УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ПЕРЕГРЕВА И УВЛАЖНЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 H02K3/44 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты от перегрева и увлажнения электродвигателей, работающих со значительными перерывами между включениями в местах с изменяющимися параметрами окружающей среды, в частности в условиях сельскохозяйственного производства.

Известно устройство для защиты электродвигателя от перегрева, состоящее из трансформатора тока, квадратора для возведения напряжения вторичной обмотки трансформатора тока в квадрат, выпрямителя, активно-емкостного контура с постоянной времени, равной постоянной времени нагрева электродвигателя, исполнительного элемента, включенного на зажимы конденсатора активно-емкостного контура, причем резистор активно-емкостного контура зашунтиpован нелинейным полупроводниковым резистором, коэффициент нелинейности которого изменяется пропорционально изменению нагрузки электродвигателя, а на вход активно-емкостного контура включен резистор, сопротивление которого пропорционально постоянной времени охлаждения электродвигателя.

При подаче на вход активно-емкостного контура, представляющего собой тепловой аналог электродвигателя, сигнала, пропорционального потерям в электродвигателе, на выходе его формируется сигнал, пропорциональный превышению температуры, и при достижении предельно допустимого значения превышения исполнительный элемент отключает электродвигатель.

В этом устройстве в схеме теплового аналога используется нелинейный элемент, вольт-амперная характеристика которого должна меняться для электродвигателей разного типа, разной мощности, разного режима работы, что значительно снижает функциональные возможности устройства, кроме того, устройство имеет низкую точность и не реагирует на недопустимо большую скорость нарастания температуры обмоток, что приводит к разрушению изоляции обмоток вследствие разных коэффициентов температурного расширения меди и материала изоляции обмоток.

Известно также устройство для тепловой защиты электродвигателя, содержащее последовательно соединенные датчик тока, квадратор, блок теплового аналога электродвигателя, входом которого являются две параллельные цепочки, первая из которых состоит из первого резистора, зашунтированного первым конденсатором, вторая из второго резистора, а выход блока теплового аналога является выходом параллельных цепочек, между которыми включен второй конденсатор, первый пороговый орган, исполнительный блок, второй пороговый орган, вход которого подключен параллельно второму резистору блока теплового аналога, а выход к исполнительному блоку.

Это устройство по сравнению с предыдущим производит отключение электродвигателя как при достижении предельно допустимой температуры обмоток, так и при предельной скорости нарастания температуры, что позволяет предохранить изоляцию обмоток от преждевременного старения и разрушения, а также имеет более высокую точность.

Недостатком устройства является то, что тепловой аналог электродвигателя не учитывает влияния температуры и влажности окружающей среды на величину постоянной времени нагрева электродвигателя, что снижает точность моделирования теплового состояния электродвигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному техническому решению является устройство для защиты электродвигателя от перегрева и увлажнения, которое содержит датчик тока, первичная обмотка которого имеет клеммы для подключения к питающей сети, к вторичной обмотке подключен вход квадратора, блок питания, вход которого имеет клеммы для подключения к питающей сети, блок теплового аналога, первый выход которого соединен с входом первого порогового органа, второй пороговый орган, исполнительный элемент, последовательно соединенные измеритель влажности окружающей среды и датчик температуры окружающей среды, выход которого подключен к входу блока теплового аналога, второй выход которого подключен к первому входу преобразователя ток-напряжение, выход которого через второй пороговый орган соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого через транзисторный ключ подключен к входу исполнительного элемента, выходы первого порогового органа подключены к вторым входам преобразователя ток-напряжение и логического элемента ИЛИ соответственно, последовательно соединенные разностный усилитель, блок сравнения и блок релейно-фазового управления, выходы которого имеют клеммы для подключения к обмоткам электродвигателя, входы разностного усилителя подключены к входу первого порогового органа и к выходу измерителя температуры окружающей среды, задатчик превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, подключенный выходом к второму входу блока сравнения, выход квадратора соединен с входом измерителя влажности окружающей среды, а выходы блока питания подключены к соответствующим входам задатчика превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, измерителя температуры окружающей среды, разностного усилителя, блока сравнения, измерителя влажности окружающей среды, преобразователя ток-напряжение, логического элемента ИЛИ, транзисторного ключа и исполнительного элемента.

