Устройство для тепловой защиты трехфазного электродвигателя

 

Использование: электроаппаратостроение, в частности при выполнении тепловой защиты трехфазных электродвигателей переменного тока. Сущность изобретения: регулирование характеристики нагрева терморезисторов (ТР) и сердечников (С) трансформаторов (ТТ) путем изменения величины магнитного потока в С ТТ. Устройство содержит датчики тока по числу фаз питающей сети, выполненные в виде ТТ, с намагничивающими токовыми обмотками 1, вторичными обмотками 2. размагничивающими обмотками 3, включенными на регулировочные резисторы (Р) 4. Все три обмотки каждого ТТ размещены на массивном (нешихтованном ) С 5 из конструкционной ста ли, образуя ТТ с большими потерями электромагнитной энергии в С 5, и ТР 6 по числу датчиков тока. Каждый ТР 6 встроен в соответствующий с 5 ТТ, находится с ним в непосредственном тепловом контакте и соединен последовательно с соответствующей вторичной обмоткой 2 каждого ,ТТ, образуя термочувствительные цепи. Для каждого датчика тока введены свои выпрямительные мосты (ВМ) 7, первые 8 и вторые 9 Р,стабилитроны 10,транзисторы 11. Каждый С 5 ТТ является тепловым аналогом защищаемого электродвигателя, образуя в совокупности со встроенным ТР 6 термоэлектрический преобразователь тока электродвигателя . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(! 9) (!») (Гп)ю Н 02 Н 5/04, 7/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПЯТЕНТ СССР) г йаЬЫ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ I"" »"»"" »»»»»»»ы

» иотьц, К ПАТЕНТУ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Использование: электроап паратостроение, в частности при выполнении тепловой защиты трехфазных электродвигателей переменного тока, Сущность изобретения: регулирование характеристики нагрева терморезисторов (TP) и сердечников (С) трансформаторов(ТТ) путем изменения величины магнитного потока в С TT. Устройст1 л

I» С>

Ъ л

М (21) 4823405/07 (22) 07.05.90 (46) 23.07.93. Бюл. % 27 (71) Алчевский горно-металлургический институт (72) В.Г.Стройников (73) Совместное научно-коммерческое и редприятие "Патент" при Алчевском горно-металлургическом институте (56) Авторское свидетельство СССР

М 1488910, кл. Н 02 Н 5/04, 1988.

Авторское свидетельство СССР

hh 1112472, кл. Н 02 H 6/00, 1982. во содержит датчики тока по числу фаз питающей сети, выполненные в виде ТТ, с намагничивающими токовыми обмотками 1, вторичными обмотками 2, размагничивающими обмотками 3, включенными на регулировочные резисторы (Р) 4, Все три обмотки каждого ТТ размещены на массивном (нешихтованном) С 5 из конструкционной стали, образуя ТТ с большими потерями электромагнитной эйергии в С 5; и TP 6 по числу датчиков тока. Каждый TP 6 встроен в соответствующий с 5 ТТ, находится с ним в непосредственном тепловом контакте и соединен последовательно с соответствующей вторичной обмоткой 2 каждого;ТТ, образуя термочувствительные цепи. Для каждого датчика тока введены свои выпря мительные мосты (8M) 7, первые 8 и вторые

9 Р, стабилитроны 10, транзисторы 11. Каждый С 5 ТТ является тепловым аналогом защищаемого электродвигателя, образуя в совокупности со встроенным TP 6 термоэлектрический преобразователь тока электродвигателя. 1 ил.

1830165

45 зистор 11. Причем первый резистор 8 одним . из выводов соединен последовательно с анодом стабилитрона 10, образуя стабилизирующую цепь, свободный вывод первого резистора 8 подключен к минусовому- выводу, а катод стабилитрона 10 — к плюсовому выводу каждого аыпрямительного моста 7.

Эмиттер каждого транзистора 11 соединен с катодом стабилитрона 10, база транзистора 11 через второй резистор 9 соединена с 55 анодом стабилитрона 10.

° Указанная совокупность элементов образует модуль одной фазы. Минусовый вывод выпрямительного моста 7 первого фазного модуля соединен.с коллектором

Изобретение относится к электроаппаратостроению. а именно к устройствам защиты, и может быть использовано при выполнении тепловой защиты трехфазных электродвигателей переменного тока.

