Патент на изобретение №2350001

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении точности срабатывания устройства и тем самым своевременного отключения электродвигателя. Для этого устройство содержит трансформаторы тока, магнитный пускатель, трехфазный источник переменного тока, выпрямитель, блок контроля перегрузки, блок формирования времятоковой характеристики, состоящий из теплового имитатора электродвигателя, выполненного на операционном усилителе с отрицательной обратной параллельной RC-связью, также компаратора и исполнительного реле. В тепловой имитатор введен второй операционный усилитель с отрицательной обратной параллельной RC-связью, инвертирующий вход которого подключен через масштабный резистор к выходу первого операционного усилителя, а его выход через другой масштабный резистор к входу первого операционного усилителя. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для отключения электродвигателя от сети при аварийных режимах работы.

Известны устройства для защиты электродвигателей, содержащие трансформаторы тока, для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель напряжений, блок контроля перегрузки, тепловой имитатор электродвигателя, компаратор и исполнительное реле [1].

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты электродвигателя, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы – к входам блока формирования времятоковой характеристики, к выходам последнего через компаратор подключены входы исполнительного реле [2]. В известных устройствах защиты питание схемы осуществляется от тех же трансформаторов, выпрямителей, от которых снимается информация о величине тока, защищаемой цепи. Это снижает массу и габариты устройства.

Недостатком известного устройства является то, что выходное напряжение теплового имитатора недостаточно точно соответствует температуре обмоток электродвигателя. Это снижает точность срабатывания устройства и своевременного отключения электродвигателя.

Задачей изобретения является повышение точности срабатывания устройства и тем самым своевременное отключение электродвигателя.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для защиты электродвигателя, содержащем трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, и блок формирования времятоковой характеристики, состоящий в свою очередь из теплового имитатора электродвигателя, выполненного на операционном усилителе с отрицательной обратной параллельной RC-связью, и компаратора, входы блока формирования подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходные нормально разомкнутые контакты которого через обмотку исполнительного реле подключены к источнику напряжения, в тепловой имитатор введен второй операционный усилитель с отрицательной обратной параллельной RC-связью, инвертирующий вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход второго к входу первого операционного усилителя. Такое выполнение устройства позволяет получать на выходе блока формирования времятоковой характеристики напряжение, имитирующее температуру обмоток статора электродвигателя с учетом температуры стали статора.

На фиг.1 показана электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 – структурная схема теплового имитатора двигателя.

Устройство содержит трансформаторы 1-3 тока для подключения в фазы А-С питания электродвигателя, выпрямитель 4, входы которого подключены к выходам трансформаторов 1-3 тока, блок 5 контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя 4, блок формирования времятоковой характеристики, который в свою очередь состоит из теплового имитатора 6 и компаратора 7. Выходные нормально разомкнутые контакты компаратора, являющиеся одновременно выходными контактами блока формирования времятоковой характеристики, соединены последовательно с обмоткой исполнительного реле 8, а образованная последовательная цепь подключена к источнику напряжения. В блок формирования времятоковой характеристики может входить квадратор 9, выполненный на операционном усилителе применением полевого транзистора 10 с управляющим p-n-переходом. Блок 5 контроля перегрузки выполнен в виде последовательно включенных стабилитрона 11, шунтирующего резистора 12 и стабилитрона 13. В качестве фильтра использован конденсатор 14. Катод стабилитрона 11 подключен к положительной клемме выпрямителя, а анод стабилитрона 13 – к отрицательной клемме выпрямителя, концы шунтирующего резистора 12 образуют выходные клеммы блока 5 контроля перегрузки.

Электродвигатель 15 подключен посредством магнитного пускателя 16 к трехфазному источнику переменного тока с фазами А, В, С и нулевым проводом N.

Питание операционных усилителей и компаратора осуществляется от напряжений, снимаемых с выхода выпрямителя 4. С целью наглядности работы устройства провода, соединяющие питание с операционным усилителями и компаратором, в электрической схеме не показаны.

