Alegere. Studiu de caz [610217]

Capitolul 3. Protecția de minimă tensiune a unui motor sincron.
Alegere. Studiu de caz

3.1.Sistemul de acționare electrică a morii de bauxită

Intalația de măcinare are rolul tehnologic de a măcina bauxita. Bauxita de pe
benzi alimentează direct buncă rele morilor. Bauxita din buncare este extrasă cu benzi
alimentatoare si transportata printr -un sistem de benzi automat în alimentarea morilor.
Morile sunt compuse două compart imente de lungime egală de 7 metri. În
primul compartiment sunt introduse bile d e diametre 100 milimetri, 110 milimetri, 120
milimetri (60 tone – în cantitați egale). În compartimentul al doilea sunt introduse
cipepsuri (60 tone).
Diametrul interior este de 3000 mm, iar lungimea tamburului este de 14000
milimetri. Având o încarcătura cu bile de 120 de tone la care se adaugă greutatea
bauxitei și a compușilor chimici adăugați.
Sistemul de acționare al morii cu bile se constituite dintr -un motor trifazat
sincron cu rotor bobinat având o putere nominală de 1600 kW și o turatie nominală d e
1000 rotații pe minut. Acesta este cuplat prin intermediul unui cuplaj fix la reductorul
de turație care rotește moara la o turație de 17 rotații pe minut.
Caracteristicile mecanice de funcționare a motoarului trifazat sincron și
dezvolatarea unui cuplu mare la pornire îl face ideal pentru sistemul de acționare a morii
cu bile de bauxită. Pornirea motorului cu rotor bobinat se realizează prin inserierea unui
reostat de pornire în circuitul rotoric și suplimentar se folosește un motor auxiliar care
micșore ază curenții de pornire ai motorului sincron.
Pornirea motorului se face cu contactorul de triunghi închis și reostatul în
poziție de rezistență maximă cu electrozi ridicați. Odată cu pornirea motorului
mecanismul de coborâre a electrozilor va coborî elect rozi în electrolit până la poziția
de rezistență minimă , cu o temporizare a cursei de 30 de secunde.
Temporizarea coborârii a fost calculată conform timpului de accelerare al
motorului, conform caracteristicii mecanice a acestuia. În momentul în care elec trozi
sunt coborâți, se închide automat contactorul de stea al motorului, scurtcircuitând circuitul rotoric al motorului. Motorul auxiliar este decuplat automat de un contact auxiliar din circuitul de comandă al motorului principal atunci când acesta ajung e la
turația de sincronism.

Motorul este alimentat din rețeaua internă pe stator la o tensiune nominală de
6,3 kV prin intermediul unei celule dotată cu urmatoarele echipamente:
a) Întrerupător Merlin Gerin, gama Evolis, producător Schneider:

– Ur = 7.2 kV
– Ir = 630 A
– Isc = 31,5 kA tK = 3s
– Fr = 50/60 Hz

b) Compartiment protecții :
– Releu maximal de curent RC -2A, 300A
– Releu maximal de curent RC -2A, 10A
– Releu minimal de tensiune, tip RI2 -2 Un = 160 Vac
– Releu de timp, tip EV – 133, Un = 220 Vcc
– Releu de semnalizare, tip RdS -2 , Un = 220 Vcc
– Dispozitiv de deconectare DD -1, 5A 500V
– Rezistență , 4000 Ω, 9W
– Lampă incandescentă , 25W

În sistemul de protecție al motorului de acționare a morii se vor ține cont și de
parametrii externi ai motoarelor adiacente motorului principal:
a) Motorul auxiliar de pornire a morii.
b) Pompele de ulei, lagărele A și B
c) Pompă de ulei reductor de turație
d) Pompă de circulație electrolit
e) Poziția coborâre -ridicare reostat de pornire
Protecțiile electrice ale motorului sunt :
1. Protecția la suprasarcină
2. Protecția la scurtcircuit
3. Protecția homopolară
4. Protecția minimală de tensiune
5. Protecția maximală de tensiune
6. Protecții externe de temperaturi ( motor principal bobinaj ) cât și de
presiuni ( ulei lagăre și ulei reductor de turație ) , etc.