Недостатком устройства является то, что тепловой аналог электродвигателя не учитывает совокупного влияния атмосферного давления, температуры и относительной влажности окружающей среды на величину постоянной времени нагрева электродвигателя, что снижает надежность в результате недостаточной точности моделирования теплового состояния электродвигателя.

Целью изобретения является повышение надежности путем увеличения точности моделирования теплового состояния электродвигателя за счет учета совокупности влияния атмосферного давления, температуры и относительной влажности окружающей среды на величину постоянной времени нагрева электродвигателя.

Для этого в устройство для защиты электродвигателя от перегрева и увлажнения, содержащее датчик тока, вход которого имеет клеммы для подключения к питающей сети, к первому выходу подключен вход квадратора, блок теплового аналога, первый выход которого соединен с входом первого порогового органа, а второй выход подключен к первому входу преобразователя ток-напряжение, выход которого через второй пороговый орган соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, на второй вход которого подключен выход первого порогового органа, а к выходу подсоединен вход транзисторного ключа, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, выход квадратора подключен к входу блока теплового аналога, первый выход которого и вход первого порогового органа соединены с вторым входом преобразователя ток-напряжение и с первым входом разностного усилителя, к второму входу которого подключен выход измерителя температуры окружающей среды, а к выходу подсоединен первый вход блока сравнения, к второму входу которого подключен выход задатчика превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, а выход соединен с первым входом блока фазового управления, второй вход которого подключен к второму выходу датчика тока, выходы блока питания подключены к соответствующим входам задатчика превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, измерителя температуры окружающей среды, разностного усилителя, блока сравнения, преобразователя ток-напряжение, логического элемента ИЛИ, транзисторного ключа и исполнительного элемента, введены первый регулирующий резистор, второй регулирующий резистор и коммутатор, при этом вход первого регулирующего резистора подключен к вновь введенному второму выходу квадратора, а выход соединен с входом второго регулирующего резистора и подключен к первому выходу квадратора и входу блока теплового аналога, выход второго регулирующего резистора подключен к первому входу преобразователя ток-напряжение и второму выходу блока теплового аналога, первый вход коммутатора имеет клеммы для подключения к питающей сети, второй вход подключен к второму выходу датчика тока и второму входу блока фазового управления, выход которого соединен с третьим входом коммутатора, четвертый вход которого подключен к вновь введенному выходу исполнительного элемента, первый выход коммутатора имеет клеммы для подключения к обмоткам электродвигателя, а второй выход соединен с входом блока питания.

Известно, что зависимость превышения температуры обмоток статора асинхронных электродвигателей от температуры, плотности и удельной теплоемкости окружающего воздуха описывается выражением
τ τ_н · · , (1) где τ и τ_н соответственно установившиеся превышения температуры обмоток электродвигателя при фактических и нормированных параметрах окружающей среды, ^оС;
θ и θ_н фактическая и нормированная температуры окружающей среды, ^оС;
ρ и ρ_н фактическая и нормированная плотности окружающей среды, кг/м³;
С_р и С_рн фактическая и нормированная удельные теплоемкости окружающей среды, кДж(кг˙ ^оС);
Известно также, что плотность влажного воздуха равна
ρ=ρ_в+ρ_n (2) где ρ_в и ρ_п плотности сухого воздуха и водяного пара, кг/м³.

Значения ρ_в и ρ_п должны выбираться при их парциальных давлениях Р_ви Р_n и температуре влажного воздуха. Согласно уравнению состояния
ρ_в= ; (3)
ρ_п= , (4) где R_в и R_п удельные газовые постоянные сухого воздуха и пара, Дж/(кг ˙^оК);
Т абсолютная температура влажного воздуха, ^оК;
Р атмосферное давление влажного воздуха, Па.

С учетом формул (3) и (4) выражение (2) принимает вид
ρ (5)
Так как R_в 287 Дж/(кг˙ ^оК) и R_п 462 Дж/(кг˙ ^оК), то имеем следующую зависимость
ρ 0,00132 (6)
Относительная влажность воздуха W выражается соотношением вида
W 100, (7) где Р_н давление насыщенного водяного пара, Па.