Цель изобретения — повышение надежности и обеспечение возможности регулирования динамической характеристики нагрева терморезисторов и сердечников трансформаторов тока путем изменения величины магнитного потока в сердечниках трансформаторов тока, На чертеже показаны один иэ возможных вариантов конструктивного выполнения сердечников трансформаторов тока и схема устройства для тепловой защиты трехфазного электродвигателя..

Устройство состоит из трех равноценных фазных модулей; каждый из которых содержит намагничивающую первичную токовую обмотку 1, подключаемую последовательно в цепь фаэной статорной обмотки электродвигателя, вторичную .обмотку 2 и размагничивающую обмотку 3, включенную на регулироаочный резистор 4. Все три обмотки размещены на массивном (нешихтованном) сердечнике 5 из конструкционной стали, причем указанная совокупность элементов образует трансформатор тока с большими потерями электромагнитной энергии в сердечнике 5. Вторичная обмотка

2 каждого трансформатора тока соединена последовательно с термореэистором 6 (обычно в подобных устройствах используются с положительным температурным коэффициентом — поэисторы), образуя термочувствительную цепь. Терморезистор

6 встроен в массивный сердечник 5 трансформатора тока и находится с ним в непосредственном тепловом контакте.

Свободными выводами термочувстаи. тельная цепь подключена соответственно к двум входам каждого выпрямительного моста 7. Помимо этого имеются первый 8 и второй 9 резисторы, стабилитрон 10 и тран5

30 транзистора 11 второго фаэного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста 7 второго фаэного модуля соединен с коллектором транзистора 11 третьего фазного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста 7 третьего фазного модуля и коллектор транзистора 11 первого фазного модуля подсоединены к исполнительному органу

12, образуя общий источник питания с транзис горными ключами 11 от каждого фазного модуля.

Выводы движков всех регулировочных резисторов 4 размагничивающих обмоток 3 трансформаторов тока объединены между собой.

Характерной особенностью применяемого трансформатора тока в устройстве тепловой защиты является то, что в процессе работы в результате имеющихся во введенном массивном сердечнике 5 значительных потерь электромагнитной энергии на вихревые токи происходит его нагрев. Величина потерь и температура нагрева массивного сердечника 5 определяются значением магнитной индукции а нем, которая а свою очередь пропорционально связана с величиной тока в первичной обмотке 1 трансформатора тока, т.е. с током нагрузки электродвигателя!л, Такое утверждение правомерно, так как вихревые токи в сердечнике 5 создают мощное размагничивающее поле, которое можно заменить раэмагничиаающим полем, созданным эквивалентной короткоэамкнутой обмоткой, а результате действия которого совместно с полем, созданным первичной обмоткой 1 трансформатора тока, значение величины индукции в стали сердечника 5 находится а пределах линейного участка ее кривой намагничивания, Имея s виду несколько типоразмеров трансформаторов тока и рекомендации по их применению, можно подобрать соответствующие массивные сердечники 5, в идеальном случае являющиеся тепловыми аналогами защищаемого электродвигателя.

Регулирование величины индукции в массивном сердечнике 5 трансформатора тока, т,е. его нагрева, осуществляется благодаря вновь введенной дополнительной размагйичивающей обмотке 3, включенной на регулировочный резистор 4. Увеличивая или уменьшая величину сопротивления регулировочного резистора 4, т.е. изменяя величину тока в размагничиаающей обмотке 3, однозначно увеличивается или уменьшается величина индукции в массивном сердечнике 5 трансформатора тока и температура его нагрева. Это дает возможность в известных пределах осуществлять как оператив1830165 ное регулирование динамической характеристики нагрева терморезисторов 6 и массивных сердечников 5 трансформатора тока при вводе в эксплуатацию защитного устройства, так и подстроечное регулирование параметров срабатывания защитного устройства при эксплуатации с целью повышения адекватности тепловых аналогов— массивных сердечников 5, для конкретного защищаемого электродвигателя.

