Устройство для защиты трехфазных электродвигателей. Устройство защиты двигателей


Устройство защиты трёхфазных двигателей на PIC16F676

Дата публикации: 22 октября 2011.

Чаще всего трёхфазные двигатели выходят из строя из-за перекоса фаз питающего напряжения или перегрева при работе в тяжёлом режиме. Предлагаемое устройство защиты трёхфазного двигателя выключает двигатель при обрыве фазы, отклонении напряжения любой фазы (перекосе фаз) более чем на ±30 В или нагреве корпуса двигателя выше 60°С.

Устройство построено на микроконтроллере (МК) PIC16F676 и микроконтроллерном датчике температуры DS1820. Возникновение аварийной ситуации в каждой фазе и превышение температуры корпуса двигателя индицируется включением соответствующих сигнальных светодиодов. Для измерения и сравнения используется среднее выпрямленное напряжение фаз относительно нулевого провода.

Алгоритм работы программы МК показан на рисунке 1.

Рисунок 1

После включения МК выполняется инициализация его регистров и включается управляющий выход. Во время пуска двигателя (или группы двигателей) возможны провалы или скачки напряжений в фазах, поэтому устройство защиты по напряжению начинает работу спустя одну минуту после включения двигателя. Задержка реализована путем последовательного включения предделителя, таймера TMR0 и двух делителей, каждый из которых имеет коэффициент деления 30.

Далее последовательно выполняются измерения напряжения фаз А, В, С. После каждого измерения фаза проверяется на обрыв. Если измеренное напряжение равно нулю, то выход сразу выключается. Затем следует проверка значений измеренных напряжений на выход за пределы диапазона 190...250 В - в этом случае включается счётчик ошибок, который необходим для повышения помехоустойчивости устройства. При декрементировании восьмиразрядного счётчика от нуля до нуля его коэффициент деления получается равным 256. При периоде прохождения всей программы, равном 7 мс, время задержки выключения двигателя приблизительно равно 1,8 с. Для каждого сравнения имеется свой счётчик, поэтому если следующее измеренное напряжение войдёт в норму, то данный счётчик обнуляется. Таким образом, для выключения двигателя необходимо подряд 256 ошибок измерения.

После сравнения напряжений фаз А-В, В-С, С-А их разность проверяется на превышение значения 30 В. Если перекос фаз больше 30 В, то включается счётчик ошибок. Выключение выхода происходит аналогично описанному выше, через 1,8 с.

При выключении выхода из-за любой ошибки устанавливается флаг ошибки, который сбрасывается только после перезапуска МК. При отсутствии ошибки подтверждается включение выхода, и МК переходит к подпрограмме измерения температуры двигателя.

Измерение температуры начинается с инициализации термодатчика DS1820 и выдачи команды на разрешение преобразования. После приёма данных от датчика температуры проверяется флаг «двух секунд». Дело в том, что первые данные, которые приходят от датчика, недостоверны, поэтому для стабилизации данных необходимо некоторое время. Для этого введена задержка начала сравнения по температуре, равная 1,8 с. Поскольку за такое короткое время двигатель не успеет нагреться до температуры 60°С, подобная задержка не снижает качества защиты двигателя.

После отработки времени задержки устанавливается флаг «двух секунд», и каждое следующее измеренное значение температуры проверяется на превышение 60. Если температура превысит 60°С, выход выключается. Программа переходит к новому циклу измерения напряжения по фазам.

Схема устройства показана на рисунке 2.

Рисунок 2

Напряжение фаз понижается делителями напряжения на резисторах R1...R3 и R10...R12, имеющими коэффициент деления 1 : 100. Переменное напряжение фаз выпрямляется однополупериодным выпрямителем, состоящим из диодов VD1...VD3 и стабилитронов VD7...VD9, сглаживается конденсаторами фильтра С4...С6 и поступает на входы RA0...RA2 МК DD2. Линия связи термодатчика DD1 с входом RC4 МК имеет «подтягивающий» резистор R13.

Тактируется МК от внутреннего генератора частотой 4 МГц. Частоту тактового генератора, делённую на четыре (1 МГЦ), можно наблюдать на выходе RA4 (вывод 3 МК), контролируя, таким образом, работоспособность МК.

Выход RC3 МК через оптотиристор U1 и симистор VS1 включает пусковое реле К1. Его контакты К1.1...К1.3 включают/выключают подачу напряжения на двигатель. Светодиоды HL1...HL4 сигнализируют о возникновении аварийной ситуации. Гасящие резисторы R6...R9 подбирают в зависимости от выбранного типа светодиодов и необходимой яркости свечения (на схеме дано значение сопротивлений для светодиодов типа КИПД21-ПК). Кнопка SB1 «Сброс» необходима для перезапуска МК и включения двигателя после устранения аварийной ситуации.

Гасящий конденсатор C3 типа К73-17 с допустимым напряжением не менее 400 В. Стабилитрон VD4 типа 1N4733A можно заменить любым стабилитроном с напряжением стабилизации 5,1 В. Это напряжение является опорным для АЦП МК, поэтому если установить стабилитрон с меньшим напряжением стабилизации (например, 4,7 В), то потребуется пропорциональное изменение коэффициента деления входных делителей напряжения. Стабилитроны VD7...VD9 можно заменить стабилитронами типа КС147А. Датчик температуры DS1820 можно не устанавливать, но тогда не будет работать защита двигателя от перегрева (линия связи должна оставаться нагруженной резистором R13).

Налаживание устройства выполняют без МК. Сначала проверяют напряжение питания МК, которое должно быть равно 5,1 В. При испытаниях VD4 заменялся пятью экземплярами стабилитронов типа 1N473ЗА, и все они удовлетворяли этому условию. Перед установкой резисторов R10...R12 подбирают их номинал с точностью 1%. При этом не имеет значения отклонение от величины 2 кОм (можно использовать резисторы сопротивлением 1,9...2.1 кОм), главное - обеспечить равенство номиналов между собой.

Далее подбирают значения резисторов R1...R3 так, чтобы на входах 11...13 МК постоянное напряжение было равно входному напряжению, делённому на 100. При этом на все входы может быть подано напряжение одной фазы. Практически можно подобрать номинал одного резистора, а остальные резисторы устанавливают с номиналом, идентичным подобранному. Это будет справедливо при тщательном подборе резисторов R10...R12. После установки запрограммированного МК устройство готово к работе.

Работа с устройством сводится к анализу состояния светодиодов при возникновении аварийной ситуации. Если двигатель отключился и при этом ни один светодиод не горит, то произошёл обрыв фазы. Если горит один из светодиодов АВ, ВС, СА, то возможен выход напряжения фазы за пределы диапазона 190...250 В. При этом первая буква обозначения светодиода указывает аварийную фазу. При перекосе фаз надпись под горящим светодиодом соответствует тем фазам, разность напряжения которых больше 30 В. Как правило, одновременно включаются два светодиода, например, АВ и СА. В этом случае напряжение фазы А имеет отклонение от напряжения фаз В и С более чем на 30 В.

После устранения аварийной ситуации двигатель включают нажатием кнопки «Сброс».

Автор: Заец Н. (Белгородская обл.)

Архив для статьи "Устройство защиты трёхфазных двигателей на PIC16F676"
Описание: Файл прошивки микроконтроллера
Размер файла: 869 B Количество загрузок: 1 716 Скачать

radioparty.ru

Устройство защиты электродвигателя

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от обрыва одной из фаз сети питания и перегрузки по току. Сущность изобретения: устройство защиты электродвигателя выполнено в виде двух самостоятельных каналов - канала защиты от обрыва фазы и канала токовой защиты. Канал защиты от обрыва фазы выполнен в виде последовательного соединения двух пороговых элементов 18,8 к входам которых подключены времязадающие цепи 5,6. Вход первого порогового элемента подключен к выходу выпрямителя 4 датчика напряжения, а выход второго порогового элемента через элемент ИЛИ 14 - к входу исполнительного элемента 15. Канал токовой защиты также выполнен в виде двух последовательно соединенных пороговых элементов 12, 13, к входам которых подключены времязадающие цепочки 10, 11, входы первого порогового элемента 12 и второй времязадающей цепочки 11 этого канала подключены к выходу выпрямителя датчика токовой перегрузки 9, вход второго порогового элемента подключен через времязадающую цепочку с обратно зависимой от тока характеристикой, а выход второго порогового элемента через элемент ИЛИ подключен к выходу исполнительного элемента 15. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от обрыва одной из фаз сети питания и перегрузки по току.

