Устройство для защиты электрической машины переменного тока от анормальных режимов

 

Использование: Изобретение может быть использовано для защиты трех и более фазных асинхронных и синхронных электродвигателей генераторов от недопустимого нагрева обмоток ротора. Сущность изобретения: устройство состоит из трансформаторов тока 1, выпрямителя 2, к которому подключены позисторы 3 и стабилитрон 13, амплитудного детектора 11, входом подключенного к позисторам, порогового узла 5, вход задания порога срабатывания которого подключен к стабилитрону, а вход срабатывания - к выходу амплитудного детектора, и исполнительный орган, подключенный к выходу порогового узла. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трех- и более фазных асинхронных и синхронных электродвигателей и генераторов от недопустимого нагрева обмоток статора, обрыва фазы, короткого замыкания и заклинивания ротора.

Известно устройство для защиты электродвигателей, содержащее терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления (позисторы) в количестве, кратном числу цепей питания, расположенных в зоне тепловыделений электродвигателей, причем позисторы включены последовательно в цепи питания двигателя [1] Недостатком этого устройства являются большие потери в позисторах, что делает целесообразным использование его лишь для двигателей малой мощности.

Наиболее близким к изобретению является устройство для защиты электрической машины переменного тока от анормальных режимов, содержащее трансформаторы тока по числу фаз электрической машины, вторичные обмотки которых подключены к многофазному выпрямителю, цепь из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, установленных с возможностью теплового контакта с обмотками статора защищаемой электрической машины, один из выводов этой цепи подключен к одному из выходных выводов упомянутого выпрямителя, конденсатор, одним из выводов соединенный с другим выводом цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, пороговый узел, к выходу которого подключен вход исполнительного органа [2] Недостатки известного устройства: устройство одинаково реагирует на полнофазный и неполнофазный режим работы; необходимость индивидуальной настройки к конкретной электрической машине; сложность; низкие ресурс и наработка на отказ (из-за использования, например, электролитических конденсаторов).

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является: возможность реагирования на полнофазный и неполнофазный режим работы электрической машины; отсутствие необходимости индивидуальной настройки к конкретной электрической машине; простота;
высокие ресурс и наработка на отказ.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для защиты электрической машины переменного тока от анормальных режимов, содержащее трансфораторы тока по числу фаз электрической машины, вторичные обмотки которых подключены ко входу многофазного выпрямителя, цепь из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, установленных с возможностью теплового контакта с обмотками статора защищаемой электрической машины, один из выводов этой цепи подключен к одному из выходных выводов упомянутого выпрямителя, конденсатор, одним из выводов соединенный с другим выводом цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, пороговый узел, к выходу которого подключен вход исполнительного органа, введены стабилитрон, подключенный параллельно конденсатору, амплитудный детектор, входом подключенный к выводам упомянутой цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, а пороговый узел выполнен управляемым с возможностью задания порога срабатывания, при этом другой вывод конденсатора соединен с другим выходным выводом указанного выпрямителя, выход амплитудного детектора подключен ко входу срабатывания порогового узла, вход задания порога срабатывания которого подключен параллельно конденсатору.

Технический результат достигается и тем, что амплитудный детектор выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, резистора и диода, а также тем, что параметры порогового узла и конденсатора, подключенного к его входу задания подобраны таким образом, что пороговый узел срабатывает и при неполнофазном режиме работы электрической машины даже при сигнале на выходе детектора, соответствующем нормальной температуре обмоток статора защищаемой электрической машины, и еще тем, что введен дополнительный стабилитрон, подключенный параллельно цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 эпюра напряжения на входе задания порога срабатывания порогового узла при неполнофазном режиме (на стабилитроне 7).

Устройство состоит из трансформаторов тока 1, включенных в фазы питающей сети (в случае защиты электродвигателя) или в фазы генератора (в случае защиты генератора), многофазного выпрямителя 2, входом подключенного ко вторичным обмоткам трансформаторов тока 1, цепи 3 из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, установленных с возможностью теплового контакта с обмотками статора защищаемой электрической машины 4 (например, вмонтированных по одному позистору в каждую фазу обмотки статора), порогового узла 5, выполненного управляемым с возможностью задания порога срабатывания, конденсатора 6 и стабилитрона 7, подключенных ко входу задания порога срабатывания порогового узла 5, амплитудного детектора 8, вход которого подключен параллельно упомянутой цепи 3, а выход ко входу срабатывания порогового узла 5, и исполнительного органа 9, входом подключенного к выходу порогового узла 5. Анод стабилитрона 7 подключен через цепь 3 из одного или нескольких позисторов к отрицательному выходному выводу выпрямителя 2, а катод к положительному выходному выводу выпрямителя 2.

Амплитудный детектор 8 состоит из последовательно включенных конденсатора 10, резистора 11 и диода 12, причем свободный вывод диода 12 является входным выводом, свободный вывод конденсатора 10 общим выводом, а другой вывод конденсатора 10 выходным выводом детектора 8.

Параллельно цепи 3 из одного или нескольких позисторов подключен стабилитрон 13. Пороговый узел состоит из двух транзисторов 14, 15 и шести резисторов 16-21. Одни из выводов резисторов 16, 17, 18 соединены с первым входным выводом порогового узла 5, эмиттер транзистора 14 и один из выводов резистора 21 соединены с общим входным и выходным выводами, а один из выводов резистора 20 со вторым входным выводом порогового узла 5. Другие выводы резисторов 16 и 20 подключены к базе транзистора 14 и одному из выводов резистора 19. Другие выводы резисторов 18 и 19 соединены с коллектором транзистора 15, база которого подключена к коллектору транзистора 14 и другому выводу резистора 1, а эмиттер к другому выводу резистора 21 и выходному выводу порогового узла 5. Первый и второй входные выводы совместно с общим выводом порогового узла 5 образуют, соответственно, вход задания порога срабатывания и вход срабатывания порогового узла 5. Исполнительный орган состоит из транзистора 22, база и эмиттер которого подключены к его входным выводам, тиристора 23, управляющий электрод которого соединен с коллектором транзистора 22, резистора 24, включенного между анодом и управляющим электродом тиристора 23 и четырех диодов 25-28, образующих выпрямительный мост, в выходную диагональ которого включен тиристор 23, а входная диагональ подключена последовательно с катушкой 29 пускателя, контакты 30 которого включены в фазы защищаемой электрической машины 4.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении транзистор 22 заперт и при нажатии непоказанной кнопки "Пуск" напряжение через диоды 25-28 и открывшийся током резистора 24 тиристор 23 подается на катушку 29 пускателя, контакты 30 которого, замыкаясь, подают напряжение сети на обмотки статора электрической машины 4. В результате этого, протекающие по первичным обмоткам трансформаторов тока 1 токи, трансформируясь во вторичные обмотки, протекают по цепи: выпрямитель 2, стабилитрон 7 и цепь 3 из одного или нескольких позисторов. Падение напряжения на стабилитроне 7 служит стабилизированным источником питания порогового узла 5 и одновременно напряжением задания порога срабатывания порогового узла 5 (отпирающий ток базы транзистора 14 определяется величиной падения напряжения на стабилитроне 7 и сопротивлением резисторов 16, 18 и 19). Амплитуда падения напряжения на позисторах детектируется диодом 12, фильтруется фильтром, выполненном на резисторе 11 и конденсаторе 10, и через резистор 20 образует запирающую цепь транзистора 14. При "холодных" обмотках и токах двигателя, не превышающих пусковых, сердечники трансформаторов тока не насыщены, форма тока в них близка к синусоиде и запирающий ток базы резистора 14, протекающий по резистору 20, меньше отпирающего тока, протекающего по резисторам 16, 18 и 19. Транзистор 14 открыт, транзисторы 15 и 22 заперты. Это нормальный режим работы машины. Если в результате нарушения системы охлаждения машины, увеличения потерь внутри ее вследствие неисправности машины, из-за перегрузки машины или по другим причинам температура обмоток достигнет предельно допустимой, то и температура позисторов достигает величины, при которой сопротивление позисторов резко возрастает, что приведет к возрастанию напряжения на вторичных обмотках трансформаторов тока 1 и работе их в режиме насыщения.