Катушка магнитного пускателя 16 включается в сеть посредством нормально разомкнутой кнопки 17 «Пуск» и нормально замкнутой кнопки 18 «Степ». Параллельно кнопки «Пуск» подключены нормально разомкнутые контакты пускателя 16. Последовательно кнопке 18 «Стоп» включены нормально замкнутые контакты исполнительного реле 8.

Дополнительно в устройстве предусмотрена возможность ускоренного отключения сети от токов перегрузки. Для этой цели между выходной отрицательной клеммой выпрямителя 4 и одним из входом компаратора 7 включен стабилитрон 19.

В предлагаемом устройстве тепловой имитатор 6 выполнен на операционном усилителе 20 с отрицательной связью.

Отрицательная обратная связь обеспечивается с помощью резистора 21 и конденсатора 22, включенных между собой параллельно и между выходом инвертирующим входом усилителя. В тепловой имитатор введен второй операционный усилитель 23 также с отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь в усилителе обеспечивается с помощью резистора 24 и конденсатора 25, включенных также между собой параллельно и между инвертирующим входом и выходом усилителя. Причем инвертирующий вход усилителя 23 подключен через масштабный резистор 26 к выходу усилителя 20, а его выход через масштабный резистор 27 к входу усилителя 20.

Устройство работает следующим образом.

При нажатии кнопки 17 «Пуск» на катушку магнитного пускателя 16 подается напряжение сети. Замыкаются силовые контакты пускателя 16, напряжение сети подается к электродвигателю, одновременно замыкаются контакты, шунтирующие кнопку «Пуск», и поддерживается подача напряжения к катушке пускателя 16. При этом по первичным обмоткам трансформаторов 1-3 потекут токи. Во вторичных обмотках этих трансформаторов будут индуцироваться напряжения, и через эти обмотки возникнут токи, величина которых определяется коэффициентом передачи трансформаторов. Величина выходного напряжения выпрямителя 4 будет определяться величиной стабилизации напряжений стабилитронов 11, 13 и падения напряжения на шунтирующем резисторе 12. Ввиду малости сопротивления шунтирующего резистора выходное напряжение выпрямителя будет поддерживаться стабильным и может быть непосредственно использовано для питания операционных усилителей и компаратора.

Режим работы транзистора 10 задается сопротивлением резистора 12, 28 на начальном участке его вольт-амперной характеристики. Можно считать, что ток, протекающий через резистор 28, будет пропорционален токам, протекающим через обмотки трансформаторов 1-3. Ток i_c стока транзистора 10 будет почти равен току резистора 12. При малых напряжениях U_cu сток – исток полевой транзистор ведет себя как управляемый резистор, сопротивление канала которого пропорционально абсолютному напряжению на его р-п-переходе. Следовательно, полевой транзистор, затвор которого соединен с истоком, имеет квадратичную зависимость U_cu=f(i_c)², так как ток стока определяет падение напряжения канала, которое в свою очередь определяет сопротивление канала. Сопротивление R_cu сток – исток канала имеем как функцию от тока i_c стока транзистора, т.е.

С другой стороны ток i_c стока определяется по закону Ома

Решая совместно (1) и (2), получим

или ,

т.е. ток стока имеет квадратичную зависимость падения напряжения на транзисторе от тока стока.

Выходное напряжение имитатора 6 имитирует величину температуры нагрева обмоток статора асинхронного двигателя. Резистор 21, включенный параллельно конденсатору 22, имитирует охлаждение обмоток путем разряда конденсатора 22.

Выходное напряжение операционного усилителя 23 имитирует величину температуры нагрева стали статора. Резистор 24, включенный параллельно конденсатору 25, имитирует охлаждение стали двигателя. Масштабный резистор 26 определяется исходя из коэффициента нагрева стали от обмоток статора, а масштабный резистор 27 – исходя из коэффициента нагрева обмоток статора от стали. Отсюда выходное напряжение теплового имитатора 6 будет имитировать фактический нагрев обмоток статора не только с учетом их охлаждения, но и с учетом температуры нагрева стали и ее охлаждения.

При достижении напряжения на выходе теплового имитатора порога срабатывания, устанавливаемого резисторами на входе компаратора 7, замыкается электронный ключ на его выходе, по обмотке исполнительного реле 8 потечет ток, размыкаются его нормально замкнутые контакты, которые включены последовательно с кнопкой «Стоп». Через катушку магнитного пускателя 16 прекратится ток и его контакты разомкнутся. Электродвигатель обесточивается.

Если к электродвигателю ток протекал не выше установленного значения, его пуск прошел нормально и электродвигатель нормально функционирует, то выходное напряжение имитатора 6 не достигает порога срабатывания компаратора 7.

При отключении электродвигателя от сети кнопкой «Стоп» или в результате аварийного срабатывания устройства через обмотки трансформаторов 1-3 токи прекращаются, обмотка исполнительного реле 8 обесточивается, его контакты смыкаются, т.е. через некоторый интервал времени устройство готово для повторного пуска. Конденсатор 22 имитатора 6 постепенно разряжается через резистор 21, соответственно.

При возникновении аварийных режимов работы, например при замыкании цепи, через первичные обмотки трансформаторов 1-3 потекут большие токи, превышающие пусковые. На выходе выпрямителя 4 появится значительно большее напряжение. Рабочая точка стабилитрона 19 входит в режим электрического пробоя, в результате чего на средней точке делителя напряжения компаратора 7 напряжение падает. Компаратор срабатывает, через обмотку исполнительного реле 8 потечет ток и произойдет отключение магнитного пускателя от напряжения сети. Тем самым обеспечивается быстрое выявление аварийного режима и отключение электродвигателя от напряжения сети без установки специальных защит, так как устройство, кроме того, имеет быстродействующую защиту, отстроенную от пусковых токов.

В предлагаемом устройстве для питания операционных усилителей и компаратора использованы стабилизированные напряжения от того же выпрямителя, от которого получается сигнал, пропорциональный току защищаемого электродвигателя, без применения специальных стабилизаторов. Это приводит к упрощению конструкции устройства.

Использование теплового имитатора электродвигателя второго порядка, в котором учитывается нагрев меди и раздельно нагрев стали статора, повышает надежность защиты электродвигателя от токовых перегрузок недопустимой продолжительности, т.к. такой тепловой имитатор более точно учитывает нагрев проводов статора, что приводит к своевременному отключению электродвигателя.

При моделировании тепловых процессов, происходящих в двигателе, получаем замкнутое звено с положительной обратной связью (фиг.2), где k₁, k₂, k₃ – коэффициенты передачи;

T₁ – постоянная времени охлаждения меди (обмотки статора), с;

T₂ – постоянная времени охлаждения статора (стали статора), с;

p – оператор дифференцирования по времени, с^-1.

Передаточная функция полученной модели теплового нагрева двигателя имеет вид

.

Данной передаточной функции соответствует тепловой имитатор 6 нагрева обмоток двигателя (фиг.1) k₁<1, k₂<1, отсюда реальная часть положительной обратной связи меньше единицы. Система всегда устойчива.

Повышение точности имитации тепловых процессов в двигателе приводит к повышению точности срабатывания устройства, к своевременному отключению двигателя.

Источники информации

1. Патент 2009593 РФ, кл. Н02Н 7/08, 1994.

2. Патент 2192699 РФ, кл. Н02Н 7/08, 2001.

Формула изобретения

Устройство для защиты электродвигателя, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электродвигателя, который посредством магнитного пускателя подключен к трехфазному источнику переменного тока, при этом катушка магнитного пускателя включается в сеть посредством нормально разомкнутой кнопки «Пуск», выпрямитель, входы которого подключены к выходам соответствующих трансформаторов тока, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя, блок формирования времятоковой характеристики, состоящий, в свою очередь, из теплового имитатора электродвигателя, выполненного на операционном усилителе с отрицательной обратной параллельной RC-связью, и компаратора, входы блока формирования времятоковой характеристики подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходные нормально разомкнутые контакты соединены последовательно с обмоткой исполнительного реле, образованная при этом последовательная цепь подключена к источнику напряжения, отличающееся тем, что в тепловой имитатор введен второй операционный усилитель с отрицательной обратной параллельной RC-связью, инвертирующий вход которого подключен через масштабный резистор к выходу первого операционного усилителя, а его выход через другой масштабный резистор к входу первого операционного усилителя.

РИСУНКИ