Известно устройство для защиты трехфазного электродвигателя от работы на двух фазах и перегрузок [1]. Оно содержит датчики тока, элемент контроля перегрузок, элемент сравнения, реагирующий элемент и отключающий элемент. Принцип действия защиты основан на сравнении величины и фазы ЭДС, пропорциональных токам нагрузки и их фазам. Однако датчиками тока являются специальные трансформаторы с двумя первичными обмотками с разным числом витков. Это усложняет защиту и ограничивает сферу ее применения. Например, выпускаемая защита ФУЗ-М, основанная на этом принципе, ограничена током двигателя 32A. Возможен отказ данной защиты, например, при обрыве одного из проводов линии, питающей группу электродвигателей. В этом случае провода, непосредственно питающие двигатели, целы. Двигатели, работающие на двух фазах, подпитывают друг друга по трем проводам. Такой режим, вероятный на практике, не предусмотрен принципом работы и схемой защиты, что уменьшает ее надежность. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ защиты электроустановки и устройство для его осуществления [2]. Схема защищает электродвигатель от обрыва фазы, которых замыканий, перегрузки, понижения напряжения сети. Схема содержит, в частности, узлы контроля /датчики/ уровня напряжения и тока, каналы защиты от перегрузки и обрыва фазы и общий исполнительный элемент. Недостатки этой схемы следующие. Датчик защиты обрыва фазы действует на принципе понижения напряжения на его выходе, причем без выдержки времени. Такая схема ненадежна. Например, "Правила проектирования сельских электросетей" допускают понижение напряжения при пуске электродвигателя на 30% от номинального. Длительная работа двигателя при таком уровне напряжения недопустима. Согласно данным справочника "Асинхронные двигатели серии 4A" (М.: Энергоиздат, 1982, с.9), двигатели могут эксплуатироваться при отклонении напряжения в пределах -5%, +10% от номинального. Из каких условий следует выбирать установку срабатывания защиты, неясно. Защита не реагирует при обрыве фазы за контактами 16 коммутирующего элемента, например, при подгорании одного из контактов. Целью изобретения является повышение надежности в работе и применяемости устройства. Это достигается тем, что в устройстве защиты электродвигателя от обрыва одной из фаз сети и перегрузки по току, содержащем узлы контроля /датчики/, каналы защиты от перегрузки и обрыва фазы и общий коммутирующий элемент, датчиком обрыва фазы является фильтр напряжения нулевой последовательности, содержащий три конденсатора и диодный мост, дополнительно в логический узел этого канала, содержащего пороговые цепи, введены времязадающие цепи и цепочка ИЛИ, при этом конденсаторы, соединенные звездой, одним полюсом подключены к фазам сети после контактов коммутирующего элемента, вход диодного моста подключен между нулевой точкой конденсаторов и нулем сети, выход моста подключен к входу логического узла, содержащего пороговые и времязадающие цепи, выход логического узла подключен через цепочку ИЛИ к входу коммутирующего элемента, а канал защиты от перегрузки по току содержит в качестве датчика тока трансформатор тока и диодный мост, логический узел с пороговыми и времязадающими цепями с обратнозависимой времятоковой характеристикой, при этом трансформатор тока первичной обмоткой включен в одну из фаз его сети, его вторичная обмотка включена на вход логического узла, выход логического узла через цепочку ИЛИ подключен к входу коммутирующего элемента. В итоге имеем устройство, содержащее два независимых канала защиты от обрыва фазы и токовой перегрузки электродвигателя с выходом на общий коммутирующий элемент. Надежность работы и применяемость /универсальность/ предлагаемого устройства повышается по сравнению с рассмотренными. На чертеже изображено предложенное устройство. Оно содержит конденсаторы 1 - 3, собранные по схеме "звезда" и подключенные одним полюсом к фазам сети. Диодный мост 4 подключен своим входом между нулем сети и нулевой точкой конденсаторов. К выходу этого моста подключен вход канала защиты от обрыва фазы, содержащий первую 5 и вторую 6 времязадающие цепочки, а также первый 7 и второй 8 пороговые элементы. Датчик токовой перегрузки 9 с выходным выпрямителем, к выходу которого подключен канал защиты от перегрузки, содержащий времязадающие цепи 10 и 11, а также пороговые элементы 12 и 13. Выходы пороговых элементов 8 и 13 через элемент ИЛИ 14 подключен к входу исполнительного элемента 15. Питание микросхем пороговых элементов осуществляется от параметрического стабилизатора 16 через диоды 17 и 18. Уровни срабатывания пороговых элементов соответствующих каналов регулируют при помощи резисторов 19 и 20, а время задержки срабатывания исполнительного элемента при помощи резисторов 21, 22. Резистор 23 и транзистор 24 являются элементами управления времязадающей цепи второго порогового элемента канала защиты от перегрузки. Принцип действия устройства сводится к следующему: в нормальном режиме работы напряжение на выходе диодного моста 4 мало, пороговые элементы 7 и 8 канала защиты от обрыва фазы находятся в исходном состоянии, а исполнительный элемент 15 - в отключенном состоянии. В этом случае также отсутствует сигнал с датчика перегрузки 9, пороговые элемент канала перегрузка также находится в исходном состоянии и не оказывают влияния на работу двигателя. При обрыве одной из фаз напряжение на выходе диодного моста 4 увеличивается и через диод 17 подается на параметрический стабилизатор 16 питания микросхем пороговых элементов, а также через резистор 19 регулировки уровня и времязадающую цепь 5 - на вход первого порогового элемента канала защиты от обрыва сети, вызывая его срабатывание примерно через 6-8 с. (время устанавливается при помощи резистора 21 времязадающей цепочки 6) срабатывает пороговый элемент 8, выходной сигнал которого через цепочку ИЛИ вызывает срабатывание исполнительного элемента 15, и отключение двигателя через контактные группы магнитного пускателя. Задержка необходима для исключения ложного срабатывания защиты при пуске двигателя и других переходных процессах. Если при наличии всех фаз сети возникает перегрузка двигателя, то с выхода выпрямителя трансформатора тока 9 снимается напряжение, поступающее на параметрический стабилизатор напряжения 16 через диод 18, на вход первой времязадающей цепи канала защиты от перегрузки через резистор 20 и на вход второй времязадающей цепи через резистор 23. При этом срабатывает пороговый элемент 12, что вызывает закрывание транзистора 24, и конденсатор второй времязадающей цепи начинает заряжаться. Пороговый элемент 13 всегда срабатывает при каком-то определенном значении напряжения на конденсаторе, однако время, в течение которого конденсатор заряжается до этого напряжения, будет зависеть от напряжения, снимаемого с выхода датчика перегрузки 9. Чем сильнее перегрузка, тем выше будет снимаемое напряжение, тем быстрее зарядится конденсатор до уровня срабатывания порогового элемента 13, тем быстрее отключается электродвигатель. При срабатывании порогового элемента 13 двигатель отключается аналогично описанному выше. Чувствительность срабатывания каналов защиты регулируется резисторами 19 и 20. Таким образом, данная система обеспечивает весьма весомую чувствительность /примерно на два порядка выше схемы прототипа/, универсальность, т.е. независимость величины емкости конденсаторов 1 - 3 от типа реле исполнительного элемента и типа двигателя.

