Реле контроля фаз: область применения, схема подключения. Описание параметра "Контролируемые параметры по вводу(ам)" Реле контроля фаз для электродвигателей

Принцип работы реле контроля фаз

Основное назначение этого устройства — это контроль и защита электрооборудования в случае некачественного трехфазного напряжения. Особенно это важно для импортного оборудования, поэтому для защиты импортного оборудования всегда ставится реле контроля фаз. Это устройство контролирует трехфазную сеть при обрыве одной и более фаз, неправильном чередование фаз, асимметрии напряжения или перекосе фаз.

Реле контроля фаз РНПП-301

Если все фазы соответствуют параметрам реле контроля, тогда включаются контакты этого устройства, которые дают разрешение на включение трехфазного напряжения через магнитный пускатель, контактор.В случае исчезновения одной фазы, реле не запустит магнитный пускатель, напряжение на оборудование не будет подано. В аварийном режиме через реле можно включить аварийную сигнализацию.

Когда пропавшая фаза восстановится, тогда устройство включит нагрузку через 5 секунд автоматически. Таким образом, контроль происходит автоматически, при аварийной ситуации реле отключает нагрузку, а при восстановлении параметров сети включает напряжение трехфазной сети автоматически. Некоторые модели реле имеют возможность регулировки времени задержки включения своих контактов.

Схема реле контроля фаз

Особенно важно включение реле контроля в схемах передвижного оборудования с трехфазным электродвигателем. Так насос при не правильном чередовании фаз, будет плохо качать, а пресс и вовсе может сломаться. При обрыве одной фазы электродвигатель перегреется и сгорит.

Для защиты электродвигателя от обрыва фазы на магнитный пускатель еще устанавливают тепловое реле. Время отключения у него довольно большое. Для каждого электродвигателя тепловое реле нужно подбирать не по его рабочему току, а регулировать номинальный ток каждого теплового реле специальными винтами.Для этого собирается стенд.

Как правило, ни стенда, ни желания нет для точного подбора тока теплового реле. Поэтому реле контроля фаз в этом случае просто необходимо. Работа реле основана на определении гармоник обратной последовательности, которые возникают в момент обрыва или перекоса фаз.

Схема подключения реле контроля фаз к сети и магнитному пускателю

Эти гармоники проходят через пассивные аналоговые фильтры, где отделяются от основных гармоник. Сигнал выделенных гармоник поступает на плату управления, которая включает контакты. Схема реле контроля фаз собирается на транзисторах или микроконтроллере. Схема подключения реле контроля фаз простая.

Три фазы L1, L2, L3, и нейтраль N подключаются к соответствующим клеммам устройства, а контакты реле подключаются в разрыв катушки пускателя. В нормальном режиме контакты реле контроля замкнутые, магнитный пускатель включен, питание на оборудование подается.

При аварийном режиме устройство включает свои контакты, они размыкаются, напряжение питания нагрузки отключаются до восстановления параметров электросети. Использование в схеме электрооборудования реле контроля фаз защищает электродвигатели от перегрева и отказа. В бытовых условиях это устройство защищает трехфазный компрессор, холодильники, стиральные машины.

Классические недостатки реле контроля фаз серии ЕЛ

"Новости Электротехники" №5(29) 2004

Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети существует практически на любом предприятии, особенно при работе от источников трёхфазного напряжения. Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную опасность представляет так называемый «перекос фаз» – случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину, что приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя. Очень часто встречается и обрыв одной фазы.

Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда в результате аварии в цепи питания может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220 В относительно земли, но при этом две из них замкнуты между собой (т.н. «слипание» фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.

Для защиты оборудования от таких случаев выпускается большое количество различных реле контроля напряжения (реле контроля фаз, мониторы напряжения).

Наиболее распространенными импортными реле являются SQZ3, С556, СМ-PVN концерна АВВ, TPW400VSN4X, TPF400S4X компании TeleControl, EFN, PBN фирмы Entrelec и др.

Самыми массово применяемыми отечественными реле контроля фаз для работы в сетях с изолированной нейтралью являются реле серии ЕЛ – ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13. Они были разработаны около 30 лет назад КБ «Ритм» Киевского «НПО реле и автоматика». Удачно выбранные пороги срабатывания и минимум регулировок, а также полное отсутствие альтернативы, способствовали широкому распространению этих реле. Практически без изменений они производятся и до сих пор.
Некоторые заводы выпускают эти реле в первозданном виде со всеми их достоинствами и недостатками. Другие компании предлагают улучшенные модели с цифровой обработкой сигнала, дополнительными функциями контроля, регулировками, повышенной надежностью.

Достоинства реле ЕЛ

Реле ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13 предназначены для контроля полнофазности сетевого напряжения, порядка чередования фаз, снижения напряжения и могут использоваться в схемах автоматического управления и защиты от недопустимой асимметрии фазных напряжений и работы на двух фазах.

Несмотря на огромный выбор импортных приборов на российском рынке, реле серии ЕЛ остаются популярными в первую очередь, из-за своей низкой цены, которая составляет 20–25 USD. Минимальная стоимость реле зарубежного производства – 50 USD, а максимальная – до 250 USD, что в условиях финансовой нестабильности многих российских промышленных предприятий является препятствием для применения импортной продукции.

Кроме того, некоторые зарубежные реле требуют для работы отдельного напряжения питания (так называемого напряжения «оперативного питания»), что усложняет схему их подключения и ограничивает область применения. При этом питание реле серии ЕЛ осуществляется от контролируемой сети.

Ещё одним аргументом в пользу применения отечественных реле служит диапазон рабочих температур. У импортных реле он редко бывает ниже минус 25оС, у наших, как правило, до минус 40°C. В российских климатических условиях это немаловажный фактор.