Наличие вновь введенной размагничивающей обмотки 3 в трансформаторе тока, включенной на регулировочный резистор 4, позволяет исключить насыщение массивного сердечника 5 трансформатора тока в широком диапазоне изменения тока нагрузки защищаемого электродвигателя 1д, что обеспечивает устойчивую пропорциональную связь магнитной индукции в массивном сердечнике 5 с величиной тока нагрузки!дв и более высокую точность в контроле теплового состояния обмоток электродвигателя.

Размагничивающим действием вторичной обмотки 2 указанного трансформатора тока можно пренебречь, так как суммарное сопротивление подключенных к ней элементов достаточно велико и протекающий в ней ток очень мал, В качестве терморезисторов 6 целесообразно использовать, например, позисторы типа СТ14-2, применяемые для встроенной температурной защиты обмоток электродвигателей. Для них характерна практически релейная зависимость величины сопротивления от температуры, причем резкое увеличение сопротивления наблюдается при достижении так называемой классификационной температуры срабатывания, в большинстве случаев соответствующей общепринятым классам нагревостойкости изоляции.

Применение таких позисторов в заявляемом устройстве позволяет исключить влияние температуры окружающей среды, обеспечивает достаточно высокий коэффициент возврата и существенно упрощает схему испол нител ьн ых органов.

При встройке в тепловой аналог-массивный сердечник 5 трансформатора тока терморезистора (позистора) 6 с фиксированной классификацией температурой срабатывания, появляется воэможность ограничить температуру нагрева сердечника 5 во времени, т.е. ограничить температуру нагрева обмоток защищаемого электродвигателя, В данном случае мас. сивный сердечник 5 трансформатора тока выполняет роль преобразователя электрической энергии входного сигнала (тока электродвигателя) в тепловую, а тер1 морезистор (позистор) б выполняет роль преобразователя тепловой энергии в энергию выходного сигнала, т.е. в совокупности они образуют термоэлектрический преобра5 зователь тока электродвигателя.

Чем больше кратность перегрузочного тока электродвигателя по сравнению с номинальным значением, тем меньше время нагрева массивного сердечника 5 трансфор10 матора тока до классификационной температуры срабатывания встроенного в него терморезистора (поэистора) 6, выражающегося в скачкообразном увеличении его электрического сопротивления и последующем

15 отключении перегретого электродвигателя исполнительной цепью от источника питания. Так как до срабатывания терморезисторов 6. типа СТ14-2 в холодном состоянии их электрические сопротивления примерно

20 одинаковы, то это дает возможность встраивать в массивный сердечник 5 трансформатора тока несколько терморезисторов (позисторов) с различной классификационной температурой срабатывания и подклю25 чать их в схему защиты электродвигателей, например, с одним и тем же номинальным током, но с разным классом нагревостойкости изоляции обмоток без замены защитного устройства.

30 Закрепление терморезисторов (позисторов) 6 в теле массивных сердечников 5 трансформаторов тока осуществляется,; например. с помощью эпоксидного компаунда, в состав которого для повышения

35 коэффициента теплопроводности вводят графит и оксид алюминия, что существенно уменьшает динамическую погрешность терморезисторов при незначительных перегрузках электродвигателя, 40 Дополнительно динамическая погрешность терморезисторов (позисторов) 6 при значительных перегрузках электродвигателя и токах КЗ компенсируется за счет их саморазогрева током, протекающим во вто45 ричных обмотках 2 трансформаторов тока, оптимальные значения которого выставля- ются с помощью первых резистОров 8 при вводе защитного устройства в эксплуатацию.

50 Устройство для тепловой защиты электродвигателя работает следующим образом.

При включении электродвигателя в ра.боту коммутационным аппаратом по его обмоткам и соответственно по намагничи55 вающим первичным токовым обмоткам 1 трансформаторов тока, подключенных в соответствующие фазы электродвигателя, протекает ток нагрузки 1дв, Напряжение, создаваемое во вторичных обмотках 2 трансформаторов тока, че1830165 рез терморезисторы (позисторы) 6, включенные последовательно с соответствующими вторичными. обмотками 2 и образующими совместно с ними термочувствительные цепи, подается на входы выпрямительных мостов 7, к выходах которых подключены стабилизирующие цепи, состоящие иэ последовательно соединенных первых резисторов 8 и стабилитронов 10, В результате по термочувствительным и стабилизирующим цепям протекает ток lz, величина которого ограничивается в основном суммарным сопротивлением терморезисторов (позисторов) 6 и первых резисторов 8.

