Устройство для тепловой защиты трехфазного электродвигателя

 

Использование: электроаппаратостроение, в частности при выполнении тепловой защиты электродвигателей переменного тока . Сущность изобретения: регулировка динамическо й характеристики нагрева терморезистора (ТР) и сердечника (С) трансФорматора тока (ТТ) путем изменения величины магнитного потока в С ТТ. Устройство содержит намагничивающую первичную токовую обмотку 1, вторичную обмотку 2, размагничивающую обмотку 3, включенную на регулировочный резистор (Р) 4. Все три обмотки размещены на массивном (нешихтованном ) С 5 из конструкционной стали, образуя ТТ с большими потерями электромагнитной энергии в С 5, ТР 6 (обычно позистор) встроен в массивный С 5, находится с ним в непосредственном тепловом контакте и соединен последовательно со вторичной обмоткой 2 ТТ, образуя термочувствительность цепь. Устройство обладает более высокой надежностью за счет устранения действия термодинамических разрушающих усилий на ТР 6 и обеспечивает возможность регулирования динамической характеристики нагрева ТР 6 и С 5 ТТ путем изменения величины магнитного потока. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,!Ж, 1830166 А 3 (я)5 Н 02 Н 7/08, 5/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ВЯЩ @Щ л

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .авива.,..

><+BR

К ПАТЕНТУ

6 (21) 4823405/07 (22) 07.05.90 (46) 23.07.93. Бюл. М 27 (71) Алчевский горно-металлургический инстиТут

{72) В.Г.Стройников (73) Совместное научно-коммерческое предприятие "Патент" при Алчевском горно-металлургическом институте (56) Авторское свидетельство СССР

М 1488910, кл. Н 02 Н 5/04, 1988, Авторское свидетельство СССР, М 1112472, кл. Н 02 Н 6/00, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Использование: электроаппаратостроение, в частности при выполнении тепловой защиты электродвигателей переменного тока. Сущность изобретения: регулировка динамической характеристики нагрева терморезистора (ТР) и сердечника (С) трансформатора тока (ТТ) путем изменения величины магнитного потока в С ТТ. Устройство содержит намагничивающую первичную токовую обмотку 1, вторичную обмотку 2, размагничивающую обмотку 3, включенную на регулировочный резистор (P) 4. Все три обмотки размещены на массивном (нешихтованном) С 5 иэ конструкционной стали, образуя TT с большими потерями электромагнитной энергии в С 5, TP 6 (обычно поэистор) встроен в массивный С 5, находится с ним в непосредственном тепловом контакте и соединен последовательно со вторичной обмоткой 2 ТТ, образуя термочувствительность цепь. Устройство обладает более высокой надежностью за счет устранения действия термодинамических разрушающих усилий на ТР 6 и обеспечивает возможность регулирования динамической характеристики нагрева ТР 6 и С 5 ТТ путем изменения величины магнитного потока. 1 ил.

1В 30166

Изобретение относится к электроаппа.1атостроению, а именно к устройствам защиты, и может быть использовано при выполнении тепловой защиты электродвигателей переменного тока.

Цель изобретения — повышение надежности и обеспечение воэможности регулирования динамической характеристики

: агрева терморезистора и сердечника трансформатора тока путем изменения величины магнитного потока в сердечнике трансформатора тока.

На чертеже показаны конструктивное выполнение сердечника трансформатора тока и схема устройства для тепловой защиты электродвигателя, Устройство содержит намагничиваю-. щую первичную токовую обмотку 1, подключаемую последовательно в цепь фаэной статорной обмотки электродвигателя, вторичную обмотку 2 и размагничивающую обмотку 3, включенную на регулировочный резистоо 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 трансформатора тока соединена последовательно с терморезистором 6 (обычно в подобных устройствах используется термореэисторы с положительным температурным коэффициентом— позисторы), образуя термочувствительную цепь. Терморезистор 6 встроен в массивный сердечник 5 трансформатора тока и находится с ним в непосредственном тепловом контакте.

Свободными выводами термочувствительная цепь подключена соответственно к двум входам выпрямительного моста 7, По мимо этого имеются первый 8 и второй 9 резисторы, стабилитрон 10 и транзистор 11.