Не всегда импортные приборы рассчитаны на работу в тяжелых условиях. Например, большие трудности возникают при контроле сетевого напряжения в метрополитене и на железных дорогах. Движение электропоезда сопровождается появлением большого количества нелинейных искажений сетевого напряжения в смежных электросетях (рис. 1). Не лучше обстоит дело и в металлургическом производстве (рис. 2). Наблюдались случаи, когда дорогие импортные реле контроля (даже известных фирм) при использовании в таких сетях работали нестабильно или просто отказывались работать. Отечественные реле, изначально разработанные для наших сетей, как правило, работают в таких условиях более устойчиво.

Рис. 1

Рис. 2

Выявленные недостатки реле ЕЛ

Изначально у всех реле серии ЕЛ недостатком являлось большое тепловыделение и, как следствие, низкая надёжность. При плотной установке в шкафу и плохой вентиляции реле быстро выходили из строя. Так, у старых киевских реле на напряжение 380 В потребляемая мощность при номинальном напряжении была порядка 5 Вт. Современные реле потребляют около 3 Вт, а некоторые даже менее 2 Вт, что значительно повысило их надёжность.

Другим существенным недостатком всех реле серии ЕЛ с аналоговой обработкой сигнала можно считать некорректность работы реле при включении в аварийном режиме. К сожалению, в сопроводительной документации многих заводов-производителей это никак не отражено. Между тем реле дают ложное включение на установленное время задержки при подаче на него пониженного или повышенного напряжения. Казалось бы, это довольно безобидная ситуация. Но, к примеру, при использовании на кругловязальной машине такого реле авария неизбежна, т. к. даже одной-двух секунд вращения в обратную сторону достаточно для поломки всех игл (от 500 до 2000 шт. в зависимости от типа машины). Поэтому при эксплуатации таких машин действуют по старинке: после подключения машины или ремонта силового кабеля снимают приводной ремень, включают двигатель и смотрят, в какую сторону он вращается. Отметим, что указанного недостатка лишены реле с цифровой обработкой сигнала.

Приведем трагический пример недостатка реле с аналоговой обработкой сигнала. Дерево упало на ЛЭП и оборвало два провода. Провода упали на землю друг на друга, произошло так называемое «слипание» фаз. Автоматика не отключила напряжение и в результате погиб человек. В качестве защитного реле применялось реле ЕЛ-11. Электротехническая лаборатория эксплуатирующей организации, в чьём ведении находилась ЛЭП, провела сравнительные испытания реле ЕЛ-11 разных производителей. Были получены следующие результаты:

• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией различных видов аварий сетевого напряжения, оговоренных в сопроводительной документации, все реле работали точно в соответствии с документацией;
• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией «слипания» фаз (эта ситуация в документации не оговорена), реле, кроме приборов с цифровой обработкой сигнала, в большинстве случаев не отключаются, что и привело к трагическим последствиям;
• при включении реле на напряжение с оборванной фазой, или обратным порядком чередования фаз, или при «слипшихся» фазах, или при заниженном напряжении, все реле, кроме производимых ЗАО «Меандр», включали исполнительное реле на установленное время задержки и только после этого отключали его, обнаружив аварию сетевого напряжения.

Оставляют желать лучшего устаревший дизайн корпуса реле серии ЕЛ, качество литья корпуса, а порой и сам материал корпуса. Поэтому некоторые производители уже освоили производство реле в других корпусах, в том числе импортных.

Области применения реле ЕЛ

Несмотря на то, что все реле серии ЕЛ контролируют полнофазность напряжения, они имеют разные области применения: ЕЛ-11 предназначено для контроля уровня напряжения, ЕЛ-12 – для контроля порядка чередования фаз и асимметрии напряжения (перекоса фаз), ЕЛ-13 – для контроля асимметрии напряжения без контроля чередования. Некоторые сферы применения:

Реле ЕЛ-11 используется для защиты источников питания, генераторов, а также в качестве приборов контроля в системах АВР и пр.

Реле ЕЛ-12 применяется для защиты мощных асинхронных электродвигателей, работающих в нереверсивном режиме.
К сожалению, в документации на это реле у большинства производителей указан порог срабатывания при снижении напряжения одной из фаз при номинальном напряжении двух других, что не позволяет полностью судить о том, как работает реле. Экспериментальным путем было установлено, что фактически оно срабатывает при асимметрии напряжений более 15–18%.

При обрыве одной из фаз некоторые типы двигателей генерируют напряжение (т.н. напряжение рекуперации) на оборванную фазу. Амплитуда напряжения может достигать 95% от напряжения на других фазах (в зависимости от типа двигателя и условий его работы). Реле ЕЛ-12 с цифровой обработкой сигнала имеют регулировку допустимого значения асимметрии в пределах от 5 до 20% линейного напряжения, что позволяет остановить двигатель при обрыве фазы. При этом реле не будет реагировать на симметричное проседание напряжения при пуске двигателя. Ещё одним плюсом таких реле является наличие минимального порога включения. Реле включится, только если напряжение в сети будет не ниже 70% номинального значения. Это особенно актуально для двигателей насосов, компрессоров и пр., где момент на валу не зависит от скорости вращения.

Реле ЕЛ-13 используется для защиты мощных электродвигателей, работающих в реверсивном режиме. Контролируемые параметры практически те же, что у ЕЛ-12, кроме контроля чередования фаз.

Реле выпускаются с разным временем срабатывания – 0,1 с, 0,15 с и 0,5 с, а также с регулировкой задержки от 0,1 до 10 с. Эти реле могут применяться для защиты от падения груза и стрелы на подъёмных кранах при обрыве одной или двух фаз питающей сети. В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов», эти механизмы должны быть оснащены устройствами контроля, обеспечивающими включение режима торможения при аварии питающей сети. Этим требованиям отвечают реле ЕЛ-13 производства киевского «НПО реле и автоматики» и московского ООО «Реле и автоматика», ЕЛ-13М петербургского ЗАО «Завод СТС», ЕЛ-13М-10-01 и ЕЛ-13М-11-01 компании «Меандр». Реле с увеличенным временем срабатывания (0,5 с) применяется на кранах, где возможно кратковременное исчезновение питающего напряжения при переходе токосъёмника с одного троллея на другой для исключения ложных срабатываний. Для исключения человеческого фактора применять для этих целей реле с регулировкой времени срабатывания не рекомендуется.
Выпускается также модификация реле с регулировкой времени срабатывания и регулировкой порога срабатывания по напряжению ЕЛ-13М-5-01. Регулятор времени реакции позволяет установить желаемое значение от 0,1 до 10 секунд, чтобы избежать ложных срабатываний при наличии кратковременных возмущений в сети.