3.2. Alegerea și dimensionarea protecției de minimă tensiune analogică

3.2.1. Protecția minimală de tensiune

Protecția minimală de tensiune este asigurată de un releu de tip RI -2, alimentat
din un circuitul secundar al transformatorului de tensiune, si mbolizate în figura 3.1 a,
b și c. Releul va acționa prin închiderea contactelor atunci când tensiunea atinge
valoarea U pp (tensiunea de pornire a protecției) adică pentru :

𝑈𝑈𝑝𝑝≤𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝

Tensiunea de pornire a releului U pr îi corespunde tensiunea de porni re a
protecției U pp :
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑛𝑛𝑇𝑇𝑇𝑇

Fig. 3.1. Protecția minimală de tensiune (a, b, c) și caracteristica de acționare a
releului minimal cu contact normal închis (d)
Protecția va fi dezactivată (releul de tensiune revine la poziția cu
contacții nomal- deschiși) atunci când tensiunea ajunge la valoarea U
rev.p – tensiunea de
revenire a protecției adică pentru:
𝑈𝑈𝑝𝑝≥𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝

Caracteristica de acționare a unui releu de minimă tensiune cu contact normal
închis este prezentată în figura 3.1.d, unde y este starea contactului de ieșire.
Coeficientul de revenire K rev al releelor maximale de tensiune se definește:
𝐾𝐾𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝>1

Releele de minimă tensiune se realizează într -un mod asemănător cu releele
maximale de curent: în aceste condiții pentru releele electromagnetice se obține Krev =
1,15 iar pentru cele eletronice, K rev = 1,01.

Fig. 3.2. Domeniul valorilor tensiunii în reg im normal și de scurtcircuit

În figura 3.7 sunt prezentate domeniile corespunzătoare regimului normal, în
care:
𝑈𝑈∈ �𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒,𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒�
și regimului de scurtcircuit, pentru care:
𝑈𝑈<𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒.
Tensiunea de pornire U pp și cea de rev enire, U rev.p trebuie să îndeplinească
condițiile:
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝<𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒.
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝<𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒.
Dacă în relațiile anterioare considerăm :
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒
𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠
Unde K sig >1, din relații rezultă relația de calcul a tensiunii de porn ire :

𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒.
𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝐾𝐾𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟=0,95 𝑥𝑥 𝑈𝑈𝑚𝑚
𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝐾𝐾𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟=0,95 𝑥𝑥 6300
1.03𝑥𝑥1.15=5985
1.18≅5072 [𝑉𝑉]≅80% 𝑈𝑈𝑛𝑛

Protecția de minimă tensiune nu se utilizează ca protecție de sine stătătoare ci
în combinație cu protecția maximală de curent pentru creșterea stabilității acesteia.
3.2.2. Protecția maximală de tensiune

Protecția maximală de tensiune permite detectarea unor defecte nesimetrice,
ca în figura 3.8.a în care este prezentată o protecție maximală de tensiune de secvență homopolară (utilizată împotriva punerilor monofazate la pământ) în care releul maximal de tensiune este conectat în secundar în triunghi deschis al transformatoarelor de tensiune.

De asemenea, protecția maximală de tensiune se utilizează împotriva creșterii
tensiunii unor EP: în acest caz, schemele sunt similare cu cele din figura 3.6. a, b, c, cu
observația că releele minimale (U <) sunt înlocuite cu cele maximale (U >).
Și în cazul acestei protecții se pot defini:
Tensiunea de pornire a protecției , 𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝 este valoarea la care, în sensul creșterii
tensiunii protecția acționează:
𝑈𝑈𝑝𝑝>𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝
Tensiunea de pornire a releului ,
𝑈𝑈𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑛𝑛𝑇𝑇𝑇𝑇

Tensiunea de revenire a protecției , 𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝 , este valoarea la care, în sensul
scăderii tensiunii, protecția își revine:
𝑈𝑈𝑝𝑝≤𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝

Fig. 3.8. Protecții maximle de tensiune de secvență inversă (a), homopolară
(b) și caracteristica releului maximal de tensiune cu contact normal deschis (c)

Tensiunea de revenire a releului,
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝
𝑛𝑛𝑇𝑇𝑇𝑇
Coeficientul de revenire:
𝐾𝐾𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟 .𝑝𝑝
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑝𝑝
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝<1
Caracteristica de acționare a unui releu maximal de tensiune cu contact normal
deschis este prezentată în figura 3.8.c.
Releele maximale de tensiune se pot realiza pe aceleași princip ii ca și cele
maximale de curent. Pentru releele maximale de tensiune electromagnetice, Krev = 0,85
iar pentru cele eletronice, K rev = 0,99.

Fig. 3.9. Domeniile tensiunii de secvență inversă sau de secvență homopolară
în regim normal și de scurtcircuit nesimetric

Pentru stabilirea valorii tensiunii de pornire 𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝 a protecțiilor maximale de
tensiune de secvență inversă sau homopolară, conform figurii 3.9, trebuie adoptate
condițiile:
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝>𝑈𝑈𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 sau 𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝>𝑈𝑈𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
care conduc la relațiile:
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑈𝑈𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 sau 𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝑈𝑈𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
unde K sig >1.
Pentru protecțiile maximale împotriva creșterii tensiunii peste valoarea
nominală conform figurii 3.9.:
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝>𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒 , care conduce la relația:
𝑈𝑈𝑝𝑝𝑝𝑝=𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒 .𝑟𝑟𝑒𝑒𝑝𝑝𝑒𝑒.
𝐾𝐾𝑠𝑠𝑚𝑚𝑠𝑠𝐾𝐾𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟
unde K sig >1.

Fig. 3.10 Schema de protecție de minimă tensiune în două trepte de timp și
tensiune

Treapta 1 – este realizată cu relee de minimă tensiune 1, releul de timp 2, releul
de semnalizare 3 și releul intermediar 4.
Treapta 2 – este realizată cu releele de medie tensiune 5, releul de timp 6, releul
de semnalizare 7 și releul intermediar 8.
Motoarele M 1, M 2 sunt deconectate în treapta 1 de releul intermediar 4 iar
motoarele M 3, M 4 sunt deconectate în treapta 2 de releul intermediar 8.
Reglajul releelor de minimă tensiune 1 și 5 se face după aptitudinea termică
globală așa cum se arată în figura 3.5.

Protecție de

tensiune –
treapta 1
tensiune –
treapta 2
Protecție de

curbă

aptitudine globală

Fig.3.5 Exemplu de alegere a reglajului protecției de minimă tensiune în trepte de
tensiune și timp

Constantin Mădălin Cap.3. Protecția de minimă tensiune a unui
motor sincron. Alegere. Studiu de caz
9
Introducerea pe scară largă a microprocesoarelor în domeniul protecțiilor prin relee,
permite realizarea unor protecții de minimă tensiune, alături de celelalte tipuri de protecții specifice
motoarelor electrice, care să urmărească cu fidel itate curbele de aptitudine individuale ale
motoarelor electrice, ceea ce va contribui în mare măsură la creșterea siguranței în funcționarea proceselor tehnologice, care utilizează ca acționări motoare electrice sincrone și asincrone.

3.3. Alegerea și dimensionarea protecției de minimă tensiune digitală
Realizarea unui circuit electronic care să măsoare tensiunea aplicată unui motor prin
intermediul unei plăci Arduino