Патент на изобретение №2227354

(54) СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано в устройствах тепловой защиты электродвигателей, т.е. защиты от аварийных режимов работы, сопровождающихся недопустимым превышением температуры их обмоток. Технический результат изобретения – повышение точности вычисления температуры обмотки защищаемого электродвигателя, исключающее возможность ложных срабатываний и несрабатываний защиты. В способе тепловой защиты двигателя и устройстве для его осуществления измеряют потребляемый двигателем ток и температуру обмотки двигателя с помощью контроллера и отключают двигатель, когда температура обмотки достигает или превышает верхний предел. Дополнительно перед включением двигателя и после его отключения измеряют омическое сопротивление его обмотки и вычисляют начальную и конечную температуру его обмотки; данные начальной температуры используют при вычислении изменений ее температуры в процессе работы двигателя. Данные конечной температуры сопоставляют с данными, вычисленными на основе измеренного тока, и при расхождении этих данных производят корректировку параметров тепловой модели двигателя за счет введения узла измерения сопротивления, промежуточных реле в устройство для тепловой защиты двигателя, содержащее контактор с контактами и обмоткой, датчики тока в цепях питания двигателя, блок управления с органами управления и контроллером. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах тепловой защиты электродвигателей, т.е. защиты от аварийных режимов работы, сопровождающихся недопустимым превышением температуры их обмоток. Поскольку наиболее распространенным аварийным режимом является перегрузка двигателя, указанная защита часто именуется защитой от перегрузки. Все устройства тепловой защиты, в зависимости от способа реагирования на аварийный режим, подразделяются на температурные, токовые и температурно-токовые.

Известен способ токовой защиты двигателя с зависимой характеристикой срабатывания [1], где постоянные времени задают раздельно как для обмотки статора, так и для магнитопровода, определяют с учетом температуры охлаждающего воздуха длительно допустимую кратность тока, для кратностей тока менее длительно допустимой определяют температуру теплового баланса обмотки, моделируют адиабатический процесс нагрева обмотки и т.д. Указанный способ защиты требует для своего осуществления очень сложного устройства с большим количеством функциональных элементов, что обуславливает большие габариты и стоимость защитного устройства и снижает надежность его работы.

Наиболее близкими по технической сущности и принятыми за прототипы заявляемых технических решений являются способ защиты двигателя от перегрузки и устройство для его осуществления, описанные в [2]. Указанный способ обеспечивает защиту от перегрузки двигателя независимо от любой продолжительности прерывания электрического питания.

Способ заключается в измерении тока, поступающего от источника питания к двигателю, периодическом цифровом вычислении данных, представляющих температуру двигателя, на основе измеренного тока, отключении двигателя каждый раз, когда любые последние вычисленные данные температуры двигателя по крайней мере достигают предписанного порогового значения, сохранении в энергонезависимой памяти последних вычисленных данных температуры двигателя перед тем, как указанный двигатель был отключен, измерении прошедшего времени, в течение которого указанный двигатель был отключен, цифровом вычислении, на основании сохраненных данных температуры двигателя и измеренного прошедшего времени, новых данных, представляющих температуру двигателя после того, как указанный двигатель находился в отключенном состоянии, и возобновлении периодического цифрового вычисления данных температуры двигателя на основе указанных новых данных и измерения тока после того, как указанный двигатель будет включен. При вычислении данных, представляющих температуру двигателя, необходимо учитывать время протекания тока и использовать параметры тепловой модели защищаемого двигателя.

Устройство для осуществления указанного способа содержит блок управления с контроллером, имеющим программируемый модуль для периодического вычисления цифровых данных, представляющих температуру двигателя; контроллер имеет также средства для выдачи выходного сигнала. Кроме того, блок управления содержит коммутационные средства, (например, контактор), реагирующие на выходной сигнал контроллера и предназначенные для отключения двигателя. Контроллер имеет еще и энергонезависимую память; в состав блока управления устройства входит также таймер, соединенный с контроллером; в качестве указанного таймера может использоваться R-C контур.

Описанный выше способ защиты имеет следующие недостатки:

1) при первом включении двигателя неизвестна его температура, начиная с которой будет вестись цифровое вычисление данных, представляющих температуру работающего двигателя; эта неопределенность изначально обуславливает недостоверность результатов вычисления температуры и возможные очень грубые ошибки в работе устройства защиты;

2) результаты вычисления температуры работающего двигателя могут содержать погрешности, вызванные как неточностью параметров тепловой модели защищаемого двигателя, заложенных в программируемый модуль, так и возникающие вследствие изменения условий теплоотдачи двигателя (температура окружающей среды, нарушение вентиляции двигателя и т.п.);

3) результаты вычисления новой температуры на основании сохраненных данных температуры двигателя и измеренного прошедшего времени после того, как указанный двигатель находился в отключенном состоянии, также могут содержать погрешности по аналогичным причинам; кроме того, в составе устройства необходимо иметь таймер для измерения времени отключенного состояния двигателя, которое может быть разной продолжительности.