О новых моделях

Несколько слов о моделях реле типа ЕЛ с расширенным набором функций. Все реле производства ЗАО «Меандр» имеют контроль перенапряжения на уровне 1,3 Uном. Реле ЕЛ12М-5-01 и ЕЛ13М-5-01 имеют дополнительно порог включения реле на уровне 0,7 Uном для защиты электродвигателей от пуска при заниженном напряжении, а реле ЕЛ12М-6-01 и ЕЛ13М-6-01 – ещё и задержку повторного включения 6 мин. Эти реле предназначены для защиты электродвигателей компрессоров, холодильников, кондиционеров и пр., где частые повторные включения нежелательны.

В заключение хотелось бы отметить следующее. Эволюция реле серии ЕЛ, а именно:

• применение современных микроконтроллеров с аналого-цифровой обработкой сигналов;
• избавление от врождённых пороков;
• появление дополнительных функций и регулировок,
• ставит эти реле по своим характеристикам и надёжности в один ряд с реле контроля мировых лидеров, таких, как ABB, Siemens, Turk, Crouzet и пр.

Таблица

Сравнительные характеристики реле контроля фаз различных производителей

Тип реле

Произ- води- тель

Контро- лируемое линейное напряже- ние,В (напряже- ние питания)

Реле срабатывает

(выключается) при:

Мини- маль- ное нап- ряже- ние вклю- чения

Время сраба- тыва- ния, с

Заде- ржка пов- тор- ного вклю- чения

Потре- бля- емая мощ- ность, Вт

Спо- соб обра- ботки сигн- ала

Возможно приме- нение взамен:

асим- метрии фазных напря- жений

одно- фазном снижении напряже- ния

симмет- ричном снижении фазных напряже- ний

одно- фазном повыше- нии напряже- ния

обратном чередо- вании фаз

обрыве одной или двух фаз

cлипа- нии фаз

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

ЕЛ11 М – 01

100, 110, 220, 380, 400, 415

циф- ро- вой

ЕЛ 11 М-5- 01

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул 0,8–1,1 Uлн

циф- ро- вой

SSU31, SSU 33L (Turck), EW 2, F3US (Crouzet), С556, SQZ3 (ABB), SUD140 (Bender), PFS (Entrelec), 3UG3511 (Siemens)

100, 220, 380, 400

< 0,7 - 0,81 Uфн

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

циф- ро- вой

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

циф- ро- вой

EWА 2, FWA3 (Crouzet), PLR, PLM, DLM (ABB), 3UG 3512/13 (Siemens), PFN, PFS (Entrelec), SUD140, SAD142 (Bender)

ЕЛ 12 М-6-01

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

циф- ро- вой

100, 220, 380

ана- лог- овый

110, 220, 380

ана- лог- овый

220, 380

ана- лог- овый

220, 380

ана- лог- овый

220, 380

ана- лог- овый

100, 110, 220, 380, 400, 415

циф- ро- вой

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

циф- ро- вой

EWА 2, FWA3 (Crouzet), PLR, PLM, DLM (ABB), SUD140, SAD142 (Bender), PFN, PFS (Entrelec), 3UG 3512/13, 3UG 3063/64 (Siemens)

220, 380

ана- лог- овый

220, 380

ана- лог- овый

• Uн – номинальное напряжение,
• Uфн – фазное номинальное напряжение,
• Uлн – линейное номинальное напряжение

• * н/н – не нормируется,
• ** данные получены экспериментально для реле на 380 В при номинальном напряжении

Производители:

1. «НПО реле и автоматики», г. Киев
2. ЗАО «Завод СТС», г. Санкт Петербург
3. ООО «Реле и автоматика», г. Москва
4. ЗАО «Меандр», г. Санкт-Петербург
5. ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

Реле контроля фаз серии ЕЛ, несмотря на то, что они были разработаны около 30 лет назад, при соответствующей модернизации могут составить конкуренцию реле ведущих мировых производителей – так считает автор предыдущего материала. С ним не совсем согласен Валентин Сушко, сотрудник одного из ведущих российских предприятий в области релестроения.

В свое время при разработке реле серии ЕЛ ставилась задача получить более-менее приемлемые технические характеристики приборов при минимальной стоимости. Поэтому, как наиболее простое техническое решение, в измерительной части реле была использована бестрансформаторная схема с использованием выпрямления фазных напряжений.

Именно это и вызвало техническое несовершенство реле в части определения несимметрии питающего напряжения. В связи с выпрямлением измеряемых синусоидальных величин, измерялась амплитудная несимметрия при однофазном снижении напряжения. При этом фазная несимметрия не учитывалась. Такой метод определения несимметрии питающего напряжения не дает однозначного соотношения с величиной напряжения обратной последовательности, приводящего к перегреву и выходу из строя асинхронных двигателей. Не исключается и повреждение отдельных типов двигателей с учетом их нагрузочных режимов, так как реле не срабатывает по каналу несимметрии питающего напряжения.

Определение амплитудной несимметрии в реле серии ЕЛ породило еще один их недостаток: они не реагируют на аварийные режимы, когда отсутствует амплитудная несимметрия или она незначительна, но имеется существенная фазовая несимметрия, вызывающая появление больших значений напряжения обратной последовательности, приводящих к перегреву двигателей и выходу их строя. Одним из таких режимов является аварийный режим так называемого «слипания» фаз, когда при повреждении питающей сети обрывается одна из фаз и замыкается со стороны двигателя на другую фазу. При этом одно линейное напряжение сети подается на три фазы двигателя, две из которых замкнуты между собой.

