствие «дребезга контактов») при превышении значения измеряемой температуры нагрева обмоток двигателя установленной, что задается параметрами позисторов. Если температура обмоток двигателя ниже установленной сопротивление позисторов Rt мало, поэтому транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. За счет падения напряжения на резисторе R6, прикладываемому к управляющему электроду тиристора VS, он включается и включает реле KV. Замыкающий контакт реле KV замыкает цепь питания магнитного пускателя КМ, который своими силовыми контактами подаст напряжение на обмотки двигателя, а его замыкающий контакт зашунтирует кнопку SB2, поставив этим самым на самопитание и схему управления двигателем, и схему УВТЗ. Защита обмотки реле KV от коммутационных перенапряжений выполняется встречно включенным параллельно ей диодом VD2. При превышении значения температуры нагрева обмоток двигателя установленного значения сопротивление термодатчиков (позисторов) скачкообразно увеличивается. Это приводит к закрытию транзистора VT2, а при переходе однофазного выпрямленного напряжения питания с неуправляемого выпрямителя UZ, – к выключению тиристора VS, отключению реле KV и пускателя КМ. Его силовые контакты снимают напряжение с обмоток двигателя, и он останавливается. Схемы управления двигателем и УВТЗ снимаются с самопитания. Аналогично работает схема при обрыве цепи термодатчиков. Таким образом, УВТЗ непрерывно контролирует целостность электрической цепи термодатчиков и реагирует на температуру обмоток двигателя независимо от причин, вызывающих ее перегрев.

Фазочувствительные устройства защиты (ФУЗ). Эти средства защиты двигателей от перегрузки имеют ограниченное применение для электроприводов только в экономически обоснованных случаях, в виду высокой сложности и стоимости, а также из-за невысокого качества напряжения (асимметрия, колебания напряжения и др.). Фазочувсшвишельное устройство защиты реагирует на изменение угла сдвига фаз между напряжениями и токами трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Базовая структура ФУЗ состоит из двух фазовращающих трансформаторов тока и кольцевого фазового детектора с косинусной характеристикой, на выходе которого включено электромагнитное реле защиты (рис. 1.53).

В рассматриваемой схеме защиты (рис. 1.53, а) реле KV включено между средними выводами вторичных обмоток фазовращающих трансформаторов тока ТА1 и ТА2. Сами вторичные обмотки включены соответственно на диагонали диодного детектора VD1...VD4. В каждом плече детектора последовательно с диодом включен резистор. Сопротивления этих резисторов согласовано с сопротивлением катушки реле KV и параметрами вторичных обмоток трансформаторов тока ТА1 и ТА2. Поэтому при работе электродвигателя с номинальным током в катушке реле KV протекает незначительный ток, который существенно меньше тока отпускания Iотп этого реле, и оно отключено. При увеличении тока электродвигателя выше номинального, например, из-за обрыва фазы или заклинивания вала двигателя, измеряемые напряжения U1 и U2 возрастают, что приводит к увеличению тока в катушке реле KV, и оно включается, так как его ток становится больше тока срабатывания Iср. Это отражено на фазовых характеристиках ФУЗ (рис. 1.53, б). Своим контактом включенное реле KV воздействует на схему управления двигателем, отключая его от напряжения питания. ФУЗ – достаточно надежное средство защиты асихронных двигаелей от неполнофазного режима, заклинивания вала и незавершенного пуска. Недостатками ФУЗ являются большие весо-габаритные показатели, создаваемые трансформаторами тока, а также необходимость изготовления их на определенные диапазоны рабочих токов электродвигателей. Кроме того, как следует из фазовых характеристик (рис. 1.53, б), они обладают пониженной чувствительностью к малым перегрузкам, которые могут быть весьма длительными.

Рассмотрим устройство защитного отключения для однофазной нагрузки, основу которого составляет микросхема К1182СА1 (рис. 1.54).

Она диагностирует состояние питающей сети с помощью датчика тока, усиливает и передает его сигнал исполнительному устройству, отключающее сетевое питание от нагрузки. Микросхема содержит два операционных усилителя DA1 и DA2, усиливающие (по модулю) сигнал от датчика тока с коэффициентами усиления около 280, поступающий на входы IN+ и IN. Этот сигнал подается на компаратор DA3 и далее через линию задержки на вход составного транзистора VT2, VT3, который формирует напряжение на открытом выходе микросхемы. Питание самой микросхемы осуществляется от сети переменного тока (входы AC1, AC2). Выходное напряжение микросхемы (выводы NT-GDN) постоянного тока, снимаемого с диодного моста UZ. Питания операционных усилителей, компаратора и других внутренних элементов выполняется стабилизированным напряжением, формируемым транзистором VT1 на основании опорного напряжения, снимаемого со стабилитрона VD. Для устойчивой работы микросхемы на нагрузку (например, на реле KV) целесообразно использование внешнего источника питания, подключаемого к выводам 11 (NT) и 7(GDN). Дополнительные опорные напряжения, необходимые для нормальной работы усилителей и компаратора снимаются резистивного делителя R6-R7-R8. Вывод DELAY (задержка) служит для подключения емкости, регулирующей задержку включения составного транзистора (VT2, VT3). К выводу CL подключается емкость, подавляющая сетевые помехи, которые могут вызывать ненормативное включение транзисторов VT2, VT3. Вывод GND – общий для подключения емкостей и нагрузки.

На примере схемы, показанной на рис. 1.55, продемонстрируем реализацию защиты электрических цепей от перегрузки по току микросхемой К1182СА1. В этой схеме используется еще одна микросхема типоразмера К1182ПМ1 – DA1, которая в данном случае выполняет функцию управляемого электронного ключа (тиристора), включенного последовательно с реле переменного тока KV1 в сеть 220 В. Подача напряжения на однофазную нагрузку осуществляется нажатием кнопки SB3, что приведет при разомкнутом контакте вспомогательного реле KV2 (разомкнутые выводы С+ и С– микросхемы DA1) к включению реле KV1 и замыканию его контактов. Включенное состояние устройства индицируется светодиодом VD2. Контроль асимметрии токов в фазовом и нейтральном проводнике (утечку) и перегрузку по току в одном из проводников выполняют токочувствительные датчики: по асимметрии тока – TA1, по перегрузку по току – TA2).

В случае возникновения утечки тока по фазовому и нейтральному проводам течет различный по значению ток. Это отслеживается датчиком по асимметрии тока TA1, и сигнал ошибки поступает на входы DA2 (выводы 3 и 5) через резистивный делитель на резисторах R3 и R4, последний служит для настройки всей схемы. Если этот сигнал больше порогового напряжения микросхемы и его длительность не менее 2 мсек (пороговая длительность задается емкостью С2), то микросхема срабатывает и включает реле KV1.

Датчик представляет собой сердечник из листовых пластин электротехнической стали или из ферритового кольца (см. § 1.16). Сигнал датчика при заданной утечке может быть в пределах 50…200 мВ. Настройка всей схемы производится регулировочным резистором R4. Емкости С1, С2 и С4 необходимы для частичного подавления импульсных помех. Для контроля работоспособности устройства служит кнопка SB1, нажатием на которую имитируется утечка по одному из проводников. Одновременно она выполняет функцию отключения нагрузки от сети.

Соседние файлы в папке Глава1