УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Российский патент 2021 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических двигателей от аномальных режимов, работающих в промышленности и сельском хозяйстве.

Известно устройство для тепловой защиты электродвигателя (RU 2115987, МПК Н02Н 5/04, Н02Н 7/08. Заявлено 06.06.1996; Опубликовано: 20.07.1998).

Это устройство содержит три последовательно соединенных терморезистора с положительным коэффициентом температурного сопротивления (ТКС) и расположенных на фазных обмотках статора, однопереходный транзистор, два постоянных резистора, тиристор, симистор в цепи включения контактором электродвигателя, выпрямительный мост, соединенный одним входным выводом с управляющим выходом симистора, введены конденсатор, два диода, два подстроечных резистора, четвертый терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления, расположенный на магнитопроводе статора, один вывод которого соединен с одним свободным выводом последовательно соединенных трех терморезисторов и эмиттером однопереходного транзистора, а второй вывод с анодом первого введенного диода, катод которого соединен с первым выводом введенного первого подстроечного резистора, с катодом тиристора, с первым выводом первого резистора и отрицательным выводом выпрямительного моста, второй вывод последовательно соединенных терморезисторов соединен с первым выводом второго резистора и с первым выводом введенного конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом тиристора, с вторым выводом первого резистора и с положительным выводом выпрямительного моста, второй вывод второго резистора соединен со второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена со вторым и третьим выводами первого введенного подстроечного резистора с управляющим электродом тиристора и с первым выводом второго введенного подстроечного резистора, второй и третий выводы которого соединены с анодом введенного второго диода, катод которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выпрямительный мост другим входным выводом соединен с анодом симистора.

Недостатком известного устройства является то, что цепь управления во время работы двигателя находится под фазным напряжением. При тепловой перегрузке электродвигателя он отключается от сети, что недопустимо для некоторых электрических приводов, например для канализационных насосных станций.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы» (патент RU 2254656, МПК Н02Н 7/08, заявлено 24.03.2004, опубликовано: 20.06.2005, Бюл. №17).

Это устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее блок питания со сглаживающим конденсатором на выходе, подключенный через выходное реле к блоку стабилизации на стабилитронах, имеющему выходы повышенного и пониженного напряжения, к которым подключены транзисторные блоки температурой защиты и защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз и исполнительный орган, имеет дополнительный блок защиты, состоящий из магнитного пускателя, ветвей прямого и обратного направления, состоящих из последовательно соединенных резисторов и диодов, при этом ветвь прямого направления включена параллельно силовому контакту магнитного пускателя, а ветвь обратного направления включена через размыкающий контакт магнитного пускателя к одной из свободных фаз и к общей точке резисторов датчика обрыва фаз.

Недостатки этого устройства:

1. Сложная схема и малая надежность устройства из-за наличия большого количества узлов и дискретных элементов.

2. При наличии аварийных режимов происходит отключение электрического двигателя, что недопустимо для некоторых приводов при чрезвычайных ситуациях, когда опасно останавливать технологический процесс. Например, привод канализационных насосных станций. Установка на эти насосы частотных преобразователей приводит к тому, что при малых скоростях вращения электрические двигатели перегреваются и выходят из строя. Кроме того, на малых частотах вращения электродвигатели имеют и малый развиваемый момент. При попадании посторонних предметов электродвигатели не могут преодолеть момент сопротивления, что может приводить к режиму заторможенного ротора. Существующие защиты отключают электродвигатель, что недопустимо для этого технологического процесса.