Формула изобретения

Устройство защиты электродвигателя, содержащее датчики обрыва фазы и перегрузки, каналы защиты от перегрузки по току и обрыва одной из фаз сети, общий исполнительный элемент, отличающееся тем, что датчик обрыва фазы выполнен в виде фильтра напряжения нулевой последовательности на трех конденсаторах, соединенных "звездой", одним полюсом подключенные к фазам сети, а между нулевой точкой конденсаторов и нулевой точкой сети включен диодный мост, к выходу которого подключен канал защиты от обрыва фазы, выполненный в виде последовательно соединенных первой времязадающий цепочки, первого порогового элемента, второй времязадающей цепочки и второго порогового элемента, выход которого подключен к элементу ИЛИ, датчик перегрузки выполнен в виде трансформатора тока с выходным выпрямителем, к выходу которого подключен канал защиты от перегрузки, выполненный в виде двух последовательно соединенных времязадающих цепочек, вторая из которых выполнена с обратнозависимой времятоковой характеристикой, и пороговых элементов, выход последнего из которых подключен к элементу ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному элементу.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Устройство защиты электродвигателя

 

Использование: изобретение относится к области электротехники, в частности к защите электродвигателей от перегрузок и пропадания одной из фаз сети питания, и может быть использовано там, где используются электродвигатели, особенно в области сельского хозяйства, где условия эксплуатации часто далеки от ТУ на них. Сущность изобретения: обмотки 11, 12, 13, сердечники 1, 2, 3 и предохранители 7, 8, 9 образуют три последовательные цепочки, через которые подаются на электродвигатель 15 фазы сети питания; сердечники состоят из двух частей: неподвижной и подвижной, выполненных из ленточного материала П-образной формы, разделенных воздушным зазором, обеспечиваемым возвратной пружиной, закрепленной на подвижной части сердечника; обмотка OA 11 конструктивно расположена на сердечнике CB 2, 5, обмотка OB 12 конструктивно расположена на сердечнике CC 2, 6, обмотка OC 13 конструктивно расположена на сердечнике CA 1, 4, трехфазный тумблер 10 имеет три положения: "ПУСК", "РАБОТА", "ВЫКЛ.", включен так, что в положении "ПУСК" замыкает последовательные цепочки предохранителей и разрезных сердечников соответствующих фаз до набора электродвигателем номинальных оборотов и затем самостоятельно устанавливается в положение "РАБОТА"; "РАБОТА" становится в нейтральное положение; "ВЫКЛ. " замыкает концы каждой из трех обмоток, тем самым полностью снимая питание с электродвигателя. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам управления и защиты электродвигателей от перегрузок и случаев пропадания одной из фаз сети питания. Оно может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, где имеются электродвигатели, в частности в сельском хозяйстве или при добыче нефти, где условия их эксплуатации особенно неоднозначны.

Известно, что электродвигатели, даже работающие в номинальном режиме, часто выходят из строя при пропадании одной из фаз сети питания. Имеется множество схем защиты, но они обычно сложны в эксплуатации, ненадежны и дороги (например, журнал "Радио", 1988 г. N 7, стр. 24. авторские свидетельства: 1354325, 1361673, 1327227, 1617524, 1369847, 1318914, 1318149, 1356103; Зимин Е. Н. "Защита асинхронных двигателей до 500 В".М. Энергия, 1967 г. стр. 74, рис. 19,а, е), в которых описываются схемы, использующие термоэлементы, электронные пороговые устройства, последовательные цепи, состоящие из магнитного пускателя и кнопок "ПУСК"-"СТОП", пороговых блоков с дальнейшим многоуровневым электронным обеспечением и исполнительными электромеханическими узлами, или система из трех реле, обмотки которых подключены между фазами сети и нулевым проводом, а контакты включены в разрывы соответствующих фаз. Необходима также специальная логическая схема отключения всех фаз при пропадании одной из них. Последний аналог несколько ближе к предлагаемому. Схема содержит плавкие предохранители, включенные в разрывы всех трех фаз сети питания нагрузки, параллельно которым подключены обмотки реле с контактами, включенными в разрывы проводов каждой фазы сети питания. В исходном состоянии контакты реле замкнуты. При перегорании предохранителя в одной из фаз появится напряжение Uразр на катушке Л соответствующего реле и двигатель отключается. Схема не обеспечивает защиту двигателя при обрыве одной из фаз вне предохранителей. Прототипом является схема, в которой в разрыв каждой из фаз сети питания включены обмотки токовых реле (1РОФ, 2РОФ, 3РОФ) и, кроме того, обмотка (РВ) реле времени, которая включена между двумя фазами и задействована со второй группой контактов токовых реле. При обрыве одной из фаз отключаются все три фазы за счет разрыва групп контактов каждого токового реле в разрывах всех трех фаз. Обе схемы имеют более одного уровня срабатывания. Характерным для подавляющего их числа является наличие реагирующего органа, контактов для подключения электродвигателя к сети питания и элемента управления режимом работы электродвигателя Указанная цель достигается тем, что используется предельно простое устройство с единственным уровнем срабатывания. На чертеже представлена схема защиты электродвигателя, содержащая все характерные для схем защиты элементы. Она состоит из трех электромагнитов с обмотками OA-11, OB-12, OC-13 и сердечниками CA, CB, CC 1-6, выполняющих роль реагирующих органов и контактов для подключения электродвигателя 15 к сети питания 14, плавких предохранителей 7-9 и трехфазного тумблера 10 на три положения: "ПУСК", "РАБОТА", "ВЫКЛ.", выполняющего роль элемента управления режимом его работы. Необычным здесь является применение в качестве реагирующего органа и контактов подключения электродвигателя к сети питания в каждой фазе электромагнита с разрезанным сердечником, являющимся одновременно проводником тока нагрузки электродвигателя, и конструктивное расположение обмоток, что сводит к минимуму число вспомогательных и исполнительных уровней, плавкой вставки предохранителя, а также такое включение переключателя режима работы, которое исключает перегорание плавкой вставки предохранителя при пуске электродвигателя. Из электрической схемы видно, что обмотка электромагнита в каждой фазе включена последовательно к плавкой вставке предохранителя и току нагрузки той же фазы, а конструктивно (физически), например, обмотка фазы фA OA-11 расположена на сердечнике фазы фB CB-3, 4, обмотка фазы фB OB-12 на сердечнике фазы фC CC 5, 6, обмотка фазы фC OC-13 на сердечнике фазы фA CA 1, 2. Такое расположение обмоток электромагнитов дает возможность последовательного во времени отключения всех фаз сети питания 14 при пропадании хотя бы одной из них (эффект "домино"). Трехфазный тумблер 10 (скажем, типа ПТ3-30Т) имеет три положения: "ПУСК", "РАБОТА", "ВЫКЛ.". В положении: "ПУСК" в каждой фазе он замыкает последовательное соединение предохранителя и разомкнутого сердечника, чем обеспечивает протекание тока нагрузки каждой фазы через обмотку соответствующего электромагнита и тем самым соединение разомкнутых сердечников всех фаз. Такое положение тумблера 10 обеспечивает также защиту плавких вставок во всех фазах от пусковых токов и отсутствие искрения при соединении половинок сердечников в каждой фазе. После набора двигателем номинальных оборотов (2-3 с) при отпускании тумблер 10 (со средним фиксированным положением) самостоятельно устанавливается в положение "РАБОТА"; "РАБОТА" тумблер находится в (фиксированном) нейтральном положении и ток через его контакты не протекает; "ВЫКЛ. " тумблер замыкает концы каждой из трех обмоток электромагнитов, тем самым полностью снимая питание с электродвигателя. Кроме своих основных функций "Устройство." выполняет функции магнитного пускателя и пусковых кнопок. Учитывая, что магнитный пускатель значительно сложнее и дороже "Устройства.", плюс к тому отсутствие, за ненадобностью, пусковых кнопок, использование "Устройства." вызывает не дополнительные затраты, а даже дает ощутимый экономический эффект. На изготовление действующего макета, в основном, было затрачено приблизительно 500 г трансформаторного железа, приблизительно 100 г провода ПЭВ-2 и один тумблер типа ПТ3-30Т. Вместо стандартных плавких вставок использовались отрезки медного луженого провода, диаметр и длина которых были выбраны по специальной таблице. Разумеется, параметры элементов устройства будут изменяться в зависимости от мощности защищаемого электродвигателя.

