УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ Российский патент 1997 года по МПК H02H7/08 H02H6/00 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты асинхронного электродвигателя от внутренних повреждений, обусловленных разрушением подшипников.

Известно устройство защиты электродвигателя, содержащее тепловой аналог защищаемого объекта, на вход которого подается сигнал, пропорциональный току статора [1] С помощью теплового аналога определяется температура электродвигателя. Полученное таким образом значение температуры защищаемого электродвигателя сравнивается с установленным допустимым значением и в случае превышения им допустимого уровня формируя сигнал на отключение или разгрузку машины. Это известное устройство имеет низкую точность и чувствительность к внутренним повреждениям в электродвигателе, а особенно к повреждениям подшипников. С его помощью выявляются только грубые отклонения защищаемого объекта от нормального, причем только те, которые сопровождаются значительным повышением тока статора. Поэтому повреждение, а часто и разрушение подшипника электродвигателя остается незамеченным, что обычно приводит к аварии с катастрофическими для защищаемого электродвигателя последствиями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, выявляющее дефекты в подшипниках асинхронного электродвигателя по току статора этого двигателя, которое выбрано в качестве прототипа [2] Основой этого известного устройства являются функциональные элементы, выделяющие и контролирующие уровни составляющих тока статора с частотами, отличными от частоты источника питания. Эти составляющие возникают в токе статора асинхронного электродвигателя при появлении дефекта в подшипнике [2]
В известном устройстве выделение составляющих тока статора с частотами, отличными от частоты источника питания, осуществляется высокодобротным режекторным (заграждающим) частотным фильтром, который максимально ослабляет составляющие сигнала с фиксированной частотой 50 Гц и пропускает составляющие с другими частотами без ослабления.

Недостатком прототипа является то, что при отклонении частоты в сети, питающей защищаемый электродвигатель, от номинальной частоты 50 Гц в ту или другую сторону, используемый режекторный фильтр не обеспечивает максимального ослабления составляющих сигнала с частотой питающей сети и на выходе фильтра появляется сигнал, соизмеримый по уровню с полезным сигналом при повреждении подшипника. Кроме того, составляющие тока статора с частотами, кратными частоте источника питания (появление которых не связано с дефектами в подшипниках), не ослабляются режекторным фильтром и воспринимаются устройством как полезный сигнал. Поэтому в реальных условиях эксплуатации электродвигателей известное устройство может ложно срабатывать.

Цель изобретения повышение надежности защиты путем исключения возможности ложных срабатываний при отклонении частоты в питающей сети от номинального значения и при появлении гармонических составляющих в токе статора.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников, содержащее датчик тока, включенный в цепь статора электродвигателя, формирователь модуля сигнала, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, пороговый элемент, подключенный входом к выходу фильтра нижних частот, исполнительный орган, дополнительно содержит датчик напряжения питающей сети, подключенной к цепи статора защищаемого электродвигателя, формирователь направляющих импульсов, входом подключенный к выходу датчика напряжения, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, запоминающий элемент, вход которого соединен с выходом коммутатора, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу запоминающего элемента, а выход соединен со входом формирователя модуля сигнала, выход порогового элемента соединен со входом исполнительного органа.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства защиты от асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства в нормальных условиях при исправных подшипниках; на фиг. 3 - аналогичные временные диаграммы при поврежденном подшипнике.

На диаграммах приняты следующие обозначения: U₂ выходной сигнал датчика тока; U₄ выходной сигнал датчика напряжения; U₅ - выходной сигнал формирования импульсов; U₆ напряжение на выходе запоминающего элемента; U₇ напряжение на выходе фильтра верхних частот; U₁₀ выходной сигнал порогового элемента.

Схема устройства для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников (фиг. 1) содержит защищаемый электродвигатель 1; датчик тока 2 статора электродвигателя; коммутатор 3, информационный вход которого подключен к выходу датчика тока; датчик напряжения 4 питающей сети, подключенный к цепи статора электродвигателя; формирователь 5 управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а выход с управляющим входом коммутатора, и соединенные каскадно (т.е. вход последующего звена соединен с выходом предыдущего), аналоговый запоминающий элемент 6, фильтр 7 верхних частот, формирователь модуля 8 сигнала, фильтр 9 нижних частот, пороговый элемент 10 и исполнительный орган 11.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал, пропорциональный напряжению питающей сети подается от датчика 4 на вход формирователя импульсов 5. В блоке 5 из синусоидального входного сигнала формируются прямоугольные импульсы, длительностью много меньше периода входного сигнала. Причем частота следования этих импульсов равна частоте напряжения питающей сети.