С учетом выражения (7) формула (6) примет вид
ρ 13,2 P_н · 10^-6 (8)
Известна табличная зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры окружающей среды, которая достаточно точно аппроксимируется следующим выражением, полученным методом наименьших квадратов
Р_н 67,055 ˙10⁶ ˙exp(0,059Т) (9)
Подставив выражение (9) в выражение (8), получим зависимость
ρ = (10)
Удельную теплоемкость влажного воздуха С_р обычно относят к (1+d) кг влажного воздуха, или она равна сумме теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг пара
С_р С_рв + d C_pп, (11) где С_рв и C_pп удельные теплоемкости при постоянном давлении соответственно сухого воздуха и водяного пара, Дж/(кг˙ ^оК);
d влагосодержание влажного воздуха.

Так как С_рв 1,005 кДж/(кг˙ ^оК) const и C_pп 1,96 кДж/(кг˙ ^оК) const, то формула (11) примет вид
С_р 1,005 + 1,96d (12)
Формула для определения влагосодержания влажного воздуха имеет вид
d 0,622 (13)
Подставляя уравнение (13) в уравнение (12), и с учетом соотношения (9) получим
C_р= (14)
После подстановки формул (10) и (14) в выражение (1) имеем
τ τ_н __→
__→ (15)
Экспериментальные исследования показали, что данные, полученные с помощью формулы (15), адекватны опытным данным при условии умножения правой части указанной формулы на постоянный коэффициент, равный 0,72.

Принимая согласно ГОСТ 183-74 за нормированную температуру окружающей среды θ_н 40^оС, при которой плотность окружающей среды ρ_н 1,128 кг/м³ и удельная теплоемкость окружающей среды C_pп1,005 кДж/(кг˙ ^оК), а также заменив абсолютную температуру в градусах Кельвина температурой в градусах Цельсия и атмосферное давление в паскалях давлением в миллиметрах ртутного столба, и с учетом поправочного коэффициента, найденного экспериментально, формула (15) примет окончательный вид
τ 1,598 · τ_н,(16) где Р атмосферное давление окружающей среды, мм рт.ст.

θ температура окружающей среды, ^оС;
W относительная влажность окружающей среды,
τ_н установившееся превышение температуры обмоток электродвигателя при нормированных параметрах окружающей среды (для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F τ_н 100^оС), ^оС.

Таким образом, получена формула, выражающая зависимость установившегося превышения температуры обмоток электродвигателя от параметров окружающей среды: давления, температуры и относительной влажности.

Влияние указанных параметров окружающей среды на температуру обмоток электродвигателя в устройстве защиты учитывается посредством первого регулирующего резистора.

Для лучшего совпадения теоретической кривой нагрева с реальной в тепловых расчетах электродвигателя используют среднюю постоянную времени нагрева
T_н 0,006 , (17) где Т_н постоянная времени нагрева электродвигателя, мин;
m масса электродвигателя, кг;
Р_н номинальная мощность электродвигателя, кВт;
η_н номинальный коэффициент полезного действия электродвигателя.

Сопоставляя формулы (16) и (17), можно отметить, что постоянная времени нагрева электродвигателя при постоянной нагрузке последнего зависит от установившегося превышения температуры обмоток, которое изменяется в зависимости от значений параметров окружающей среды. Следовательно, влияние параметров окружающей среды на постоянную времени нагрева электродвигателя необходимо учесть и в блоке теплового аналога посредством второго регулирующего резистора.

Постоянная времени охлаждения электродвигателя определяется по соотношению
T_o= , (18) где Т_о постоянная времени охлаждения электродвигателя, мин;
k коэффициент, зависящий от исполнения электродвигателя (для асинхронных электродвигателей k 0,45.0,55).

Изменение постоянной времени нагрева электродвигателя в зависимости от мощности нагрузки электродвигателя и его коэффициента полезного действия учитывается в блоке теплового аналога путем соответствующего изменения сигнала квадрата тока, поступающего на вход блока теплового аналога.

Предлагаемое устройство позволяет за счет учета совокупного влияния атмосферного давления, температуры и относительной влажности окружающей среды на величину постоянной времени нагрева электродвигателя повысить надежность путем увеличения точности моделирования теплового состояния электродвигателя, в результате чего повышается эксплуатационная надежность электродвигателя.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 графическая зависимость постоянной времени нагрева электродвигателя от атмосферного давления при различных значениях температуры и относительной влажности окружающей среды; на фиг.3 графическая зависимость постоянной времени нагрева электродвигателя от температуры окружающей среды при различных значениях атмосферного давления и относительной влажности окружающей среды; на фиг.4 графическая зависимость постоянной времени нагрева электродвигателя от относительной влажности окружающей среды при различных значениях атмосферного давления и температуры окружающей среды.

Устройство содержит датчик 1 тока, первичная обмотка которого включена в разрыв фазного провода питающей сети, а вторичная обмотка к входу квадратора 2, первый выход которого подключен к входу блока 3 теплового аналога, а второй выход к входу первого регулирующего резистора 4, на выход которого подключен вход второго регулирующего резистора 5, выход которого соединен с первым входом преобразователя 6 ток-напряжение. Первый выход блока 3 теплового аналога подключен к входу первого порогового органа 7, вход второго порогового органа 8 соединен с выходом преобразователя 6 ток-напряжение, а выход с первым входом логического элемента ИЛИ 9, выход которого через транзисторный ключ 10 подключен к входу исполнительного элемента 11. Выход последнего соединен с одним из входов коммутатора 12, соединенного своим первым выходом с электродвигателем 13. К двум другим входам коммутатора 12 подсоединен блок 14 фазового управления, вход которого соединен с выходом блока 15 сравнения, на первый вход которого подключен выход разностного усилителя 16, а на второй вход выход задатчика 17 превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды. На один из входов разностного усилителя 16 подключен выход измерителя 18 температуры окружающей среды. Блоки и элементы устройства питаются от блока 19 питания, вход которого подключен к второму выходу коммутатора 12.

Устройство работает следующим образом.

Перед включением устройства защиты движок первого регулирующего резистора 4 со шкалой, отградуированной по температуре обмоток электродвигателя, и движок второго регулирующего резистора 5 со шкалой, отградуированной по постоянной времени нагрева электродвигателя, устанавливают в такое положение, при котором значения регулируемых параметров приводятся в соответствие (согласно формулам 16 и 18) со значениями атмосферного давления, температуры и относительной влажности окружающей среды.

При включении блока 19 питания и электродвигателя 13 посредством коммутатора 12 к питающей сети по обмоткам электродвигателя 13 через первичную обмотку датчика 1 тока протекает ток. При этом вторичная обмотка датчика 1 тока выдает напряжение, пропорциональное току в обмотках электродвигателя 13. Это напряжение поступает на вход квадратора 2, где оно возводится в квадрат. На выходе квадратора 2 выделяется сигнал, пропорциональный греющим потерям электродвигателя, который поступает на вход блока 3 теплового аналога.

С первого выхода блока 3 теплового аналога сигнал температуры обмоток электродвигателя 13 поступает на вход первого порогового органа 7, а с второго выхода сигнал скорости нарастания температуры обмоток электродвигателя 13 через преобразователь 6 ток-напряжение поступает на вход второго порогового органа 8. Выходы первого 7 и второго 8 пороговых органов подключены к соответствующим входам логического элемента ИЛИ 9.

При превышении любого из двух входных сигналов допустимого значения логический элемент ИЛИ 9 выдает сигнал на включение транзисторного ключа 10, который включает исполнительный элемент 11. Последний, воздействуя на коммутатор 12, отключает электродвигатель 13. Так осуществляется защита электродвигателя от перегрева.

Защита электродвигателя от увлажнения производится следующим образом.

После отключения электродвигателя соответствующие контакты коммутатора 12 подключают обмотки электродвигателя 13 к блоку 14 фазового управления. Теперь сигнал температуры обмоток электродвигателя 13 с первого выхода блока 3 теплового аналога поступает на первый вход разностного усилителя 16, на второй вход которого поступает сигнал температуры окружающей среды от измерителя 18 температуры окружающей среды. На выходе разностного усилителя 16 формируется сигнал разности температур обмоток электродвигателя и окружающей среды, который поступает на первый вход блока 15 сравнения, на второй вход которого подается сигнал с задатчика 17 превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, соответствующий 5.8^оС.

В случае, когда разность температур обмоток и окружающей среды становится меньше заданного задатчиком 17 значения, блок 15 сравнения выдает сигнал на включение блока 14 фазового управления, который пропускает через обмотки электродвигателя 13 ток, нагревая их. При достижении заданного превышения температуры обмоток сигналом с выхода разностного усилителя 16 полностью компенсируется сигналом задатчика 17 превышения температуры обмоток и на выходе блока 15 сравнения сигнал равен такому значению, при котором блок 14 фазового управления устанавливает величину тока в обмотках электродвигателя 13 такой, которая обеспечивает выделение тепла в обмотках, равного по количеству теплопотерям электродвигателя 13 в окружающую среду при заданном превышении температуры обмоток над температурой окружающей среды.

При включении электродвигателя в работу в любой момент времени устройство из режима защиты от увлажнения переключится в режим защиты от перегрева и наоборот.

Таким образом, предложенное устройство для защиты электродвигателя от перегрева и увлажнения позволяет повысить надежность путем увеличения точности моделирования теплового состояния электродвигателя, что повышает эксплуатационную надежность электродвигателя.

Использование: для защиты электродвигателя от перегрева и увлажнения. Сущность изобретения: защита электродвигателя от перегрева осуществляется на основе теплового аналога отключением его от сети при предельной температуре или скорости нарастания температуры обмоток. Защита электродвигателя от увлажнения производится посредством создания превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды в период технологических пауз и автоматического поддержания этого превышения путем пропускания по обмоткам тока. Устройство содержит блок 3 теплового аналога, первый 4 и второй 5 регулирующие резисторы. В режиме защиты от перегрева сигналы температуры обмоток и скорости ее нарастания посредством первого 7 и второго 8 пороговых органов производят отключение электродвигателя. В режиме защиты от увлажнения сигнал температуры обмоток поступает на вход разностного усилителя 16 с измерителем 18 температуры окружающей среды, который через блок 15 сравнения с задатчиком 17 превышения температуры обмоток связан с блоком 14 фазового управления, регулирующим ток нагрева обмоток электродвигателя 13. Таким образом, наличие в устройстве указанных элементов и блоков повышает надежность путем увеличения точности моделирования теплового состояния электродвигателя, что повышает эксплуатационную надежность электродвигателя. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ПЕРЕГРЕВА И УВЛАЖНЕНИЯ, содержащее датчик тока, вход которого имеет клеммы для подключения к питающей сети, к первому выходу подключен вход квадратора, блок теплового аналога, первый выход которого соединен с входом первого порогового органа, а второй выход подключен к первому входу преобразователя ток-напряжение, выход которого через второй пороговый орган соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, на второй вход которого подключен выход первого порогового органа, а к выходу подсоединен вход транзисторного ключа, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, выход квадратора подключен к входу блока теплового аналога, первый выход которого и вход первого порогового органа соединены с вторым входом преобразователя ток-напряжения и первым входом разностного усилителя, к второму входу которого подключен выход измерителя температуры окружающей среды, а к выходу подсоединен первый вход блока сравнения, к второму входу которого подключен выход задатчика превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, а выход соединен с первым входом блока фазового управления, второй вход которого подключен к второму выходу датчика тока, выходы блока питания подключены к соответствующим входам задатчика превышения температуры обмоток над температурой окружающей среды, измерителя температуры окружающей среды, разностного усилителя, блока сравнения, преобразователя ток-напряжение, логического элемента ИЛИ, транзисторного ключа и исполнительного элемента, отличающееся тем, что в него введены первый регулирующий резистор, вход которого подключен к введенному второму выходу квадратора, второй регулирующий резистор, вход которого соединен с выходом первого регулирующего резистора и подключен к первому выходу квадратора и входу блока теплового аналога, выход второго регулирующего резистора подключен к первому входу преобразователя ток-напряжение и второму выходу блока теплового аналога, коммутатор, первый вход которого имеет клеммы для подключения к питающей сети, второй вход подключен к второму выходу датчика тока и второму входу блока фазового управления, выход которого соединен с третьим входом коммутатора, четвертый вход которого подключен к введенному выходу исполнительного элемента, первый выход коммутатора имеет клеммы для подключения к обмоткам электродвигателя, а второй выход соединен с входом блока питания.