УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Российский патент 2023 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты трехфазных электродвигателей, работающих в промышленности и в сельском хозяйстве в автоматическом режиме при частотном управлении, в частности для привода канализационных насосов.

Известно устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы по патенту МПК Н02Н 7/08 №2182395. Опубл.: 10.05.2002. Бюл. №13. Авторы: Карташов Б.А., Оськин С.В., Таранов Д.М.

В этом устройстве защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы имеется блок питания, блок стабилизации со стабилитроном повышенного и пониженного напряжения, блок температурной защиты, терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), введен блок компенсации динамической температурной погрешности в виде дифференциального усилителя. Совместное использование указанного блока с уже имеющимися блоками температурной защиты и защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети существенно повышает 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.

Недостатком данного устройства является:

1. Высокая интенсивность отказов за счет наличия большого количества дискретных элементов (транзисторы, резисторы, диоды и другие элементы).

2. К стабилитрону пониженного напряжения подключены блок температурной защиты, блок защиты от несимметрии напряжений и обрыва фаз питающей сети и другие элементы, которые влияют на стабильность напряжения. При работе эти блоки взаимодействуют друг с другом и снижают точность регулирования и точность срабатывания защиты.

3. Применяемые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления настроены на одну фиксированную температуру срабатывания, и устройство защиты срабатывает при достижении этой фиксированной температуры. Такая ситуация не приемлема для некоторых электроприводов с частотным управлением, например, для привода канализационных насосов, когда при снижении частоты вращения ротора резко возрастает температура двигателя и известное устройство защиты сработает от этого превышения температуры. Это приводит к нарушению технологического процесса, что недопустимо для опасных технологических процессов, например для привода канализационных насосов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, взятому за прототип, является «Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы» по патенту РФ №2254656 МПК Н02Н 7/08, Опубл.: 20.06.2005. Бюл. №17.

Известное устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы содержит магнитный пускатель, блок питания со стабилизатором напряжения на дискретных элементах, блок температурной защиты с терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления, блок защиты от несимметрий напряжений и обрыва фаз, блок сигнализации со светодиодами, блок защиты от снижения сопротивления изоляции обмотки статора трехфазного электродвигателя и элементы схемы в виде резисторов, светодиодов и катушки выходного реле.

Недостатки этого устройства:

1. Для прототипа присущи многие недостатки, которые указаны выше для аналога по патенту №2182395.

2. Так же, как недостаток, можно отметить наличие большого количества других функциональных защит: блок защиты от несимметрий напряжений и блок защиты от обрыва фаз, блок сигнализации, блок защиты от снижения сопротивления изоляции обмотки статора трехфазного электродвигателя. Все эти блоки запитаны от параметрического стабилитрона, а стабильность его. напряжения влияет на точность срабатывания всех защит, что снижает точность и надежность работы всего устройства.

3. Большинство современных асинхронных двигателей (АД) имеют сервис-фактор, равный 1,1 и 1,15, т.е. они выдерживают определенную перегрузку на 10 % и 15 % (по мощности) соответственно. В прототипе не предусмотрена функция отслеживания кратковременных перегрузок АД, что приводит к ложным срабатываниям защиты.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что при частотном управлении АД в момент снижения частоты тока и скорости вращения ротора наблюдается кратковременный рост температуры обмоток двигателя и его элементов. Это может привести к ложному срабатыванию известной температурной защиты.

Техническим результатом является упрощение конструкции устройства защиты и повышение надежности защиты путем задержки времени отключения асинхронного двигателя при кратковременном повышении температуры и с учетом сервис-фактора, за счет применения двух компараторов и двух групп терморезисторов с двумя уровнями температуры срабатывания, например 120 °С и 130 °С.

Технический результат достигается тем, в устройстве для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащем магнитный пускатель, блок питания со стабилизатором напряжения, к которому подключены блок температурой защиты с терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления и элементы схемы в виде резисторов, светодиодов и катушки выходного реле, согласно изобретению введены транзисторные оптроны и преобразователь частоты, а блок температурной защиты выполнен в виде двух компараторов, на вход первого из них, подключены первые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и первым уровнем рабочей температуры, на вход второго компаратора подключены вторые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и вторым уровнем рабочей температуры, при этом первый уровень рабочей температуры ниже чем второй уровень рабочей температуры, выход первого компаратора через первый согласующий резистор, первый светодиод и светодиод первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения, выход второго компаратора через второй согласующий резистор, второй светодиод и светодиод второго транзисторного оптрона через переход первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения, транзисторы первого транзисторного оптрона и второго транзисторного оптрона составляют логическое «И», соединены последовательно между собой, с катушкой выходного реле и с выводами стабилизатора напряжения, размыкающий контакт выходного реле последовательно соединяет нулевой провод сети с катушкой магнитного пускателя и фазным проводом через кнопку «пуск» зашунтированную блок контактом магнитного пускателя и кнопку «стоп», при этом защищаемый асинхронный двигатель через преобразователь частоты, силовые контакты магнитного пускателя и автоматический выключатель соединен с трехфазной сетью А, В, С, N.

Новизна заявляемого предложения, согласно изобретению, обусловлена тем, что за счет специальных схемных решений путем задержки времени отключения асинхронного двигателя при кратковременном повышении температуры и с учетом сервис-фактора, за счет применения двух компараторов и двух групп терморезисторов с двумя уровнями температуры срабатывания, например 120 °С и 130 °С обеспечивается упрощение конструкции устройства защиты и повышение надежности защиты.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известно техническое решение, представляющее собой новую совокупность признаков, направленная на достижение технического результата, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».  

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Макетный образец устройства изготовлен и испытан в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана экспериментальная кривая нагрева асинхронного двигателя, которая получена в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода КубГАУ. На фигуре 2 показана схема устройства для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы.

Согласно фигуре 2 устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы содержит выводы с 1 по 8 первого компаратора 9 и второго компаратора 10 блока температурной защиты 11, неинвертирующий вход 3 первого компаратора 9 через первый потенциометр 12 и первый резистор смещения 13 соединен с выводами «плюс» и «минус» стабилизатора напряжения 14, инвертирующий вход 2 первого компаратора 9 соединен с тремя первыми терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) 15 которые последовательно соединены с первым токоограничивающим резистором 16 и с выводами «плюс» и «минус» стабилизатора напряжения 14, вывод 1 первого компаратора 9 через первый согласующий резистор 17 первый светодиод 18 и светодиод 19 первого транзисторного оптрона 20 соединен с выводом «плюс» стабилизатора напряжения 14, неинвертирующий вход 5 второго компаратора 10 через второй потенциометр 21 и второй резистор смещения 22 соединен с выводами «плюс» и «минус» стабилизатора напряжения 14, инвертирующий вход 6 второго компаратора 10 соединен с тремя вторыми терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) 23 которые последовательно соединены со вторым токоограничивающим резистором 24 и с выводами «плюс» и «минус» стабилизатора напряжения 14, вывод 7 второго компаратора 10 через второй согласующий резистор 25 второй светодиод 26 и светодиод 27 второго транзисторного оптрона 28 соединен с выводом «плюс» стабилизатора напряжения 14, между выводами «плюс» и «минус» стабилизатора напряжения 14 транзисторы 20, 28 оптронов представляют логический элемент «И», соединены последовательно между собой и катушкой выходного реле 29 с нормально замкнутым контактом 30.

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) 15 и 23 оптимально размещены в лобовых частях каждой фазы обмотки статора защищаемого двигателя.

Нормально замкнутый (размыкающий) контакт 30 выходного реле 29 последовательно соединяет нулевой провод 31 с катушкой 32 магнитного пускателя и фазным проводом 33 через кнопку «пуск» 34 зашунтированную блок контактом 35 и кнопку «стоп» 36.

Защищаемый асинхронный двигатель 37 через преобразователь частоты 38, силовые контакты 39 магнитного пускателя 32 и автоматический выключатель 40 соединен с трехфазной сетью А, В, С, N.

Схема работает следующим образом. При замыкании контактов автоматического выключателя 40 напряжения трехфазной сети А, В, С, N поступает на силовые контакты 39 магнитного пускателя 32 и стабилизатор напряжения 14. На выходе стабилизатора напряжения 14 возникает необходимое напряжение (например, 12 Вольт) которое питает схему защиты.

При нажатии кнопки «пуск» 34 срабатывает магнитный пускатель 32 и силовыми контактами 39 через преобразователь частоты 38 включает асинхронный двигатель 37 в работу. Асинхронный двигатель 37 работает в стационарном режиме, заданном оператором посредством преобразователя частоты 38.

От электрических потерь температура двигателя растет по экспериментальной зависимости, представленной на фигуре 1. Компараторы 9 и 10 находятся в исходном состоянии, заданном потенциометрами 12 и 21.

В процессе работы, например, на 50-й минуте снизилась частота вращения ротора асинхронного двигателя. При этом снижается производительность вентилятора двигателя и его теплоотдача. За счет теплоемкости двигателя некоторое время температура его возрастает (фиг.1).

Температура обмоток асинхронного двигателя возрастает (больше 120°С). Первые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 15 с рабочей температурой 120°С резко увеличивают свое сопротивление. Компаратор 9 переключается и на выходе 1 возникает нулевой потенциал. Через светодиоды 18, 19 и первый согласующий резистор 17 проходит ток. Излучающий светодиод 18, например, желтый, сигнализирует о перегрузке двигателя, по которому оператор принимает решение, например, проверяет расход и давление перекачиваемой жидкости.

Транзистор 20 оптронной пары открывается, но это не влияет на работу схемы, так как этот транзистор с транзистором 28 представляет транзисторный логический элемент «И». С течением времени, например, на 62 минуте, уменьшается нагрузка и снижается температура обмоток двигателя. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 15 уменьшают сопротивление, компаратор 9 переключится в исходное состояние, на выходе 1 появляется рабочая единица, гаснут светодиоды 18 и 19, закрывается транзистор 20.

При дальнейшем возрастании нагрузки, например, после 67 минуты (фиг.1) растет и температура обмоток. Компаратор 9 вновь переключится и на выходе 1 возникает нулевой потенциал. Через светодиоды 18, 19 и первый согласующий резистор 17 снова проходит ток, транзистор 20 заново открывается. Излучающий светодиод 18, например желтый, сигнализирует о достижении температуры двигателя более 120°С.

Дальнейшее увеличение температуры (80 минут) вызывает изменение состояния вторых терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления 23 с рабочей температурой 130°С. Они резко увеличивают свое сопротивление. Компаратор 10 переключается и на выходе 7 возникает нулевой потенциал. Через светодиоды 26, 27 и второй согласующий резистор 25 проходит ток. Транзистор 28 оптрона открывается. Излучающий светодиод 26, например, красный, сигнализирует о перегрузке двигателя по допустимой по нагреву (130°С) температуре обмоток.

Через открытые транзисторы 20, 28 (транзисторный логический элемент «И») и катушку выходного реле 29 проходит ток. Реле 29 срабатывает и размыкает нормально замкнутый контакт 30 в цепи питания катушки 32 магнитного пускателя. Магнитный пускатель 32 контактами 39 отключает преобразователь 38 и защищаемый асинхронный двигатель 37 от сети А, В, С.

Стабилизатор напряжения 14 имеет питание от фазного напряжения сети. Уместно применение стабилизатора напряжения для светодиодных лент на ток больше 0,5 Ампер. Первые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 15 используются, например, на 120°С. Вторые терморезисторы с положительным ТКС 25 используются, например, на следующую градацию 130°С (по рекомендациям DIN 44081 или DIN 44082).

Первый компаратор 9 и второй компаратор 10 из серии сдвоенных компараторов 1401СА3 (аналог LM393P).

Транзисторные оптроны 20, 28 со схемой Дарлингтона рекомендуются типа АОТ165В1 или аналогичные с допустимыми электрическими параметрами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты трехфазных электродвигателей, работающих в промышленности и в сельском хозяйстве в автоматическом режиме при частотном управлении, в частности для привода канализационных насосов. Техническим результатом является упрощение конструкции устройства защиты и повышение надежности защиты путем задержки времени отключения асинхронного двигателя при кратковременном повышении температуры и с учетом сервис-фактора, за счет применения двух компараторов и двух групп терморезисторов с двумя уровнями температуры срабатывания. Технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, согласно изобретению, введены транзисторные оптроны, преобразователь частоты, а блок температурной защиты выполнен в виде двух компараторов. На вход первого компаратора подключены первые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и первым уровнем рабочей температуры. На вход второго компаратора подключены вторые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и вторым уровнем рабочей температуры. Выход первого компаратора через первый согласующий резистор, первый светодиод и светодиод первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения. Выход второго компаратора через второй согласующий резистор, второй светодиод и светодиод второго транзисторного оптрона через переход первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения. Транзисторы первого транзисторного оптрона и второго транзисторного оптрона составляют логическое «И», соединены последовательно между собой, с катушкой выходного реле и с выводами стабилизатора напряжения. Размыкающий контакт выходного реле последовательно соединяет нулевой провод сети с катушкой магнитного пускателя и фазным проводом через кнопку «пуск» зашунтированную блок контактом магнитного пускателя и кнопку «стоп». Защищаемый асинхронный двигатель через преобразователь частоты, силовые контакты магнитного пускателя и автоматический выключатель соединен с трехфазной четырехпроводной сетью. 2 ил.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее магнитный пускатель, блок питания со стабилизатором напряжения, к которому подключены блок температурой защиты с терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления и элементы схемы в виде резисторов, светодиодов и катушки выходного реле, отличающееся тем, что введены транзисторные оптроны, преобразователь частоты, а блок температурной защиты выполнен в виде двух компараторов, на вход первого из них подключены первые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и первым уровнем рабочей температуры, на вход второго компаратора подключены вторые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и вторым уровнем рабочей температуры, при этом первый уровень рабочей температуры ниже, чем второй уровень рабочей температуры, выход первого компаратора через первый согласующий резистор, первый светодиод и светодиод первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения, выход второго компаратора через второй согласующий резистор, второй светодиод и светодиод второго транзисторного оптрона через переход первого транзисторного оптрона соединен с плюсом стабилизатора напряжения, транзисторы первого транзисторного оптрона и второго транзисторного оптрона составляют логическое «И», соединены последовательно между собой, с катушкой выходного реле и с выводами стабилизатора напряжения, размыкающий контакт выходного реле последовательно соединяет нулевой провод сети с катушкой магнитного пускателя и фазным проводом через кнопку «пуск» зашунтированную блок контактом магнитного пускателя и кнопку «стоп», при этом защищаемый асинхронный двигатель через преобразователь частоты, силовые контакты магнитного пускателя и автоматический выключатель соединен с трехфазной сетью А, В, С, N.