УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 H02H7/85 

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах тепловой защиты электродвигателя для предотвращения его перегрева.

Известно электронное реле защиты двигателя (патент US 3808503, МПК H02H 7/08, H02H 7/085, 30.04.1974), содержащее датчики тока, выпрямительную цепь, контактор с контактами в шинах питания двигателя и цепь моделирования двигателя, состоящую из емкостного накопителя, управляемого источника зарядного тока и порогового элемента.

Недостаток устройства заключается в неполном соответствии цепи моделирования двигателя его реальным тепловым характеристикам.

Известно устройство (патент RU 2024147, МПК H02H 5/04, H02H 7/08, 30.11.1994), реализующее способ токовой защиты двигателя с зависимой характеристикой срабатывания и содержащее преобразователь входного тока в напряжение, задатчик температуры охлаждающего воздуха, масштабирующий орган, ограничитель нижнего уровня, ограничитель верхнего уровня, максиселектор, сумматоры, квадратор, пороговые органы, формирователь модуля, преобразователи напряжение - частота, логические элементы, цифроаналоговые преобразователи.

Недостатком устройства является сложность моделирования процесса нагрева обмоток двигателя и, как следствие, наличие большого числа аналоговых и цифровых элементов, необходимых для реализации устройства. Кроме того, в устройстве отсутствуют элементы индикации состояния двигателя как в процессе работы, так и в момент, предшествующий его отключению.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство релейной защиты асинхронного двигателя (патент RU 2179360, МПК H02H 7/085, 7/09, 10.02.2002), содержащее три датчика тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, активный полосовой частотный фильтр и счетчик. Устройство обеспечивает определение допустимого времени работы от момента появления перегрузки до остановки электродвигателя в зависимости от кратности отношения фазного и номинального токов.

Недостаток устройства заключается в большом числе преобразователей, необходимости поочередной обработки фазных токов двигателя, отсутствии индикации фазы с наибольшим током и фиксации тока двигателя в момент его отключения.

Предлагаемое устройство основано на использовании стандартной время-токовой характеристики электродвигателя в зоне токов перегрузки, обычно прикладываемой к документации на электродвигатель заводом изготовителем. Оно позволяет существенно упростить конструкцию, повысить надежность, точность и быстродействие устройства защиты, сократить объем и стоимость оборудования, облегчить его настройку и эксплуатацию. Кроме того, устройство отображает как в процессе работы, так и после остановки электродвигателя значение текущего тока, тока перегрузки и фазу с наибольшим током, что упрощает определение места, причины и степени тепловой перегрузки электродвигателя.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства тепловой защиты электродвигателя. На фиг.2 в линейном масштабе показана время-токовая характеристика электродвигателя - штриховая линия Т(I/I) и ее кусочно-ломанная аппроксимация формирователем время-токовой характеристики - сплошная линия U(I/I). Указанная характеристика задает время срабатывания тепловой защиты (Т) в функции от относительной величины тока перегрузки электродвигателя (I/I). На фиг.2 показано также выходное напряжение U(Т) генератора пилообразного напряжения, входящего в состав устройства.

Устройство содержит три датчика 1 тока на шинах питания электродвигателя, блок 2 контактора с контактами 3 в цепи питания обмоток 4 электродвигателя и блок 5 индикации. Устройство снабжено блоком 6 выделения наибольшего напряжения, блоком 7 индикации фазы с наибольшим током, формирователем 8 время-токовой характеристики, блоком 9 фиксации начала перегрузки электродвигателя, генератором 10 пилообразного напряжения, компаратором 11, схемой 12 выборки - хранения и RS триггером 13. Датчики 1 подключены к входам блока 6, с одним выходом 14 которого связаны входы формирователя 8 и схемы 12, а с другими выходами 15 - входы блока 7. Первый выход 16 формирователя 8 через последовательно соединенные блок 9 и генератор 10 подключен к первому входу компаратора 11, а второй выход 17 формирователя 8 - к второму входу компаратора 11, выход которого соединен с блоком 2, с управляющим входом 18 блока 7 и с входом S RS триггера 13. Выход RS триггера 13 связан с управляющим входом 19 схемы 12, к выходу которой подключен блок 5 индикации.

