Устройство защиты асинхронного электродвигателя от потери устойчивости

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты и автоматики.
Известна двухступенчатая защита минимального напряжения, содержащая пусковые блоки (реле напряжения), реле времени и выходное (промежуточное) реле [Чернобровое Н.Н., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем, 1998 г., 800 с.]. Первая ступень с выдержкой времени первой ступени действует либо на отключение неответственных электродвигателей, либо на отключение ввода потерявшей питание секции шин распределительного устройства. Вторая ступень действует на отключение электродвигателей потерявшей питание секции шин с последующим включением электродвигателей резервных технологических агрегатов и предназначена для сохранения технологического режима при длительном перерыве электроснабжения.
Недостатком этого способа является ступенчатая характеристика срабатывания защиты, которая приводит к ложным отключениям электродвигателей. Корректное определение границы срабатывания защиты минимального напряжения позволит снизить количество ложных отключений электродвигателей, и при этом обеспечить наибольшую вероятность самозапуска источника питания при восстановлении напряжения.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является способ защиты узла электрической нагрузки при нарушении питания и устройство для его осуществления [Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров А.В., Алексеев В.В. Способ защиты узла электрической нагрузки при нарушении питания и устройство для его осуществления. Патент RU 2072603. МПК8 Н02Н 3/24, Н01H 83/12, приоритет 04.03.1994]. Устройство содержит датчик трехфазного напряжения, выход которого подключен ко входу блока определения значений прямой и обратной последовательностей напряжения, выход которого присоединен ко входу блока определения положения границы статической устойчивости, выход которого подключен к первому входу блока определения выдержки времени и входу блока контроля, выход которого соединен со вторым входом блока определения выдержки времени и таймеров, подключенным к одному из входов блока сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока определения выдержки времени, а выход подсоединен к первому входу блока выходных реле, второй вход которого подключен к выходу узла сброса, а выходной сигнал передается в схему управления входным выключателем узла нагрузки.
Недостатком прототипа является отсутствие учета параметров режима работы двигательной нагрузки: частоты вращения вала и коэффициента загрузки, которые оказывают существенное влияние на устойчивость электродвигателя. Отсутствие учета этих параметров может привести к ложным отключениям электродвигателей или к авариям из-за выбора слишком большой выдержки времени.
Задачей полезной модели является защита асинхронных электродвигателей от потери устойчивости с учетом параметров режима работы.
Поставленная задача решается устройством защиты асинхронного электродвигателя от потери устойчивости, включающим датчик частоты вращения вала электродвигателя, датчик тока и искусственную нейронную сеть.
Согласно полезной модели, устройство содержит датчики фазных напряжений, подключенные к трем фазам питания электродвигателя, датчик частоты вращения вала электродвигателя и датчик фазного тока, подключенный к любой из фаз двигателя. Сигналы с датчиков напряжения поступают на блок преобразования координат, выходы которого подключены к блоку продолжительности провала напряжения. Сигнал с датчика тока подается на блок расчета коэффициента загрузки. Сигналы с датчика частоты вращения вала электродвигателя, с блока расчета коэффициента загрузки и блока преобразования координат подаются на входы искусственной нейронной сети. Выходы искусственной нейронной сети и блока продолжительности провала подключены к блоку сравнения, сигнал с которого идет на выключатель электродвигателя.
На фиг. 1 приведена схема устройства защиты асинхронного электродвигателя от потери устойчивости.
Устройство, содержит датчики фазных напряжений 1-3 (ДН1-ДН3), датчик частоты вращения вала электродвигателя 4 (ДЧ) и датчик фазного тока 5 (ДТ). К датчикам напряжения последовательно подключен блок преобразования координат 6 (БПК), выходы которого подключены к входам блока продолжительности провала 8 (БПП). К датчику тока последовательно подключен блок расчета коэффициента загрузки 7 (БРКЗ). Выходы датчика частоты вращения вала электродвигателя 4 (ДЧ), блока расчета коэффициента загрузки 7 (БРКЗ) и блока преобразования координат 6 (БПК) подключены к входам искусственной нейронной сети 9 (ИНС). Выходы искусственной нейронной сети 9 (ИНС) и блока продолжительности провала 8 (БПП) подключены к блоку сравнения 10 (БС), сигнал с которого идет на выключатель (не показан на фиг. 1).
Для определения допустимой длительности провала напряжения может использоваться нейронная сеть, например, с одним скрытым слоем [Осовский С. Нейронные сети для обработки информации: пер. с польск. - М: Финансы и статистика, 2002. - 344], которая состоит из входного слоя, одного скрытого слоя и выходного слоя. Количество нейронов во входном слое равно 4, в скрытом слое - 30, в выходном слое - 1. Функция активации всех нейронов скрытого слоя - гиперболический тангенс, выходного слоя - линейная. Нейроны входного слоя передают входные сигналы на скрытый слой, не преобразуя их.
Перед началом работы нейронная сеть, обучается на выборке, полученной на основе математической модели питающего фидера, включающей математические модели асинхронного электродвигателя, питающего кабеля и трансформатора [Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: учеб. для электроэнергет. спец. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. - 536 с.].
Процесс обучения искусственной нейронной сети проводится следующим образом: все коэффициенты связей между нейронами инициируются случайными числами, затем сети предъявляется обучающая выборка и, с помощью алгоритма обучения, коэффициенты синаптических связей подстраиваются при выполнении циклической процедуры так, чтобы расхождение между обучающей выборкой и реакцией сети на соответствующие входные данные было минимальным.
Устройство защиты асинхронного электродвигателя от потери устойчивости работает следующим образом.
Датчики фазных напряжений 1-3 (ДН1-ДН3), датчик частоты вращения вала электродвигателя 4 (ДЧ) и датчик фазного тока 5 (ДТ) подключают к асинхронному электродвигателю. С выходов датчиков фазных напряжений 1-3 (ДН1-ДН3) сигнал поступает на блок преобразования координат 6 (БПК). Преобразование фазных напряжений из естественной трехфазной системы координат в двухфазную осуществляют согласно следующим выражениям [Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.]:
, ,
А
B
C
где U, U, U - мгновенные фазные напряжения;
α
β
U, U - проекции напряжений в α-β системе координат (неподвижная система координат).
Сигнал с выхода датчика тока 5 (ДТ) поступает на блок расчета коэффициента загрузки 7 (БРКЗ), который производит следующие вычисления [Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2010. - 350 с.]:
,
ф
где I - мгновенный фазный ток;
ном
I - номинальный фазный ток электродвигателя.
Сигналы с датчика частоты вращения вала электродвигателя 4 (ДЧ), блока расчета коэффициента загрузки 7 (БРКЗ) и блока преобразования координат 6 (БПК) подаются на искусственную нейронную сеть 9 (ИНС), которая определяет допустимую длительность провала питающего напряжения, используя выявленные при обучении зависимости между входными и выходными данными.
Сигнал с выхода блока преобразования координат 6 (БПК) подается на вход блока продолжительности провала 8 (БПП), который начинает отсчет времени при снижении питающего напряжения. Сигналы с выхода искусственной нейронной сети 9 (ИНС) и блока продолжительности провала 8 (БПП) подаются на блок сравнения 10 (БС). Если текущая длительность провала питающего напряжения превышает допустимое значение, полученное с помощью искусственной нейронной сети 9 (ИНС), то подается сигнал на отключение электродвигателя; если значение питающего напряжения восстановится до номинального уровня за время меньшее допустимой длительности провала, то защита возвращается в исходное состояние.
Таким образом, устройство позволяет защитить асинхронный электродвигатель от потери устойчивости в любом режиме работы.