При протекании тока l2 через соответствующий стабилитрон 10 каждого модуля на нем создается падение напряжения, являющееся управляющим для транзистора 11, эмиттер которого подсоединен к катоду стабилитрона 10, а база — к аноду стабилитрона

10 через второй резистор 9, ограничивающий базовый ток. С этого момента времени транзисторы 11 каждого модуля находятся в открытом состоянии.

Учитывая, что минусовый вывод выпрямительного моста 7 первого фазного модуля соединен с коллектором транзистора 11 второго фазного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста 7 второго фазного модуля соединен с коллектором транзистора 11 третьего фазного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста 7 третьего фазного модуля и коллектор транзистора 11 первого фазного модуля подсоединены к исполнительному органу 12, образуется общий источник питания для исполнительного органа 12 с транзисторными ключами 11 от каждого фазного модуля.

В результате этого исполнительный орган 12 находится в рабочем состоянии и обеспечивает управление коммутационным аппаратом независимо от величины тока нагрузки электродвигателя и характера Нагружения, включая режим и холостого хода.

Выводы движков всех регулировочных резисторов 4 размагничивающих обмоток 3 трансформаторов тока обьединены между собой с целью идентичного изменения динамической характеристики нагрева всех массивны сердечников 5 фаэных трансформаторов тока, При протекании тока нагрузки электродвигателя!д по намагничивающим первичным обмоткам 1 трансформаторов тока происходит нагрев массивных сердечников

5 в.результате значительных потерь электромагнитной энергии на вихревые токи.

Температура нагрева каждого фазного массивного сердечника 5- теплового анало5

55 га, однозначно определяет температуру нагрева обмоток электродвигателя, Параметры каждого фазного трансформатора тока рассчитываются так, что при протекании номинального тока массивные сердечники 5 нагреваются до температуры, соответствующей температуре нагрева обмоток защищаемого электродвигателя при данном токе, но не превышающей классификационную температуру срабатывания встроенных в них терморезисторов (позисторов) 6.

Выбор классификационной температуры срабатывания терморезисторов (позисторов) 6 в свою очередь согласуется с классом нагревостойкости изоляции статорных обмоток защищаемого электродвигателя. Таким образом, чтобы более полно использовать его перегрузочные возможности в пределах, не превышающих длительно допустимых температур.

Если по обмоткам электродвигателя протекают перегрузочные токи, то массивные сердечники 5 трансформаторов тока нагреваются до температуры. приводящей к срабатыванию терморезисторов (позисторов) 6 (одного или всех). При этом их сопротивление резко увеличивается на несколько порядков, ток 1р во вторичных цепях трансформаторов тока резко уменьшается и практически все напряжение. создаваемое во вторичных обмотках 2 при данном токе нагрузки, оказывается приложенным к терморезисторам (позисторам) 6, Падение напряжения на стабилитронах

10 становится практически равным нулю. транзисторные ключи 11 закрываются и исполнительный орган 12 разрывает цепь управления коммутационного аппарата, В результате перегретый электродвигатель отключается от питающей сети, При незначительных перегрузках электродвигателя (до 21Ho ) терморезисторы (поэисторы) 6 успевают следовать эа изменением температуры массивных сердечников 5 трансформаторов тока без динамической погрешности, или в равной степени за изменением температуры обмоток электродвигателя, и ее компенсация не требуется.

При значительных перегрузках электродвигателя (более 2IHQM) массивные сердечники 5 трансформаторов тока нагреваются (так же как и обмотки электродвигателя) достаточно быстро и встроенные в него терморезисторы (поэисторы) 6 могут проявлять динамическую погрешность из-за теплового сопротивления изоляции между терморезисторами (позисторами) 6 и массивными сердечниками 5.