Блок 6 выполнен на трех операционных выпрямителях 20, входы которых подключены к входам блока 6. Выходы 21 выпрямленного напряжения выпрямителей 20 объединены и соединены с выходом 14 блока 6. Выходы 22 невыпрямленного напряжения подключены к выходам 15 блока 6.

Блок 7 выполнен на трех транзисторных ключах 23, входы которых подключены к входам блока 7, а выходы через инверторы 24 связаны с входами S синхронных RS триггеров 25, к входам С которых подсоединен управляющий вход 18 блока 7. К коллекторам ключей 23 и к выходам RS триггеров подсоединены светодиоды 26 и 27.

Формирователь 8 содержит инвертор 28, операционный выпрямитель 29 отрицательного напряжения, операционные выпрямители 30, 31 положительного напряжения и сумматор 32. Вход инвертора 28 и вторые входы выпрямителей 30, 31 подключены к входу блока 8. Выход инвертора 28 связан с вторым входом выпрямителя 29. Выходы выпрямленного напряжения выпрямителей 29, 30, 31 через переменные резисторы 33, 34, 35 соединены со входами сумматора 32, выход которого связан с выходом 17 формирователя 8. Источник 36 положительного опорного напряжения через переменный резистор 37 подключен к первому входу выпрямителя 29. Источник 38 отрицательного опорного напряжения через переменные резисторы 39, 40, 41 подсоединены к первым входам выпрямителей 30, 31 и к последнему входу сумматора 32. Выход невыпрямленного напряжения выпрямителя 29 связан с первым выходом 16 формирователя 8.

Блок 9 содержит транзисторный ключ 42, вход которого связан с входом блока 9, а в коллекторной цепи включена обмотка 43 реле, контакт 44 на размыкание которого соединен с выходом блока 9.

Генератор 10 содержит конденсатор 45, подключенный к входу генератора 10 и к истоковому повторителю на полевом 46 и биполярном 47 транзисторах, выход которого связан с выходом генератора 10.

Схема 12 содержит ключ, вход которого подключен к входу схемы 12, управляющий вход ключа - к управляющему входу 19 схемы 12, а выход - к запоминающему конденсатору 49 и к входу повторителя напряжения на операционном усилителе 50, выход которого соединен с выходом схемы 12.

Блок 2 содержит транзисторный ключ 51, вход которого соединен с входом блока 2. В коллекторную цепь ключа 51 включена обмотка 52 контактора. Параллельно транзистору 50 подключены последовательно соединенные вспомогательный разомкнутый контакт 53 контактора и нормально-замкнутая кнопка 54 отключения контактора.

Устройство тепловой защиты электродвигателя работает следующим образом.

При подаче питания на электродвигатель в обмотках 4 протекают фазные токи, воздействующие на датчики 1. На выходах датчиков 1 появляются постоянные напряжения, пропорциональные действующим значениям фазных токов. В блоке 6 на объединенных выходах 21 выпрямителей 20 выделяется наибольшее входное напряжение, например отдатчика 1, расположенного на фазе А. Это напряжение поступает на выход 14 блока 6. Одновременно с этим на выходе 22 верхнего по схеме выпрямителя 20 появляется положительное напряжение, а на выходах 22 других выпрямителей 20 - отрицательные напряжения, под действием которых в блоке 7 открывается верхний ключ 23 и закрываются нижние ключи 23. При этом загорается верхний светодиод 26, сигнализирующий о том, что наибольший ток протекает в фазе А. Кроме того, выходные сигналы ключей 23 через инверторы 24 поступают на входы S триггеров 25, подготавливая их к запоминанию фазы с наибольшим током в момент, предшествующий срабатыванию тепловой защиты.

Напряжение с выхода 14 блока 6 поступает на формирователь 8 и через схему 12, находящуюся в режиме записи, на блок 5 индикации, отображающий текущее значение тока в фазе с наибольшим током - фазе А.

