Устройство защиты синхронных электродвигателей от аварийных режимов работы
Владельцы патента RU 2286638:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет (RU)
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении эффективности защиты трехфазного синхронного двигателя и расширении функциональных возможностей защитного устройства. Для этого устройство содержит блок питания, катушку реле с замыкающим контактом, включенном в цепь управления контактором электродвигателя, блок стабилизации напряжения на стабилитронах повышенного и пониженного напряжения, блок температурной защиты с тремя транзисторами и терморезисторами, встраиваемыми в статорную обмотку электродвигателя, блок защиты от несимметрии напряжения, датчик несимметрии напряжения питающей сети, исполнительный орган с транзистором, блок защиты от аварийного торможения с операционным усилителем и транзистором, блок сигнализации, при этом блок защиты от аварийного торможения имеет тензорезисторы, установленные на деталях крепления электродвигателя к основанию, и резисторы, соединенные с тензорезисторами по схеме четырехплечего моста, вход которого соединен со стабилитроном пониженного напряжения, а выход присоединен к входу операционного усилителя блока защиты от аварийного торможения параллельно с конденсатором, при этом вход операционного усилителя через дополнительный резистор соединен с базой транзистора блока защиты от аварийного торможения. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике, более конкретно к электрическим машинам, и может использоваться для защиты трехфазных синхронных и асинхронных двигателей, работающих в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях от аварийных режимов работы.
Известно устройство по а.с. СССР №1817184 A1 H 02 Н 7/08, 7/085 "Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов", опубл. 23.05.93, Бюл. №19, которое содержит блок питания, блок стабилизации на стабилитронах, транзисторный блок температурной защиты с терморезисторами, блок защиты от несимметрии напряжения и обрыва фаз, с датчиком несимметрии напряжения, составленным из трех резисторов, соединенных звездой и подключенных к трехфазному источнику электроэнергии, и исполнительный орган в виде герконового реле.
Это защитное устройство защищает электродвигатель от технологических перегрузок, от несимметрии напряжения и обрыва фаз, но не обеспечивает эффективной защиты синхронных двигателей при опрокидывании в случаях неуспешной синхронизации или выпадения из синхронизма. Низкая эффективность этого вида защиты объясняется тем, что отключение двигателя от источника питания обеспечивается не сразу после опрокидывания, а только после нагревания статорной обмотки до температуры отключения температурной защиты. При этом повторный запуск двигателя допускается только после остывания обмотки, что увеличивает время восстановления нормальной работы двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип является изобретение по патенту РФ №2182395 "Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов работы" кл. С 27 Н 02 Н 7/08, опубл. 10.05.2002, Бюл. №13, в котором предусмотрена температурная защита электродвигателя, защита от несимметрии напряжения, включая обрыв фазы, защита от короткого замыкания в обмотке статора и от заклинивания ротора. Устройство содержит блок защиты от аварийного торможения и компенсации динамической температурной погрешности в виде дифференциального усилителя, который и обеспечивает защиту от к.з. и заклинивания ротора. Защитное устройство выполнено электронным на транзисторах и одном операционном усилителе; в качестве датчиков используются терморезисторы; исполнительным органом защитного устройства является герконовое реле.
Недостатком устройства является недостаточная эффективность защиты двигателя при пуске с заторможенным ротором и при аварийном торможении (опрокидывании) двигателя вследствие того, что, во-первых, устройство не отличает эти два режима между собой и, во-вторых, предполагает выдержку времени отключения для распознания успешного запуска или заклинивания ротора. Кроме того, этот блок защиты должен иметь выдержку времени срабатывания, сопоставимую с временем разгона двигателя, иначе при пуске двигателя происходит ложное срабатывание защиты, поскольку скорость увеличения температуры статорной обмотки при пуске наиболее велика.
Технической задачей является повышение эффективности защиты трехфазного синхронного двигателя за счет отключения без выдержки времени при аварийном торможении и расширение функциональных возможностей защитного устройства.