1830165

10

В этом случае начинает работать механизм компенсации динамической погрешности, заложенный в схему устройства, который сводится к дополнительному нагреву (самораэогреву) терморезисторов (позисторов) 6.током 12, протекающим во вторичных цепях и пропорционально зависящим от тока нагрузки электродвигателя дв

В результате этого до момента срабатывания тепловой защиты терморезисторы (позисторы) 6 нагреваются комбинированно; за счет тепла, передаваемого от массивных сердечников 5 трансформаторов тока, и за счет возрастающих собственных потерь, что и компенсирует динамическую погрешность. Оптимальные значения тока 12 во вторичных цепях устанавливаются первыми резисторами 8 при вводе в эксплуатацию защитного устройства. согласно разработанным рекомендациям, и частично подстраиваются регулировочными резисторами 4, изменяющими размагничивающее поле от обмоток 3 трансформаторов тока, для конкретного защищаемого электродвигателя.

При укаэанном выше способе встройке терморезисторов (позисторов) 6 в массивные сердечники 5 трансформаторов тока обеспечивается более высокая надежность их в эксплуатации по сравнению с прототипом, так как имеющиеся тепловые деформации элементов конструкции устройства сглаживаются склеивающим слоем упомя. нутого эпоксидного компаунда, служащего и в качестве буфера для терморезисторов.

Кроме того, в предлагаемом устройстве в отличие от традиционных решений, нет .необходимости в специальном источнике питания для исполнительной цепи (эту роль выполняют вторичные обмотки 2 трансформаторов тока, включенные на выпрямительные мосты 7), что упрощает реализацию функции срабатывания терморезисторов (поэисторов) 6.

Описанное трехфазное устройство реагирует как на симметричные, так и несимметричные перегрузки электродвигателя, вызванные. например, несимметрией напряжения источника питания (для отключения устройства достаточно сработать одному терморезистору 6 в одном из модулей), и обеспечивает эффективную защиту при обрыве фазы. При обрыве любого фаэного провода (или фазной обмотки) транзисторный ключ 11 соответствующего фазного . модуля закрывается, разрывая цепь питания исполнительного органа 12, который переходит в нерабочее состояние и" прекращает управление коммутационным

55 аппаратом, Электродвигатель отключается от питающей сети.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает более высокой надежностью эа счет устранения действия термодинамических разрушающих усилий на терморезисторы, обеспечивает возможность регулирования динамической характеристики нагрева терморезисторов и массивных сердечников трансформаторов тока путево изменения величины магнитного потока в сердечниках трансформаторов тока для повышения адекватности тепловых аналогов-массивных сердечников трансформаторов тока, конкретному защищаемому электродвигателю, а также обеспечивает эффективную защиту при обрыве любого фазного провода (фаэной обмотки).

Экономическая целесообразность применения предлагаемого устройства определяется возможностью увеличения срока службы электродвигателей между капитальными ремонтами, уменьшением общего числа отказов электрооборудования.

Формула изобретения

Устройство для тепловой защиты трехфазного электродвигателя, содержащее датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, терморезистор, исполнительный орган, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения надежности и обеспечения возможности регулирования динамической хара ктеоистики нагрева терморезистора и сердечника трансформатора тока путем изменения величины магнитного потока в сердечнике трансформатора тока, в устройство дополнительно введены размагничивающая обмотка . в трансформаторе тока, регулировочный резистор, подключенный к выводам размагничивающей обмотки, выпрямительный мост, первый и второй резисторы, стабилитрон, транзистор, при этом терморезистор соединен последовательно со вторичной обмоткой трансформатора тока, образует термочувствительную цепь, свободными выводами подключенную соответственно к двум входам выпрямительного моста, первый резистор одним из выводов соединен последовательно с анодом стабилитрона. свободный вывод первого резистора подключен к минусовому выводу выпрямительного моста, катод стабилитронэ подключен к плюсовому выводу выпрямител ь ного моста, эмиттер т ра н зистора соединен с катодом стабилитрона. база транзистора через второй резистор соединена с анодом стабилитрона, а коллектор транзисторе и минусовый вывод выпрями12

1830165

Составитель 8; Стройников.

Техред М.Моргентал Корректор i М. Ткач

Редактор

Заказ 2494 Тираж Подписное

В НИИПИ Государственного комитета пе изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва; Ж-35, Раушская наб., 4/6

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 тельного моста подсоединены к исполнительному органу, при этом трансформатор тока выполнен с массивным сердечником и является тепловым аналогом защищаемого

4 электродвигателя, образуя в совокупности со встроенным терморезистором термоэлектрический преобразователь тока электродвигателя.