Формула изобретения

Устройство защиты трехфазного электродвигателя от перегрузок и пропадания одной из фаз сети питания, содержащее реагирующие органы, плавкие предохранители, контакты подключения электродвигателя к сети питания и элемент управления режимом работы электродвигателя, отличающееся тем, что реагирующие органы с контактами выполнены в виде электромагнитов с сердечниками СА, СВ, СС и обмотками ОА, ОВ, ОС, при этом сердечники составлены из подвижной и неподвижной частей, выполненных из ленточного материала П-образной формы и разделенных воздушным зазором, обеспечиваемым возвратной пружиной, закрепленной на подвижной части сердечника, обмотка ОА конструктивно расположена на сердечнике СВ, обмотка ОВ конструктивно расположена на сердечнике СС, а обмотка ОС конструктивно расположена на сердечнике СА, при этом сердечники, предохранители и обмотки образуют три последовательные цепочки в каждой фазе сети, элемент управления режимом работы электродвигателя выполнен в виде трехфазного тумблера на три положения: "Пуск", "Работа", "Выкл.", выводы которого подключены к выводам упомянутых цепочек.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

устройство защиты электродвигателя - патент РФ 2291538

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электродвигателя от недопустимой токовой и тепловой перегрузки, а также ухудшения состояния изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя из-за недопустимого понижения ее сопротивления. Техническим результатом является повышение надежности защиты, уменьшение затрат на установку и обслуживание устройства защиты электродвигателя. Устройство защиты электродвигателя состоит из канала защиты от токовой перегрузки, канала защиты от тепловой перегрузки и канала защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя. Эти каналы соединены параллельно между собой и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, главные контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя. Логический оператор ИЛИ, исполнительное реле и магнитный пускатель формируют исполнительное устройство 16 защитного устройства электродвигателя. Фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока. 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электродвигателя от недопустимой токовой и тепловой перегрузки, а также ухудшения состояния изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя из-за недопустимого понижения ее сопротивления.

Известно устройство для защиты электродвигателя от перегрева и перегрузки, содержащее датчик тока защищаемого электродвигателя, к выходу которого подключены вход исполнительного элемента и шунтирующий тиристор, последовательно соединенные ключ и элемент задержки, последовательно соединенные первый потенциометр и стабилитрон. Параллельно стабилитрону подключены последовательно соединенные датчик температуры двигателя, второй потенциометр, датчик температуры окружающей среды. Выход второго потенциометра соединен с одним из входов ключа, к другому входу которого через логический оператор ИЛИ присоединены выход элемента задержки и элемент отсечки по току [1].

Недостатком этого устройства является невысокая надежность защиты из-за несоответствия время-токовых характеристик устройства с тепловыми характеристиками двигателя.

Известно устройство для защиты электродвигателя с приводом насоса, содержащее датчик температуры, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый аккумулятор, блок регулирования и генератор импульсов [2]. Вход фильтра нижних частот предназначен для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора. Датчик температуры, установленный вблизи статорных обмоток погружного электродвигателя, подсоединен последовательно с диодом между нулевой точкой обмотки электродвигателя и его заземленным корпусом. Блок регулирования выполнен в виде двух блоков сравнения, выходы которых подключены к исполнительным механизмам.

Это устройство позволяет исключить влияние сопротивления изоляции на измерение температуры нагрева статорных обмоток электродвигателя.

Недостатком данного устройства является отсутствие в нем элементов защиты погружного электродвигателя от срыва подачи электронасоса, контролируемого по давлению в скважине, что может привести к возникновению в насосе "сухого трения", повышению газового фактора откачиваемой жидкости и, следовательно, к ухудшению охлаждения двигателя и силового кабеля.

Известно устройство для защиты электродвигателя от анормальных режимов работы, содержащее датчик тока в виде трансформатора тока, который выполнен с возможностью крепления на электродвигателе с обеспечением теплового контакта с электродвигателем в точке контроля температуры, при этом сердечник трансформатора тока выполнен из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри, что позволяет расширить функциональные возможности устройства путем обеспечения температурной защиты электродвигателя [3]. При этом точка Кюри равна максимально допустимой температуре электродвигателя в месте расположения трансформатора тока.

В этом устройстве при достижении максимально допустимой температуры электродвигателем сердечник трансформатора тока теряет магнитные свойства при достижении точки Кюри. Это приводит к отключению магнитного пускателя и электродвигателя от сети. В режиме перегрузки электродвигателя по току при превышении допустимого значения, либо при обрыве фазы происходит также отключение электродвигателя от сети.

Однако при работе электродвигателя величина допустимого превышения тока свыше номинального во многом зависит от времени действия этого тока. Так, чем меньше время действия, тем большую величину тока можно пропустить в обмотках электродвигателя без аварийных последствий, в то время как при больших временах воздействия величина тока должна быть уменьшена. Кроме того, при использовании данного устройства возможен запуск в ход электродвигателя при пониженном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса, что возникает при попадании влаги или иных агрессивных сред, в которых функционирует оборудование и электродвигатель. Это устройство не сможет защитить электродвигатель от возникающей при этом аварийной ситуации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования, содержащее каналы защиты от токовой и тепловой перегрузки, включающие датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока и установленный на фазном проводе, магнитный пускатель, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, элементы управления магнитного пускателя, и исполнительное реле с выходным контактом, причем вход исполнительного реле подключен к выходу датчика тока, а его выходной контакт включен в цепь управления магнитного пускателя, и закрепленный на электродвигателе контактный элемент, реагирующий на тепловую перегрузку электродвигателя, канал защиты от токовой перегрузки, содержащий электронный блок формирования время-токовой характеристики, канал защиты от тепловой перегрузки, канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования и канал защиты от пуска электродвигателя при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя соединены между собой параллельно и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя [4].

В этом устройстве канал защиты от токовой перегрузки содержит интегратор, к входу которого посредством усилителя и выпрямителя параллельно подключены установленные на двух фазных проводах датчики тока, а электронный блок формирования время-токовой характеристики включает блок, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например в квадратичной зависимости, который подсоединен к счетчику импульсов. Канал защиты от токовой перегрузки содержит предупредительный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при включении счетчика импульсов, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при заполнении счетчика импульсов.

Канал защиты электродвигателя от тепловой перегрузки содержит контактный элемент, выполненный в виде температурного датчика, и аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении температурой, измеренной датчиком, значения уставки по температуре. Канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования содержит аварийный индикатор "СУХОЙ ХОД", засвечивающийся при уменьшении тока электродвигателя ниже значения уставки по минимальному току. Канал защиты электродвигателя от пуска при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя содержит источник постоянного напряжения и аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже значения уставки по сопротивлению.

В известном устройстве-прототипе осуществляется комплексная защита электродвигателя от:

- недопустимой перегрузки по току, вызванной обрывом одной из фаз статорной обмотки или линии питания, несимметрией фазных напряжений, технологической перегрузкой, заклиниванием ротора или междувитковыми замыканиями;

- нештатного исчезновения нагрузки, например, из-за работы насоса в режиме "сухого хода";

- понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня;

- недопустимой тепловой перегрузки двигателя, вызванной ухудшением условий его охлаждения.

В устройстве-прототипе температурный датчик канала защиты электродвигателя от тепловой перегрузки соединен проводниками с защитным устройством. Но во многих системах защитное устройство и электродвигатель с установленным на нем температурным датчиком находятся на значительном расстоянии друг от друга. Например, при работе погружного двигателя в скважине защитное устройство находится на поверхности земли. Необходимость использования длинных проводников для температурного датчика снижает надежность защитного устройства из-за возможности их обрыва или повреждения, ставит повышенные требования к обслуживанию и усложняет функционирование удаленного электродвигателя.

Кроме того, для работы канала защиты электродвигателя от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя необходим источник постоянного напряжения. Этот канал защиты предотвращает только запуск в ход электродвигателя при пониженной величине сопротивления изоляции, а во время работы двигателя этот канал защиты не работает. Но именно в процессе продолжительной работы электродвигателя может произойти ухудшение состояния изоляции, например из-за ее старения, работы во влажной, загрязненной или агрессивной среде и др., что приведет к аварийной ситуации и повреждению электродвигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты, уменьшение затрат на установку и обслуживание устройства защиты электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве защиты электродвигателя, содержащем канал защиты от токовой перегрузки, включающий установленный на фазном проводе линии питания датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", канал защиты от тепловой перегрузки, включающий аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении измеренной датчиком температуры порогового значения, и канал защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя, включающий аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже порогового значения, соединенные между собой параллельно и подключенные посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, согласно предлагаемому изобретению фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока, аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя, а канал защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающимся при возникновении однополупериодного тока утечки в заземляющем проводе, содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, сопротивление которого увеличивается при возрастании температуры, причем параллельно позистору включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя.

