Устройство для защиты маломощного трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы

 

Использование: для защиты маломощного трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы и может быть использовано в системах электропитания потребителей трехфазного тока для защиты трехфазных электродвигателей от токовой перегрузки, неправильного чередования фаз и обрыва одной из фаз. Сущность изобретения: устройство содержит датчики тока, выполненные на транзисторных оптронах, резисторах и стабилитронах, фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, переменных резисторах и интегрирующих RC-цепях, делитель напряжения, диодную сборку, компараторы напряжения, логический элемент ИЛИ и исполнительный элемент. Сущность изобретения состоит в применении в устройстве транзисторных оптопар в качестве датчиков тока и в связях с остальными элементами схемы устройства. Преимущества изобретения перед прототипом заключаются в снижении массогабаритных показателей и в расширении функциональных возможностей устройства. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей трехфазного тока для защиты электродвигателей от токовой перегрузки, неправильного чередования фаз и обрыва одной из фаз.

Известно устройство для защиты маломощной трехфазной цепи от перегрузки по току, содержащее датчики тока, пороговые элементы, выпрямитель, оптоэлектронный коммутатор, триггер и исполнительный элемент [1] К недостаткам известного устройства можно отнести низкую точность срабатывания защиты, обусловленную разбросом параметров датчиков тока и пороговых элементов, а также отсутствие защиты от неправильного чередования фаз.

Наиболее близким является устройство для защиты трехфазного электродвигателя от неполнофазного режима и обратного чередования фаз, содержащее первый и второй трансформаторы тока, фазочувствительный орган, выполненный на тиристорном оптроне исполнительный орган и функционально связанные с ними стабилитроны и резисторы [2] Данное устройство благодаря трансформаторам тока имеет большие габариты и массу, кроме того, оно не обеспечивает защиту электродвигателя от перегрузки по току.

Расширение функциональных возможностей и снижение габаритов и массы в предлагаемом устройстве обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее первый и второй датчики тока, включенные соответственно в первую и вторую фазы питающей трехфазной сети последовательно с обмотками электродвигателя, фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, и исполнительный элемент, дополнительно вводят делитель напряжения, выполненный на переменном резисторе, диодную сборку, выполненную на двух диодах с объединенными катодами, два компаратора напряжения и логический элемент ИЛИ. При этом датчик тока, выполненный на трех резисторах, стабилитроне и транзисторном оптроне, соединяют следующим образом: первый вывод первого резистора соединяют с первым выводом второго резистора, второй вывод первого резистора соединяют с анодом стабилитрона и катодом светодиода оптрона, второй вывод второго резистора соединяют с катодом стабилитрона и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединяют с анодом светодиода оптрона. Фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, двух переменных резисторах и трех интегрирующих RC-цепях, соединяют следующим образом: катоды светодиода и фототиристора оптрона соответственно соединяют с первыми выводами первого и второго переменных резисторов, вторые выводы которых соединяют с отрицательной шиной питания, катод фототиристора оптрона соединяют с входом первой RC-цепи, движок второго переменного резистора соединяют с входом второй RC-цепи, движок первого резистора соединяют с входом третьей RC-цепи. Первые выводы первых резисторов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с первым и вторым выводами обмоток электродвигателя, вторые выводы первых резисторов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с первой и второй фазами питающей трехфазной сети, а третью фазу соединяют с третьим выводом обмотки электродвигателя. Коллекторы фототранзисторов оптронов первого и второго датчиков тока соединяют с положительной шиной питания, а эмиттеры фототранзисторов оптронов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с анодами светодиода и фототиристора оптрона фазочувствительного блока. Выход первой RC-цепи фазочувствительного блока соединяют с инвертирующим входом первого компаратора, выходы второй и третьей RC-цепи фазочувствительного блока соответственно соединяют с первым и вторым входами диодной сборки, выход которой соединяют с неинвертирующим входом второго компаратора. Неинвертирующий вход первого и инвертирующий вход второго компаратора соединяют c выходом делителя напряжения, вход которого cоединяют с положительной шиной питания. Выходы компараторов соединяют с входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединяют с входом исполнительного элемента. Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого устройства позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что в известном устройстве трансформаторы тока заменены датчиками тока, выполненными на транзисторных оптронах, резисторах и стабилитронах, кроме того, в устройство дополнительно введены делитель напряжения, диодная сборка, два компаратора и логический элемент ИЛИ со связями, обеспечивающими предлагаемому устройству новые свойства, отсутствующие в прототипе, снижение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.

