УСТРОЙСТВО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК H02H6/00 H02H7/85 H02H5/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к защите электродвигателей.

Известно, что наилучшей защитой асинхронных электродвигателей является температурная защита (1).

Недостатком такой защиты является ее сложность, так как датчики температуры необходимо встраивать в фазные обмотки статора асинхронных электродвигателей. В случае выхода электродвигателя из строя или в случае его замены, выходит из строя и защита.

Из температурных защит асинхронных электродвигателей наиболее известной является позисторная защита, которая содержит встроенные в фазные обмотки статора позисторы и полупроводниковую схему управления (2).

Недостаток ее тот же, что и предыдущего аналога. Кроме того, позисторная защита обладает достаточно большой тепловой инерционностью, что при больших токах перегрузки и при повторно кратковременных попытках его пуска может не помешать выходу электродвигателя из строя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство температурной защиты асинхронных электродвигателей, в каждую фазу которого включен трансформатор тока, содержащее терморезисторы, соединенные с полупроводниковым блоком управления, обеспечивающим при достижении критической температуры отключение электродвигателя от источника питания (3).

Недостатком такого устройства защиты является его сложность, так как терморезисторы также необходимо встраивать в фазные обмотки статора электродвигателя. Если же терморезисторы наклеивать на лобовые части фазных обмоток статора, то повышается их тепловая инерционность, так как максимальная температура наблюдается внутри лобовых частей фазных обмоток статора, а именно в местах соединения этих частей. И в этом случае выход из строя электродвигателя или его замена приводят к выходу устройства защиты.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства температурной защиты асинхронных электродвигателей, которое благодаря размещению терморезисторов вне фазных обмоток электродвигателя позволило бы производить замену электродвигателя без замены устройства защиты.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве температурной защиты асинхронных электродвигателей, в котором к каждой фазной обмотке электродвигателя подключен трансформатор тока, содержащее терморезисторы, соединенные с полупроводниковым блоком управления, обеспечивающим при достижении критической температуры отключение электродвигателя через исполнительный орган от источника питания, согласно изобретению оно снабжено дополнительными катушками, расположенными на одном сердечнике с диаметром, меньшим или равным 0,1 их общей высоты, причем терморезисторы приклеены внутри каждой дополнительной катушки, соединенной со вторичной обмоткой трансформатора тока, и выполнены в виде бифилярно намотанных плоских катушек из медного провода, при этом номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока
I_1н.тр. = 8•I_н.дв.,
где I_н.дв - номинальный ток электродвигателя,
а сечение провода дополнительной катушки
S_пр.к. = S_пр.дв. /K,
где S_пр.дв. - сечение провода фазной обмотки электродвигателя, а K - номинальный коэффициент трансформации,
а марка провода фазной обмотки электродвигателя и провода дополнительной катушки одна и та же, причем для круглого сечения провода фазной обмотки электродвигателя диаметр провода дополнительной катушки

где d_пр.дв. - диаметр провода фазной обмотки электродвигателя.

Кроме того, число дополнительных катушек равно числу фазных обмоток электродвигателя. Терморезисторы наклеены внутри дополнительной катушки по ее радиусу со стороны конца, прилегающего к другой дополнительной катушке.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достижением технического результата заключается в следующем.

Именно благодаря введению в устройство температурной защиты асинхронных электродвигателей дополнительных катушек и размещению терморезисторов внутри них и достигается автономность устройства температурной защиты асинхронных электродвигателей от электродвигателя.

Трудность защиты асинхронных электродвигателей обусловлена переменным значением тепловой постоянной времени τ_ф фазной обмотки, которая определяется типом и мощностью двигателя, характером и мощностью нагрузки на валу двигателя, числом оборотов, значением тока перегрузки и. т.п. Таким образом, если для конкретного двигателя с конкретной нагрузкой по мощности и характеру, экспериментально снять при его включении предельно-допустимую нагрузку по току и времени I(t), а затем из нее определить тепловую постоянную времени τ_ф асинхронного электродвигателя с нагрузкой, то она будет в дальнейшем практически определяться только током, как для обычной катушки индуктивности. Поэтому, включив через трансформатор тока каждую фазную обмотку электродвигателя на отдельную катушку индуктивности, будем иметь тепловой аналог фазной обмотки электродвигателя.

Тепловая постоянная катушка определяется выражением

где С=сМ - теплоемкость катушки;
с - удельная теплоемкость материала обмоточного провода катушки;
М - масса обмоточного провода;
α - коэффициент теплообмена;
S - площадь охлаждения.

Практически теплообмен внутрь катушки без ферромагнитного сердечника отсутствует, т.е.

S = 2πR•H,
где R - наружный радиус катушки;
H - высота катушки.

Тогда можно записать

где n - число витков катушки;
γ - плотность материала провода;
l - длина обмоточного провода катушки;
S_пр.к. - сечение провода катушки;
d_пр.к. - диаметр провода катушки.

Это для однослойной катушки. Для 2-слойной катушки

а для 3-слойной катушки

Диаметр провода катушки d_пр.к. определяется из соотношения
(2)
Для круглого провода (подавляющее большинство случаев) имеем из (2)
(3)
Подставляя (3) в (1), получим

Для того, чтобы дополнительная катушка стала тепловым аналогом фазной обмотки электродвигателя, необходимо равенство тепловых постоянных: электродвигателя τ_ф, полученной экспериментально и катушки τ_к, т.е. следим за отношением
Если , то дополнительная катушка выполняется однослойной.

Если то дополнительная катушка выполняется 2-слойной.

Если то дополнительную катушку 2-й слой покрывает до 0,5Н, т. е. до ее половины и т.д.

Если то необходимо пропорционально увеличить d_пр.к. или уменьшить k. Таким образом из (4) видно, что тепловая постоянная однослойной катушки τ_к не зависит от ее высоты Н. Для того, чтобы теплообменом во внутрь катушки можно было бы пренебречь, необходимо соблюдать соотношение
D ≥0,1 H, (5)
где D_вн - внутренний диаметр катушки.

У асинхронных электродвигателей наиболее уязвимым местом с точки зрения нагрева являются лобовые части обмоток статора, а именно места стыка фазных обмоток. И хотя в местах стыка выполняется дополнительная изоляция, однако выход из строя электродвигателя происходит в подавляющем большинстве случаев именно в этих местах. Поэтому для большего теплового соответствия дополнительных катушек фазным обмоткам электродвигателя все дополнительные катушки плотно располагают на одном сердечнике и терморезисторы наклеивают с внутренней стороны дополнительной катушки со стороны ее конца, обращенного к другой дополнительной катушке. В этом случае в качестве высоты катушки Н в (5) необходимо брать общую высоту всех дополнительных катушек, находящихся на одном сердечнике. Например, для 3-фазного электродвигателя необходимо выполнение соотношения d≤0,3Н.

Именно такой выбор дополнительных катушек, их размещение на одном сердечнике и расположение терморезисторов внутри дополнительных катушек описанным выше способом позволяет утверждать, что сердечник с дополнительными катушками, включенными через трансформатор тока к фазным обмоткам электродвигателя, является тепловым аналогом асинхронного электродвигателя.

За счет того, что терморезисторы размещены в дополнительных катушках, плотно расположенных на одном сердечнике, и являющимся тепловым аналогом асинхронного электродвигателя для данного характера и мощности нагрузки, значительно упрощается его температурная защита. Такое устройство температурной защиты позволяет проводить замену двигателя без нарушения его защиты и наоборот. Это позволяет избавиться от такой сложной технологической операции, как встройка терморезисторов в фазные обмотки статора асинхронного электродвигателя.

Сущность изобретения для 3-фазного асинхронного электродвигателя поясняется чертежом.

Асинхронный электродвигатель 1, на валу которого находится нагрузка, соединен с источником питания 2. В каждую фазу электродвигателя 1 включен трансформатор тока 3, вторичная обмотка которого соединена с выводами дополнительной катушки 4. Дополнительные катушки 4 плотно расположены на общем сердечнике 5. Внутри дополнительной катушки со стороны ее конца, обращенного к дополнительной катушке соседней фазы электродвигателя, размещен терморезистор 6, выводы которого соединены с полупроводниковым блоком управления 7. Блок управления 7 соединен с исполнительным органом 8 управления работой электродвигателя 1.

Устройство температурной защиты асинхронных электродвигателей работает следующим образом.

При достижении в любой фазной обмотке электродвигателя критической температуры независимо от причины (перекос фаз, увеличение момента на валу двигателя, повторное включение электродвигателя и т.п.) этой же критической температуры достигнет и температура дополнительной катушки. В этом случае блок управления 7 через исполнительный орган 8 отключает электродвигатель 1 от источника питания 2. В качестве критической температуры берется температура термостойкости провода электродвигателя 1. Например, для асинхронного электродвигателя типа 4А112М4УЗ мощностью 5,5 кВт с номинальным напряжением 380 В и номинальным током 12 А, фазные обмотки статора выполнены из провода ПЭТВ диаметром 1,4 мм и сечением 1,54 мм². Критическая температура равна 130^oC. Так как материал провода дополнительной катушки один и тот же, то ее критическая температура будет также равна 130^oC, хотя диаметр провода дополнительной катушки 6 в этом случае будет 0,14 мм, а сечение S_k = 0,0154 мм² при номинальном коэффициенте трансформации трансформатора тока 3, равном k = 100. Так как постоянные времени дополнительной катушки τ_{к =} и двигателя τ_ф равны, то включение электродвигателя 1 при попытках его повторного включения может произойти только в том случае, если температура терморезисторов 6 окажется ниже критической
В связи с тем, что температурная защита должна осуществляться в диапазоне изменения номинального тока от I_н.дв. до 10 • I_н.дв., так как при токах свыше 10 • I_н.дв. работает практически мгновенная защита от токов короткого замыкания, то вторичный ток трансформатора тока 3 должен линейно следовать за изменениями его первичного тока. Так как трансформаторы тока при номинальном токе первичной обмотки практически находятся почти в режиме насыщения и, учитывая, что они имеют запас по нагреву и потому позволяют длительно пропускать токи, которые на 20% выше номинального значения, то номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока 3 следует выбирать равным I_1н.тр.= 8•I_н.дв.. Это практически будет означать I_1н.тр.≈ 10•I_н.дв., т.е. в диапазоне изменения тока первичной обмотки трансформатора тока от I_н.дв. до 10 • I_н.дв., ток вторичной обмотки трансформатора тока будет изменяться линейно с первичным. Так как терморезисторы практически безинерционны в силу своей малой массы и надежного теплового контакта по всей своей плоскости и контролируют максимальную температуру дополнительной катушки 6, то надежность такой температурной зашиты значительно повышается. Плотное расположение дополнительных катушек 4 на одном сердечнике 5 и размещение терморезисторов 6 в местах стыка дополнительных катушек 4 повышает идентичность тепловых процессов в электродвигателе и катушках 4.