Техническим результатом является повышение надежности работы устройства защиты и возможность безаварийной работы электропривода в процессе перегрева работающего двигателя.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, блок питания выполнен с тремя узлами, состоящими из входного помехоподавляющего фильтра, сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора на выходе, соединенного своими выводами со вторым узлом стабилизации и регулирования напряжения состоящим из контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с восемью функциональными выводами, при этом вывод CMPS ШИМ-контроллера через параллельно соединенные первый конденсатор и первый резистор соединен с выводом U_Fb и подвижным контактом потенциометра, верхний вывод которого соединен с выводом Ucc и через второй резистор с плюсом сглаживающего конденсатора, а нижний вывод потенциометра через терморезисторы с положительным ТКС соединен с отрицательным выводом сглаживающего конденсатора и общим выводом G_ND ШИМ-контроллера, а вывод C/S соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор с общим выводом G_ND, вывод Rt/Ct с одной стороны через четвертый резистор соединен с выводом Vref, а с другой стороны через второй конденсатор с общим выводом G_ND. вывод Out через пятый резистор соединен с базой полевого транзистора, одновременно с выводом Ucc через первый диод соединен первый вывод обмотки обратной связи импульсного трансформатора, а второй вывод этой обмотки соединен с общим выводом G_nd, сток полевого транзистора соединен с анодом второго диода и первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, катод этого диода через параллельно соединенные третий конденсатор и шестой резистор соединен с плюсом сглаживающего конденсатора и вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, в четвертом узле вторичная низковольтная обмотка импульсного трансформатора через силовой диод соединена с конденсатором фильтра, а последний с исполнительным органом в виде последовательно соединенных элементов Пельтье закрепленных на поверхности статора между ребрами охлаждения асинхронного двигателя с помощью распорных клиньев и хомута посредством натяжного винта, закрученного в коробку выводов, причем «холодная» сторона элементов Пельтье соединена с поверхностью статора, а «горячая» сторона с хомутом, выполняющим роль охладителя через распорные клинья.

Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что исполнительный орган выполнен в виде последовательно соединенных элементов Пельтье закрепленных на поверхности статора между ребрами охлаждения асинхронного двигателя с помощью распорных клиньев и хомута посредством натяжного винта закрученного в коробку выводов, причем «холодная» сторона элементов Пельтье соединена с поверхностью статора, а «горячая» сторона с хомутом, выполняющим роль охладителя через распорные клинья, а блок питания элементов Пельтье выполнен с тремя узлами, состоящими из входного помехоподавляющего фильтра, сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора на выходе, соединенного своими выводами со вторым узлом стабилизации и регулирования напряжения состоящим из контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с восемью функциональными выводами, при этом вывод CMPS ШИМ-контроллера через параллельно соединенные первый конденсатор и первый резистор соединен с выводом U_FB и подвижным контактом потенциометра, верхний вывод которого соединен с выводом Ucc и через второй резистор с плюсом сглаживающего конденсатора, а нижний вывод потенциометра через терморезисторы с положительным ТКС соединен с отрицательным выводом сглаживающего конденсатора и общим выводом G_nd ШИМ-контроллера, а вывод C/S соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор с общим выводом G_ND. вывод Rt/Ct с одной стороны через четвертый резистор соединен с выводом Vref, а с другой стороны через второй конденсатор с общим выводом G_nd. вывод Out через пятый резистор соединен с базой полевого транзистора, одновременно с выводом Ucc через первый диод соединен первый вывод обмотки обратной связи импульсного трансформатора, а второй вывод этой обмотки соединен с общим выводом G_nd, сток полевого транзистора соединен с анодом второго диода и первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, катод этого диода через параллельно соединенные третий конденсатор и шестой резистор соединен с плюсом сглаживающего конденсатора и вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, в четвертом узле вторичная низковольтная обмотка импульсного трансформатора через силовой диод соединена с конденсатором фильтра, а последний с последовательно соединенными элементами Пельтье.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы. На фиг.2 показан вид асинхронного двигателя со стороны вала с конструктивными элементами и элементами Пельтье. На фиг.3 показан вид асинхронного двигателя с боку. На фиг.4 показана выноска Б с фигуры 2.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержит блок питания 1 с тремя узлами 2, 3, 4 состоящими из входного помехоподавляющего фильтра 5, сетевого выпрямителя 6 с сглаживающим конденсатором 7 на выходе, соединенным своими выводами со вторым узлом 3 стабилизации и регулирования напряжения состоящим из контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 8 с восемью функциональными выводами с 9 по 16, при этом: вывод контроллера 9 (CMPS) - вход компенсации; вывод 10 (U_Fb) - вход обратной связи по напряжению; вывод 11 (C/S) - вход детектора тока; вывод 12 (Rt/Ct) - вход RC-генератора; вывод 13 (G_nd) - общий вывод; вывод 14 (Out) - выход ШИМ-контроллера; вывод 15 (Ucc) - вход питания от источника напряжения; вывод 16 (Vref) - выход внутреннего источника опорного напряжения.