Оно содержит первый датчик 1 тока, выполненный на резисторах 2, 3 и 5, стабилитроне 4 и оптроне 6, второй датчик 7 тока, выполненный на резисторах 8, 9 и 11, стабилитроне 10 и оптроне 12, фазочувствительный блок 13, выполненный на оптроне 14, переменных резисторах 15 и 16, интегрирующих RC-цепях 17-22, делитель 23 напряжения, диодная сборка 24, компараторы 25 и 26 напряжения, логический элемент ИЛИ 27 и исполнительный элемент 28.

Устройство работает следующим образом.

При наличии напряжения на всех трех фазах, правильном их чередовании и номинальном токе нагрузки электродвигателя на резисторах 2 и 8 датчиков 1 и 7 тока развиваются напряжения, пропорциональные току нагрузки и сдвинутые по фазе на треть периода. Под воздействием этих напряжений через светодиоды оптронов 6 и 12 протекают токи, возбуждающие через оптическую связь коллекторные токи фототранзисторов, на эмиттерах которых устанавливаются однополупериодные напряжения, пропорциональные токам нагрузки в обмотках электродвигателя.

Резисторы 3, 5 и 9, 12 обеспечивают режим линейной передачи тока транзисторных оптронов, а стабилитроны 4 и 10 защиту оптронов от обратного напряжения и от токовой перегрузки по входу. Таким образом, на анодах светодиода и фототиристора тиристорного оптрона 14 фазочувствительного блока 13 формируются однополупериодные напряжения положительной полярности, сдвинутые по фазе на треть периода, причем на аноде светодиода напряжение опережает по фазе напряжение на аноде фототирстора, а амплитуды напряжений пропорциональны токам нагрузки электродвигателя. Поскольку напряжение на аноде светодиода опережает напряжение на аноде фототиристора, то фототиристор начинает облучаться светодиодом с момента начала формирования напряжения на аноде фототиристора, что приводит к отпиранию фототиристора в начальный момент времени, и далее в течение всего полупериода тиристор находится в открытом состоянии, пока на его аноде присутствует напряжение. Таким образом на переменных резисторах 15 и 16 формируются напряжения, которые после фильтрации RC-цепями 17-22 поступают на входы компараторов 25 и 26. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора 25 и инвертирующем входе компаратора 26 является опорным и его значение устанавливается движком переменного резистора, на котором выполнен делитель 23 напряжения. Уровень опорного напряжения выбирается таким, чтобы напряжение на инвертирующем входе компаратора 25 было бы несколько большим, чем напряжение опоры. В этом случае при правильном чередовании фаз и полнофазном режиме на выходе компаратора 25 установится низкий уровень напряжения, который не окажет воздействия на исполнительный элемент 28. При номинальном значении тока нагрузки в любой обмотке электродвигателя движки переменных резисторов 15 и 16 устанавливают в положения, в которых напряжение на неинвертирующем входе компаратора 26 было бы несколько меньшим, чем опорное. В этом случае (при номинальных значениях токов в обмотках электродвигателя) на выходе компаратора 26 установится низкий уровень напряжения, который также не оказывает воздействия на исполнительный элемент. В том случае, если ток нагрузки в любой фазе превысит номинальное значение, на резисторах 2 или 8 датчиков тока увеличится напряжение настолько, что токи коллекторов фототранзисторов оптронов 6 или 12 также увеличатся, что приведет в конечном итоге к превышению уровня напряжения на неинвертирующем входе компаратора 26 над опорным. Это превышение напряжения заставит сработать компаратор 26, т.е. на его выходе установится высокий уровень напряжения, который через логический элемент ИЛИ 27 воздействует на исполнительный элемент 28, который отключит напряжение, питающее электродвигатель. Диодная сборка 24 выполняет функцию сумматора, объединяющего сигналы, информирующие о максимальном значении тока в обмотках электродвигателя. RC-цепи 17-22, кроме фильтрующего действия, исключают ложные срабатывания защиты при кратковременных нестабильностях токов нагрузки и при воздействии помех. При нарушении чередования фаз (например при перемене первой и второй фазы) напряжение на аноде светодиода отстает от напряжения на аноде фототиристора оптрона 14 фазочувствительного блока 13. Это приведет к тому, что фототиристор откроется лишь в течение времени, когда напряжения на анодах светодиода и фототиристора присутствуют одновременно, а это (при неправильном чередовании фаз) по времени составит гораздо меньше половины периода. В этом случае напряжение на переменном резисторе 16 уменьшится настолько, что на инвертирующем входе компаратора 25 уровень напряжения снизится до значения меньшего, чем на неинвертирующем входе, что приведет к срабатыванию компаратора 25 и отключению напряжения, питающего электродвигатель, исполнительным устройством 28. При обрыве любой из фаз (например, первой или второй) прекращается протекание тока через светодиод или фототиристор оптрона 14, что приведет к снижению уровня напряжения на инвертирующем входе компаратора 25 до нуля и срабатыванию исполнительного элемента 28, отключающего питающее напряжение от электродвигателя. При обрыве третьей фазы напряжения на анодах светодиода и фототиристора оптрона 14 будут сдвинуты по фазе на половину периода, т.е. окажутся в противофазе, что приведет к отсутствию тока фототиристора и, следовательно, к снижению напряжения на инвертирующем входе компаратора до нуля и срабатыванию исполнительного элемента 28, отключающее напряжение питания электродвигателя. Экспериментальная проверка макета устройства и его лабораторные испытания подтвердили работоспособность устройства и достижение целей изобретения.

