УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для отключения электродвигателя от аварийных режимов работы.

Известно устройство для защиты электродвигателей, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель напряжений, блок контроля перегрузки, тепловой имитатор электродвигателя, компаратор и исполнительное реле [1].

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты электродвигателя, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам блока формирования времятоковой характеристики, к выходам последнего через компаратор подключены входы исполнительного реле [2]. В известных устройствах защиты питание схемы осуществляется от тех же трансформаторов, выпрямителей, от которых снимается информация о величине тока, защищаемой цепи. Это снижает массу и габариты устройства.

Недостатком известного устройства является то, что получаемое при этом напряжение питания колеблется в широких пределах прямо пропорционально контролируемому току. Это снижает надежность работы блоков и всего устройства в целом. Применение же специальных стабилизаторов напряжения приводит к усложнению конструкции устройства.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства без значительного усложнения его конструкции.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для защиты электродвигателей, содержащем трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателей, выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, и блок формирования времятоковой характеристики, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходные нормально разомкнутые контакты которого через обмотку исполнительного реле подключены к источнику напряжения, блок контроля перегрузки выполнен в виде двух последовательно включенных цепей, каждая из которых состоит из последовательно включенных стабилитрона и шунтирующего резистора, общая точка, образованная при этом одними концами этих цепей, соединена с общей шиной устройства, другие концы цепей подключены к соответствующим выходным клеммам выпрямителя. Концы шунтирующих резисторов образуют выходные клеммы блока контроля перегрузки.

На фиг. 1 и 2 показаны электрические схемы предлагаемого устройства в двух вариантах исполнения; на фиг.3 показана эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим р-n- переходом с каналом n-типа, поясняющая принцип получения квадратичной зависимости.

Устройство содержит трансформаторы 1, 2, 3 тока для подключения в фазы А, В, С питания электродвигателя, выпрямитель 4, входы которого подключены к выходам трансформаторов 1, 2, 3 тока, блок 5 контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя 4, блок формирования времятоковой характеристики, который в свою очередь состоит из теплового имитатора 6 и компаратора 7. Выходные нормально разомкнутые контакты компаратора, являющиеся одновременно выходными контактами блока формирования времятоковой характеристики, соединены последовательно с обмоткой исполнительного реле 8, а образованная последовательная цепь подключена к источнику напряжения. В блок формирования времятоковой характеристики может входить квадратор 9, выполненный на операционном усилителе с применением полевого транзистора 10 с управляющим р-n-переходом, затвор которого соединен с истоком. Блок 5 контроля перегрузки выполнен в виде двух последовательно включенных цепей, одна из которых состоит из последовательно включенных стабилитрона 11 и шунтирующего резистора 12, другая - из последовательно включенных шунтирующего резистора 13 и стабилитрона 14. Общая точка, образованная при этом одними концами этих цепей, соединена с общей шиной (с корпусом) устройства. Другой конец цепи, состоящий из стабилитрона 11 и шунтирующего резистора 12, подключен к положительной клемме выпрямителя, конец цепи, состоящий из шунтирующего резистора 13 и стабилитрона 14, - к отрицательной клемме выпрямителя. Концы шунтирующего резистора 12 и концы шунтирующего резистора 13 образуют выходные клеммы блока 5 контроля перегрузки.

В первом варианте (фиг. 1) исполнения конец резистора 12 соединен с концом резистора 13, а их общая точка образует общую точку последовательной цепи стабилитрона 11 - резистора 12 и последовательной цепи резистора 13 - стабилитрон 14.

Во втором варианте (фиг.2) исполнения анод стабилитрона 11 соединен с катодом стабилитрона 14, а их общая точка образует общую точку последовательной цепи резистор 12 - стабилитрон 11 и последовательной цепи стабилитрон 14 - резистор 13.

Электродвигатель 15 подключен посредством магнитного пускателя 16 к трехфазному источнику переменного тока с фазами А, В, С и нулевым проводом N.

Питание операционных усилителей и компаратора осуществляется от напряжений, снимаемых со стабилитронов 11 и 14 (фиг.2), или от напряжений с выхода выпрямителя 4 (фиг.1). С целью наглядности работы устройства провода, соединяющие питание с операционными усилителями и компаратором, на фиг.1-3 не показаны.

Катушка магнитного пускателя 16 включена в сеть посредством нормально разомкнутой кнопки 17 "Пуск" и нормально замкнутой кнопки 18 "Стоп". Параллельно кнопке "Пуск" включены нормально разомкнутые контакты пускателя 16. Последовательно кнопке 18 "Стоп" включены нормальнозамкнутые контакты исполнительного реле 8.

Дополнительно в устройстве предусмотрена возможность ускоренного отключения сети от токов перегрузки. Для этой цели в схеме фиг.1 между выходом квадратора 9 и одним из входов компаратора 7, а в схеме фиг.2 между выходной отрицательной клеммой выпрямителя 4 и одним из входов компаратора 7 включен стабилитрон 19.

Устройство работает следующим образом.

При нажатии кнопки 17 "Пуск" на катушку магнитного пускателя 16 подается напряжение сети. Замыкаются силовые контакты пускателя 16, напряжение сети подается к электродвигателю, одновременно замыкаются контакты, шунтирующие кнопку "Пуск", и поддерживается подача напряжения к катушке пускателя 16. При этом по первичным обмоткам трансформаторов 1, 2, 3 потекут токи. Во вторичных обмотках этих трансформаторов будут индуцироваться напряжения, и через эти обмотки возникнут токи, величина которых определяется коэффициентом трансформации. Величина выходного напряжения выпрямителя 4 будет определяться величиной стабилизации напряжений стабилитронов 11, 14 и падений напряжений на шунтирующих резисторах 12, 13. Ввиду малости сопротивлений шунтирующих резисторов выходное напряжение выпрямителя будет поддерживаться стабильным и может быть непосредственно использовано для питания операционных усилителей и компаратора (фиг. 1). В схеме фиг.2 для питания операционных усилителей и компаратора использовано напряжение, снимаемое со стабилитронов 11, 14.

Режим работы транзистора 10 (фиг.1) задается сопротивлением резисторов 12, 20 на начальном участке его вольт-амперной характеристики. Падение напряжения на резисторе 13 равно падению напряжения на резисторе 12. Ток стабилитрона 11 распределяется между резисторами 12, 20 согласно их проводимости. Поэтому можно считать, что ток, протекающий через резистор 20, будет пропорционален токам, протекающим через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3. Ток I_С стока транзистора 10 будет почти равен току резистора 20. При малых напряжениях U_CИ исток-сток полевой транзистор ведет себя как управляемый резистор, сопротивление канала которого пропорционально абсолютному напряжению на его р-n переходе. Следовательно, полевой транзистор, затвор которого соединен с истоком, имеет квадратичную зависимость U_CИ=f(I_c)², так как ток стока определяет падение напряжения канала, которое в свою очередь определяет сопротивление канала.

Конструктивно полевой транзистор с управляющим р-n- переходом представляет собой пластину с проводимостью n-типа или р-типа, называемую проводящим каналом. От ее торцов делают выводы. Затвор делают от области с другим, чем у канала типом проводимости. Такую область формируют на предельной грани пластины с одной или двух сторон.

Интервал канала обеспечивает достаточно высокое сопротивление между стоком и истоком порядка 4-12 кОм. Если между стоком и истоком подключить источник постоянной ЭДС, для канала n-типа полярностью, показанной на фиг.3, то падение напряжение в промежутке сток-исток распределится по линейному закону, а через канал потечет ток I_С стока. В результате протекания тока I_С в общей точке А относительно истока создается так называемое внутреннее напряжение U_AИ, которое тем меньше, чем меньше R_АИ

При соединении затвора с истоком транзистора это напряжение U_AИ будет действовать на р-n-переходе, т.е. на переходе затвор - точка А. Отсюда суммарное сопротивление канала, равное R_АИ + R_АИ, будет пропорционально напряжению, приложенному к каналу.

Отсюда имеем сопротивление R_СИ канала как функцию от тока I_С стока транзистора, т.е.

R_СИ=f(I_C) (1)
С другой стороны ток I_C стока определяется по закону Ома

Решая совместно (1) и (2), получим

При f=1 имеем квадратичную зависимость падения напряжения на транзисторе от тока стока
U_СИ= I ² _C.

Выходное напряжение имитатора 6 имитирует величину энергии теплового нагрева асинхронного двигателя. Резистор, включенный параллельно конденсатору теплового имитатора, разряжает этот конденсатор. Величина напряжения, на которую разряжается конденсатор, имитирует энергию охлаждения электродвигателя. Отсюда выходное напряжение теплового имитатора 6 будет имитировать фактический нагрев с учетом охлаждения.

В устройстве по схеме фиг.2 отсутствует квадратор. Устройство срабатывает по среднему значению тока, протекающего по проводам к электродвигателю. Поэтому устройство по этой схеме несколько уступает по точности устройству с наличием квадратора.

При достижении напряжения на выходе теплового имитатора порога срабатывания, устанавливаемого резисторами на входе компаратора 7, замыкается электронный ключ на его выходе, по обмотке исполнительного реле 8 потечет ток, размыкаются нормально замкнутые контакты реле 8, которые включены последовательно с кнопкой "Стоп", что равносильно нажатию кнопки "Стоп". Через катушку магнитного пускателя 16 прекратится ток и его контакты разомкнутся. Электродвигатель обесточивается.

Если к электродвигателю ток протекал не выше установленного значения и его пуск прошел нормально и электродвигатель нормально функционирует, то выходное напряжение имитатора 6 не достигнет порога срабатывания компаратора 7.