Приветствуя попытки отечественных производителей модернизировать реле серии ЕЛ, не могу не отметить следующие моменты.

О несимметрии напряжений

Технические усовершенствования реле ЕЛ-12, ЕЛ-13 с использованием микропроцессорной элементной базы проводились, как это следует из схем реле, с использованием в измерительной части трехфазного выпрямительного моста. Таким образом, обработка информации в реле стала аналого-цифровой с операциями со скалярными величинами, а не с векторами, что не позволяет принципиально улучшить алгоритмы функционирования реле.

К сожалению, отсутствие в материале Е. Васина подробного описания алгоритмов обработки информации после выпрямления напряжений трехфазным выпрямительным мостом не позволяет объективно оценить техническое совершенство этих алгоритмов. Заявленные же технические характеристики реле могут либо приниматься доверительно, либо проверяться экспериментально. Как следует из данных таблицы, цифровая обработка сигналов скалярных величин позволила обеспечить работу реле при «слипании» фаз, хотя эта задача может быть решена и на аналоговых принципах.

Алгоритм определения асимметрии питающего напряжения, при указанных выше принципах аналого-цифровой обработки информации, принципиально улучшить невозможно.

О регулировке разбаланса фаз

Введение плавной регулировки разбаланса фаз в реле серии ЕЛ практически мало что дает, так как выбор уставки будет проводиться «вслепую». Выбор уставки разбаланса фаз по принципу отстройки от длительно существующей в сети несимметрии напряжений также не гарантирует защиту от опасного перегрева двигателя и выхода его из строя с учетом продолжительного нагрузочного режима.
Примененный в усовершенствованных реле алгоритм не позволяет использовать для расчета уставок разбаланса фаз известные псевдотепловые математические модели двигателей, базирующиеся на использовании фазных токов и токов обратной последовательности, как поступает, например, Schneider Electric. Применение указанных математических моделей позволяет рассчитать с использованием постоянных времени нагрева и охлаждения двигателя (приведенных фирмой-производителем или полученных экспериментально) уставку срабатывания реле по напряжению обратной последовательности, опасному с точки зрения перегрева двигателя.

Однако определить величину напряжения обратной последовательности в реле ЕЛ-12М, ЕЛ-13М принципиально невозможно. Для этого требуется реле с другими алгоритмами обработки информации о трех векторах напряжения вместо обработки информации о скалярных величинах. Соответственно будет необходим более производительный процессор и разделительный трехфазный трансформатор. При этом цена реле может вырасти в несколько раз.

Востребованность российским рынком таких более совершенных и одновременно дорогих реле находится под большим вопросом. При современном состоянии российской экономики потребитель, к сожалению, часто отдает предпочтение менее совершенным, но более дешевым техническим устройствам.

Кроме того, состояние нормативно-технической базы в России в ближайшие годы также не будет способствовать применению более совершенных реле защиты, так как, в соответствии с законом РФ «О техническом регулировании», все нормативно-технические документы, кроме технических регламентов, не будут носить обязательного характера, включая национальные стандарты и ПУЭ.
Необходимо отметить, что реле контроля фаз не могут полностью обеспечить защиту присоединений 0,4 кВ, включая двигатели, от аварийных и ненормальных режимов и они должны дополняться токовыми защитами присоединений.
Даже применяемые зарубежными производителями технические решения не обеспечивают в большинстве случаев защиту двигателей от несимметричных режимов в сети 0,4 кВ. Западные фирмы (Schneider Electric, Moeller и другие) выпускают специальные автоматические выключатели для защиты двигателей с термоэлектромагнитными или электронными расцепителями. Но эти выключатели в лучшем случае реагируют на «чистый» обрыв фазы в сети 0,4 кВ, но не реагируют на обрыв фазы со стороны высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда–треугольник» и «треугольник–звезда», а также в других случаях несимметричных режимов.

В России автоматические выключатели для защиты двигателей не выпускаются вообще, а от перегрузки двигатели защищаются электротепловыми токовыми реле. В связи с известными недостатками последних, с 80-х годов прошлого столетия различными производителями выпускаются микроэлектронные реле защиты двигателей, в том числе от несимметричных режимов. Они применяются в дополнение или вместо электротепловых токовых реле.

Применить для защиты двигателя 0,4 кВ технически совершенные микропроцессорные защиты высоковольтных двигателей не представляется возможным из-за высокой цены последних (от 50 до 150 тыс. рублей за комплект). Таким образом, назрела необходимость разработки оптимальной системы построения в России защиты присоединений 0,4 кВ.

1. Модернизация реле контроля фаз серии ЕЛ с использованием микропроцессорной элементной базы и аналого-цифровой обработкой информации о скалярных величинах не позволяет принципиально улучшить защиту от асимметрии питающего напряжения. Уставки защиты невозможно согласовать с тепловой характеристикой асинхронного двигателя при перегреве его токами обратной последовательности, вызванными напряжением обратной последовательности вследствие асимметрии питающего трехфазного напряжения.

2. Техническое совершенствование защиты от асимметрии питающего напряжения возможно только на пути применения фильтрового аналогового или цифрового реле напряжения обратной последовательности или введения соответствующей функции защиты в мониторе напряжения, как это реализуется во всех мониторах напряжения в сетях 6–35 кВ. Однако стоимость таких реле контроля фаз низковольтного напряжения значительно возрастет по сравнению с существующими реле серии ЕЛ, что ставит под сомнение их востребованность на российском рынке в ближайшее время.

3. Проведенная модернизация реле контроля фаз серии ЕЛ с применением аналого-цифровой обработки информации представляется полезной с точки зрения введения дополнительных функций: защиты от повышения напряжения, от «слипания» фаз, введения минимального напряжения включения.

Внимание!

Наше предприятие реализует аналоги реле контроля фаз серии ЕЛ с улучшенными характеристиками.