Формирователь 8 обеспечивает преобразование входного напряжения в напряжение, пропорциональное время-токовой характеристике электродвигателя. Для преобразования используется метод кусочно-ломанной аппроксимации характеристики, осуществляемый с помощью инвертора 28, выпрямителей 29, 30, 31 и сумматора 32. При малых токах в обмотках 4 электродвигателя на выходах выпрямленного напряжения всех выпрямителей 29, 30, 31 присутствуют нулевые напряжения и к входу сумматора 32 через резистор 41 прикладывается только источник 38, задавая начальный уровень время-токовой характеристики, соответствующий максимальному времени срабатывания тепловой защиты, в частности - 600 секундам. При достижении током в одной из обмоток 4 начального тока перегрузки (в частности, I/I=1,25) от инвертора 28 начинает работать выпрямитель 29, формируя на своем выходе выпрямленного напряжения линейно изменяющееся положительное напряжение, которое через резистор 33 поступает на первый вход сумматора 32. В результате на выходе сумматора 32 формируется первый наклонный участок время - токовой характеристики. Причем координата точки излома характеристики по оси абсцисс определяется величиной резистора 37, а угол наклона первого участка - величиной резистора 33. Второй участок характеристики формируется с помощью выпрямителя 30, на выходе которого при следующем значении тока перегрузки (в частности, I/I=2) появляется линейно изменяющееся отрицательное напряжение, которое через резистор 34 прикладывается к второму входу сумматора 32. В результате на его выходе формируется второй участок характеристики с меньшим углом наклона. Координата начальной точки излома и угол наклона второго участка задаются с помощью резисторов 39 и 34. Аналогично формируются и последующие участки время-токовой характеристики. Координаты точек излома, количество участков и углы их наклона выбираются исходя из максимального приближения аппроксимирующей характеристики к реальной. Обычно достаточно четырех-пяти участков. Одновременно с началом работы выпрямителя 29 на его выходе невыпрямленного напряжения появляется положительный перепад напряжения, открывающий ключ 42 в блоке 9. В результате срабатывает реле 43, размыкая контакт 44. В генераторе 10 от истокового повторителя на транзисторах 46, 47 начинает заряжаться конденсатор 45, формируя на выходе на выходе генератора 10 пилообразное напряжение. Время нарастания пилообразного напряжения от нулевого значения до максимального, соответствующего начальному уровню время-токовой характеристики, равно времени срабатывания защиты при минимальной перегрузке двигателя (в частности, 600 секундам). При достижении пилообразным напряжением генератора 10 напряжения, установившегося на выходе 17 формирователя 8, срабатывает компаратор 11. Под действием выходного сигнала компаратора 11 открывается ключ 51 и срабатывает контактор 52. При этом основными контактами 3 контактора 52 размыкается цепь питания обмоток 4 электродвигателя, а вспомогательным контактом 53 он самоблокируется. Одновременно с этим выходной сигнал компаратора 11 поступает на вход 18 блока 7, устанавливая в единичное состояние триггер 25, соответствующий фазе с наибольшим током, а также переключает в единичное состояние триггер 13. В блоке 7 загорается и продолжает гореть после отключения двигателя соответствующий светодиод 27. А в схеме 12 под действием триггера 13 размыкается ключ 48, переводя ее из режима записи в режим хранения. При этом блок 5 индицирует и сохраняет после отключения электродвигателя значение наибольшего тока в фазе в момент, предшествующий срабатыванию защиты.

Кнопка 54 обеспечивает возврат контактора 52 в исходное состояние после устранения перегрева электродвигателя.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается высокая точность формирования и контроля время - токовой характеристики по наиболее нагруженной обмотке электродвигателя. Устройство обеспечивает обслуживающий персонал полной информацией о токе и фазе с наибольшим током как в рабочем состоянии, так и после отключения электродвигателя, что упрощает определение причины и места его перегрева и устранение неисправности.

При необходимости в коллекторные цепи ключей 42, 51 блоков 9, 2 могут быть включены светодиоды, сигнализирующие о начале перегрузки электродвигателя и о срабатывании тепловой защиты.

