УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК H02H7/08 H02H5/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электродвигателя от недопустимой токовой и тепловой перегрузки, а также ухудшения состояния изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя из-за недопустимого понижения ее сопротивления.

Известно устройство для защиты электродвигателя от перегрева и перегрузки, содержащее датчик тока защищаемого электродвигателя, к выходу которого подключены вход исполнительного элемента и шунтирующий тиристор, последовательно соединенные ключ и элемент задержки, последовательно соединенные первый потенциометр и стабилитрон. Параллельно стабилитрону подключены последовательно соединенные датчик температуры двигателя, второй потенциометр, датчик температуры окружающей среды. Выход второго потенциометра соединен с одним из входов ключа, к другому входу которого через логический оператор ИЛИ присоединены выход элемента задержки и элемент отсечки по току [1].

Недостатком этого устройства является невысокая надежность защиты из-за несоответствия время-токовых характеристик устройства с тепловыми характеристиками двигателя.

Известно устройство для защиты электродвигателя с приводом насоса, содержащее датчик температуры, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый аккумулятор, блок регулирования и генератор импульсов [2]. Вход фильтра нижних частот предназначен для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора. Датчик температуры, установленный вблизи статорных обмоток погружного электродвигателя, подсоединен последовательно с диодом между нулевой точкой обмотки электродвигателя и его заземленным корпусом. Блок регулирования выполнен в виде двух блоков сравнения, выходы которых подключены к исполнительным механизмам.

Это устройство позволяет исключить влияние сопротивления изоляции на измерение температуры нагрева статорных обмоток электродвигателя.

Недостатком данного устройства является отсутствие в нем элементов защиты погружного электродвигателя от срыва подачи электронасоса, контролируемого по давлению в скважине, что может привести к возникновению в насосе "сухого трения", повышению газового фактора откачиваемой жидкости и, следовательно, к ухудшению охлаждения двигателя и силового кабеля.

Известно устройство для защиты электродвигателя от анормальных режимов работы, содержащее датчик тока в виде трансформатора тока, который выполнен с возможностью крепления на электродвигателе с обеспечением теплового контакта с электродвигателем в точке контроля температуры, при этом сердечник трансформатора тока выполнен из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри, что позволяет расширить функциональные возможности устройства путем обеспечения температурной защиты электродвигателя [3]. При этом точка Кюри равна максимально допустимой температуре электродвигателя в месте расположения трансформатора тока.

В этом устройстве при достижении максимально допустимой температуры электродвигателем сердечник трансформатора тока теряет магнитные свойства при достижении точки Кюри. Это приводит к отключению магнитного пускателя и электродвигателя от сети. В режиме перегрузки электродвигателя по току при превышении допустимого значения, либо при обрыве фазы происходит также отключение электродвигателя от сети.

Однако при работе электродвигателя величина допустимого превышения тока свыше номинального во многом зависит от времени действия этого тока. Так, чем меньше время действия, тем большую величину тока можно пропустить в обмотках электродвигателя без аварийных последствий, в то время как при больших временах воздействия величина тока должна быть уменьшена. Кроме того, при использовании данного устройства возможен запуск в ход электродвигателя при пониженном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса, что возникает при попадании влаги или иных агрессивных сред, в которых функционирует оборудование и электродвигатель. Это устройство не сможет защитить электродвигатель от возникающей при этом аварийной ситуации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования, содержащее каналы защиты от токовой и тепловой перегрузки, включающие датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока и установленный на фазном проводе, магнитный пускатель, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, элементы управления магнитного пускателя, и исполнительное реле с выходным контактом, причем вход исполнительного реле подключен к выходу датчика тока, а его выходной контакт включен в цепь управления магнитного пускателя, и закрепленный на электродвигателе контактный элемент, реагирующий на тепловую перегрузку электродвигателя, канал защиты от токовой перегрузки, содержащий электронный блок формирования время-токовой характеристики, канал защиты от тепловой перегрузки, канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования и канал защиты от пуска электродвигателя при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя соединены между собой параллельно и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя [4].

В этом устройстве канал защиты от токовой перегрузки содержит интегратор, к входу которого посредством усилителя и выпрямителя параллельно подключены установленные на двух фазных проводах датчики тока, а электронный блок формирования время-токовой характеристики включает блок, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например в квадратичной зависимости, который подсоединен к счетчику импульсов. Канал защиты от токовой перегрузки содержит предупредительный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при включении счетчика импульсов, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при заполнении счетчика импульсов.