В статьях ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИР» г. Чебоксары В. Сушко «Полноценная защита стоит дорого. Готов ли платить потребитель?» («Новости Электротехники» №5(29) 2004) и «Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы» («Новости Электротехники» №6(30) 2004) автор ставит под сомнение во-первых, саму целесообразность использования микропроцессорной техники на стороне низкого напряжения, а, во-вторых, возможность этой техники в определении действующего значения напряжения и тока. Он считает, что методами аналоговой техники, такая задача решается и проще и дешевле.

С ним не согласны специалисты компании «Новатек-Электро», которые считают, что такую задачу методами аналоговой техники решить практически невозможно и раскрывают алгоритмы обработки информации своих устройств.

Принцип измернения действующего значения.

По определению, квадрат действующего значения сигнала X2 равен среднему значению квадрата сигнала

X2= , (1)

где < > означает усреднение.

Для периодического сигнала x(t+T)=x(t) среднее значение квадрата определяется интегрированием за период сигнала T.

(2)

Задача реле напряжения: определить действующее значение напряжения и в зависимости от его величины принять определеное решение. Определение действующего значения и принятие решений можно производить или аналоговыми или цифровыми методами.

Аналоговые методы

а) получить из входного сигнала с помощью различных аналоговых модулей требуемый выходной сигнал.

б) по величине выходного сигнала принять решение

Цифровые методы

а) ввести массив величин значений сигнала (отсчетов).

б) провести математическую обработку отсчетов.

в) сформировать числовую величину и принять по ней решение.

Методами аналоговой схемотехники можно легко производить интегрирование аналоговых сигналов. Имея входной сигнал y(t) можно сравнительно просто на операционном усилителе реализовать интегратор, выполняющий преобразование сигнала по закону

Такой интегратор можно запускать и сбрасывать в нужные моменты времени. Однако методами аналоговой схемотехники практически невозможно осуществить:

а) операцию возведения сигнала в квадрат, т.е реализовать такой узел, в котором бы осуществлялось преобразование

x(t) > y(t) = x2(t)

б) операцию извлечения квадратного корня

x(t) > y(t) =vx(t)

Реализация таких операций требует применения сложных и дорогих узлов, выполненых на специализированных аналоговых микросхемах. Такие аналоговые преобразователи сигналов выполняются на нелинейных элементах, отличаются низкой температурной стабильностью, уходом параметров и нуждаются в периодической подстройке характеристик.

Можно утверждать, что ни в одном из аналоговых реле по настоящему не определяется действующее значение напряжения. Как правило, сигнал выпрямляется и усредняется

=∫|x(t)|dt (4)

и полученная таким образом величина используется вместо действующего значения для принятия решений в аналоговых реле.

С помощью современных микроконтроллеров, имеющих встроенные АЦП (аналогово-цифровые преобразователи) можно определять действующее значение сигнала с высокой точностью.

Определение действующего значения напряжения.

Для дискретных сигналов или при дискретном вводе непрерывного сигнала вместо x(t) известны значения x i
сигнал заменяется отсчетами x(t) > xi ,

Интеграл заменяется суммой (5)

Входное сетевое напряжение через резистивный делитель подается на аналоговый вход микроконтроллера. Микроконтроллер вводит с частотой 10 кНz мгновенные отсчеты напряжения Ui.

По мгновенным отсчетам производится:

слежение за периодом сигнала (напряжения),

определение действующего значения.

Для определения действующего значения сигнала производится накопление за период суммы квадратов мгновенных отсчетов SUi2. Величины отсчетов возводятся в квадрат и суммируются. Накопленная за период сумма нормируется на количество взятых отсчетов SUi2/ n, из полученной величины извлекается квадратный корень

Вычисленная величина U линейно пропорциональна действующему значению сетевого напряжения. Коэффициент пропорциональности определяется

а) делителем входного напряжения

б) разрядностью внутреннего АЦП.

в) опорным напряжением АЦП.

Для каждого прибора автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения напряжения в вольтах.

Таким образом только применение микроконтроллеров позволяет создавать массовые, дешевые устройства, с высокой точностью измеряющие действующие значения напряжений.

Особенностью измерения действующего значения напряжений сети является

а) большая величина входного сигнала. Сигнал ослабляется входным делителем, в нем отсутствуют шумы электроники.

б) малый диапазон изменения сигнала. Для принятия решений по сети ~220 V достаточно измерять с высокой точностью напряжение в диапазоне 150-300 Вольт, т.е диапазон изменений входного сигнала всего 2 раза.

Для напряжения метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов позволяет с высокой точностью производить измерение действующего значения.

Определение действующего значения тока.

Особенностью измерения действующего значения токов является:

а) малая величина входного сигнала.

Сигнал снимается с различных датчиков (Холла, трансформаторов тока, шунтов), как правило удаленных от прибора и требует предварительного усиления. В сигнале присутствуют шумы электроники и постоянные смещения;

б) большой диапазон изменения сигнала. Измеряемые величины тока зависят от включеной нагрузки и могут различаться в 100 – 1000 раз.

Для таких сигналов метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов не обеспечивает требуемую точность. Для задач измерения действующего значения токов применяется метод определения действующего значения по измерению отдельных гармоник сигнала тока. Принципом измерения является свертка входной последовательности отсчетов тока с соответствующей опорной гармоникой, построенной по периоду сетевого напряжения, т.е. строится функция синуса, период которой совпадает с периодом входного напряжения. Это связано с тем, что ток может или вообще отсутствовать или не иметь четко выраженной периодики, а сетевое напряжение всегда имеет четко выраженную периодичность.

Отсчеты входного сигнала x i сворачивается с синусом первой гармоники sin(t i) (7)

Аналогично сигнал сворачивается с косинусом первой гармоники (8)

Смысл различия синуса и косинуса заключается в том, что это две взаимо ортогональные функции (9)

Соотношение величин S1 и С1 определяется сдвигом фаз между измеряемым током и напряжением, что позволяет измерять сдвиги фаз между токами и напряжениями, а также и сдвиги фаз между токами (в трехфазной нагрузке).