Причем первый резистор 8 одним иэ 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 выпрямительного моста 7. Зммитер транзистора 11 соединен с катодом стабилитрона 10, база транзистора 11 через второй резистор 9 соединена с анодом стабилитрона 10, а коллектор транзистора 11 и минусовый вывод выпрямительного моста 7 подсоединяются к исполнительному органу

12, Характерной особенностью применяемог, трансформатора тока в устройстве теп ловой защиты является то, что в процессе

55 массивного сердечника 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 Igg, что .обеспечивает устойчивую пропорциональную связь магнитной индукции в массивном работы в результате имеющихся во введенном массивном сердечнике 5 значительных потерь электромагнитной энергии на вихревые токи происходит его нагрев. Величина

5 потерь и температура нагрева массивного сердечника 5 определяются значением магнитной индукции в нем, которая в свою очередь пропорционально связана с величиной тока в первичной обмотке 1 трансформато10 ра тока, т,е. с током нагрузки электродвигателя 1д . Такое утверждение правомерно, так как вихревые токи в сердечнике 5 создают мощное размагничивающее поле, которое можно заменить размагничивающим полем, созданным эквивалентной короткозамкнутой обмоткой, в результате действия которого совместно с полем, созданным первичной обмоткой 1 трансформатора тока, значение величины индукции в стали сердечника 5 находится в пределах линейного участка ее кривой намагничивания.

Имея в виду несколько типоразмеров трансформаторов тока и рекомендации по их применению, можно подобрать соответ25 ствующий массивный сердечник 5, в идеальном случае являющийся тепловым аналогом защищаемого электродвигателя.

Регулирование величины индукции в массивном сердечнике 5 трансформатора

30 тока, т.е. его нагрева, осуществляется благодаря вновь введенной дополнительной размагничивающей обмотке З,.включенной на регулировочный резистор 4. Увеличивая или уменьшая величину сопротивления регули35 ровочного резистора 4, т.е. изменяя величи-. ну тока в размагничивающей обмотке 3, однозначно увеличивается или уменьшается величина индукции в массивном сердечнике 5 трансформатора тока и температура

40 его нагрева. Зто дает возможность в известных пределах осуществлять как оперативное регулирование динамической характеристики нагрева терморезистора би массивного сердечника 5 трансформатора

45 тока при вводе в эксплуатацию защитного устройства, так и подстроечное регулироваwe параметров срабатывания защитного устройства при эксплуатации с целью повышения адекватности теплового аналога1830166 сердечнике 5 с величиной тока нагрузки!д 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 терморезистора 6 целесооб- 10 разно использовать, например, позитроны типа СТ 14-2, 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 исполнительных органов.

При встройке в тепловой аналог-массивный сердечник 5 трансформатора тока терморезистора (позистора) 6 с фиксированной классификационной температурой срабатывания, появляется возможность ограничить температуру нагрева сердечника 5 ва времени, т.е. ограничить температуру нагрева обмоток защищаемого электродвигателя. В данном случае массивный сердечник 5 трансформатора тока выполняет роль преобразователя электрической энергии входного сигнала (тока электродвигателя) в тепловую, а термореэистор (позистор) 6 выполняет роль преобразователя тепловой энергии в энергию выходного сиг; нала, т.е. в совокупности они обраэук т термоэлектрический преобразователь тока электродвигателя.

Чем больше кратность перегрузочного тока электродвигателя по сравнению с номинальным значением, тем меньше время нагрева массивного сердечника 5 трансформатора тока до классификационной температуры срабатывания встроенного в него терморезистора (позистора) 6, выражающееся в скачкообразном увеличении его электрического сопротивления и последующем отключении перегретого электродвигателя исполнительной цепью от источника питания. Так как до срабатывания терморезисторов (позисторов) 6 типа СТ 14-2 в холодном состоянии их электрические соЭ

50 противления примерно одинаковы, то это дает воэможность встраивать в массивный сердечник 5 трансформатора тока несколько терморезисторов (поэисторов) с различной классификационной температурой срабатывания и подключать их в схему защиты электродвигателей. например, с одним и тем же номинальным током. но с разным классом нагревостойкости изоляции обмоток без замены защитного устройства.