Канал защиты электродвигателя от тепловой перегрузки содержит контактный элемент, выполненный в виде температурного датчика, и аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении температурой, измеренной датчиком, значения уставки по температуре. Канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования содержит аварийный индикатор "СУХОЙ ХОД", засвечивающийся при уменьшении тока электродвигателя ниже значения уставки по минимальному току. Канал защиты электродвигателя от пуска при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя содержит источник постоянного напряжения и аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже значения уставки по сопротивлению.

В известном устройстве-прототипе осуществляется комплексная защита электродвигателя от:

- недопустимой перегрузки по току, вызванной обрывом одной из фаз статорной обмотки или линии питания, несимметрией фазных напряжений, технологической перегрузкой, заклиниванием ротора или междувитковыми замыканиями;

- нештатного исчезновения нагрузки, например, из-за работы насоса в режиме "сухого хода";

- понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня;

- недопустимой тепловой перегрузки двигателя, вызванной ухудшением условий его охлаждения.

В устройстве-прототипе температурный датчик канала защиты электродвигателя от тепловой перегрузки соединен проводниками с защитным устройством. Но во многих системах защитное устройство и электродвигатель с установленным на нем температурным датчиком находятся на значительном расстоянии друг от друга. Например, при работе погружного двигателя в скважине защитное устройство находится на поверхности земли. Необходимость использования длинных проводников для температурного датчика снижает надежность защитного устройства из-за возможности их обрыва или повреждения, ставит повышенные требования к обслуживанию и усложняет функционирование удаленного электродвигателя.

Кроме того, для работы канала защиты электродвигателя от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя необходим источник постоянного напряжения. Этот канал защиты предотвращает только запуск в ход электродвигателя при пониженной величине сопротивления изоляции, а во время работы двигателя этот канал защиты не работает. Но именно в процессе продолжительной работы электродвигателя может произойти ухудшение состояния изоляции, например из-за ее старения, работы во влажной, загрязненной или агрессивной среде и др., что приведет к аварийной ситуации и повреждению электродвигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты, уменьшение затрат на установку и обслуживание устройства защиты электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве защиты электродвигателя, содержащем канал защиты от токовой перегрузки, включающий установленный на фазном проводе линии питания датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", канал защиты от тепловой перегрузки, включающий аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении измеренной датчиком температуры порогового значения, и канал защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя, включающий аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже порогового значения, соединенные между собой параллельно и подключенные посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, согласно предлагаемому изобретению фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока, аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя, а канал защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающимся при возникновении однополупериодного тока утечки в заземляющем проводе, содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, сопротивление которого увеличивается при возрастании температуры, причем параллельно позистору включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя.

Наличие дифференциального трансформатора тока, охватывающего фазные провода линии питания, выходящие из электродвигателя, позволяет автоматически регистрировать снижение сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого значения и превышение температуры двигателя выше допустимого значения. При наличии этих аварийных факторов возникает отклонение от нуля суммы токов в линиях питания фаз (мгновенных значений или векторов действующих значений) за счет появления тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя. Ненулевая сумма токов в линиях питания фаз обуславливает появления в этом трансформаторе дифференциального тока, а значит и электродвижущей силы в его вторичной обмотке, которая посредством исполнительного реле отключает главные контакты магнитного пускателя, отключая электродвигатель от сети.

При надежной изоляции между обмоткой и корпусом электродвигателя и низкой температуре электродвигателя, не превышающей допустимого значения, токи утечки практически отсутствуют. При этом в указанном трансформаторе тока сумма токов в линиях питания фаз будет иметь нулевое значение и дифференциальный ток будет отсутствовать.

Канал защиты от тепловой перегрузки, содержащий присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, параллельно которому включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя, позволяет при повышении сопротивления позистора выше определенного уровня вызвать появление тока утечки в заземляющем проводе.

Поскольку аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, а индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" засвечивается при возникновении однополупериодного тока утечки, то таким образом легко устанавливаются причина аварии и отключения электродвигателя от сети.

Отсутствие измерительных проводов от электродвигателя до устройства защиты приводит к уменьшению затрат на установку и обслуживание устройства защиты. Особенно заметно это проявляется при значительном расстоянии между двигателем и защитным устройством или при работе электродвигателя в недоступном месте, в агрессивной среде и др.

На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства защиты электродвигателя;

на фиг.2 - электрическая схема устройства защиты электродвигателя;

на фиг.3 - температурная характеристика сопротивления позистора;

на фиг.4 - характер тока i в заземляющем проводе при свечении аварийного индикатора "ИЗОЛЯЦИЯ";

на фиг.5 - характер тока i в заземляющем проводе при свечении аварийного индикатора " ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА".