Величина (10) линейно пропорциональна действующему значению первой гармоники тока.

Аналогично проводится свертки с кратными опорными гармониками и определяются действующие значения 3-й, 5-й, 7-й гармоник входного сигнала.

Величина (11) линейно пропорциональна действующему значению тока.

В прибор автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения тока в амперах.Количество гармоник включаемых в анализ зависит от возможностей микроконтроллера по скорости ввода информации и проведению вычислений. Для дешевых приборов достаточно ограничиться 7-й гармоникой, так как опыт показывает, что в реальных токовых сигналах суммарная мощность гармоник выше 7 не превышает долей процента и их исключение не влияет на точность определения действующего значения и принятия решений.

Применение универсальных микроконтроллеров с аналоговыми входами позволяет создавать дешевые и надежные устройства контроля, с высокой точностью измеряющие действующие значения входных величин.

Реле напряжения и тока на микроконтроллерах отличаются высокой стабильностью, долгим сроком службы и не требуют подстройки параметров в течение всего срока эксплуатации.

Schneider Electric нашей электрике не указчик.

Во второй из вышеуказанных статей В. Сушко прозвучала не только критика в адрес отечественных микропроцессорных устройств, но и утверждения о том, что западные производители, особенно Schneider Electric, пошли в плане надежности и точности измерений значительно дальше. Действительность же показывает совершенно обратную картину и позволяет нам утверждать, что у указанного производителя в измерительной цепи используются аналоговые (пороговые) элементы, не способные в принципе произвести надежные измерения, особенно в проблемных сетях.

Испытательным Центром Железнодорожной Автоматики и Телемеханики (ИЦ ЖАТ ПГУПС) при Петербургском Государственном Университете Путей Сообщения производился выбор поставщика реле напряжения на современной элементной базе для замены дискретных устройств сертифицированных еще в 60-х годах прошлого века. Их выбор остановился на трех производителях реле: Меандр, Schneider Electric, Новатек-Электро. Испытания проводились по ГОСТ Р 50656-2001, предусматривающем более жесткие параметры испытаний, чем испытания для устройств общепромышленного назначения. Согласно этому ГОСТу указанные устройства относятся к техническим средствам, непосредственно не влияющим на безопасность движения поездов и предполагаемое место их эксплуатации характеризуется жесткой электромагнитной обстановкой третьего класса ТС ЖАТ и должно функционировать с критерием качества В при воздействии помех со степенями жесткости, предусмотренными для данного класса.

Для ТС ЖАТ третьего класса предусмотрены следующие максимальные параметры испытательных воздействий:

Электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Амплитуда напряжения импульса контактного разряда + 6 кВ

Амплитуда напряжения импульса воздушного разряда + 8 кВ

Наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4-99

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях питания и заземления + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях ввода/вывода + 1 кВ

Микросекундные импульсные помехи большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5-99

Амплитуда напряжения импульса «провод – земля» + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса «провод – провод» + 1 кВ

Амплитуда напряжения импульса на порты ввода-вывода + 1 кВ

Динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11-99

Испытательное напряжение и длительность воздействия при:

провале напряжения питания 0,7 Uном в течение 1 с;

прерывание напряжения питания с критерием В 0 Uном в течение 1,3 с;

выбросе напряжения питания 1,2 Uном в течение 1 с.

Магнитное поле промышленной частоты по ГОСТ Р 50648-94

Длительное магнитное поле 30 А/м

Кратковременное магнитное поле 300 А/м

Радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3-99

Напряженность поля в полосе частот 80 - 1000 МГц 10 В/м

Напряженность поля в полосе частот 800 - 960 МГц и 1,4 - 2 ГГц 30 В/м

Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными

полями по ГОСТ Р 51317.4.6-99

Испытательное напряжение в полосе частот 0,15 - 80 МГц 10 В

Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц по ГОСТ Р 51317.4.16-2000

Длительное напряжение помехи на частоте 50 Гц 30 В

Кратковременное напряжение помехи на частоте 50 Гц 100 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 Гц 100-10 1) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 150-1500 Гц 10 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 1,5-15 кГц 10-100 2) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 кГц 100 В

Примечания:

Испытания дали следующие результаты:

Реле напряжения производства Меандр сгорели (в прямом смысле) после первого же испытания,
- реле производства Schneider Electric не дали ни одного надежного срабатывания ни по одному параметру,
- реле Новатек-Электро прошли все испытания.

В результате заказчик остановился именно на них и сейчас эти реле сертифицированы в составе комплетного устройства автоматики для железной дороги.

В этой публикации мы рассмотрим, как обезопаситься от перепадов и скачков напряжения в трехфазных электрических сетях 380В .

О том, как влияют перепады напряжения на электропроводку и подключенные к ней приборы я уже подробно рассматривал. Напомню вкратце.

Повышение напряжения выше допустимого приводит к выходу из строя бытовой техники – она просто сгорает.

Снижение напряжения ниже допустимого уровня опасно для бытовой техники с электродвигателями, поскольку увеличиваются пусковые токи, что может привести к повреждению их обмоток.

Поэтому, с целью защиты электропроводки и подключаемых к ней электроприборов, применяют реле контроля напряжения, которые также еще называют реле перенапряжения, «барьерами» или реле максимального и минимального напряжения.

Эти реле осуществляют контроль действующего значения напряжения в электрической сети и, в случае выхода его за установленный диапазон, отключают внешнюю питающую электрическую сеть от внутренней сети, защищаю саму внутреннюю электропроводку и подключенные к ней электрические приборы.

В этой статье мы рассмотрим две различные схемы и два различных варианта использования реле напряжения в трехфазных электрических сетях 380В на примере реле напряжения DigiTOP.

Цель этой статьи – показать схематичное решение по защите от перепадов напряжения в трехфазных электрических сетях. Можно применять реле других производителей, принцип остается такой же.