Для достижения этого технического результата в устройстве для защиты синхронного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащем блок питания, блок стабилизации напряжения со стабилитронами высшего и низшего напряжения, транзисторный блок температурной защиты с терморезисторами, встраиваемыми в статорную обмотку электродвигателя, блок защиты от несимметрии напряжения с датчиком несимметрии напряжения, блок защиты от аварийного торможения с операционным усилителем и транзистором, блок сигнализации и исполнительный орган в виде герконового реле с замыкающим контактом, блок защиты от аварийного торможения имеет тензорезисторы, установленные на деталях крепления электродвигателя к основанию, и дополнительные резисторы, два из которых соединены с тензорезисторами по схеме измерительного четырехплечего моста, вход которого соединен со стабилитроном низшего напряжения, а выход присоединен с входом операционного усилителя блока защиты от аварийного торможения параллельно с конденсатором, при этом вход операционного усилителя через дополнительный резистор соединен с базой транзистора блока защиты от аварийного торможения.
Достижение полезного результата обеспечивается использованием нового признака аварийного режима - по механическому напряжению в деталях крепления электродвигателя к основанию, позволяющему определять аварийный режим практически мгновенно при появлении тормозного момента электродвигателя. При быстром отключении двигателя его температура остается невысокой, что позволяет восстановить нормальную работу двигателя без ожидания его остывания.
На чертеже представлена электрическая принципиальная схема заявленного защитного устройства.
Устройство содержит блок питания 1, выполненный в виде балластного конденсатора 2 и разрядного резистора 3, диодов 4, 5, сглаживающего конденсатора 6; блок 7 стабилизации, содержащий стабилитрон повышенного напряжения 8, балластный резистор 9 и стабилитрон пониженного напряжения 10. К положительному электроду сглаживающего конденсатора 6 подключено начало катушки 11 реле 12, конец катушки 11 подключен к катоду стабилитрона 8 повышенного напряжения. К стабилитрону 10 пониженного напряжения подключен блок температурной защиты 13, включающий транзисторы 14, 15, 16, резисторы 17, 18, 19, 20, 21, 22, терморезисторы 23, 24, 25 с положительным температурным коэффициентом сопротивления, диоды 26, 27, конденсатор 28. К стабилитрону 10 подключен блок защиты от несимметрии напряжения питающей сети 29, включающий транзисторы 30, 31, резисторы 32, 33, 34, 35, 36, диод 37, конденсатор 38. Вход блока защиты от несимметрии напряжения 29 соединен с выходом датчика несимметрии напряжения 39, включающего соединенные звездой резисторы 40, 41, 42. К стабилитрону 8 подключен блок защиты от аварийного торможения 43, включающий операционный усилитель 44, транзистор 45, резисторы 46, 47, 48, конденсатор 49, тензорезисторы 50, 51, резистор 52, регулируемый резистор 53. Тензорезисторы 50, 51, резисторы 52 и 53 включены по схеме четырехплечего измерительного моста, на вход которого подается напряжение от стабилитрона 8, а выход присоединен к входу операционного усилителя 44. К коллекторам транзисторов 16, 30, 45 подключен блок сигнализации 54, включающий транзисторы 55, 56, 57, резисторы 58, 59, 60, светодиоды 61, 62, 63. Питание блока сигнализации осуществляется от стабилитрона 10. Один выход резистора 64 исполнительного органа 65, состоящего из транзистора 66, резистора 67, диода 68, соединен с катушкой 11 реле 12, имеющего замыкающий контакт 69, включенный в цепь управления контактора электродвигателя (на чертеже не показан).
Новыми элементами схемы являются датчики механического напряжения в деталях крепления двигателя к основанию блока защиты от аварийного торможения 43 в виде тензорезисторов 50 и 51, а также схема соединения элементов этого блока.