Наличие дифференциального трансформатора тока, охватывающего фазные провода линии питания, выходящие из электродвигателя, позволяет автоматически регистрировать снижение сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого значения и превышение температуры двигателя выше допустимого значения. При наличии этих аварийных факторов возникает отклонение от нуля суммы токов в линиях питания фаз (мгновенных значений или векторов действующих значений) за счет появления тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя. Ненулевая сумма токов в линиях питания фаз обуславливает появления в этом трансформаторе дифференциального тока, а значит и электродвижущей силы в его вторичной обмотке, которая посредством исполнительного реле отключает главные контакты магнитного пускателя, отключая электродвигатель от сети.

При надежной изоляции между обмоткой и корпусом электродвигателя и низкой температуре электродвигателя, не превышающей допустимого значения, токи утечки практически отсутствуют. При этом в указанном трансформаторе тока сумма токов в линиях питания фаз будет иметь нулевое значение и дифференциальный ток будет отсутствовать.

Канал защиты от тепловой перегрузки, содержащий присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, параллельно которому включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя, позволяет при повышении сопротивления позистора выше определенного уровня вызвать появление тока утечки в заземляющем проводе.

Поскольку аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, а индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" засвечивается при возникновении однополупериодного тока утечки, то таким образом легко устанавливаются причина аварии и отключения электродвигателя от сети.

Отсутствие измерительных проводов от электродвигателя до устройства защиты приводит к уменьшению затрат на установку и обслуживание устройства защиты. Особенно заметно это проявляется при значительном расстоянии между двигателем и защитным устройством или при работе электродвигателя в недоступном месте, в агрессивной среде и др.

На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства защиты электродвигателя;

на фиг.2 - электрическая схема устройства защиты электродвигателя;

на фиг.3 - температурная характеристика сопротивления позистора;

на фиг.4 - характер тока i в заземляющем проводе при свечении аварийного индикатора "ИЗОЛЯЦИЯ";

на фиг.5 - характер тока i в заземляющем проводе при свечении аварийного индикатора " ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА".

на фиг.6 - характер электродвижущей силы е во вторичной обмотке дифференциального трансформатора при свечении аварийного индикатора "ИЗОЛЯЦИЯ";

на фиг.7 - характер электродвижущей силы е во вторичной обмотке дифференциального трансформатора при свечении аварийного индикатора " ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА".

Устройство защиты электродвигателя состоит из канала 1 защиты от токовой перегрузки с аварийным индикатором "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2, канала 3 защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 4 и канала 5 защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя с аварийным индикатором "ИЗОЛЯЦИЯ" 6. Эти каналы соединены параллельно между собой и подключены посредством логического оператора ИЛИ 7 к исполнительному реле 8, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого предназначены для включения в линию питания фаз 11 электродвигателя 12. Устройство содержит блокировку контактов пускателя 13, кнопку ПУСК 14 и кнопку СТОП 15 магнитного пускателя 9. Логический оператор ИЛИ 7, исполнительное реле 8 и магнитный пускатель 9 формируют исполнительное устройство 16 защитного устройства электродвигателя. Для защиты электродвигателя 12 от токов короткого замыкания и отключения от источника питания 17, а также для подачи питания на исполнительное реле 8 предназначен автоматический выключатель 18. Канал 1 защиты от токовой перегрузки содержит установленные на фазных проводах 11 датчики тока 19, выполненные в виде трансформаторов тока.

Фазные провода линии питания 11 на участке между трансформаторами токов 19 и электродвигателем 12 охвачены дифференциальным трансформатором тока 20. Электродвигатель содержит трехфазную обмотку статора 21 и корпус 22, соединенный с заземляющим проводом 23.

Канал 3 защиты от тепловой перегрузки содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора 21 электрическую цепь с последовательно включенными в нее ограничивающими резисторами 24 и 25 и температурным датчиком 26, выполненным в виде позистора, сопротивление RТ которого увеличивается при возрастании температуры (фиг.3). Параллельно позистору 26 включены электрическая ветвь с обратным диодом 27, защищающим от обратного напряжения динистор 28 и светодиод 29 оптопары 30. Фототиристор 31 оптопары 30 соединен с узлом 32 электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами 24 и 25, и корпусом 22 электродвигателя 12. Канал 3 защиты от тепловой перегрузки расположен в блоке 33.

На фиг.2 показано эквивалентное сопротивление 34 изоляции обмотки 21 относительно корпуса 22 электродвигателя 12.

Устройство защиты электродвигателя работает следующим образом.

При возникновении одного из аварийных факторов:

1. превышение током в обмотке электродвигателя порогового значения;

2. превышение температуры порогового значения;

3. понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже порогового значения,

логический оператор ИЛИ 7 выдает сигнал на исполнительное реле 8, которое, в свою очередь, выдает сигнал в цепь управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого отключают линию питания фаз электродвигателя 12.

Канал 1 защиты от токовой перегрузки работает следующим образом. Если ток, измеренный хотя бы одним из токовых датчиков 19 не превышает порогового значения, то не происходит свечения аварийного индикатора "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2 и не происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7. При этом обеспечивается нормальная работа электродвигателя 12. Если ток, измеренный хотя бы одним из токовых датчиков 19 на линии питания фаз 11, превышает пороговое значение, то засвечивается аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 2 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12.

При надежной изоляции между трехфазной обмоткой статора 21 и корпусом 22 электродвигателя 12 эквивалентное сопротивление 34 этой изоляции велико и ток утечки через заземляющий провод 23 на землю практически отсутствует.

При низкой температуре электродвигателя 12, измеренной температурным датчиком 26 и не превышающей допустимого значения, ток утечки также отсутствуют. Это объясняется тем, что при такой температуре сопротивление датчика - позистора RT 26 низкое (фиг.3). В электрической цепи, присоединенной к концам различных фаз обмотки статора 21, ток протекает через ограничивающие резисторы 24 и 25 и температурный датчик 26, не влияя на сумму токов в фазных проводах линии питания 11, охваченных дифференциальным трансформатором 20. Поскольку сопротивление позистора RT 26 мало, то мало и падение напряжения на нем. При этом динистор 28 находится в закрытом состоянии, т.е. его сопротивление велико и ток через него и через оптопару 30 не протекает.

При отсутствии тока утечки через заземляющий провод 23 сумма токов в линиях питания фаз 11 (мгновенных значений или векторов действующих значений) равна нулю и в трансформаторе тока 20 дифференциальный ток равен нулю. При этом обеспечивается нормальная работа электродвигателя 12.

Если в электродвигателе 12 происходит ухудшение состояния изоляции между трехфазной обмоткой 21 и корпусом 22, т.е. ее эквивалентное сопротивление 34 становится меньше допустимого значения, то возникает ток утечки через заземляющий провод 23 на землю (фиг.4). Из-за тока утечки сумма токов в линиях питания фаз 11 не равна нулю и в трансформаторе тока 20 появится дифференциальный ток. Наличие дифференциального тока трансформатора 20 обуславливает появление электродвижущей силы в его вторичной обмотке (фиг.6). При этом засвечивается аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" 6 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12. Поскольку в заземляющем проводе 23, присоединенном к корпусу 22 электродвигателя, протекает двухполупериодный (гармонический) ток утечки, то характер электродвижущей силы во вторичной обмотке трансформатора 20 имеет аналогичный характер с фазовым сдвигом.