на фиг.6 - характер электродвижущей силы е во вторичной обмотке дифференциального трансформатора при свечении аварийного индикатора "ИЗОЛЯЦИЯ";

на фиг.7 - характер электродвижущей силы е во вторичной обмотке дифференциального трансформатора при свечении аварийного индикатора " ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА".

Устройство защиты электродвигателя состоит из канала 1 защиты от токовой перегрузки с аварийным индикатором "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2, канала 3 защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 4 и канала 5 защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя с аварийным индикатором "ИЗОЛЯЦИЯ" 6. Эти каналы соединены параллельно между собой и подключены посредством логического оператора ИЛИ 7 к исполнительному реле 8, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого предназначены для включения в линию питания фаз 11 электродвигателя 12. Устройство содержит блокировку контактов пускателя 13, кнопку ПУСК 14 и кнопку СТОП 15 магнитного пускателя 9. Логический оператор ИЛИ 7, исполнительное реле 8 и магнитный пускатель 9 формируют исполнительное устройство 16 защитного устройства электродвигателя. Для защиты электродвигателя 12 от токов короткого замыкания и отключения от источника питания 17, а также для подачи питания на исполнительное реле 8 предназначен автоматический выключатель 18. Канал 1 защиты от токовой перегрузки содержит установленные на фазных проводах 11 датчики тока 19, выполненные в виде трансформаторов тока.

Фазные провода линии питания 11 на участке между трансформаторами токов 19 и электродвигателем 12 охвачены дифференциальным трансформатором тока 20. Электродвигатель содержит трехфазную обмотку статора 21 и корпус 22, соединенный с заземляющим проводом 23.

Канал 3 защиты от тепловой перегрузки содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора 21 электрическую цепь с последовательно включенными в нее ограничивающими резисторами 24 и 25 и температурным датчиком 26, выполненным в виде позистора, сопротивление R_Т которого увеличивается при возрастании температуры (фиг.3). Параллельно позистору 26 включены электрическая ветвь с обратным диодом 27, защищающим от обратного напряжения динистор 28 и светодиод 29 оптопары 30. Фототиристор 31 оптопары 30 соединен с узлом 32 электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами 24 и 25, и корпусом 22 электродвигателя 12. Канал 3 защиты от тепловой перегрузки расположен в блоке 33.

На фиг.2 показано эквивалентное сопротивление 34 изоляции обмотки 21 относительно корпуса 22 электродвигателя 12.

Устройство защиты электродвигателя работает следующим образом.

При возникновении одного из аварийных факторов:

1. превышение током в обмотке электродвигателя порогового значения;

2. превышение температуры порогового значения;

3. понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже порогового значения,

логический оператор ИЛИ 7 выдает сигнал на исполнительное реле 8, которое, в свою очередь, выдает сигнал в цепь управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого отключают линию питания фаз электродвигателя 12.

Канал 1 защиты от токовой перегрузки работает следующим образом. Если ток, измеренный хотя бы одним из токовых датчиков 19 не превышает порогового значения, то не происходит свечения аварийного индикатора "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2 и не происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7. При этом обеспечивается нормальная работа электродвигателя 12. Если ток, измеренный хотя бы одним из токовых датчиков 19 на линии питания фаз 11, превышает пороговое значение, то засвечивается аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12.

При надежной изоляции между трехфазной обмоткой статора 21 и корпусом 22 электродвигателя 12 эквивалентное сопротивление 34 этой изоляции велико и ток утечки через заземляющий провод 23 на землю практически отсутствует.

При низкой температуре электродвигателя 12, измеренной температурным датчиком 26 и не превышающей допустимого значения, ток утечки также отсутствуют. Это объясняется тем, что при такой температуре сопротивление датчика - позистора R_T 26 низкое (фиг.3). В электрической цепи, присоединенной к концам различных фаз обмотки статора 21, ток протекает через ограничивающие резисторы 24 и 25 и температурный датчик 26, не влияя на сумму токов в фазных проводах линии питания 11, охваченных дифференциальным трансформатором 20. Поскольку сопротивление позистора R_T 26 мало, то мало и падение напряжения на нем. При этом динистор 28 находится в закрытом состоянии, т.е. его сопротивление велико и ток через него и через оптопару 30 не протекает.