Технический результат заявляемого изобретения – повышение точности вычисления температуры обмотки защищаемого электродвигателя, исключающее возможность ложных срабатываний и несрабатываний защиты.

Технический результат достигается тем, что в способе тепловой защиты двигателя, заключающемся в измерении потребляемого двигателем тока, периодическом вычислении данных, представляющих температуру обмотки двигателя, на основе измеренного тока и времени его протекания, с использованием параметров тепловой модели защищаемого двигателя, и отключении двигателя, когда вычисленные данные температуры обмотки достигают или превышают предписанный верхний предел, дополнительно перед включением двигателя и после его отключения измеряют омическое сопротивление его обмотки и по результатам измерений вычисляют данные, представляющие начальную и конечную температуру его обмотки; данные начальной температуры обмотки используют при вычислении изменений ее температуры в процессе работы двигателя, данные конечной температуры, полученные по измеренному сопротивлению, сопоставляют с данными, вычисленными на основе измеренного тока, и при обнаружении расхождения этих данных производят корректировку параметров тепловой модели двигателя.

Технический результат реализуется устройством для тепловой защиты двигателя, содержащим контактор с контактами в цепи питания двигателя и обмоткой, датчики тока в цепях питания двигателя, блок управления с контроллером, имеющим органы управления, программируемый модуль и энергонезависимую память, в состав блока управления дополнительно введены узел измерения сопротивления, первое промежуточное реле, контакты которого включены между цепями питания двигателя и входами узла измерения сопротивления, и второе промежуточное реле, контакт которого включен в цепь питания обмотки контактора.

Сущность изобретения заключается в дополнении известного способа защиты двигателя от перегрузки, осуществляемого с использованием цифрового вычисления температуры его обмотки по току, времени и параметрам тепловой схемы замещения, что сопровождается неизбежными погрешностями и отклонениями вычисленных таким способом значений температуры от действительных, – непосредственным измерением омического сопротивления обесточенной обмотки двигателя и вычислением по измеренному сопротивлению действительных значений температуры, не содержащих указанных погрешностей и отклонений и используемых для корректирования результатов вычислений температуры по току двигателя.

Заявленный способ, который следует отнести к способам температурно-токовой тепловой защиты, соответствует критериям “Новизна” и “Существенные отличия”, так как отличительные признаки изобретения не встречаются в заявленном сочетании в известных устройствах аналогичного назначения и использование заявленного способа позволяет без существенного усложнения устройства защиты исключить серьезные недостатки, присущие известным устройствам тепловой защиты, использующим известные способы защиты.

Действительно для реализации заявляемого способа защиты достаточно в состав устройства защиты [2] дополнительно ввести узел измерения сопротивления и промежуточное реле, контактами которого этот узел соединяется с цепями питания обмотки двигателя; при этом отпадет необходимость в имеющемся в указанном устройстве таймере.

На чертеже показана схема устройства для осуществления заявленного способа защиты двигателя, где приняты следующие обозначения:

1 – выводы устройства защиты,

2 – главные контакты контактора,

3 – обмотка контактора,

4 – блок управления,

5 – органы управления,

6 – контроллер,

7 – программируемый модуль,

8 – энергонезависимая память,

9 – узел измерения сопротивления,

10 – обмотка первого промежуточного реле,

11 – контакты первого промежуточного реле,

12 – обмотка второго промежуточного реле,

13 – контакт второго промежуточного реле,

14 – датчики тока,

15 – обмотка двигателя.

Устройство содержит контактор с тремя главными контактами 2, подключенными к выводам устройства 1, и обмоткой 3, которая подключена к одному из выводов 1 устройства через контакт 13 промежуточного реле. В состав устройства входит блок управления 4, имеющий органы управления 5, контроллер 6 с программируемым модулем 7, энергонезависимую память 8 и узел измерения сопротивления 9. Блок управления 4 содержит также первое промежуточное реле с обмоткой 10 и контактами 11 и второе промежуточное реле с обмоткой 12 и контактом 13. Контакты 11 первого промежуточного реле служат для присоединения ко входам узла измерения сопротивления 9 обмотки 15 двигателя. Датчики тока 14 включены в цепи питания обмотки 15 двигателя, а их выходы соединены со входами контроллера 6.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на выводы устройства 1 получает питание контроллер 6, который инициализируется и становится готовым к выполнению оперативных команд, поступающих от органов управления 5 блока управления 4. Получив команду на включение двигателя, контроллер 6 опрашивает выходы датчиков тока 14, получает подтверждение отсутствия тока в цепях питания обмотки 15 двигателя и включает обмотку 10 первого промежуточного реле. Это реле замыкает свои контакты 11, соединяя обмотку 15 двигателя со входом узла измерения сопротивления 9. Последний измеряет омическое сопротивление обмотки 15 и засылает результат измерения в программируемый модуль 7 контроллера 6, который вычисляет данные, представляющие начальную температуру обмотки 15 двигателя, и сравнивает их с предписанным верхним пределом. После этого контроллер 6 отключает обмотку 10 первого промежуточного реле, размыкая этим его контакты 11, опрашивает выход узла измерения сопротивления 9 и получает подтверждение отключения его от обмотки 15 двигателя. Если вычисленные данные начальной температуры обмотки 15 ниже предписанного верхнего предела, контроллер 6 включает обмотку 12 второго промежуточного реле. Последнее замыкает свой контакт 13, подавая питание на обмотку 3 контактора, который включается и своими контактами 2 подключает обмотку 15 двигателя к выводам устройства 1, тем самым включая двигатель к источнику питания.