При повышении температуры электродвигателя 12 выше допустимого значения сопротивление датчика тока - позистора RТ 26 резко возрастает (фиг.3). При этом возрастает и падение напряжения на этом элементе 26. Вследствие этого возрастает напряжение на динисторе 26 и происходит его открытие, т.е. его сопротивление становится малым и через него и светодиод 29 оптопары 30 начинает протекать ток. Протекание тока через светодиод 29 приводит к открыванию фототиристора 31 оптопары 30. Поскольку сопротивление фототиристора 31 становится малым, через него и ограничивающий резистор 24 протекает ток утечки через заземляющий провод 23 на землю (фиг.5). Из-за тока утечки сумма токов в линиях питания фаз 11 не равна нулю и в трансформаторе тока 20 появится дифференциальный ток. Наличие дифференциального тока трансформатора 20 обуславливает появление электродвижущей силы в его вторичной обмотке (фиг.7). При этом засвечивается аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА" 4 и происходит подача сигнала на логический оператор ИЛИ 7 с последующим отключением линии питания фаз 11 электродвигателя 12. Поскольку в заземляющем проводе 23, присоединенном к корпусу 22 электродвигателя, протекает однополупериодный ток утечки, то характер электродвижущей силы во вторичной обмотке трансформатора 20 имеет негармонический характер.

Различный характер токов утечки и соответствующих электродвижущих сил во вторичной обмотке дифференциального трансформатора позволяет легко выявить причину аварии и отключения электродвигателя от сети.

Предлагаемое устройство обеспечивает комплексную защиту электродвигателя 12 во время его работы от различных разнородных факторов (недопустимой токовой и тепловой перегрузки, понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня), что гарантирует высокую надежность защиты. Защитное устройство работает без использования специальных проводов от измерительных датчиков, установленных на электродвигателе, к удаленному от него исполнительному устройству 16.

Устройство защиты было изготовлено, прошло экспериментальную проверку в различных условиях, показав высокую надежность.

Источники информации

1. А.с. СССР №600654, МКИ Н 02 Н 7/08, 1978 г.

2. А.с. СССР №1302369, МКИ Н 02 Н 7/08, 1985 г.

3. А.с. СССР №1764118, МКИ Н 02 Н 7/08, 1992 г.

4. Пат. Украины №61537 А, МКИ Н 02 Н 7/08, Н 02 Н 5/04, з. №2003021652 от 25.02.2003 г. (прототип).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство защиты электродвигателя, содержащее канал защиты от токовой перегрузки, включающий установленный на фазном проводе линии питания датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, и аварийный индикатор "ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", канал защиты от тепловой перегрузки, включающий аварийный индикатор "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающийся при превышении измеренной датчиком температуры порогового значения, и канал защиты от пониженного сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя, включающий аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ", засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже порогового значения, соединенные между собой параллельно и подключенные посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, отличающееся тем, что фазные провода линии питания на участке между трансформаторами токов и электродвигателем охвачены дифференциальным трансформатором тока, аварийный индикатор "ИЗОЛЯЦИЯ" засвечивается при возникновении двухполупериодного тока утечки в заземляющем проводе, присоединенном к корпусу электродвигателя, а канал защиты от тепловой перегрузки с аварийным индикатором "ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА", засвечивающимся при возникновении однополупериодного тока утечки в заземляющем проводе, содержит присоединенную к концам различных фаз обмотки статора электрическую цепь с последовательно включенными в нее двумя ограничивающими резисторами и температурным датчиком, выполненным в виде позистора, сопротивление которого увеличивается при возрастании температуры, причем параллельно позистору включены электрическая ветвь с обратным диодом и электрическая ветвь с динистором и светодиодом оптопары, фототиристор которой соединен с узлом электрической цепи, расположенной между ограничивающими резисторами, и корпусом электродвигателя.

www.freepatent.ru

Устройство для защиты трехфазных асинхронных двигателей

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и автоматике трехфазных асинхронных двигателей. Технический результат заключается в повышении надежности и селективности срабатывания защиты при перегреве отдельных частей или всего электродвигателя в целом. Техническим результатом, получаемым при реализации устройства, является детальное моделирование процессов внутри электрической машины и расширение возможностей по настройке параметров тепловой модели асинхронного двигателя. Для этого заявленное устройство содержит три датчика тока, коммутатор, частотный фильтр, преобразователь тока в напряжение, микроконтроллер, блок индикации, блок выбора режимов работы и управления, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик импульсов, блок управления электродвигателем, выключатель, кроме того, снабжено датчиком температуры окружающей среды, датчиком температуры корпуса двигателя, датчиком атмосферного давления, блоком тепловой модели, состоящим из микроконтроллера и встроенной программы, реализующей функции тепловой модели асинхронного двигателя. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и автоматике трехфазных асинхронных двигателей.

Известно устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя [1], содержащее датчики тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный (А.Е.Немировский, А.В.Булычев, Н.Д.Поздеев. Адаптивное устройство токовой защиты асинхронного электродвигателя // Техника в сельском хозяйстве. - 1998. - №6. - С.21-22).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно имеет низкую точность при наличии в токе статора электродвигателя апериодических и высших гармонических составляющих, что может приводить к неправильным действиям защиты.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя [2], содержащее три датчика тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик и выключатель (Патент 2179360 С2 РФ, МКИ 7 Н02Н 7/085, 7/09. Устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя / Н.Д.Поздеев, А.В.Булычев).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно имеет низкую селективность срабатывания при возникновении локального перегрева, что может приводить к повреждению изоляции электродвигателя.

Цель изобретения:

1. Повышение быстродействия и надежности работы защиты.

2. Возможность настройки тепловой модели электродвигателя.

3. Возможность определения температур отдельных элементов электрической машины.

Техническим результатом, получаемым при реализации устройства, является детальное моделирование процессов внутри электрической машины и расширение возможностей по настройке параметров тепловой модели асинхронного двигателя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство, содержащее датчики тока, коммутатор, активный полосовой частотный фильтр, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, счетчик, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный дополнительно снабжено датчиками температуры окружающей среды и корпуса двигателя, датчиком атмосферного давления и блоком тепловой модели двигателя. Причем выходы датчиков температуры и датчика атмосферного давления соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока тепловой модели, второй выход блока тепловой модели соединен со вторым входом микроконтроллера, третий выход микроконтроллера соединен с шестым входом блока тепловой модели.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что оно содержит новые блоки со своими связями, которые позволяют повысить надежность и селективность срабатывания защиты при перегреве отдельных частей или всего электродвигателя в целом. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Патентный поиск показал, что признаки совпадения с предлагаемыми отличительными от прототипа устройствами выявлены не были. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «Изобретательский уровень».

На чертеже изображена структурная электрическая схема устройства для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей. Устройство защиты содержит датчики тока 1, коммутатор 2, активный полосовой частотный фильтр 3, блок преобразования тока в напряжение 4, блок тепловой модели 5, микроконтроллер 6, блок индикации 7, блок выбора режимов работы и управления 8, трансформатор напряжения 9, блок преобразования синусоидальных импульсов в прямоугольные 10, счетчик импульсов 11, блок управления электродвигателем 12, выключатель 13, датчик температуры окружающей среды 14, датчик температуры корпуса двигателя 15, датчик атмосферного давления 16.

Устройство защиты работает следующим образом.