При отключении электродвигателя от сети кнопкой "Стоп" или в результате аварийного срабатывания устройства через обмотки трансформаторов 1, 2, 3 токи прекращаются, обмотка исполнительного реле 8 обесточивается, его нормальнозамкнутые контакты смыкаются, т.е. устройство готово для повторного пуска. Конденсатор теплового имитатора 6 постепенно разряжается через параллельно включенный резистор.

При возникновении аварийных режимов работы, например при замыкании, через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3 потекут большие токи, превышающие пусковые. Па выходе выпрямителя 4 появится значительно большее напряжение. Рабочая точка стабилитрона 19 входит в режим электрического пробоя, в результате чего на средней точке делителя напряжения компаратора 7 напряжение падает. Компаратор срабатывает, через обмотку исполнительного реле 8 потечет ток и произойдет отключение от напряжения сети. Тем самым обеспечивается быстрое выявление и отключение электродвигателя от напряжения сети без установки специальных защит, так как устройство имеет быстродействующую защиту, отстроенную от пусковых токов.

Предположим, что в устройстве по схеме фиг.2 масштабные резисторы на входе имитатора 6 между собой равны. Тогда можно записать, что на прямой вход имитатора поступает напряжение
U_ПР=+U_вып+U₁₄=U₁₂+U₁₁+U₁₄,
а на инвертирующий вход - напряжение
U_инв=-U_вып+U₁₁=U₁₃+U₁₄+U₁₁,
где +U_вып, -U_вып - положительное и отрицательное соответственно напряжения на выходе выпрямителя;
U₁₁, U₁₂, U₁₃, U₁₄ - падения напряжения на элементах 11, 12, 13, 14 соответственно.

Разность напряжений, поступающих на прямой и инвертирующий входы, составит

Отсюда имеем, что имитатор 6 будет реагировать на падения напряжений на шунтирующем резисторе 12 и шунтирующем резисторе 13. Общее падение напряжений пропорционально току выпрямителя 4. Следовательно, имитатор 6 будет реагировать на ток выпрямителя 4 или в свою очередь на токи в фазах двигателя.

В предлагаемом устройстве для питания операционных усилителей и компаратора использованы стабилизированные напряжения от того же выпрямителя, от которого получается сигнал, пропорциональный току защищаемого электродвигателя, без применения специальных стабилизаторов. Это приводит к повышению стабильности работы и упрощению конструкции устройства.

Достоинством полевого транзистора является малая зависимость его характеристик от температуры. С одной стороны, с ростом температуры снимается потенциальный барьер, уменьшается ширина р-n-перехода и расширяется проводящий канал, что должно было бы привести к росту тока стока, но с другой стороны, уменьшается подвижность носителей заряда в канале, что приводит к уменьшению тока стока. В результате температура мало влияет на ток стока полевого транзистора.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1638757 СССР, кл. Н 02 Н 7/08, 1991.

2. Патент 2009593 РФ, кл. Н 02 Н 7/08, 1994.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для отключения электродвигателя от аварийных режимов работы. Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства без значительного усложнения его конструкции. Для этого устройство содержит трансформаторы тока 1, 2, 3, выпрямитель 4, блок 5 контроля перегрузок, блок формирования времятоковой характеристики, состоящий из теплового имитатора 6 электродвигателя, компаратора 7, и исполнительное реле 8. При возникновении перегрузки через выпрямитель 4 проходит ток, превышающий номинальный. Величина тока регистрируется с помощью шунтирующего резистора. На выходе имитатора 6 образуется напряжение, по величине пропорциональное энергии нагрева электродвигателя. При превышении последнего некоторого значения, задаваемого опорным напряжением, замыкается электронный ключ компаратора 7, который включает исполнительное реле 8 и электродвигатель отключается от напряжения сети, блок 5 выполнен в виде двух последовательно включенных цепей, состоящих из шунтирующих резисторов 12, 13 и стабилитронов 11, 14, за счет чего достигается стабильность выходных напряжений выпрямителя 4 и создается возможность использования этих напряжений для питания операционных усилителей и компаратора 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для защиты электродвигателя, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, блок формирования времятоковой характеристики, входы последнего подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходные нормально разомкнутые контакты которого соединены последовательно с обмоткой исполнительного реле, образованная при этом последовательная цепь подключена к источнику напряжения, отличающееся тем, что блок контроля перегрузки выполнен в виде двух последовательно включенных цепей, каждая из которых состоит из последовательно включенных стабилитрона и шунтирующего резистора, общая точка, образованная одними концами этих цепей, соединена с общей шиной устройства, другие концы цепей подключены к соответствующим выходным клеммам выпрямителя, причем концы шунтирующих резисторов образуют выходные клеммы блока контроля перегрузки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конец одного шунтирующего резистора соединен с концом другого шунтирующего резистора, а их общая точка образует общую точку последовательных цепей. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анод одного стабилитрона соединен с катодом другого стабилитрона, а их общая точка образует общую точку последовательных цепей.