Закрепление термореэистора (поэистора) 6 в теле массивного сердечника 5 трансформатора тока осуществляется. например, с помощью эпоксидного компаунда, в состав которого для повышения коэффициента теплопроводности вводят графит и оксид алюминия, что существенно уменьшает динамическую погрешность термореэистора при незначительных перегрузках электродвигателя.

Дополнительно динамическая погрешность терморезистора (поэистора) 6 при значительных перегрузках электродвигателя и токах КЗ компенсируется эа счет его саморазогрева током, протекающим во вторичной обмотке 2 трансформатора тока, оптимальные значения которого выставляются с помощью первого резистора 8 при вводе защитного устройства в эксплуатацию, Устройство для тепловой защиты электродвигателя работает следующим образом.

При включении электродвигателя в работу коммутационным аппаратом по его обмоткам .и соответственно по намагничивающей первичной токовой обмотке 1 трансформатора тока, подключенной в одну из фаз электродвигателя, протекает ток нагрузки 1л . Напряжение, создаваемое во вторичной обмотке 2 трансформатора тока, через термореэистор (поэистор) 6, включенный последовательно с вторичной обмоткой 2 и образующий совместно с ней термочувствительную цепь, подается на входы выпрямительного моста

7, к выходам которого подключена стабилизирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных первого резистора 8 и стабилитрона 10, В результате по термочувствительной и стабилизирующей цепям протекает ток lz, величина которого ограничивается в основном суммарным сопротивлением терморезистора (позистора) 6 и первого -резистора 8. При протекании тока

lz через стабилитрон 10 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

1830166

ЗО

45 резистор 9, ограничивающий базовый ток. С этого момента времени транзистор 1 I находится в открытом состоянии и обеспечивает как ключ через исполнительный орган 12 управление коммутационным аппаратом независимо от величины тока нагрузки электродвигателя и характера нагружения, включая режим и холостого хода.

При протекании тока нагрузки электродвигателя 1 8 по намагничивающей первичной обмотке 1 трансформатора тока происходит нагрев массивного сердечника

5 в результате значительных потерь электромагнитной энергии на вихревые токи.

Температура нагрева массивного сердечника 5 — теплового аналога, однозначно определяет температуру нагрева обмоток электродвигателя.

Параметры трансформатора тока рассчитываются так, что при протекании номинального тока массивный сердечник 5 нагревается до температуры, соответствующей температуре нагрева обмоток защищаемого электродвигателя при данном токе, но не превышающей классификационную температуру срабатывания встроенного в мего терморезистора (поэистора) 6. Выбор классификационной температуры срабатывания теряюзрезистора (позистора) 6 в свою очередь Согласуется C классом нагревостойкости изоляции статорных обмоток защищаемого электродвигателя таким образом, чтобы более полно использовать его перегрузочные возможности впределах,,не превышающих длительно допустимых температур.

Если,пЬ обмоткам электродвигателя протекают перегрузочные токи, то массивн - и сердечник 5 трансформатора тока нагревается до температуры, приводящей к срабатыванию термореэистора (поэистора) 6. При этом его сопротивление резко увеличивается на несколько порядков, ток lz во вторичной цепи трансформатора тока резко уменьшается и практически все напряжение, создаваемое во вторичной обмотке 2 при данном токе нагрузки, оказывается приложенным к терморезистору (позистору) 6;

Падение напряжения на стабилитроне 10 становится практически равным нулю, транзисторн. и ключ 11 закрывается и Исполнительный орган. 12 разрывает цепь управления коммутационного аппарата. В результате перегретый электродвигатель отключается от питающей сети.

При незначительных перегрузках электродвигателя (до 2f NoM) термореэистор (позистор) 6 успевает следовать за изменением температуры массивного сердечника 5 грансформатора тока беэ динамической погрешности, или в равной степени за изменением температуры обмоток электродвигателя, и ее компенсация не требуется.