При первом пуске электродвигателя в блоке выбора режимов работы и управления 8 запускается наладочный режим. После нажатия кнопки «Пуск», относящейся к этому же блоку, микроконтроллер 6 подает сигнал со своего выхода через специальный интерфейс на вход блока тепловой модели 5, представляющий собой микроконтроллер с встроенной программой, который, в свою очередь, определяет значение полупериода питающей сети, подключая через коммутатор 2 к информационному входу блока тепловой модели выходной сигнал трансформатора напряжения 9, преобразованный из синусоидального сигнала в однополярный прямоугольный в блоке 10. Блок тепловой модели 5 в это время записывает в постоянное запоминающее устройство, относящееся к этому же микроконтроллеру, информацию с датчиков температуры окружающей среды и корпуса двигателя, а также значение с датчика атмосферного давления, которые присоединены к соответствующим входам блока тепловой модели. Затем микроконтроллер 6 посредством блока управления электродвигателем 12 через выключатель 13 подает трехфазное напряжение на электродвигатель, а блок тепловой модели циклически определяет значения фазных токов электродвигателя и пересылает их в микроконтроллер 6, который определяет пусковой ток электродвигателя, на основании которого вычисляет ток срабатывания отсечки. Далее блок тепловой модели по начальным данным и данным с датчиков начинает рассчитывать значения температур элементов электродвигателя. Входными сигналами устройства защиты служат вторичные токи фаз, снимаемые с датчиков тока 1, значение температуры окружающего воздуха, снимаемое с датчика 14, значение температуры корпуса двигателя, снимаемое с датчика 15, значение атмосферного давления, снимаемое с датчика 16, а также значение напряжения сети, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора напряжения 9. По очереди с каждой фазы информация о значениях тока через коммутатор 2, управляемый блоком тепловой модели 5, через активный низкочастотный фильтр 3, подключенный к выходу коммутатора, ограничивающий полосу пропускания входного сигнала, поступает в блок преобразования тока в напряжение 4, с выхода которого поступает на информационный вход блока тепловой модели 5. Преобразование тока в напряжение необходимо из-за того, что контроллер может работать только с потенциальными сигналами. При отсутствии сигнала хотя бы с одной фазы блок тепловой модели выдает сигнал со своего выхода на соответствующий вход микроконтроллера 6, который останавливает электродвигатель и выводит информацию в блок индикации 7. Режим «Работа» устанавливается в блоке выбора режимов работы и управления 8 и является основным. В этом режиме активны защита от обрыва фазы, токовая отсечка, защита от заклинивания ротора и от перегрузки. Срабатывание любой из перечисленных защит приведет к остановке электродвигателя и выводу в блок индикации 7 соответствующей информации. При превышении номинального тока потребления электродвигателя сработает защита от перегрузки, которая реализована в блоке тепловой модели. Остановка электродвигателя происходит при нажатии на кнопку «Стоп», относящейся к блоку выбора режимов работы и управления 8. Сигналы с датчика температуры окружающей среды 14, датчика температуры корпуса двигателя 15, датчика атмосферного давления подаются на соответствующие входы блока тепловой модели 5 и формируют данные о начальной температуре внутренних элементов электрической машины. Блок тепловой модели 5 снимает параметры с датчика напряжения 9 и датчиков тока 1 и вычисляет внутренние сопротивления обмоток электродвигателя. Сигнал с выхода блока тепловой модели подается на вход микроконтроллера 6, который обрабатывает данные и принимает решение о дальнейших действиях. При превышениях температур внутренних элементов электрической машины микроконтроллер подает управляющий сигнал на вход блока управления электродвигателем 12 и выводит соответствующую информацию на устройство индикации 7, что позволяет предотвратить необратимые процессы в электродвигателе, вызванные перегревами.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство, предназначено для использования в промышленности и в сельском хозяйстве, а именно в электротехнике;

- преимущество изобретения состоит в том, что возможность реализации тепловой модели асинхронного двигателя в защите от перегрузок повышает эффективность использования электродвигателей в нестационарных режимах;

- программно-аппаратная реализация тепловой модели двигателя в предлагаемом устройстве позволяет настраивать защиту от перегрузок для любых типов асинхронных двигателей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Источники информации

1. А.Е.Немировский, А.В.Булычев, Н.Д.Поздеев. Адаптивное устройство токовой защиты асинхронного электродвигателя // Техника в сельском хозяйстве, 1998, №6, с.21-22.

2. Патент 2179360 С2 РФ, МКИ 7 Н02Н 7/085, 7/09. Устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя / Н.Д.Поздеев, А.В.Булычев. - Опубл. в БИ №4, 2002.

Устройство защиты трехфазных асинхронных двигателей, содержащее три датчика тока, коммутатор, частотный фильтр, преобразователь тока в напряжение, микроконтроллер, блок индикации, блок выбора режимов работы и управления, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик импульсов, блок управления электродвигателем, выключатель, при этом датчики тока подключены к соответствующим трем первым входам коммутатора, вход трансформатора напряжения соединен с одной фазой электрической сети, выход трансформатора напряжения соединен с входом блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, выход блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный соединен с первым входом коммутатора и счетчиком импульсов, выход счетчика импульсов соединен с первым информационным входом микроконтроллера, выход коммутатора соединен с входом частотного фильтра, выход частотного фильтра соединен с входом преобразователя тока в напряжение, второй выход микроконтроллера соединен с входом блока управления электродвигателем, выход блока управления электродвигателем соединен с управляющим входом выключателя, третий выход микроконтроллера соединен с блоком индикации, блок выбора режимов работы и управления соединен с управляющим входом микроконтроллера, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик температуры окружающей среды, датчик температуры корпуса двигателя, датчик атмосферного давления, блок тепловой модели, состоящий из контроллера и встроенной программы, реализующей тепловую модель асинхронного двигателя, при этом сигналы с выходов датчиков температуры окружающей среды, температуры корпуса двигателя и атмосферного давления поступают на третий, четвертый и пятый входы блока тепловой модели двигателя, второй выход блока тепловой модели двигателя подключен к соответствующему входу микроконтроллера, первый выход блока тепловой модели соединен с первым входом коммутатора, выход преобразователя тока в напряжение соединен со вторым входом блока тепловой модели, первый выход микроконтроллера соединен с шестым входом блока тепловой модели, реализующего функции защиты электродвигателя от перегрузки, которая может вызывать локальные перегревы обмоток электродвигателя.

www.findpatent.ru

Устройство для защиты трехфазных электродвигателей

 

Использование: изобретение относится к релейной защите. Используется с целью повышения чувствительности работы и уменьшения времени срабатывания защиты при витковых замыканиях и неполнофазных режимов работы электродвигателя. Сущность изобретения: технический результат достигается за счет введения в устройство фильтра напряжения обратной последовательности, выпрямительного моста и исполнительного чувствительного реле, реагирующего на равновесие напряжений. 1 ил.

Изобретение относится к релейной защите и предназначено для защиты трехфазных электродвигателей.