Устройство характеризуется универсальностью применения, простотой настройки и регулировки. Использованная современная элементная база снижает габариты, массу и стоимость устройства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах тепловой защиты преимущественно асинхронных электродвигателей, используемых в гребных электроприводах. Техническим результатом является обеспечение автоматического определения наиболее нагруженной обмотки электродвигателя, повышение точности и надежности контроля его теплового состояния, улучшение информативности устройства, упрощение отыскания места и устранения причины возникшей неисправности и снижение габаритов, массы и стоимости устройства. Устройство тепловой защиты электродвигателя содержит датчики тока в фазах электродвигателя, блок контактора с контактами в цепи питания обмоток электродвигателя и блок индикации, дополнительно и снабжено блоком выделения наибольшего напряжения, блоком индикации фазы с наибольшим током, формирователем время-токовой характеристики, блоком фиксации начала перегрузки электродвигателя, генератором пилообразного напряжения, компаратором, схемой выборки - хранения и RS триггером. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство тепловой защиты электродвигателя, содержащее три датчика тока на шинах питания электродвигателя, блок контактора с контактами в цепи питания обмоток электродвигателя и блок индикации, отличающееся тем, что оно снабжено блоком выделения наибольшего напряжения, блоком индикации фазы с наибольшим током, формирователем время-токовой характеристики, блоком фиксации начала перегрузки электродвигателя, генератором пилообразного напряжения, компаратором, схемой выборки-хранения и RS триггером, причем датчики тока подключены к входам блока выделения наибольшего напряжения, с одним выходом которого связаны входы формирователя время-токовой характеристики и устройства выборки-хранения, а с другими выходами - входы блока индикации фазы с наибольшим током, первый выход формирователя время-токовой характеристики через последовательно соединенные блок фиксации начала перегрузки электродвигателя и генератор пилообразного напряжения подключен к первому входу компаратора, а второй выход формирователя - к второму входу компаратора, выход которого соединен с блоком контактора, с управляющим входом блока индикации фазы с наибольшим током и со входом S RS триггера, выход которого связан с управляющим входом схемы выборки-хранения, к выходу которого подключен блок индикации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок выделения наибольшего напряжения выполнен на трех операционных выпрямителях, входы которых подключены к входам блока, выходы выпрямленного напряжения объединены и соединены с одним выходом блока, а выходы невыпрямленного напряжения подключены к другим выходам блока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок индикации фазы с наибольшим током выполнен на трех транзисторных ключах, входы которых подключены к входам блока, а выходы через инверторы связаны с входами S синхронных RS триггеров, к входам C которых подсоединен управляющий вход блока, причем к коллекторам ключей и к выходам RS триггеров подключены светодиоды.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь время-токовой характеристики электродвигателя содержит инвертор, операционный выпрямитель отрицательного напряжения, операционные выпрямители положительного напряжения и сумматор, причем вход инвертора и вторые входы операционных выпрямителей положительного напряжения подключены к входу блока, выход инвертора связан со вторым входом операционного выпрямителя отрицательного напряжения, выходы выпрямленного напряжения всех операционных выпрямителей через переменные резисторы соединены со входами сумматора, выход которого связан со вторым выходом формирователя, источник положительного опорного напряжения через переменный резистор подключен к первому входу операционного выпрямителя отрицательного напряжения, источник отрицательного опорного напряжения через переменные резисторы подсоединен к первым входам операционных выпрямителей положительного напряжения и к последнему входу сумматора, а выход невыпрямленного напряжения операционного выпрямителя отрицательного напряжения связан с первым выходом формирователя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок фиксации начала перегрузки электродвигателя содержит транзисторный ключ, вход которого связан с входом блока, а в коллекторной цепи включена обмотка реле, контакт на размыкание которого соединен с выходом блока.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор пилообразного напряжения содержит конденсатор, подключенный к входу генератора и к истоковому повторителю на полевом и биполярном транзисторах, выход которого связан с выходом генератора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема выборки-хранения содержит ключ, вход которого подключен к входу схемы выборки-хранения, управляющий вход ключа - к управляющему входу схемы, а выход - к запоминающему конденсатору и к входу повторителя напряжения на операционном усилителе, выход которого соединен с выходом схемы выборки-хранения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок контактора содержит транзисторный ключ, вход которого соединен с входом блока, а в коллекторную цепь ключа включена обмотка контактора, причем параллельно транзистору подключены последовательно соединенные вспомогательный разомкнутый контакт контактора и нормально-замкнутая кнопка отключения контактора.