Вывод 9 (CMPS) ШИМ-контроллера 8 через параллельно соединенные первый конденсатор 17 и первый резистор 18 соединен с выводом 10 (U_Fb) и подвижным контактом потенциометра 19, верхний вывод которого соединен с выводом 15 (Ucc) и через второй резистор 20 с плюсом сглаживающего конденсатора 7, а нижний вывод потенциометра 19 через три терморезистора 21 с положительным ТКС соединен с отрицательным выводом сглаживающего конденсатора 7 и общим выводом 13 (G_nd) ШИМ-контроллера 8. Вывод 11 (C/S) соединен с истоком полевого транзистора 22 и через третий резистор 23 с общим выводом 13 (G_nd). Вывод 12 (Rt/Ct) с одной стороны через четвертый резистор 24 соединен с выводом 16 (Vref), а с другой стороны через второй конденсатор 25 с общим выводом 13 (G_nd). Вывод 14 (Out) через пятый резистор 26 соединен с базой полевого транзистора 22. Одновременно с выводом 15 (Ucc) через первый диод 27 соединен первый вывод обмотки обратной связи 28 импульсного трансформатора 29, а второй вывод этой обмотки соединен с общим выводом 13 (G_nd). Сток полевого транзистора 22 соединен с анодом второго диода 30 и первым выводом первичной обмотки 31 импульсного трансформатора 29. Катод этого диода 30 через параллельно соединенные третий конденсатор 32 и шестой резистор 33 соединен с плюсом сглаживающего конденсатора 7 и вторым выводом первичной обмотки 31 импульсного трансформатора 29. В узле 4 вторичная низковольтная обмотка 34 импульсного трансформатора 29 через силовой диод 35 соединена с конденсатором фильтра 36, а последний с исполнительным органом в виде последовательно соединенных элементов Пельтье 37 закрепленных на поверхности статора 38 между ребрами охлаждения 39 асинхронного двигателя с помощью распорных клиньев 40 и хомута 41 посредством натяжного винта 42 закрученного в коробку выводов 43, причем «холодная» сторона 44 элементов Пельтье 37 соединена с поверхностью статора 38, а «горячая» сторона 45 с хомутом 41, выполняющим роль охладителя через распорные клинья 40.

В соответствии с фиг.2 и 3 асинхронный двигатель имеет подшипниковый щит 46, выходной вал 47, опоры 48 и крышку вентилятора 49.

Устройство промышленно применимо. В качестве ШИМ-контроллера можно применять микросхемы 1114ЕУ7/ИМ, 1114ЕУ8/ИМ, 1114ЕУ9/ИМ, 1114ЕУ10/ИМ, К1033ЕУ25Р, К1033ЕУ25Т с обратной связью по току и напряжению для управления ключевым каскадом. Или зарубежные прототипы UC3842, UC3843, UC3844, UC3845, UC1842, UC1843, UC1844, UC1845 [http://www.integral.by, http://www.eltom.ru/].

В качестве элементов Пельтье (куллер Пельтье) возможно применение отечественных разработок и зарубежных аналогов соответственных габаритных размеров и мощности. Мощность и габариты элементов Пельтье определяются мощностью защищаемого двигателя. Для расширения функциональных возможностей допустимо, кроме последовательного соединения применение последовательно-параллельного соединения.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы работает следующим образом.

На асинхронном двигателе который не имеет встроенных терморезисторов с положительным ТКС, необходимо их установить в лобовые части обмоток. На поверхности статора (ориентировочно под углом 120°), между ребрами охлаждения, через термопасту крепятся элементы Пельтье хомутом согласно фигуре 2 и 4.

Блок питания (фиг.1) перед началом эксплуатации настраивают следующим образом. Подключают к схеме три терморезистора, аналогичные тем, которые встроены в двигатель. Вместо элементов Пельтье через амперметр подключают эквивалентное сопротивление необходимой мощности.

При комнатной температуре подают сетевое напряжение на вход помехоподавляющего фильтра 5 блока питания 1 и потенциометром 19 устанавливают такой режим, при котором отсутствует генерация ШИМ контроллера 8, отсутствует напряжение на выходе вторичной обмотки 34 и ток в эквивалентном сопротивлении.