Подробно описание принципа работы самого реле напряжения и схемы я рассматривал в статье по . Подробную инструкцию на само реле вы можете скачать в интернете, здесь напомню вкратце, что реле имеет две уставки:

— первая при превышении напряжением максимального значения, по умолчнию 250В;
— вторая уставка при снижении напряжения ниже 170В (по умолчнию).

Эти параметры выставляются на передней панели самого реле с помощью кнопок.

При выходе напряжения за этот диапазон, реле размыкает свой силовой контакт и отключает внешнюю электрическую сеть от внутренней.

Также можно задать время задержки на повторное подключение. После того, как реле отключилось, схематехника реле отслеживает значение напряжения, и когда оно снова возвращается в рабочий диапазон, спустя задержку времени реле снова замыкает свой силовой контакт и подключает внешнюю электрическую сеть к внутренней.

В тех квартирах и домах, где электропроводка трехфазная, все равно в основном используются однофазные потребители – обычные бытовые приборы и техника.

Потребители по фазам, чтобы по возможности была равномерная нагрузка по каждой из фаз.

Давайте рассмотрим все это на конкретном примере.

Трехфазное напряжение подводится через вводной автоматический выключатель, трехфазный счетчик электрической энергии к электропроводке квартиры.

Потребители сгруппированы по каждой из трех фаз следующим образом:

— в первую фазу LA подключена электроплита;
— во вторую фазу LB подключены кондиционер, стиральная машина и розетки одной из комнат;
— в третью фазу LC подключены розетки кухни, розетки другой комнаты и освещение.

Для того, чтобы при выходе напряжения за свои допустимые значения при срабатывании контроля напряжения не обесточивалась сразу вся квартира, вместо одного общего устанавливают три отдельных реле напряжения в каждую фазу.

Если в одной из фаз напряжение выйдет за свой рабочий диапазон, сработает соответствующее реле и отключит внутреннюю проводку только в этой фазе. В оставшихся фазах, если величина напряжения находится в заданном диапазоне, потребители останутся подключенными и работоспособными.

Подробно пошаговую работу этой схемы смотрите в видео внизу этой статьи.

В случае подключения трехфазных потребителей применяется несколько другая схемотехника.

Для этого применяют специальное трехфазное реле напряжения, которое позволяет контролировать напряжение в каждой отдельной фазе, последовательность чередования фаз и контроль перекоса фаз.

Схема подключения в этом случае будет выглядеть следующим образом.

К реле напряжения подключаются все три фазы и , чтобы контроллер реле контролировал напряжение отдельно по каждой из фаз, правильность чередования фаз и контроль перекоса фаз.

Через силовые контакты реле контроля напряжения подключен контактор К1. Один конец обмотки контактора подключен к нулевому проводу, второй через силовые контакты реле подключен к одной из фаз. На нашей схеме к фазе LA.

Силовые нормально-разомкнутые контакты К1.1, К1.2, К1.3 контактора подключают внешнюю трехфазную электрическую сеть к трехфазной нагрузке. Это могут быть электродвигатели, мощные калориферы, проточные водонагреватели и др.

Реле напряжения контролирует уровень действующих напряжений во всех трех фазах и, если они находятся в допуске, то через силовой контакт реле подается питание на К1. Контакты контактора находятся в замкнутом состоянии и трехфазное напряжение внешней сети подается к нагрузке.

Если в одной из фаз напряжение выходит за установленный диапазон, реле напряжения размыкает свой силовой контакт, снимая питание с обмотки контактора К1. Контакты контактора размыкаются, отключая нагрузку от внешней трехфазной сети.

Когда напряжение вернется в свой рабочий диапазон, реле напряжения, спустя выдержку времени, вновь замкнет свой силовой контакт, подавая питание на обмотку контактора.

Контакты контактора замкнутся и нагрузка снова подключится к питающей сети.

Таким вот образом работает эта схема. В быту эта схема применяется редко, это больше промышленный вариант, чаще всего применяется первая схема.

Более подробно пошагово смотрите работу этих схем в видео:

Реле контроля напряжения. Защита от скачков напряжения в трехфазных сетях

Рекомендую материалы

Реле контроля фаз (напряжения) сделано с использованием современной электроники, что обеспечивает простоту конструкции, легкость настройки параметров. Такое реле работает в режиме самовозврата — после аварийного срабатывания оно блокируется, но продолжает контролировать напряжение сети, и если оно соответствует нормальному значению, снова включает нагрузку. Современное оборудование предъявляет высокие требования к качеству питающей электросети. Проблема защиты различного электрооборудования существует практически везде, особенно, при работе от трёхфазного напряжения.

Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную роль играет перекос фаз — когда напряжения на фазах имеют разную величину. Большой перекос фаз приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя.

Один из наиболее частых случаев, — это обрыв одной фазы . В этом случае асинхронный двигатель может сгореть. После ремонта электрооборудования может иметь место неправильный порядок подключения фаз, и двигатель может вращаться в обратном направлении, что может иметь опасные последствия.

Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда, в результате аварии в цепи питания, может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220В относительно «земли», но при этом две из них замкнуты между собой — возникает слипание фаз . Работа электрооборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.

В электросетях жилых домов, предприятий в сети 220В может сильно понизиться напряжение до 50-180В или сильно повыситься до 260-380 В. При пониженном напряжении может выйти из строя электрооборудование, имеющее электрический привод – холодильники, кондиционеры, стиральные машины, вентиляторы. При повышенном напряжении может выйти из строя любое электрооборудование.

Для защиты трёхфазного двигателя работающего в нереверсивном режиме контроль чередования фаз необходим, также необходим контроль обрыва фаз. Для защиты двигателя работающего в реверсивном режиме контроль чередования фаз не нужен.

Реле РНПП-311М.

Для контроля входного трёхфазного напряжения лучше использовать устройства, позволяющие не только обнаружить обрыв фазы и неправильный порядок их чередования, но и позволяющие задавать границы напряжения с определенной точностью. Одним из таких устройств является реле РНПП-311м.