Таким образом, предлагаемая температурная защита асинхронных электродвигателей позволяет избавиться от сложной технологической операции встройки терморезисторов во внутрь электродвигателя. Это позволит осуществлять замену электродвигателя без необходимости создания новой защиты и наоборот. Можно осуществлять замену температурной защиты без необходимых манипуляций с электродвигателем, что особенно важно при современных ценах на электродвигатели. Кроме того, повышается надежность температурной защиты за счет снижения инерционности терморезисторов и повышения степени их защиты от механических и электрических повреждений.

Источники информации
1. Кузнецов Р.С. Координация защитных характеристик аппаратов теплового действия и нагрузочной способности асинхронных электродвигателей. - "Электротехника", 1983, N 4, с. 40-41.

2. Кузнецов Р.С., Строганов Н.И. Позисторная защита электродвигателей. - "Электроника", 1980, N 2.

3. А. С. 1462447 (СССР), H 02 H 5/04 Устройство для тепловой защиты электроустановок. - Б.И., 1989, N 8 - прототип.

Изобретение предназначено для температурной защиты асинхронных электродвигателей, благодаря размещению терморезисторов вне фазных обмоток электродвигателя позволяет производить замену электродвигателя без замены устройства защиты. Устройство температурной защиты асинхронных электродвигателей 1 содержит полупроводниковый блок управления 7 с группой терморезисторов 6 по числу фазных обмоток электродвигателя. Терморезисторы 6 представляют собой бифилярно намотанную плоскую катушку из медного провода. В устройство введены дополнительные катушки 4, каждая из которых подключена через трансформатор тока 3 к фазной обмотке электродвигателя. Причем номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока I_1н.тр. выбран из соотношения
I_1н.тр.=8•I_н.дв.
где I_н.дв. - номинальный ток электродвигателя, а сечение провода дополнительной катушки S_пр.к. выбрано из соотношения
S_пр.к.=S_пр.дв./K,
где S_пр.дв. - сечение провода фазной обмотки электродвигателя;
К - номинальный коэффициент трансформации.

Марка провода фазной обмотки электродвигателя и провода дополнительной катушки одна и та же. Дополнительные катушки 4 расположены на одном сердечнике 5 с диаметром меньшим или равным 0,1 общей их высоты, причем терморезисторы 6 наклеены внутри каждой дополнительной катушки. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство температурной защиты асинхронных электродвигателей, в котором к каждой фазной обмотке электродвигателя подключен трансформатор тока, содержащее терморезисторы, соединенные с полупроводниковым блоком управления, обеспечивающим при достижении критической температуры отключение электродвигателя через исполнительный орган от источника питания, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными катушками, расположенными на одном сердечнике с диаметром, меньшим или равным 0,1 их общей высоты, причем терморезисторы приклеены внутри каждой дополнительной катушки, соединенной со вторичной обмоткой трансформатора тока, и выполнены в виде бифилярно намотанных плоских катушек из медного провода, при этом номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока
I_1н.тр. = 8 • I_н.дв.,
где I_н.дв. - номинальный ток электродвигателя,
а сечение провода дополнительной катушки
S_пр.к. = S_пр.дв./K,
где S_пр.дв. - сечение провода фазной обмотки электродвигателя;
K - номинальный коэффициент трансформации,
а марка провода фазной обмотки электродвигателя и провода дополнительной катушки одна и та же. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для круглого сечения провода фазной обмотки электродвигателя диаметр провода дополнительной катушки

где d_пр.дв. - диаметр провода фазной обмотки электродвигателя. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что терморезисторы наклеены внутри дополнительной катушки по ее радиусу со стороны конца, прилегающего к другой дополнительной катушке. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число дополнительных катушек равно числу фазных обмоток электродвигателя.