Способ защиты электроустановок от перегрева
Владельцы патента RU 2456731:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам защиты потребителей электроэнергии от тепловой перегрузки. Технический результат - обеспечение защиты потребителей электроэнергии от тепловой перегрузки без разрыва контактов в цепи управления В устройстве, демонстрирующем предложенный способ, имеется замкнутая магнитная цепь, которая выполнена наподобие магнитного усилителя и состоит из трех стержней. Два крайних стержня содержат силовые обмотки, соединенные согласно, последовательно и последовательно с нагрузкой. В среднем стержне имеется обмотка намагничивания и помещают ферромагнитную вставку, обладающую температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании, и восстанавливает их до первоначального уровня при остывании. Ферромагнитная вставка снабжена нагревательным элементом, имеющим обмотку, соединенную последовательно с нагрузкой. Если в обмотке управления подается ток, то магнитопровод насыщается. Из-за небольшого сопротивления рабочих обмоток, соединенных последовательно с нагрузкой, к которым подведено переменное напряжение, почти все напряжение падает на нагрузке. При нагреве вставки магнитное сопротивление в среднем стержне резко возрастает. Магнитопровод оказывается ненасыщенным. В результате реактивное сопротивление рабочих обмоток резко увеличивается, а величина тока в цепи нагрузки уменьшается. При охлаждении вставки она восстанавливает свои первоначальные магнитные свойства, и ток нагрузки возрастает. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам защиты различных потребителей электроэнергии от тепловой перегрузки при повышенных токах или повышении температуры защищаемого корпуса изделия.
Известен способ защиты электроустановок от перегрева, описанный в патенте (RU 2412336 С1. 20.02.2011).
В известном способе защита осуществляется за счет формирования насыщающейся магнитной цепи в измерительных элементах для тока. При превышении токовой нагрузки происходит изменение параметров измерительных элементов, что и приводит к срабатыванию тепловых реле с последующим отключением соответствующих силовых контактов.
Недостаток известного способа состоит в том, что в нем исполнительные устройства содержат силовые контакты, которые могут «залипнуть» или спаяться при больших токах нагрузки.
Работа большого числа электрических приборов (реле, контакторов, выключателей) основана на использовании разрывных контактов.
Как известно, при работе электрических контактов, как правило, возникает дуговой или искровой процесс, что ведет к постепенному разрушению материала контактных поверхностей. Разрывные контакты могут разрушаться в результате:
- коррозии, возникающей при химической реакция во время появления искры или дуги;
- эрозии, т.е. переноса металла с контакта на контакт при прохождении электрического тока;
- износа, вызываемого своеобразием характера работы разрывных контактов, - ударами и трением одного контакта о другой.
Между тем существует ряд производств, в которых появление дуги или искры недопустимо. К таким производствам относятся нефтехимические, горнорудные предприятия и т.д.
В качестве прототипа выбран способ, который может быть использован в качестве защиты от перегрева, описанный в патенте RU 2379820 С1 20.01.2010.
В известном способе механические разрывы электрической цепи отсутствуют, и все изменения происходят в замкнутой магнитной цепи за счет ферромагнитной вставки, обладающей температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании. При охлаждении ферромагнитная вставка восстанавливает свои свойства до первоначального уровня.
Достоинства данного способа заключаются в том, что изменение магнитного поля не приводит к механическим разрывам в контактной цепи.
Недостаток известного способа состоит том, что он не может быть впрямую использован для тепловой защиты при перегревах электротехнического объекта.
Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить защиту различных потребителей электроэнергии от тепловой перегрузки при повышенных токах или повышении температуры защищаемого корпуса изделия без разрыва контактов в цепи управления, а в некоторых случаях и без разрыва силовой цепи.
Техническим результатом является создание способа защиты различных потребителей электроэнергии от тепловой перегрузки при повышенных токах или повышении температуры защищаемого корпуса изделия, при котором не происходит разрыва электрической цепи управления.
Дополнительным техническим результатом является защита потребителей электрической энергии с относительно небольшой нагрузкой без разрыва электрической силовой цепи.
Технический результат достигается за счет того, что в способе защиты электроустановок от перегрева путем изменения магнитного потока в насыщающейся магнитной цепи за счет ферромагнитной вставки, обладающей температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании и восстанавливает их до первоначального уровня при остывании, согласно изобретению, формируют замкнутую магнитную цепь наподобие магнитного усилителя, состоящую из трех стержней, в которой на два крайних стержня устанавливают силовые обмотки, соединенные согласно, последовательно и последовательно с нагрузкой, в среднем стержне формируют постоянный магнитный поток, насыщающий магнитную цепь и крайние стержни, указанную ферромагнитную вставку помещают в среднем стержне и отключение нагрузки производят путем воздействия на нее теплом.
Ферромагнитную вставку могут нагревать с помощью нагревательного элемента, содержащего обмотку, соединенную последовательно с нагрузкой.
Магнитный поток в среднем стержне может быть образован за счет постоянного магнита.
Магнитный поток в среднем стержне может быть образован за счет обмотки намагничивания, получающей питание от стороннего источника постоянного тока.
Формирование замкнутой магнитной цепи наподобие магнитного усилителя, состоящей из трех стержней, в которой на два крайних стержня устанавливают силовые обмотки, соединенные согласно, последовательно и последовательно с нагрузкой, а в среднем стержне формирование постоянного магнитного потока, насыщающего магнитную цепь, позволяет получать относительно простую конструкцию.
Помещение ферромагнитной вставки в среднем стержне и воздействия на нее теплом позволяет производить отключение питания при перегрузке без видимого разрыва электрической цепи.
Воздействие на ферромагнитную вставку с помощью нагревательного элемента, имеющего нагревательную обмотку, соединенную последовательно с нагрузкой, обеспечивает обратную связь между силовым током и системой отключения.
Образование магнитного потока в среднем стержне за счет наличия в нем постоянного магнита упрощает систему управления и повышает надежность работы теплового реле.
Образование магнитного потока в среднем стержне за счет обмотки намагничивания, получающей питание от стороннего источника постоянного тока, дает возможность обеспечить независимость работы реле.
Способ защиты электроустановок от перегрева иллюстрируется тремя фигурами.
На фиг.1 изображена принципиальная конструкция магнитной цепи.
На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема соединения элементов.
На фиг.3 нарисована характеристика управления тепловым реле.
Устройство, демонстрирующее предложенный способ защиты электроустановок от перегрева, выполнено следующим образом. Замкнутая магнитная цепь 1 (фиг.1, 2) выполнена наподобие магнитного усилителя и состоит из трех стержней 2, 3 и 4. Два крайних стержня 2 и 4 содержат силовые обмотки 5 и 6, соединенные согласно, последовательно и последовательно с нагрузкой 7. В среднем стержне 3 выполняют обмотку намагничивания 8, получающую питание от сети постоянного тока. Такая сеть может содержать мостовой двухполупериодный выпрямитель 9, питаемый от цепи переменного тока, к которой подсоединены и обмотки 5 и 6. В среднем стержне 3 помещена ферромагнитная вставка 10, обладающая температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании, и восстанавливает их до первоначального уровня при остывании. Ферромагнитная вставка снабжена нагревательным элементом 11, имеющим обмотку 12, соединенную последовательно с нагрузкой 7.
Вольтамперная характеристика управления 13 тепловым реле аналогична характеристике магнитного усилителя и представляет собой зависимость силового тока Iс (фиг.3) в обмотках 5 и 6 от тока намагничивания Iн, протекающего в обмотке намагничивания 8. На характеристике имеется рабочая точка а, соответствующая режиму, когда ферромагнитная вставка находится в холодном состоянии, и точка b, соответствующая режиму, при котором ферромагнитная вставка нагрета до состояния, когда она теряет свои магнитные свойства.
Способ защиты электроустановок от перегрева действует следующим образом. Если в обмотку намагничивания 8 (фиг.1, 2) подается ток Iн, а к рабочим обмоткам 5, 6, соединенным последовательно с нагрузкой 7, подведено переменное напряжение, то магнитопровод насыщается. При этом из-за небольшого сопротивления рабочих обмоток почти все напряжение падает на нагрузку 7. На нагрузке в этом случае выделяется максимальная мощность (см. рабочую точку а на фиг.3).
Если теперь произвести нагрев ферромагнитной вставки 10, доведя ее температуру до такого уровня, при котором материал теряет свои магнитные свойства, то магнитное сопротивление в среднем стержне резко возрастает. При этом магнитопровод оказывается ненасыщенным. В результате реактивное сопротивление рабочих обмоток 5, 6 резко увеличивается, а величина тока в цепи нагрузки уменьшается (точка b на фиг.3). При охлаждении вставки 10 она восстанавливает свои первоначальные магнитные свойства, и ток нагрузки возрастает. Таким образом, воздействуя теплом на ферромагнитную вставку, обладающую температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании и восстанавливает их до первоначального уровня при остывании, можно обеспечить защиту нагрузки от перегрева. Во всех случаях включения и отключения в цепи нагрузки нет разрывов электрического тока, нет искр и электрической дуги.
Магнитный поток в среднем стержне может быть образован за счет постоянного магнита, встроенного в тело среднего стрежня 3 (на фиг. не показан). В этом случает наличие обмотки намагничивания 8 и выпрямителя 9 необязательно. На характеристике 12 рабочая точка а даже при отсутствии тока намагничивания смещается вправо. Нагрев ферромагнитной вставки оказывает действие, аналогичное, вышеописанному.
Магнитный поток в среднем стержне 3 может быть образован за счет питания обмотки намагничивания 8 от стороннего источника постоянного тока, например от аккумулятора (на фиг. не показан), что повышает надежность теплового реле.
Достоинства предлагаемого способа защиты электроустановок от перегрева заключаются в том, что устройства формируются из простых известных технических средств, что позволяет легко осуществить такую защиту. При срабатывании защиты не происходит разрыва электрической цепи, благодаря чему при включении и выключении отсутствуют искры. Эта особенность способа обеспечивает, с одной стороны, высокую надежность таких реле, и с другой стороны, позволяет использовать такой тип тепловой защиты даже в средах, где появление искр недопустимо, например в угольных шахтах. В процессе работы в предлагаемых согласно способу устройствах не происходит окисление участвующих в отключении элементов.
1. Способ защиты электроустановок от перегрева путем изменения магнитного потока в насыщающейся магнитной цепи за счет ферромагнитной вставки, обладающей температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании и восстанавливает их до первоначального уровня при остывании, отличающийся тем, что формируют замкнутую магнитную цепь наподобие магнитного усилителя, состоящую из трех стержней, в которой на два крайних стержня устанавливают силовые обмотки, соединенные согласно, последовательно и последовательно с нагрузкой, в среднем стержне формируют постоянный магнитный поток, насыщающий магнитную цепь, а указанную ферромагнитную вставку помещают в среднем стержне и отключение нагрузки производят путем воздействия на ферромагнитную вставку теплом.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ферромагнитную вставку нагревают с помощью нагревательного элемента, содержащего обмотку, соединенную последовательно с нагрузкой.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитный поток в среднем стержне образуют с помощью постоянного магнита.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитный поток в среднем стержне образуют за счет обмотки намагничивания, получающей питание от стороннего источника постоянного тока.