Для вычисления данных, представляющих температуру обмотки, исходя из результата измерения ее омического сопротивления, используется значение омического сопротивления обмотки при нормальной температуре, записанное и сохраняющееся в энергонезависимой памяти 8 контроллера.

В процессе работы двигателя программируемый модуль 7 контроллера 6 производит периодические вычисления температуры обмотки 15 двигателя на основе тока, измеренного датчиками 14, и времени его протекания, с использованием параметров математической тепловой модели двигателя, записанной в программируемом модуле 7 контроллера 6. Когда вычисленные данные температуры обмотки достигают или превышают предписанный верхний предел, контроллер 6 обесточивает обмотку 12 второго промежуточного реле, что приводит к отключению двигателя; при этом последние вычисленные данные сохраняются в программируемом модуле 7 контроллера 6. После этого контроллер опрашивает выходы датчиков тока 14, получает подтверждение отсутствия тока в цепях питания обмотки 15 двигателя, выполняет процедуру измерения омического сопротивления обмотки 15 и вычисления данных ее температуры по измеренному сопротивлению. Данные конечной температуры, полученные по измеренному сопротивлению, программируемый модуль 7 сопоставляет с данными, вычисленными на основе измеренного тока, и при обнаружении расхождения этих данных производит корректировку записанных в нем параметров тепловой модели двигателя с целью уменьшения в дальнейшем указанных расхождений. Эти же операции программируемый модуль 7 выполняет и во всех тех случаях, когда отключение двигателя производит оператор воздействием на органы управления 5 блока управления 4. В результате ряда таких повторяющихся корректировок параметры записанной в программируемом модуле 7 тепловой модели постоянно уточняются и приближаются к действительным параметрам защищаемого двигателя, с учетом всех влияющих факторов (температура окружающей среды, условия теплоотдачи двигателя и т.п.), что обеспечивает высокую степень точности работы защитного устройства.

Экспериментальная проверка подтвердила высокую эффективность заявленного способа тепловой защиты двигателя.

Источники информации

1. Способ токовой защиты двигателя с зависимой характеристикой срабатывания. Пат. РФ №2024147, Н 02 Н 5/04, 7/08, 1994.

2. Устройство и способ защиты двигателя от перегрузки с использованием сигнала прошедшего времени, позволяющего вычислять данные о температуре двигателя независимо от временного перерыва питания. Пат. США №5644510, Н 02 Н 7/00, 1997.

Формула изобретения

1. Способ тепловой защиты двигателя, состоящий в измерении потребляемого двигателем тока, периодическом вычислении данных, представляющих температуру обмотки двигателя, на основе измеренного тока и времени его протекания, с использованием параметров тепловой модели защищаемого двигателя, и отключении двигателя, когда вычисленные данные температуры обмотки достигают или превышают предписанный верхний предел, отличающийся тем, что перед включением двигателя и после его отключения измеряют омическое сопротивление его обмотки и по результатам измерений вычисляют данные, представляющие начальную и конечную температуру его обмотки; данные начальной температуры обмотки используют при вычислении изменений ее температуры в процессе работы двигателя, данные конечной температуры, полученные по измеренному сопротивлению, сопоставляют с данными, вычисленными на основе измеренного тока, и при обнаружении расхождения этих данных производят корректировку параметров тепловой модели двигателя.

2. Устройство для тепловой защиты двигателя, содержащее контактор с контактами в цепи питания обмоток двигателя и обмоткой, подключенной к цепи питания, датчики тока в цепях питания двигателя, блок управления с органами управления и контроллером, получающим питание от выводов устройства, выполняющим оперативные команды от органов управления и имеющим энергонезависимую память и программируемый модуль для вычисления температуры обмотки двигателя на основе тока, измеренного датчиками тока, отличающееся тем, что введены узел измерения сопротивления, первое промежуточное реле, контакты которого включены между цепями питания двигателя и входами узла измерения сопротивления, а обмотка включается и отключается контроллером, второе промежуточное реле, контакт которого включен в цепь питания обмотки контактора, а его обмотка включается контроллером, программируемый модуль вычисляет температуру обмоток двигателя с учетом времени протекания тока и параметров математической тепловой модели двигателя, записанной в программируемом модуле, с сохранением последних вычисленных по току данных температуры обмоток двигателя, вычисляет температуру по измеренному сопротивлению обмотки двигателя, сопоставляет ее с температурой, вычисленной на основе измеренного.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 02.04.2007

Извещение опубликовано: 27.02.2008 БИ: 06/2008