Выходные импульсы формирователя импульсов 5 подаются на управляющий вход электронного ключа в коммутаторе 3. Ключ находится в разомкнутом состоянии и периодически кратковременно замыкается под действием управляющих импульсов, соединяя информационный вход коммутатора с выходом. Таким образом, с выхода датчика тока 2 на вход запоминающего элемента 6 подаются выборки значений тока статора защищаемого электродвигателя с частотой, равной частоте напряжения питающей сети.

В нормальных условиях, при исправных подшипниках ток статора асинхронного двигателя имеет синусоидальную форму [2] Поэтому выборки значений тока, соответствующие определенной фазе сигнала, в установившемся режиме (когда амплитуда тока не изменяется) имеют одинаковые значения (фиг. 2). В результате на выходе аналогового запоминающего элемента 6 устанавливается сигнал постоянного уровня. Этот выходной сигнал запоминающего элемента подается на вход фильтра верхних частот 7. Поскольку входной сигнал фильтра 7 имеет постоянное значение, то сигнал на его выходе равен нулю.

Далее выходной сигнал фильтра 7 последовательно обрабатывается формирователем модуля 8, фильтром нижних частот 9 и пороговым элементом 10. Поскольку уровень сигнала равен нулю, он не изменяет состояние выхода порогового элемента и, следовательно, не вызывает срабатывание исполнительного органа 11.

При возникновении механического дефекта в подшипнике или нарушении центровки валов двигателя и приводимого им механизма момент сопротивления вращению становится зависимым от угла поворота вала. В этих условиях при вращении вала момент сопротивления периодически изменяется. Следовательно, скольжение, связанное с вращающим моментом линейной зависимостью, периодически изменяется с частотой, равной частоте вращения вала. Периодическое изменение скольжения вызывает периодическое изменение эквивалентного входного электрического сопротивления электродвигателя. Изменение этого сопротивления в свою очередь вызывает изменение тока статора с частотой вращения вала. Поскольку частота вращения вала асинхронной машины отличается от частоты питающей сети, то в токе статора появляются составляющие с частотами, отличными от частоты источника питания и не кратные этой частоте. В этих условиях выборки тока статора, подаваемые на вход запоминающего элемента 6, отличаются одна от другой, и уровень сигнала на выходе запоминающего элемента изменяется (фиг. 3). Этот переменный сигнал проходит через фильтр верхних частот 7, выпрямляется формирователем модуля 8, усредняется фильтром нижних частот 9 и поступает на вход порогового элемента 10. Если уровень сигнала выше порога срабатывания, то пороговый элемент воздействует на исполнительный орган 11 и им формируется сигнал, информирующий о появлении дефекта или на отключение защищаемого электродвигателя 1.

Применение предлагаемого устройства позволяет осуществить более достоверный по сравнению с прототипом контроль состояния подшипников асинхронного электродвигателя. Исключаются ложные срабатывания устройства при отклонении частоты напряжения питающей сети, а также при повышении содержания гармоник в токе статора. Благодаря этому снижаются затраты из-за простоев оборудования и нарушения технологического процесса, обусловленные ложными срабатывающими устройствами.

Использование: для защиты асинхронного электродвигателя от внутренних повреждений, обусловленных разрушением подшипников. Сущность: устройство содержит датчик тока статора, формирователь модуля сигнала, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, исполнительный орган. Устройство содержит также новые дополнительные элементы и связи: датчик напряжения питающей сети, подключенный к цепи статора защищаемого электродвигателя, формирователь управляющих импульсов, входом подключенный к выходу датчика напряжения, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, запоминающий элемент, вход которого соединен с выходом коммутатора, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу запоминающего элемента, а выход соединен с входом формирователя модуля сигнала, выход порогового элемента соединен с входом исполнительного органа. Повышается надежность защиты при отклонении частоты в питающей сети от номинального значения и при появлении гармонических составляющих в токе статора. 3 ил.

Устройство для защиты асинхронного электродвигателя от разрушения подшипников, содержащее датчик тока, включенный в цепь статора электродвигателя, формирователь модуля сигнала, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, пороговый элемент, подключенный входом к выходу фильтра нижних частот, исполнительный орган, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик напряжения питающей сети, подключенный к цепи статора защищаемого электродвигателя, формирователь управляющих импульсов, входом подключенный к выходу датчика напряжения, коммутатор, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, запоминающий элемент, вход которого соединен с выходом коммутатора, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу запоминающего элемента, а выход соединен с входом формирователя модуля сигнала, выход порогового элемента соединен с входом исполнительного органа.