РНПП-311М — многофункциональное микропроцессорное реле напряжения, перекоса и последовательности фаз.
Является модификацией хорошо зарекомендовавшего себя реле РНПП-311. Позволяет контролировать уровень напряжения в сети, правильность чередования фаз, отсутствие слипания фаз, симметричность сетевого напряжения. После отключения нагрузки устройство продолжает контролировать сетевое напряжение и подключает нагрузку после восстановления параметров сети. Реле показывает наличие напряжения на каждой фазе и не только указывает на наличие аварийной ситуации но и причину аварии.

С помощью переключателей DIP — переключателей можно задавать параметры, которые должно контролировать реле.
В зависимости от положения переключателей реле РНПП-311М может выполнять следующие основные функции:

1. Полный контроль напряжения сети.
2. Контроль минимального и максимального напряжения сети.
3. Контроля минимального напряжения.
4. Контроля максимального напряжения.
5. Контроль наличия фаз.
6. Контроль неправильного чередования и наличия слипания фаз.
7. Контроль перекоса фаз.

В одном РНПП-311М совмещены несколько типов реле, имеется возможность его более широкого применения, а значит и экономить деньги.

В нем предусмотрена возможность работы по уровню 400 В, что позволяет использовать его для защиты импортного оборудования, работающего на номинальном напряжении 230/400 В. Также возможно подключение оперативного питания 24 В как постоянного так и переменного напряжения.

Существует много различных аппаратов, которые в ходе их эксплуатации приходится нередко переносить с одного места на другое, каждый раз подключая их к трехфазной сети. Нередки случаи, когда неопытный работник в ходе подключения оборудования нарушает порядок чередования фаз, что может привести к выходу техники из строя. Чтобы не допустить этого, необходимо обеспечить контроль фаз, установив специальное устройство защиты. В этом материале мы расскажем о том, что представляет собой реле контроля фаз, какова схема его подключения и рассмотрим принцип работы этого прибора.

Назначение и принцип работы реле контроля фаз

Реле для контроля напряжения фаз следует включать в схемы приборов, которые приходится часто переподключать к питающей трехфазной сети. К примеру, винтовой компрессор, не являющийся стационарным аппаратом, постоянно перемещают с одного места на другое, каждый раз подсоединяя его к линии заново. Если неправильно выполнить действия по его подключению, спутав при этом фазы, пяти секунд после запуска оборудования будет достаточно для того, чтобы произошла серьезная поломка.

Ремонт аппаратуры сопряжен с немалыми затратами, поэтому в таких устройствах контроль напряжения фаз просто необходим.

Есть и другие приборы, которые при неправильном соединении проводов не сгорают, а просто не включаются. В этом случае работники обычно приходят к выводу, что аппарат сломан, начинают его проверять – а прозвонка показывает, что все в порядке. И хорошо, если понимание того, что при подключении были просто перепутаны фазные жилы, придет быстро, иначе рабочее время будет потрачено впустую.

Что такое реле напряжения и как оно настраивается – на следующем видео:

Теперь поговорим о том, как работает реле контроля. Основная задача прибора заключается в защите электрических аппаратов от повреждения в результате воздействия некачественного напряжения. Это очень важно для дорогостоящего оборудования, поэтому электроприборы импортного производства устанавливаются только вместе с контрольным реле. Оно обеспечивает защиту аппаратуры при обрыве фаз, неправильном подсоединении, а также асимметричном напряжении.

При соответствии фаз параметрам контрольного прибора релейные контакты включаются, пропуская через контактор в цепь трехфазное напряжение. Если ток хотя бы на одной фазной жиле отсутствует, напряжение в линию пропущено не будет

После восстановления питания на фазном проводе по истечении нескольких секунд произойдет автоматическое включение нагрузки. Итак, как можно убедиться, реле осуществляет автоматический контроль, отключая подачу напряжения в случае аварии и включая нагрузку после нормализации параметров электрической цепи.

Порядок подключение реле

Очень важно, чтобы контрольное устройство было включено в схему любого передвижного агрегата, в составе которого имеется трехфазный электрический мотор. Если такого реле в составе оборудования не имеется, неправильное чередование фаз может привести к серьезным последствиям – от нарушения работы аппарата до выхода его из строя.

Наглядно про подключение на видео:

Если оборвется хотя бы один фазный кабель, произойдет быстрый перегрев силового агрегата, и устройство за считанные секунды придет в негодность. Чтобы не допустить этого, на контактор вместо контрольного реле зачастую устанавливают тепловое. Но проблема заключается в том, чтобы правильно его подобрать и отрегулировать по номинальному току. Для этого требуется специальный стенд, которым располагают далеко не все. Поэтому установка прибора фазного контроля – более простой способ решения проблемы.

Принцип работы РК основан на том, что устройство улавливает гармоники обратной последовательности, возникающие в случае перекоса фаз или при обрыве токоведущих проводов. Аналоговые фильтры контрольного прибора выделяют их и подают сигнал на управляющую плату, включающую после его получения релейные контакты.

Схема подключения реле контроля фаз сложностью не отличается. Все три фазных проводника и нулевой кабель нужно подсоединить к соответствующим клеммам прибора, а его контакты пустить в разрыв соленоида магнитного пускателя. Если устройство работает в нормальном режиме, то контактор включен, релейные контакты замкнуты, и производится подача напряжения на аппаратуру.

В случае обнаружения неполадок происходит размыкание контактов контрольного прибора, и электропитание отключается до того момента, когда будут восстановлены сетевые параметры.

Чаще всего для защиты бытовой техники используются реле заводского изготовления, которые имеются в продаже. Но иногда их изготавливают и своими руками. Приведем схему простого самодельного устройства, на которой имеются графические обозначения элементов, включенных в цепь.

Заключение

В этой статье мы рассказали о том, что такое реле контроля фаз, для чего оно нужно и по какому принципу работает. В промышленных условиях оно защищает компрессоры, электродвигатели и другие агрегаты. В быту их наиболее часто используют для защиты стиральных машин и холодильников.