При значительных перегрузках электродвигателя (более 21

8 результате этого до момейта срабатывания тепловой защиты терморезистор (позистор) 6 нагревается комбинированно: за счет тепла, передаваемого от массивного сердечника 5 трансформатора тока, и за счет возрастающих собственных потерь, что и компенсирует динамическую погрешность. Оптимальные значения тока Iz во вторичной цепи устанавливаются первым. резистором 8 при вводе в эксплуатацию защитного устройства, согласно разработанным рекомендациям, и частично подстраиваются регулировочным резистором 4, изменяющим размагничивающее поле от обмотки 3 трансформатора тока, для конкретного защищаемого электродвигате- ля.

При указанном выше способе встройки терморезистора (позистора) 6 и массивный сердечник 5 трансформатора. тока обеспечивается более высокая надежность его в эксплуатации по сравнению с прототипом, так как имеющиеся тепловые деформации элементов конструкции устройства сглаживаются склеивающим слоем упомянутого эпоксидного компаунда, служащего и в качестве буфера для терморезистора.

Кроме того, в предлагаемом устройстве в отличие от традиционных решений нет необходимости в специальном источнике питания для исполнительной цепи (эту роль выполняет вторичная обмотка 2 трансформатора тока, включенная на выпрямительный мост 7), что упрощает реализацию функции срабатывания те рморезистора (позистора) 6.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает более высокой надежностью эа счет устранения действия термодинамических разрушающих усилий

1830166

Составитель 8. Стройников

Техред M.Mîðãåíòàë Kopp6KTop H. Милюкова

Редактор

Заказ 2494 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 на терморезистор и обеспечивает всзможность регулирования динамической характеристики нагрева терморезистора и массивного сердечника трансформатора тока путем изменения величины магнитного 5 потока в сердечнике трансформатора тока для повышения адекватности теплового аналога-массивного сердечника трансформатора тока, конкретному защищаемому электродвигателю. 10

Зкономическая целесообразность применения предлагаемого устройства определяется воэможностью увеличения срока службы электродвигателей между капитальными ремонтами, уменьшением общего чис- 15 ла отказов электрооборудования.

Формула изобретения

Устройство для тепловой защиты трехфазного электродвигателя, содержащее датчики тока по числу фаз питающей сети, 20 выполненные в виде трансформаторов тока, терморезисторы, по числудатчиков тока, исполнительный орган, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и обеспечения возможности регулирования 25 динамической характеристики нагрева термореэисторов и сердечников трансформаторов тока путем изменения величины магнитного потока в сердечниках трансформаторов тока, в устройство дополнительно 30 введены размагничивающие обмотки в каждом трансформаторе тока, регулировочный резистор, подключенный к выводам своей раэмагничивающей обмотки, а также для каждого датчика тока выпрямительные мос- 35 ты, первые и вторые резисторы, стабилитроны, транзистор, образуя фазные модули, при этом каждый терморезистор соединен последовательно со вторичной обмоткой своего трансформатора тока. образуя термочувствительную цепь, свободными выводами подключенную соответственно к двум входам своего выпрямительного моста. первый резистор одним из выводов соединен последовательно с анодом своего стабилитрона, свободный вывод каждого первого резистора подключен к минусовому выводу выпрямительного моста, катод каждого стабилитрона подключен к плюсовому выходу выпрямительного моста, эмиттер каждого транзистора соединен с катодом своего стабилитрона, база каждого транзистора через второй резистор — с анодом своего стабилитрона, при этом минусовый вывод выпрямительного моста первого фаэного модуля соединен с коллектором транзистора второго фаэного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста второго фазного модуля соединен с коллектором транзистора третьего фазного модуля, минусовый вывод выпрямительного моста третьего фазного модуля и коллектор транзистора первого фазного модуля подсоединены к исполнительному органу, образуя общий источник питания с транзисторными ключами от каждого фазного модуля; при этом выводы движков всех регулировочных резисторов размагничивающих обмоток трансформаторов тока объединены между собой, а трансформатор тока каждого фазного модуля выполнен с массивным сердечником и является тепловым аналогом защищаемого электродвигателя, образуя в совокупности со встроенным терморезистором термоэлектрический преобразователь тока электродвигателя.