Тензорезисторы 50 и 51 установлены на деталях крепления электродвигателя к основанию (фундаменту). Для двигателя с горизонтальным валом таким местом являются опорные лапы двигателя или упругие вставки под лапами. Тензорезисторы 50 и 51 установлены с обеих сторон двигателя (по отношению к оси вращения двигателя), причем тензорезистор 50 установлен на набегающей лапе, а тензорезистор 51 - на сбегающей лапе. Тензорезисторы изменяют свое электрическое сопротивление при изменении механического напряжения в лапах: при увеличении механического напряжения в лапе электрическое сопротивление тензорезистора уменьшается, а при уменьшении механического напряжения в лапе электрическое сопротивление тензорезистора увеличивается.
Устройство работает следующим образом.
При подаче симметричного трехфазного напряжения на клеммы устройства А, В, С, N, C1 и нормальной температуре фазных обмоток статора электродвигателя на выходе блока питания 1 появляется напряжение выпрямленного тока. Ток проходит через катушку 11 реле 12 на блок стабилизации напряжения 7.
При этом контакт 68 реле 12 и замыкается и электродвигатель контактором подключается к сети. На средней точке датчика несимметрии напряжения 38 напряжение отсутствует. Транзистор 31 закрыт, а транзистор 30 открыт положительным напряжением смещения, подаваемым на его базу через резистор 32 с катода стабилитрона 10 пониженного напряжения блока стабилизации 7. Сопротивление терморезисторов 23, 24, 25 мало и транзистор 15 закрыт, так как потенциал его базы недостаточен для открытия перехода эмиттер - коллектор. Транзистор 14 также закрыт, так как напряжение, подаваемое через резистор 17 недостаточно для открытия эмиттер-коллекторного перехода. Поскольку транзисторы 14, 15 с объединенными коллекторами закрыты, транзистор 16 открыт напряжением смещения, подаваемым через резистор 18 со стабилитрона 10 пониженного напряжения. Электродвигатель развивает крутящий момент Мр, совпадающий по направлению с направлением вращения ротора. Этот момент уравновешивается равным по величине и противоположно направленным моментом Мс, приложенным к статору. Момент Мс прикладывается к крепежным лапам электродвигателя, вызывая в них соответствующее перераспределение механического напряжения: в набегающей лапе оно снижается, в сбегающей - увеличивается, благодаря чему сопротивление тензорезистора 50 становится больше, чем тензорезистора 51. На выходе измерительного моста из резисторов 50, 51, 52, 53 появляется положительное напряжение, на которое операционный усилитель 44 не реагирует. Вследствие этого транзистор 45 открыт положительным напряжением смещения, подаваемым через резистор 46 с положительного электрода стабилитрона 10 пониженного напряжения. Таким образом, транзисторы 16, 30, 45 открыты, поэтому потенциал базы транзистора 66 исполнительного органа 65 ниже потенциала эмиттера на величину напряжения стабилизации стабилитрона 10 пониженного напряжения и транзистор 66 поэтому закрыт. На базы транзисторов 55, 56, 57 подается отрицательный потенциал через эмиттер-коллекторные переходы транзисторов 16, 30, 45, поэтому они закрыты, и ток через светодиоды 61, 62, 63 не протекает.
При возникновении технологической перегрузки статорные обмотки двигателя перегреваются. В результате увеличивается сопротивление терморезисторов 23, 24, 25 блока температурной защиты 13, транзистор 15 открывается, а транзистор 16 закрывается. На базу транзистора 66 через резистор 64 подается положительное напряжение смещения и транзистор 66 открывается, пропуская основную часть тока по следующей цепи: положительный электрод конденсатора 6, диод 68, эмиттер-коллекторный переход транзистора 66, катод стабилитрона 10 пониженного напряжения.
Другая часть тока протекает через катушку 11 и подается на стабилитрон 8 повышенного напряжения, удерживая транзистор 65 в открытом состоянии. Уменьшение тока катушки 11 приводит к размыканию контакта 59 и, как следствие, к отключению электродвигателя контактором. Одновременно закрытие транзистора 16 приводит к появлению тока управления транзистора 55 по следующей цепи: резисторы 64 и 58, переход база-эмиттер транзистора 55, переходы эмиттер-коллектор транзисторов 30 и 45. Получает питание светодиод 61, сигнализируя о возникновении технологической перегрузки.
При возникновении недопустимой несимметрии напряжения трехфазной сети на общем узле резисторов 39, 40, 41 датчика 38 появляется электрический потенциал, который приводит к открыванию транзистора 31 блока защиты от несимметрии напряжения 29. Транзистор 30 при этом закрывается, на базу транзистора 66 подается положительное напряжение смещения и, открываясь, этот транзистор отключает катушку 11 реле 12 аналогично случаю технологической перегрузки. Одновременно с закрытием транзистора 30 получает ток управления транзистор 56 и включается светодиод 62, сигнализируя о недопустимой несимметрии напряжения питающей сети.
Потеря фазы трехфазной сети проявляет себя как частный случай несимметрии напряжения и срабатывание защитного устройства происходит по вышеуказанному алгоритму.
Синхронизация двигателя производится после асинхронного разбега или после выпадения двигателя из синхронизма подачей напряжения на обмотку возбуждения. Синхронизация может быть неуспешной и сопровождаться резким торможением двигателя вплоть до его полной остановки (двигатель опрокидывается). Причиной торможения является появление тормозного электромагнитного момента при неблагоприятном расположении магнитных осей полей обмоток статора и возбуждения. Этот момент направлен навстречу направлению вращения ротора и вызывает изменение в механическом напряжении крепежных лап двигателя; в набегающей лапе оно увеличивается, а в сбегающей - уменьшается, что приводит к изменению состояния моста сопротивлений 50-53. Сопротивление тензорезистора 50 становится меньше сопротивления тензорезистора 51 и на выходе моста появляется отрицательное электрическое напряжение. Это напряжение усиливается операционным усилителем 44, транзистор 45 при этом закрывается. Транзистор 66 открывается, получает питание катушка 11. Открываются транзисторы 54 и 56 блока сигнализации 54, включаются светодиоды 61 и 63, информируя о коротком замыкании двигателя.
Устройство для защиты синхронного электродвигателя от аварийных режимов работы, содержащее блок питания, подключенный через катушку реле с замыкающим контактом, включенным в цепь управления контактором электродвигателя, к блоку стабилизации напряжения на стабилитронах повышенного и пониженного напряжения, блок температурной защиты с тремя транзисторами и терморезисторами, встраиваемыми в статорную обмотку электродвигателя, подключенный к стабилитрону пониженного напряжения, блок защиты от несимметрии напряжения с двумя транзисторами, подключенный к стабилитрону пониженного напряжения, датчик несимметрии напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом блока защиты от несимметрии напряжения, исполнительный орган с транзистором, выход которого соединен с катушкой реле, подключенной к стабилитрону повышенного напряжения, блок защиты от аварийного торможения с операционным усилителем и транзистором, к коллекторам транзисторов вышеуказанных блоков защиты подключен блок сигнализации, получающий питание от стабилитрона пониженного напряжения, при возникновении перегрузки двигателя статорная обмотка перегревается, сопротивление терморезисторов увеличивается, что приводит к открыванию транзистора исполнительного органа, через который проходит ток к стабилитрону пониженного напряжения, и, как следствие, к отключению электродвигателя контактором и срабатыванию блока сигнализации, отличающееся тем, что блок защиты от аварийного торможения имеет тензорезисторы, установленные на деталях крепления электродвигателя к основанию, а также резисторы, соединенные с тензорезисторами по схеме четырехплечего моста, вход которого соединен со стабилитроном пониженного напряжения, а выход присоединен к входу операционного усилителя блока защиты от аварийного торможения параллельно с конденсатором, при этом вход операционного усилителя через дополнительный резистор соединен с базой транзистора блока защиты от аварийного торможения.