Макет устройства, предназначенный для защиты электровентилятора типа ЭВ-2-3660, выполнен на следующих элементах: резисторы 2 и 8 С5-16Т8 ВТ10 Ом± 1% резисторы 3, 5, 9 и 11 С2-23В 0,5 Вт 510 Ом ±5% стабилитроны 4 и 10 Д814В; оптопары транзисторные 6 и 12 30Т127А; оптопара тиристорная 14 30У103В; переменные резисторы 15 и 16 СП5-3 4,7 кОм ±5% резисторы 17, 19 и 21 С2-23ВО, 25 Вт 100 кОм± 5% конденсаторы 18, 20 и 22 К50-29-47 мкФ 63 В; диодная сборка 24, выполнена на двух диодах 2Д102А; делитель напряжения 23 выполнен на переменном резисторе СП5-3-22 кОм±5% компараторы напряжения 25 и 26 521СА3; логический элемент ИЛИ 27 выполнен по схеме монтажной ИЛИ; исполнительный элемент 28 выполнен на контакторе КНЕ120, транзисторе 2Т630Б и на двух кнопочных выключателях КМ1-1. Краткие технические данные устройства приведены ниже.

Напряжение питания электровентиля- тора, В 220 ±11 Частота напряжения питания, Гц 400 ±20 Количество фаз питаю- щего напряжения 3 Напряжение питания устройства, В 27± 1 Номинальный ток на- грузки электровентиля- тора, А не более 0,37 Ток срабатывания защиты, А 0,4 ±0,01 Климатические условия работоспособности устройства соответствуют диапазонам: температур окружающей среды, ^оС 5-40 атмосферного давления, мм рт.ст. 400-760
относительной
влажности при 25^оС, Не более 98.

Преимущества предлагаемого устройства перед известными состоят в снижении массогабаритных показателей, повышенной точности срабатывания защиты и в расширенных функциональных возможностях.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ МАЛОМОЩНОГО ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ, содержащее первый и второй датчики тока, включенные соответственно в первую и вторую фазы питающей трехфазной сети последовательно с обмотками электродвигателя, один вывод каждого из которых соединен с ограничительным резистором, а другой вывод с анодом соответствующего стабилитрона, катод каждого из которых соединен с другим выводом ограничительного резистора, фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, и исполнительный элемент, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены два транзисторных оптрона, два резистора, делитель напряжения, выполненный на переменном резисторе, диодная сборка, выполненная на двух диодах с объединенными катодами, два компаратора напряжения и логический элемент ИЛИ, при этом каждый датчик тока выполнен на резисторе, выход первого ограничительного резистора соединен с первым выводом второго резистора, другой вывод которого через анод-катод светодиода дополнительного оптрона соединен с анодом стабилитрона соответственно, коллекторы фототранзисторов первого и второго дополнительных оптронов соединены с положительной шиной питания, эмиттеры фототранзисторов этих оптронов соответственно соединены с анодами светодиода и фототиристора оптрона фазочувствительного блока, который содержит дополнительно два переменных резистора и три интегрирующих RC-цепи, которые соединены следующим образом: катоды светодиода и фототиристора оптрона соответственно соединены с первыми выводами первого и второго переменных резисторов, вторые выводы которых соединены с отрицательной шиной питания, катод фототиристора оптрона соединен с входом первой RC-цепи, движок второго переменного резистора соединен с входом второй RC-цепи, движок первого переменного резистора соединен с входом третьей RC-цепи, выход первой RC-цепи фазочувствительного блока соединен с инвертирующим входом первого компаратора, выходы второй и третьей RC-цепей фазочувствительного блока соответственно соединены с первым и вторым входами диодной сборки, выход которой соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, неинвертирующий вход первого и инвертирующий вход второго компараторов соединены с выходом делителя напряжения, вход которого соединен с положительной шиной питания, выходы компараторов соединены с входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом исполнительного элемента.