Известны устройства, состоящие из токовых реле для защиты электродвигателей, реагирующие на превышение пускового тока двигателей (Ю.Г. Барыбин, Л.Е.Федоров и др.Справочник по проектированию электроснабжения.- М.: Энергоатомиздат,1980,с. 486-487). Однако такие защиты имеют низкую чувствительность к повреждениям внутри двигателя и позволяют защищать двигатель только при замыкании 65-70% витков его обмотки. Известны устройства для защиты электродвигателей, основанные на пофазном сравнении комплексных значений (или их фаз) токов со стороны питания двигателя и со стороны его нулевых выводов (В.И.Корогодский и др.Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ.- М.: Энергоатомиздат, 1987,с.142-147). Однако для осуществления таких защит необходимо, чтобы каждая фаза обмотки статора имела по два вывода - начало и конец, причем концы обмоток фаз были бы выведены каждый на свой, а не на один общий зажим в коробке выводов, что усложняет конструкцию двигателя, требует дополнительной установки трансформаторов тока, и, следовательно, приводит к увеличению его стоимости. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, принятым за прототип, является устройство для защиты трехфазного электродвигателя от внешних, внутренних коротких замыканий и анормальных режимов, содержащее промежуточные трансформаторы тока, подключенные к фильтрам тока прямой и обратной последовательности, один из которых подключен к одному выпрямительному мосту, а другой через разделительный трансформатор - к другому выпрямительному мосту, выходы обоих мостов подключены к трем, параллельно включенным исполнительным реле, одноименные концы которых разделены двумя диодами (а.с. N 729729,кл. H 02 H 7/08). Известное устройство позволяет осуществлять защиту двигателя от коротких замыканий (исполнительное реле отсечки), симметричных перегрузок (исполнительное реле перегрузки) и повреждений, сопровождаемых малыми токами обратной последовательности - обрывами фаз, витковых замыканий (исполнительное реле обратной последовательности). Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является низкая чувствительность к витковым замыканиям (В.И.Корогодский и др. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. - М.: Энергоатомиздат,1987, с. 191), а также отстройка срабатывания исполнительного реле обратной последовательности по времени от внешних коротких замыканий, что приводит к увеличению размеров повреждения двигателя при витковых замыканиях. Указанные недостатки обусловлены тем, что исполнительное реле обратной последовательности подключено на выход своего выпрямительного моста и реагирует на абсолютную величину тока обратной последовательности. Целью изобретения является повышение чувствительности защиты и уменьшение времени ее срабатывания, а следовательно,и уменьшение размеров повреждения двигателя при витковых замыканиях. Цель обеспечивается тем, что в устройстве, содержащем фильтр тока обратной последовательности, исполнительные реле токовой отсечки и перегрузки, выход фильтра тока обратной последовательности подключен к одному выпрямительному мосту, согласно изобретению, фильтр напряжения обратной последовательности, выход которого подключен к другому выпрямительному мосту, одни однополюсные выходы обоих мостов соединены между собой, а между другими однополюсными выходами установлено исполнительное реле, чувствительное к равновесию напряжения. Наличие в схеме вместо фильтра тока обратной последовательности фильтра напряжения обратной последовательности, выход которого подключен к другому выпрямительному мосту, а одни однополюсные выходы обоих мостов соединены между собой, а между другими однополюсными выходами включено исполнительное реле, чувствительное к равновесию напряжений, позволяет повысить чувствительность защиты к витковым замыканиям и уменьшить время ее срабатывания при таких повреждениях, а следовательно,и уменьшить размер повреждения двигателя, в сравнении с прототипом. Это доказывается следующим: - на выходе выпрямительного моста, подключенного к выходу фильтра напряжения обратной последовательности, выделяется напряжение, пропорциональное напряжению обратной последовательности: ; - на выходе выпрямительного моста, подключенного к выходу фильтра тока обратной последовательности, выделяется напряжение, пропорциональное току обратной последовательности: . Если пренебречь чувствительностью исполнительного реле, чувствительного к равновесию напряжения, то уравнение его срабатывания запишется: поделив обе части уравнения на U2 KI, получим: , где - заданная уставка срабатывания защиты при витковых замыканиях. Следовательно, уставку срабатывания исполнительного реле, реагирующего на витковые замыкания, не нужно отстраивать от внешней несимметрии напряжения, как в прототипе, так как при появлении внешней несимметрии происходит увеличение тока обратной последовательности I2, но соответственно происходит и увеличение напряжения обратной последовательности и их отношение останется меньше уставки срабатывания. Данную уставку не нужно согласовывать по времени с временем срабатывания защит, действующих при внешних двухфазных КЗ (В. И. Корогодский и др.Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. - М.: Энергоатомиздат.1987,с.188-191). Соответствие технического решения критерию "существенные отличия" доказывается следующим. Известно техническое решение (а.с. N 898549 МКл.3 H 02 H 7/08) с тремя блоками выделения наибольшего и наименьшего из сигналов датчиков напряжения, нелинейным элементом и измерительным органом, к трем выходам которого подключены выходы блоков выделения наибольшего и наименьшего из сигналов датчиков тока; выходы блоков выделения наибольшего и наименьшего из сигналов датчиков напряжения; выход блока выделения наибольшего из сигналов датчиков тока, подключенного через нелинейный элемент. Таким образом, уставка срабатывания измерительного органа автоматически загрубляется при пуске двигателя в условиях несимметрии питающего напряжения до номинального тока двигателя, что существенно снижает чувствительность работы данного устройства. Кроме того, оно сложно в выполнении, что снижает надежность его работы. В заявляемом решении вместо блока выделения наибольшего и наименьшего из сигналов датчиков напряжения вводится фильтр напряжения обратной последовательности, выпрямительный мост и исполнительное реле, чувствительное к равновесию напряжения, которое реагирует на отношение тока обратной последовательности к напряжению обратной последовательности, т. е. по существу происходит замер величины обратной сопротивлению обратной последовательности двигателя, т. е. и, следовательно, уставка его срабатывания не зависит от величин тока (пускового) и сохраняет свою чувствительность в различных режимах работы. Кроме того, заявляемое устройство проще в исполнении и, следовательно, надежнее в работе. Таким образом, введение в устройство фильтра напряжения обратной последовательности, выпрямительного моста и исполнительного реле, чувствительного к равновесию напряжения, позволяет избавиться от загрубления уставки срабатывания при пуске двигателя, т.е. у заявляемого технического решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами решения по а.с. N 898549,М. Кл.3 H 02 H 7/08, а одна и та же цель достигается разными техническими неэквивалентными средствами. На чертеже изображена принципиальная схема устройства. Устройство содержит исполнительное реле токовой отсечки 1, исполнительное реле перегрузки 2, фильтр тока обратной последовательности 3, к выходу которого подключен выпрямительный мост 4, фильтр напряжения обратной последовательности 5, к выходу которого подключен выпрямительный мост 6. Одни одноименные выходы выпрямительных мостов 4 и 6 соединены между собой, а между другими одноименными выходами выпрямительных мостов 4 и 6 включено исполнительное реле 7, чувствительное к равновесию напряжения. Реле 1,2 и 7 имеют следующие назначения: исполнительное реле 1 срабатывает при трехфазных (симметричных) коротких замыканиях (КЗ) в защищаемом двигателе без выдержки времени; исполнительное реле 2 срабатывает при перегрузке двигателя с независимой выдержкой времени; исполнительное реле 2 срабатывает при витковых замыканиях в обмотке статора двигателя, несимметричных (двухфазных) КЗ, а также при обрыве одной из фаз практически без выдержки времени (задается небольшое, по времени срабатывания, замедление защиты для затухания переходных процессов в элементах схемы защиты). Напряжение, выделяющееся на выходе выпрямительного моста 4, пропорционально току обратной последовательности, т.е. , где KI - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра тока обратной последовательности; I2 - ток обратной последовательности. Напряжение, выделяющееся на выходе выпрямительного моста 6, пропорционально напряжению обратной последовательности, т.е. , где KU - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра напряжения обратной последовательности; U2 - напряжение обратной последовательности. Устройство работает следующим образом. При возникновении симметричных КЗ в питающем кабеле (линии) или на вводах двигателя (симметричные КЗ в обмотке статора двигателя исключены вследствие конструктивного ее выполнения) срабатывает реле 1 без выдержки времени (токовая отсечка). При возникновении перегрузки двигателя срабатывает реле 2 с независимой выдержкой времени. При возникновении неполнофазного режима или витковом замыкании в обмотке статора двигателя на выходе выпрямительного моста 4 возникает напряжение , а на выходе выпрямительного моста 6 возникает напряжение . Если пренебречь чувствительностью исполнительного реле 7, то уравнение его срабатывания можно записать как: , поделив обе части этого уравнения на , получим: , где - заданная уставка срабатывания защиты, независящая как от величины абсолютного значения тока обратной последовательности, так и нетребующая загрубления при пуске двигателя, так как она зависит только от величины, обратно пропорциональной сопротивлению обратной последовательности двигателя: Описанное устройство для защиты трехфазного электродвигателя обеспечивает его защиту от симметричных и несимметричных КЗ, защиту от витковых замыканий в обмотке статора двигателя и его неполнофазного режима, а также защиту от перегрузки. Предлагаемое устройство прошло лабораторные испытания, которые показали, что дополнительное введение фильтра напряжения обратной последовательности 5, выпрямительного моста 6 и исполнительного реле 7 выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, так как позволяет повысить коэффициент чувствительности защиты от витковых замыканий и неполнофазных режимов в 2-2,5 раза, снизить выдержку времени срабатывания защиты практически до нуля, что существенно снижает размер повреждения обмотки двигателя.

Формула изобретения

Устройство для защиты трехфазных электродвигателей, содержащее трансформаторы тока, подключенные к входам фильтра тока обратной последовательности, выход которого подключен к выпрямительному мосту, другой выпрямительный мост, исполнительные реле токовой отсечки и перегрузки и исполнительное чувствительное реле, один вывод которого подключен к одному из выходов выпрямительного моста, отличающееся тем, что исполнительные реле токовой отсечки и перегрузки включены последовательно в нулевой провод трансформаторов тока, введен фильтр напряжения обратной последовательности, подключенный к контролируемой сети, а его выход подключен к другому выпрямительному мосту, при этом другой вывод исполнительного чувствительного реле подключен к одноименному выходу другого выпрямительного моста, другие одноименные выходы обоих мостов соединены между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru