Устройство для тепловой защиты трехфазных асинхронных электродвигателей Советский патент 1992 года по МПК H02H5/04 

СО

с

Использование: область автоматизированного электропривода, в частности защита электродвигателей сельскохозяйственных машин. Сущность изобретения: устройство содержит нагревательный элемент, подключенный к фазному проводу, тепло- проводящий стержень, боковая поверхность и один из концов которого покрыты теплоизоляционным материалом, датчики температуры. Нагревательный элемент расположен на теплоизолированном конце, термодатчики на концах стержня. Нагревательный элемент и датчики находятся в тепловом контакте со стержнем. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от токовых перегрузок.

Известно устройство для тепловой защиты электрической машины, содержащее сердечник с намотанной на нем нагревательной обмоткой, терморезистор с намотанной на нем дополнительной обмоткой, включенной последовательно с нагревательной обмоткой и якорной обмоткой электрической машины, а также воздушный промежуток между сердечником и местом крепления терморезистора на нагревательной обмотке.

Недостатками этого устройства является выполнение нагревательного элемента в распределенном виде - в виде двух катушек, что снижает точи ость моделирования тепловых процессов электродвигателя, т.к. вносит элемент нелинейности при широком

диапазоне изменения величины плотности тока, т.к. терморезистор при большом диапазоне изменения токов - нелинейный элемент.

Известно также устройство для защиты электродвигателя от перегрева, содержащее три проводника, между которыми размещен датчик температуры, подключенный к реагирующему органу, соединенные одними концами в звезду, а другими концами подключенные к нулевым выводам обмоток электродвигателя.

Недостатками этого устройства является то, что оно моделирует только электротепловые процессы без учета потерь в стали, характерных для асинхронных электродвигателей, что повышает вероятность их ложных отключений.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является Устройство для тепловой

ч|

ч

ю

00

о

защиты электрической машины, содержащее цилиндрическую капсулу, в которой расположены и находятся с ней в тепловом контакте первая группа нагревательных элементов, подключенных к фазам электродвигателя последовательно, вторая группа нагревательных элементов, подключенных параллельно фазам электродвигателя, датчик температуры, электрически соединенный с реагирующим органом, а также шайбы, выполненные из материала с низкой и высокой теплопроводностью, находящиеся на наружной поверхности цилиндрической капсулы.

Недостатками этого устройства являются низкая точность моделирования тепловых процессов при больших токовых перегрузках электродвигателя и сложность конструкции устройства.

Цель изобретения - повышение надежности защиты путем увеличения точности моделирования тепловых процессов и упрощение конструкции устройства.

При малой токовой перегрузке тепловыделения от нагревательного элемента возрастают: стержень, имеющий теплоизоляцию на боковой поверхности и одном конце нагревается, температура неизолированного конца стержня, находящегося в состоянии свободного теплообмена с окружающей средой, и датчика возрастает и достигает с заданной задержкой времени температуры срабатывания, соответствующей максимально допустимой температуре при малой перегрузке. При этом вырабатывается сигнал на отключение защищаемого электродвигателя. При большой токовой перегрузке тепловыделения от нагревательного элемента резко возрастают и температура датчика, находящегося в непосредственной близости от нагревательного элемента, достигает температуры срабатывания, соответствующей максимально допустимой температуре при большой перегрузке раньше, чем температура датчика, находящегося на неизолированном конце стержня, достигнет своего уровня температуры срабатывания.

Нагревательный элемент подключается к фазе электродвигателя последовательно или через трансформатор тока. На обоих концах стержня размещаются датчики температуры. Температура нагрева электродвигателя моделируется в зависимости от его нагрузки.

Для защиты трехфазного асинхронного электродвигателя используется три тепловых аналога (состоящих из элементов 1,2,3, 4,5), подключаемых к каждой фазе. Возможность увеличения точности моделирования

тепловых процессов путем подбора характеристик модели на основе совместного решения дифференциального уравнения теплового баланса асинхронного электродвигателя и линейного параболического дифференциального уравнения нагревания стержня с граничным условием второго рода на левой границе и граничным условием первого рода на правой границе позволяет

0 более полно.использовать тепловой запас электродвигателя и исключить ложные срабатывания защиты.

На чертеже приведено предлагаемое устройство, общий вид.

5 Устройство содержит нагревательный элемент 1, подключенный к фазному проводу, теплопроводящий стержень 2, боковая поверхность и один из концов которого покрыты теплоизоляционным материалом 3,

0 датчиков температуры 4 и 5. Нагреватель-1 ный элемент расположен на теплоизолированном конце, термодатчики на концах стержня, Нагревательный элемент и датчики находятся в тепловом контакте со стерж5 нзм.

Устройство работает следующим образом.

При номинальной нагрузке электродвигателя температура датчиков 4 и 5 ниже тем0 пературы срабатывания. При малой тепловой перегрузке тепловыделения от на- . гревательного элемента 1 возрастают, стержень нагревается, температура датчика 4 возрастает до температуры срабатывания,

5 соответствующей максимально-допустимой температуре при малой перегрузке, определенной международным стандартом МЭК 34-11. При этом вырабатывается сигнал на отключение защищаемого электродвигате0 ля.

При большой токовой перегрузке тепловыделения от нагревательного элемента 1 резко возрастают и температура датчика 5, находящегося в непосредственной близо5 сти от нагревательного элемента, достигает температуры срабатывания, соответствующей максимально допустимой температуре при большой перегрузке по МЭК34-11 раньше, чем температура датчика 4 достигнет

0 своего уровня температуры срабатывания. Датчики температуры соединяются с реагирующим блоком типа УВТЗ.

При повышении температуры электродвигателя температура стержня 2, а следо5 вательно температура датчиков 4 и 5, находящихся с ним в тепловом контакте, также повышается. При повышении температуры двигателя, а следовательно, стержня выше заданных пределов, двигатель отключается. Причем, при большой тепловой перегрузке сигнал на отключение электродвигателя поступает от датчика 5, так как он быстрее, чем датчик А регулирует на скорость изменения температуры нагревательного элемента. При малой тепловой перегрузке сигнал на отключение электродвигателя поступает от датчика 4, так как заданный предел температуры, на который рассчитан датчик 5 (соответствующий допустимой температуре при большой перегруз- ке согласно МЭК 34-11) значительно больше заданного предела температуры (соответствующей максимально допустимой температуре при малой перегрузке согласно МЭК 34-11), на который рассчитан датчик 4.

Параметры стержня выбираются таким образом, чтобы изменение температуры неизолированного конца стержня соответствовало изменению температуры обмоток статора электродвигателя при номинальном режиме и малой перегрузке электродвигателя, а изменение температуры изолированного конца стержня соответствовало изменению температуры обмоток статора электродвигателя при большой перегрузке.

Выбор параметров стержня произво- дится на основе совместного решения диф- ференциального уравнения теплового баланса асинхронного электродвигателя (1) и линейного параболического дифференциального уравнения нагревания стержня с граничным условием второго рода на левой границе и граничным условием первого ро- да на первой границе (2),

-F(v-vB)dt+Cg -G-dv (1) dv , #У

С О -r+ ах2 I2 R t(2)

/11i д V ,

a(v-vb) v(x,0)V8

5 10 15

20 25

30 35

0

5

где АР- суммарные потери мощности в электродвигателе;

Сд - теплоемкость электродвигателя;

v - температура электродвигателя и стержня;

VB температура окружающей среды;

F - площадь поверхности электродвигателя;

G - масса электродвигателя;

а - коэффициент теплопередачи электродвигателя;

t - время работы электродвигателя;

1 - ток, протекающий по обмотке электродвигателя и нагревательному элементу;

R - сопротивление нагревательного элемента;

С - теплоемкость стержня;

р- удельный вес стержня;

а - длина стержня;

Я - коэффициент теплопроводности стержня.

При использовании трансформатора тока в (2) должен быть учтен соответствующий масштаб тока.

Формула изобретения Устройство для тепловой защиты трехфазных асинхронных электродвигателей, содержащее тепловой аналог, нагревательный элемент, предназначенный для подключения последовательно с фазным проводом защищаемого электродвигателя, датчик температуры, соединенный с реагирующим органом, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности защиты путем увеличения точности моделирования тепловых процессов и упрощения конструкции устройства, тепловой аналог выполнен в виде теплопроводящего стержня, при этом боковая поверхность и один конец стержня теплоизолированы, нагревательный элемент и датчик температуры установлены на его теплоизолированном конце, а вновь введенный дополнительный датчик температуры установлен на другом конце стержня, который находится в тепловом контакте с окружающей средой.