В результате этого на вторичных обмотках трансформаторов тока 1 будут формироваться высоковольтные импульсы вблизи перехода тока через нуль. Конденсатор 10 амплитудного детектора 8 на диоде 12 запомнит эту величину, и в результате запирающий и отпирающий токи базы транзистора 14 сравняются, что приведет к его запиранию и отпиранию остальных транзисторов. Если машина управляется логическим устройством (например, контроллером или числовым программным устройством), то отпирание транзистора 22 им будет воспринято как сигнал аварийного состояния машины.

В случае "больших" перегрузок, например, пуск асинхронного двигателя, температура позисторов нарастает медленнее, чем температура обмоток статора из-за наличия теплового сопротивления обмотка-позистор. В результате температура обмоток может превысить допустимое значение. Но с ростом токов машины растут токи и в цепи позисторов 3. Параметры трансформаторов тока 1 подобраны так, что при "больших" перегрузках дополнительный подогрев позисторов компенсирует отставание температуры их от температуры обмоток.

В случае протекания по обмоткам машины токов больших, чем пусковые, падение напряжения на "холодных" позисторах достигает величины, достаточной для переключения порогового элемента.

Если оборвана одна из фаз машины 4 и токи статора превышают номинальные значения в 2-3 раза, то пороговый узел 5 переключится и при "холодных" позисторах, так как в падении напряжения U_ст на стабилитроне 7 появится провал (фиг. 2), нижний предел которого U_ст.мин снизит порог переключения порогового узла 5, а амплитудное значение падения напряжения на позисторах достаточно для переключения порогового узла 5. Величина провала напряжения на стабилитроне 7 задается величиной конденсатора 6 и входным сопротивлением порогового узла 5.

Для исключения прохождения импульсов помехи на вход срабатывания порогового узла 5 в амплитудном детекторе 8 установлен резистор 11, который затягивает заряд конденсатора 10, в результате чего кратковременный импульс помехи не приведет к заряду конденсатора 10 до величины, достаточной для срабатывания порогового узла 5.

Для исключения возможности формирования высоковольтных импульсов на вторичных обмотках трансформаторов тока 1 в случае обрыва цепи 3 позисторов, параллельно последней установлен стабилитрон 13.

Использование устройства обеспечивает надежную защиту электрической машины переменного тока от перегрева при токах, меньших и близких к номинальному току, и при больших перегрузках, и при обрыве фазы сети. В последнем случае защита срабатывает, не дожидаясь предельного нагрева машины.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты электрической машины переменного тока от анормальных режимов, содержащее трансформаторы тока по числу фаз электрической машины, вторичные обмотки которых подключены к входу многофазного выпрямителя, цепь из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, установленных с возможностью теплового контакта с обмотками статора защищаемой электрической машины, один из выводов этой цепи подключен к одному из выходных выводов упомянутого выпрямителя, конденсатор, одним из выводов соединенный с другим выводом цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, пороговый узел, к выходу которого подключен вход исполнительного органа, отличающееся тем, что введены стабилитрон, подключенный параллельно конденсатору, амплитудный детектор, входом подключенный к выводам упомянутой цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов, а пороговый узел выполнен управляемым с возможностью задания порога срабатывания, при этом другой вывод конденсатора соединен с другим выходным выводом указанного выпрямителя, выход амплитудного детектора подключен к входу срабатывания порогового узла, вход задания порога срабатывания которого подключен параллельно конденсатору.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что амплитудный детектор выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора, резистора и диода.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что параметры порогового узла и конденсатора, подключенного к его входу задания, подобраны таким образом, что пороговый узел срабатывает при неполнофазном режиме работы электрической машины даже при сигнале на выходе детектора, соответствующем нормальной температуре обмоток статора защищаемой электрической машины.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введен дополнительный стабилитрон, подключенный параллельно упомянутой цепи из одного или нескольких последовательно соединенных позисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2