УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Российский патент 2002 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электродвигателей в промышленности и сельском хозяйстве.

Известно устройство для тепловой защиты электродвигателя [1], содержащее блок питания на основе выпрямительного моста, балластного резистора и стабилитронов, к которым подключен транзисторный узел температурной защиты, термодатчики, тиристорный ключ и исполнительный элемент.

Недостатком данного устройства является недостаточная надежность при следующих аварийных режимах: заклинивании ротора (трехфазном коротком замыкании), однофазных и двухфазных коротких замыканиях в обмотке статора электродвигателя, несимметрии напряжений питающей сети и пуска электродвигателя с несимметрией фаз питающей сети и моментом рабочей машины пускового, но больше минимального момента электродвигателя.

Известно устройство для температурной защиты электродвигателя [2], содержащее термодатчик, выход которого подключен к конденсатору дифференцирующего усилителя, пороговый элемент, логический элемент ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному органу.

Недостатком устройства является недостаточная надежность срабатывания в широком диапазоне аварийных режимов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является устройство [3] для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащие блок питания, подключенный через выходное реле к блоку стабилизации со стабилитроном повышенного и пониженного напряжения, к которым подключены блок температурной защиты, включающий три транзистора и терморезисторы, коллекторы первого и второго транзисторов объединены, при низком сопротивлении терморезисторов первый и второй транзисторы закрыты, а третий транзистор открыт, при увеличении сопротивления терморезисторов, второй транзистор открыт, что приводит к закрытию третьего транзистора, блок защиты, от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, вход этого блока соединен с выходом датчика обрыва фаз настоящей сети, включающего соединенные звездой три резистора, при подаче симметричного трехфазного тока на устройство первый транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети закрыт, а его второй транзистор открыт, при возникновении недопустимой несимметрии напряжений или обрыве фаз на средней точке датчика обрыва фаз появляется потенциал, который приводит к открытию первого транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети и закрытию его второго транзистора, исполнительный орган, включающий два резистора, диод и транзистор, один выход первого резистора. Соединен с катушкой реле, при симметрии напряжений сети трехфазного тока и нормальной температуре обмотки статора третий транзистор блока температурной защиты и второй транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети открыты, поэтому потенциал базы транзистора исполнительного органа ниже потенциала его эмиттера на величину напряжения стабилизации стабилитрона пониженного напряжения, и третий транзистор блока температурной защиты закрыт, при возникновении технологической перегрузки или недопустимой несимметрии напряжений сети на базу транзистора исполнительного органа подается положительное смещение через первый резистор исполнительного органа и транзистор открыт, при этом он пропускает основную часть тока через свой эмиттерно- коллекторный переход на катод стабилитрона пониженного напряжения, резкое снижение тока через катушку реле приводит к размыканию его контракта, а также блок сигнализации, подключенный к коллекторам третьего транзистора блока температурной защиты и второго транзистора блока защиты от несимметрии напряжения и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, два резистора и два светодиода.

Недостатком данного устройства является недостаточная надежность срабатывания при аварийных режимах трехфазного, двухфазного и однофазного короткого замыкания в цепи обмотки статора электродвигателя с несимметрией фаз питающей сети и с моментом рабочей машины меньше пускового, но больше минимального момента электродвигателя, когда уровень несимметрии фаз недостаточен для срабатывания узла защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети. Указанные недостатки снижают также и функциональные возможности устройства защиты.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности защиты и расширения функциональных возможностей устройства защиты.

Для достижения этого технического результата в устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее блок питания, подключенный через выходное реле к блоку стабилизации со стабилитроном повышенного и стабилитроном пониженного напряжения и выходами повышенного и пониженного напряжения, к которым подключены блок температурной защиты, включающий три транзистора и терморезисторы, коллекторы первого и второго транзисторов объединены, при низком сопротивлении терморезисторов первый и второй транзисторы закрыты, а третий транзистор открыт, при увеличении сопротивления терморезисторов второй транзистор открыт, что приводит к закрытию третьего транзистора, блок защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, вход этого блока соединен с выходом датчика обрыва фаз питающей сети, включающего соединенные звездой три резистора при подаче симметричного трехфазного тока на устройство первый транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети закрыт, а его второй транзистор открыт, при возникновении недопустимой несимметрии напряжений или обрыве фаз на средней точке датчика обрыва фаз появляется потенциал, который приводит к открытию первого транзистора блока защиты о несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети и закрытию его второго транзистора исполнительный орган, включающий два резистора, диод и транзистор, один выход первого резистора соединен с катушкой реле, при симметрии напряжения сети трехфазного тока и нормальной температуры обмотки статора третий транзистор блока температурной защиты и второй транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети открыты, поэтому потенциал базы транзистора исполнительного органа ниже потенциала его эмиттера на величину напряжения стабилизации стабилитрона пониженного напряжения, и третий транзистор блока температурной защиты закрыт, при возникновении технологической перегрузки или недопустимой несимметрии напряжений сети на базу транзистора исполнительного органа подается положительное смещение через первый резистор исполнительного органа, и транзистор открыт, при этом он пропускает основную часть тока через свой эмиттерно-коллекторный переход на катод стабилитрона пониженного напряжения, резкое снижение тока через катушку реле приводит к размыканию его контакта, а также блок сигнализации, подключенный к коллекторам третьего транзистора блока температурой защиты и второго транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, два резистора и два светодиода, дополнительно введены блок компенсации динамической температурной погрешности, включающий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к первому выходу терморезисторов, конденсатор одним выводом соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выводом с другим выходом терморезисторов, первый резистор одним выводом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а вторым выводом к выходу операционного усилителя, транзистор, коллектор которого подключен к эмиттеру второго транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, а эмиттер - к аноду стабилитрона повышенного напряжения, второй резистор одним выходом подключен к базе транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а вторым выводом - к третьему операционного усилителя, первый транзистор блока компенсации динамической температурной погрешности, третий резистор, первый вывод которого соединен с базой транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а второй вывод - с катодом стабилитрона пониженного напряжения, в блок сигнализации - транзистор, эмиттер которого соединен с анодом стабилитрона повышенного напряжения, резистор одним выводом подключен к коллектору транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а вторым выводом - к базе введенного транзистора блока сигнализации, светодиод, катод которого подключен к коллектору введенного транзистора блока сигнализации, а анод соединен с катодом стабилитрона пониженного напряжения.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы.

Устройство содержит блок питания 1, выполненный в виде балластного конденсатора 2 и разрядного резистора 3, диодов 4,5, сглаживающего конденсатора 6, блок 7 стабилизации, содержащий стабилитрон повышенного напряжения 8, балластный резистор 9 и стабилитрон пониженного напряжения 10. К плюсу сглаживающего конденсатора 6 подключен первый вывод катушки 11 реле 12, второй вывод катушки 11 подключен к катоду стабилитрона повышенного напряжения 8. К стабилитрону пониженного напряжения 10 подключен блок температурной защиты 13, включающий транзисторы 14, 15, 16, резисторы 17, 18, 19, 20, 21, 22, терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) 23, 24, 25, диоды 26,27 конденсатор 28. К стабилитрону повышенного напряжения 8 подключен блок компенсации динамической температурной погрешности 29, включающий, операционный усилитель 30, транзистор 31, резисторы 32, 33, 34 конденсатор 35. К стабилитрону пониженного напряжения 10 подключен блок защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети 36, включающий транзисторы 37, 38 резисторы 39, 40, 41, 42, 43, диод 44, конденсатор 45. Вход блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети 36 соединен с выходом датчика обрыва фаз 46, включающего соединенные звездой резисторы 47, 48, 49. К коллекторам транзисторов 16, 31, 37 подключен блок сигнализации 50, включающий транзисторы 51, 52, 53 резисторы 54, 55, 56 светодиоды 57, 58, 59. Питание блока сигнализации осуществляется от стабилитрона пониженного напряжения 10. Один выход резистора 60 исполнительного органа 61, который состоит также из транзистора 62, резистора 63 диода 64, соединен с катушкой 11 реле 12, имеющий контакт 65, соединенный с магнитным пускателем (на чертеже не показан) управляющим электродвигательным.

Устройство работает следующим образом. При подаче симметричного трехфазного тока на клеммы АВС, устройства и нормальной температуре обмоток статора на выходе блока питания 1 появляются напряжения постоянного тока ток проходит через катушку 11 реле 12 на блок стабилизации 7.

При этом контакт 65 реле 11 замыкается и электродвигатель через магнитный пускатель включается в работу. На средней точке "0" датчика обрыва фаз 46 напряжение равно нулю. Транзистор 38 закрыт, а транзистор 37 открыт положительным смещением, подаваемым на базу через резистор 39 с плюса пониженного напряжения блока стабилизации 7. Сопротивление терморезисторов 23, 24, 25 мало, и транзистор 15 закрыт, так как потенциал его базы недостаточен для открытия перехода эмиттер-коллектор. Транзистор 14 также закрыт, так как положительное смещение, подаваемое через резистор 17 недостаточно для открытия эмиттер-коллекторного перехода. Поскольку транзисторы 14, 15, объединенные коллекторами закрыты, транзистор 16 открыт положительным смещением, подаваемым через резистор 18 с пониженного напряжения блока стабилизации 7. Температура обмотки электродвигателя не увеличивается, операционный усилитель 30 закрыт и транзистор 31 открыт положительным смещением, подаваемым через резистор 32 с плюса пониженного напряжения блока стабилизации 7. Таким образом, транзисторы 16, 31, 37 открыты, поэтому потенциал базы транзистора 62 исполнительного органа 61 ниже потенциала эмиттера на величину напряжения стабилизации стабилитрона пониженного напряжения 10 и транзистор 62, поэтому закрыт. На базы транзисторов 51, 52, 53 подается отрицательный потенциал через эмиттер-коллекторные переходы транзисторов 16, 31, 37, поэтому первые закрыты, и ток через светодиоды 57, 58, 59 не протекает.

При возникновении технологической перегрузки электродвигатель перегревается, В результате этого увеличивается сопротивление терморезисторов 23, 24, 25 блока температурной защиты 13, открывается транзистор 15, что приводит к закрытию транзистора 16. На базу транзистора 62 исполнительного органа 61 подается положительное смещение через резистор 60 и транзистор 62 открывается, пропуская основную часть тока по следующей цепи: плюс оглаживающего конденсатора 6, диод 64, эмитер-коллекторный переход транзистора 62, катод стабилитрона пониженного напряжения 10.

Другая часть тока (10-15%) протекает через катушку 11 реле 12 и подается на стабилитрон повышенного напряжения 8, удерживающий транзистор 62 в открытом состоянии. Резкое снижение тока через катушку 11 реле 12 приводит к тому, что контакт 65 размыкается и открывает катушку магнитного пускателя (на чертеже не показан, а последний отключает электродвигатель от сети. Одновременно, закрытие транзистора 16 приводит к получению тока транзистором 51 по следующей цепи: резисторы 60, 54, переход база-эмиттер транзистора 51, эмиттер - коллекторные переходы транзисторов 37, 31. При этом получает питание светодиод 57, сигнализирующий о возникновении технологической перегрузки.

При возникновении недопустимой несимметрии напряжений трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью на средней точке "0" датчика обрыва фаз 46 появляется потенциал, который приводит к открытию транзистора 38 блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети 36. Транзистор 37 при этом закрывается, транзистор 62 получает положительное смещение на базу, и, открываясь, отключает катушку 11 реле 12 аналогично случаю технологической перегрузки. Одновременно с закрытием транзистора 37 получает ток управления транзистора 52, питание подается на светодиод 58, сигнализирующий с недопустимой несимметрии напряжений питающей сети.

При возникновении обрыва одной или двух фаз трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью устройство срабатывает аналогично вышеуказанному с соответствующей сигнализацией.

При возникновении перегрузки электродвигателя по причине возникновения несимметрии трехфазной сети прикрываются транзисторы 16 и 37, что вызывает срабатывание устройства и два транзистора 51, 52 открывается, подавая питание на светодиоды 57, 58, информируя об отключении электродвигателя по причине перегрева вследствие несимметрии трехфазной сети.

При возникновении трехфазного короткого замыкания в обмотке статора электродвигателя (заклинивании ротора), скорость нарастания температуры обмотки статора становится достаточной для открытия операционного усилителя 30 блока компенсации динамической температурной погрешности терморезисторов 29, транзистор 31 при этом закрывается, одновременно прикрывается транзистор 16 блока температурной защиты 13, что вызвано увеличением абсолютного значения сопротивления терморезисторов 23, 24, 25 вследствие их нагрева. Транзистор 62 открывается, получает питание катушки 11 реле 12, как и при технологической перегрузке. Открывается два транзистора 51, 53 блока сигнализации 50, получают питание светодиоды 57, 59, информируя об аварийном режиме трехфазного короткого замыкания (заклинивании ротора электродвигателя).

При пуске электродвигателя с несимметрией фаз питающей сети, когда уровень несимметрии не достаточен для срабатывания блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, температура обмотки электродвигателя начинает расти со скоростью меньшей, чем для случая трехфазного короткого замыкания, так как электродвигатель работает на "ползучей" скорости, и операционный усилитель 30 блока компенсации динамической температурной погрешности терморезисторов 29 приоткрывается, это приводит к прикрыванию транзистора 31, одновременно прикрывается транзистор 37 блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети 36, это приводит к открытию транзистора 62, срабатыванию реле 12 и отключению электродвигателя. Открывается транзисторы 52, 53 блока сигнализации 50, получают питание светодиоды 58, 59, информируя о том, что электродвигатель не запустился из-за несимметрии питающей сети.

При возникновении однофазных и двухфазных коротких замыканий в обмотке электродвигателя прикрываются все три транзистора 16, 31, 37, что вызывает открытие транзистора 62, срабатывание реле 12 и отключение электродвигателя. Открываются все 3-и транзистора 51, 52, 53 блока сигнализации 57, получают питание светодиоды 57, 58, 59, информируя об однофазном или двухфазном коротком замыкании в цепи статора электродвигателя.

При обрыве провода, соединяющего устройство с нулевым проводом трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью или при обрыве нулевого провода этой сети осуществляется нулевая защита электродвигателя путем обесточивания блока 1 питания, при этом контакт 65 реле 12 размыкается, вызывая отключение электродвигателя.

Источники информации
1. А.с. СССР 1120439 Устройство для тепловой защиты электродвигателя, Я. Б. Тубис, Н.А.Воробьев, Н.П.Бондарчук и В.Н.Данилов (СССР). - 3637799/24-07; заявлено 31.08.83.

2. А.с. СССР 1598020 Устройство для температурной защиты электродвигателя. А. М. Шумский и А. В. Кобылянский (СССР). - 44423-97/24-07 заявлено 17.06.88; опубл. 07.10.90. БИ 37.

3. А.с. СССР 1817184 Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы./ С.В.Оськин, А.Э.Калинин и Н.Н.Волощук (СССР) 4795783/07; заявлено 02.01.90; опубл. 23.05.93. БИ 19.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электродвигателей в промышленности и сельском хозяйстве. Технический результат заключается в повышении надежности защиты и расширении функциональных возможностей. В устройство защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы введен блок компенсации динамической температурной погрешности в виде дифференциального усилителя. Совместное использование указанного блока с уже имеющимися боками температурной защиты и защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети существенно повысить надежность работы устройства при аварийных режимах как однофазных, так и многофазных замыканий, а также при пуске электродвигателя при несимметрии напряжений питающей сети, когда уровень несимметрии недостаточен для срабатывания блока защиты от несимметрии и обрыва фаз питающей сети. 1 ил.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее блок питания, подключенный через выходное реле к блоку стабилизации со стабилитроном повышенного и стабилитроном пониженного напряжения и выходами повышенного и пониженного напряжения, к которым подключены блок температурной защиты, включающий три транзистора и терморезисторы, коллекторы первого и второго транзисторов объединены, при низком сопротивлении терморезисторы закрыты, а третий транзистор открыт, при увеличении сопротивления терморезисторов второй транзистор открыт, что приводит к закрытию третьего транзистора, блок защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, вход этого блока соединен с выходом датчика обрыва фаз питающей сети, включающим соединенные звездой три резистора, при подаче симметричного трехфазного тока на устройство первый транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети закрыт, а его второй транзистор открыт, при возникновении недопустимой несимметрии напряжений или обрыве фазы на средней точке датчика обрыва фаз появляется потенциал, который приводит к открытию первого транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети и закрытию его второго транзистора, исполнительный орган, включающий два резистора, диод и транзистор, один выход первого резистора соединен с катушкой реле, при симметрии напряжения сети трехфазного тока и нормальной температуре обмотки статора третий транзистор блока температурной защиты и второй транзистор блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети открыты, поэтому потенциал базы транзистора исполнительного органа ниже потенциала его эмиттера на величину напряжения стабилизации стабилитрона пониженного напряжения, и третий транзистор блока температурной защиты закрыт, при возникновении технологической перегрузки или недопустимой несимметрии напряжений сети на базу транзистора исполнительного органа подается положительное смещение через первый резистор исполнительного органа и транзистор открыт, при этом он пропускает основную часть тока через свой эмиттерно-коллекторный переход на катод стабилитрона пониженного напряжения, резкое снижение тока через катушку реле приводит к размыканию его контакта, а также блок сигнализации, подключенный к коллекторам третьего транзистора блока температурой защиты и второго транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, включающий два транзистора, два резистора и два светодиода, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок компенсации динамической температурной погрешности, включающий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к первому выходу терморезисторов, конденсатор одним выводом соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выводом - с другим выводом терморезисторов, первый резистор одним выводом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а вторым выводом - к выходу операционного усилителя; транзистор, коллектор которого подключен к эмиттеру второго транзистора блока защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети, а эмиттер - к аноду стабилитрона повышенного напряжения, второй резистор одним выходом подключен к базе транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а вторым выводом - к выходу операционного усилителя, первый транзистор блока компенсации динамической температурной погрешности, третий резистор, первый вывод которого соединен с базой транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а второй вывод - с катодом стабилитрона пониженного напряжения, в блок сигнализации - транзистор, эмиттер которого соединен с анодом стабилитрона повышенного напряжения, резистор одним выводом подключен к коллектору транзистора блока компенсации динамической температурной погрешности, а вторым выводом к базе введенного транзистора блока сигнализации, светодиод, катод которого подключен к коллектору введенного транзистора блока сигнализации, а анод соединен с катодом стабилитрона пониженного напряжения.