Нагревают терморезисторы внешним источником тепла и настраивают схему таким образом, чтобы при допустимой температуре для данного класса изоляции, например, 105°С заработал ШИМ контроллер 8, появилось напряжение на выходе вторичной обмотки 34 и ток в эквивалентном сопротивлении.

Производственные условия. В некоторых случаях, при чрезвычайных ситуациях, двигатель нельзя отключать по технологическим причинам. Такая ситуация наблюдается в канализационных насосных станциях. При частотном регулировании скорости асинхронного двигателя на малых скоростях вращения резко снижается производительность вентиляции, происходит тепловая перегрузка электродвигателя, и он отключается от сети в реальных условиях.

В нашем случае при повышении температуры появляется напряжение на элементах Пельтье, они поглощают тепло от поверхности статора, передают тепло через распорные клинья 40 и хомут 41 в окружающую среду.

Таким образом, двигатель продолжает работу без перегрева и останова. После изменения нагрузки или увеличении частоты вращения, восстанавливается естественная (штатная) вентиляция, на двигателе снижается температура, уменьшается сопротивление терморезисторов 21. Это сопротивление влияет на ШИМ контроллер 8. Генерация прекращается, исчезает напряжение на выходе вторичной обмотки 34 и ток в элементах Пельтье. Прекращается расход энергии элементами Пельтье.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности работы устройства защиты и возможность безаварийной работы электропривода в процессе перегрева работающего двигателя. Устройство содержит блок питания, выполненный с тремя узлами. Первый узел включает входной помехоподавляющий фильтр, сетевой выпрямитель и сглаживающий конденсатор на выходе. Второй узел стабилизации и регулирования напряжения содержит контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с восемью функциональными выводами, три конденсатора, шесть резисторов, потенциометр с подвижным контактом, терморезистор, полевой транзистор, два диода и первичную обмотку импульсного трансформатора. Третий узел содержит вторичную низковольтную обмотку импульсного трансформатора, силовой диод и конденсатором фильтра. Исполнительный орган выполнен в виде последовательно соединенных элементов Пельтье, закрепленных на поверхности статора между ребрами охлаждения асинхронного двигателя с помощью распорных клиньев и хомута посредством натяжного винта, закрученного в коробку выводов. «Холодная» сторона элементов Пельтье соединена с поверхностью статора, а «горячая» сторона с хомутом, выполняющим роль охладителя через распорные клинья. 4 ил.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее блок питания, блоки стабилизации, выходы повышенного и пониженного напряжения, исполнительный орган, отличающееся тем, что блок питания выполнен с тремя узлами, состоящими из входного помехоподавляющего фильтра, сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора на выходе, соединенного своими выводами со вторым узлом стабилизации и регулирования напряжения, состоящим из контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с восемью функциональными выводами, при этом вывод CMPS ШИМ-контроллера через параллельно соединенные первый конденсатор и первый резистор соединен с выводом U_Fb и подвижным контактом потенциометра, верхний вывод которого соединен с выводом Ucc и через второй резистор с плюсом сглаживающего конденсатора, а нижний вывод потенциометра через терморезисторы с положительным ТКС соединен с отрицательным выводом сглаживающего конденсатора и общим выводом G_Nd ШИМ-контроллера, а вывод C/S соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор с общим выводом G_Nd, вывод Rt/Ct с одной стороны через четвертый резистор соединен с выводом Vref, а с другой стороны через второй конденсатор с общим выводом G_ND, вывод Out через пятый резистор соединен с базой полевого транзистора, одновременно с выводом Ucc через первый диод соединен первый вывод обмотки обратной связи импульсного трансформатора, а второй вывод этой обмотки соединен с общим выводом G_Nd, сток полевого транзистора соединен с анодом второго диода и первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, катод этого диода через параллельно соединенные третий конденсатор и шестой резистор соединен с плюсом сглаживающего конденсатора и вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, в четвертом узле вторичная низковольтная обмотка импульсного трансформатора через силовой диод соединена с конденсатором фильтра, а последний с исполнительным органом в виде последовательно соединенных элементов Пельтье, закрепленных на поверхности статора между ребрами охлаждения асинхронного двигателя с помощью распорных клиньев и хомута посредством натяжного винта, закрученного в коробку выводов, причем «холодная» сторона элементов Пельтье соединена с поверхностью статора, а «горячая» сторона с хомутом, выполняющим роль охладителя через распорные клинья.