При отсутствии тока утечки через заземляющий провод 23 сумма токов в линиях питания фаз 11 (мгновенных значений или векторов действующих значений) равна нулю и в трансформаторе тока 20 дифференциальный ток равен нулю. При этом обеспечивается нормальная работа электродвигателя 12.

Если в электродвигателе 12 происходит ухудшение состояния изоляции между трехфазной обмоткой 21 и корпусом 22, т.е. ее эквивалентное сопротивление 34 становится меньше допустимого значения, то возникает ток утечки через заземляющий провод 23 на землю (фиг.4). Из-за тока утечки сумма токов в линиях питания фаз 11 не равна нулю и в трансформаторе тока 20 появится дифференциальный ток. Наличие дифференциального тока трансформатора 20 обуславливает появление электродвижущей силы в его вторичной обмотке (фиг.6). При этом засвечивается аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" 6 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12. Поскольку в заземляющем проводе 23, присоединенном к корпусу 22 электродвигателя, протекает двухполупериодный (гармонический) ток утечки, то характер электродвижущей силы во вторичной обмотке трансформатора 20 имеет аналогичный характер с фазовым сдвигом.

При повышении температуры электродвигателя 12 выше допустимого значения сопротивление датчика тока - позистора R_Т 26 резко возрастает (фиг.3). При этом возрастает и падение напряжения на этом элементе 26. Вследствие этого возрастает напряжение на динисторе 26 и происходит его открытие, т.е. его сопротивление становится малым и через него и светодиод 29 оптопары 30 начинает протекать ток. Протекание тока через светодиод 29 приводит к открыванию фототиристора 31 оптопары 30. Поскольку сопротивление фототиристора 31 становится малым, через него и ограничивающий резистор 24 протекает ток утечки через заземляющий провод 23 на землю (фиг.5). Из-за тока утечки сумма токов в линиях питания фаз 11 не равна нулю и в трансформаторе тока 20 появится дифференциальный ток. Наличие дифференциального тока трансформатора 20 обуславливает появление электродвижущей силы в его вторичной обмотке (фиг.7). При этом засвечивается аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 4 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12. Поскольку в заземляющем проводе 23, присоединенном к корпусу 22 электродвигателя, протекает однополупериодный ток утечки, то характер электродвижущей силы во вторичной обмотке трансформатора 20 имеет негармонический характер.

Различный характер токов утечки и соответствующих электродвижущих сил во вторичной обмотке дифференциального трансформатора позволяет легко выявить причину аварии и отключения электродвигателя от сети.

Предлагаемое устройство обеспечивает комплексную защиту электродвигателя 12 во время его работы от различных разнородных факторов (недопустимой токовой и тепловой перегрузки, понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня), что гарантирует высокую надежность защиты. Защитное устройство работает без использования специальных проводов от измерительных датчиков, установленных на электродвигателе, к удаленному от него исполнительному устройству 16.

Устройство защиты было изготовлено, прошло экспериментальную проверку в различных условиях, показав высокую надежность.

Источники информации

1. А.с. СССР №600654, МКИ Н 02 Н 7/08, 1978 г.

2. А.с. СССР №1302369, МКИ Н 02 Н 7/08, 1985 г.

3. А.с. СССР №1764118, МКИ Н 02 Н 7/08, 1992 г.

4. Пат. Украины №61537 А, МКИ Н 02 Н 7/08, Н 02 Н 5/04, з. №2003021652 от 25.02.2003 г. (прототип).

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электродвигателя от недопустимой токовой и тепловой перегрузки, а также ухудшения состояния изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя из-за недопустимого понижения ее сопротивления. Техническим результатом является повышение надежности защиты, уменьшение затрат на установку и обслуживание устройства защиты электродвигателя. Устройство защиты электродвигателя состоит из канала защиты от токовой перегрузки, канала защиты от тепловой перегрузки и канала защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя. Эти каналы соединены параллельно между собой и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, главные контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя. Логический оператор ИЛИ, исполнительное реле и магнитный пускатель формируют исполнительное устройство 16 защитного устройства электродвигателя. Фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока. 7 ил.

Устройство защиты электродвигателя, содержащее канал защиты от токовой перегрузки, включающий установленный на фазном проводе линии питания датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", канал защиты от тепловой перегрузки, включающий аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении измеренной датчиком температуры порогового значения, и канал защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя, включающий аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже порогового значения, соединенные между собой параллельно и подключенные посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, отличающееся тем, что фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока, аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя, а канал защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающимся при возникновении однополупериодного тока утечки в заземляющем проводе, содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, сопротивление которого увеличивается при возрастании температуры, причем параллельно позистору включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя.