Реле перегрузки
Изобретение относится к реле перегрузки для защиты электродвигателя или иного устройства от состояния тепловой перегрузки. Технический результат заключается в уменьшении размеров реле перегрузки, снижении его стоимости и осуществлении возможности его использования с источником постоянного тока. Реле перегрузки содержит: множество шунтирующих резисторов и средство управления, соединенное с каждым из шунтирующих резисторов. При этом каждый шунтирующий резистор установлен на пути тока соответствующей линии питания источника питания для электродвигателя или иного устройства. Средство управления выполнено с возможностью генерации сигнала отключения для прерывания подачи питания, если оно определяет наличие условий перегрузки на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы. Блок питания включает в себя: выпрямитель для создания постоянного тока от линий питания источника питания переменного тока, подключенного к электродвигателю или иному устройству, защищенному реле перегрузки, и по меньшей мере один трансформатор для соединения источника питания с реле перегрузки. 3 н и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к реле перегрузки для защиты электродвигателя (или иного устройства) от состояния тепловой перегрузки.
Предшествующий уровень техники
Максимальный ток нагрузки электродвигателя известен как величина тока полной нагрузки электродвигателя (ТПН), причем значения ТПН могут изменяться от 0,1 А до нескольких сотен ампер. Когда ток, подаваемый на электродвигатель от источника питания, длительное время превышает величину ТПН, электродвигатель перегревается, получая повреждения.
Реле перегрузки представляет собой устройство для защиты электродвигателя или иного устройства от состояния перегрузки прерыванием непрерывности подачи питания прежде, чем электродвигатель или иное устройство доходят до состояния тепловой перегрузки. Например, электродвигатель может дойти до тепловой перегрузки из-за подаваемого на электродвигатель излишнего тока или из-за дисбаланса токов, подаваемых на электродвигатель по линиям питания.
Реле перегрузки классифицируются по величине тока полной нагрузки (ТПН) электродвигателя. Ток перегрузки определяется как ток, который превышает величину ТПН реле перегрузки. Величина ТПН реле перегрузки обычно выбирается соответствующей величине ТПН электродвигателя или иного устройства, которое должно быть защищено реле перегрузки.
Кроме того, реле перегрузки классифицируются по классу отключения. Класс отключения реле перегрузки определяет максимальное время в секундах, в течение которого ток перегрузки еще может протекать, до того как непрерывная подача питания прервется посредством реле перегрузки.
Обычно реле перегрузки имеют классы отключения 10, 20 или 30, но существуют также и другие классы отключения.
Максимально допустимое отношение тока перегрузки к времени его протекания для данного электродвигателя определяется стандартами, такими как стандарт 60947 Международной электротехнической комиссии ("IEC 60947") и Стандарт безопасности 508 Лаборатории по технике безопасности США ("UL 508"). Реле перегрузки обычно конструируются таким образом, чтобы осуществлять прерывание непрерывности подачи питания в соответствии с этими стандартами. Наихудшим сценарием является случай, при котором ток перегрузки в 12 раз превышает максимальный рабочий ток в течение времени до 30 секунд.
На Фиг.8 показана возможная компоновка для использования реле 1 перегрузки (такого как реле перегрузки в соответствии с настоящим изобретением) для защиты трехфазного электродвигателя 2 переменного тока. На фиг.8 трехфазный электродвигатель 2 переменного тока подключен к трехфазному источнику питания переменного тока (не показан) тремя линиями 3a, 3b, 3c питания. Реле 1 перегрузки расположено после контактора 4.
Контактор 4 представляет собой электрический управляемый переключатель, предназначенный для прерывания и восстановления непрерывности подачи питания. Этот контактор имеет набор неподвижных контактов (соединенных с выводами L1, L2, L3) и подвижных контактов (соединенных с выводами Т1, Т2, Т3), расположенных в линиях 3a, 3b, 3c подачи питания. Подвижные контакты управляются электромагнитом (подключенным между выводами А1 и А2). Когда электромагнит запитан током он создает поле, которое замыкает подвижные контакты с неподвижными контактами, тем самым обеспечивая непрерывность подачи питания.
Реле перегрузки управляет подачей тока в электромагнит контактора. Во время нормальной работы (перегрузка отсутствует) реле перегрузки 1 подает ток питания на контактор таким образом, чтобы поддерживать непрерывность подачи питания. В том случае, когда электродвигатель 2 становится перегруженным, реле 1 перегрузки прекращает подачу тока на контактор 4, что вызывает размыкание контактов внутри контактора 4, и, таким образом, контактор 4 прерывает непрерывность подачи питания.
До контактора 4 установлен токовый расцепитель 6, и он предназначен для прерывания непрерывности подачи питания в случае короткого замыкания. Предусмотрены локальные органы 8 управления, которые подключены к контактору 4 и позволяют оператору управлять электродвигателем 2.
Существуют два основных типа реле перегрузки - электромеханические реле перегрузки и электронные реле перегрузки.
Электромеханические реле перегрузки включают в себя тепловую биметаллическую пластину, которая расположена в каждой линии питания трехфазного источника питания. Каждая тепловая биметаллическая пластина изгибается пропорционально протекающему по ней току и, таким образом, пропорционально количеству тепла, выделяемому внутри биметаллической пластины. Если по линии питания в течение какого-то времени протекает ток перегрузки, то установленная в этой линии питания биметаллическая пластина изгибается до такой точки, в которой освобождается механический фиксатор, вызывая расцепление пары контактов в контакторе, прерывая, таким образом, непрерывность подачи питания. Как только непрерывность подачи питания прерывается, биметаллическая пластина остывает и возвращается к своей первоначальной форме, при которой непрерывность подачи питания может быть восстановлена.
Биметаллические пластинки нагреваются и охлаждаются таким образом, который соответствует нагреву и охлаждению электродвигателя, то есть в соответствии с тепловой энергией, связанной с током, протекающим через электродвигатель. Тепловая энергия тока может быть определена как IRMS 2t, где IRMS есть среднеквадратическое значение тока, а t есть длительность времени протекания тока. Выбором электромеханического реле перегрузки, имеющего биметаллическую пластинку, приближающуюся по своим тепловым характеристикам к характеристикам конкретного электродвигателя, это реле способно предотвратить перегрузку электродвигателя. На практике это достигается выбором электромеханического реле перегрузки, имеющего величину ТПН, которая соответствует величине ТПН электродвигателя.
Электронные реле перегрузки используют токовый трансформатор для измерения тока, протекающего по каждой из линий питания источника питания. Затем измеренный ток используется для определения, следует ли прерывать непрерывность подачи питания.
Большинство электронных реле перегрузки работают с зарядкой конденсатора со скоростью, пропорциональной величине тока, измеренного трансформатором тока. После этого заряд конденсатора сравнивается с первым порогом. Если этот заряд превышает первый порог, то бистабильное реле отключается для прерывания непрерывности подачи питания. Как только бистабильное реле отключилось, конденсатор разряжается, пока его заряд не падает до величины ниже второго порогового уровня, при этом бистабильное реле возвращается в свое исходное положение.
Краткое изложение существа изобретения
В наиболее общем случае настоящее изобретение предлагает реле перегрузки для защиты электродвигателя или иного устройства от условий перегрузки, содержащее один или более шунтирующих резисторов, устанавливаемых на линии (линиях) питания источника питания для электродвигателя или иного устройства, а также средство управления для измерения тока в линии (линиях) питания источника питания посредством измерения напряжения на шунтирующем резисторе (резисторах). Источник питания может иметь одну линию питания или множество линий питания. Линия (линии) питания может подавать постоянный или переменный ток.
Электронные реле перегрузки предшествующего уровня техники измеряли токи в линиях питания источника питания с использованием трансформаторов тока, а не шунтирующих резисторов. Электромеханические устройства предшествующего уровня техники не измеряли токи, используя шунтирующие резисторы, а вместо этого использовали тепловые биметаллические пластины, которые изгибаются в соответствии с проходящим по ним током. Авторы изобретения обнаружили, что шунтирующие резисторы обладают многочисленными преимуществами, которые описаны далее.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено реле перегрузки в соответствии с п.1 формулы изобретения.
Средство управления может быть подключено к каждому из шунтирующих резисторов таким образом, что оно может принимать сигнал, представляющий напряжение на каждом шунтирующем резисторе. Поскольку в соответствии с уравнением V=IR напряжение на шунтирующем резисторе пропорционально току через шунтирующий резистор, то сигнал, представляющий напряжение на шунтирующем резисторе, представляет собой также и ток, протекающий через шунтирующий резистор.
Когда используется реле перегрузки, каждый шунтирующий резистор установлен на пути тока соответствующей линии питания источника питания, и поэтому ток через шунтирующий резистор является тем же самым, что и ток через соответствующую линию питания источника питания. Соответственно, сигналы, представляющие ток через шунтирующий резистор, полученные измерительными устройствами, представляют также и ток, протекающий по линиям питания источника питания, когда используется реле перегрузки. Поэтому, когда используется реле перегрузки, средство управления на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через линии питания источника питания, может определить, существуют ли условия перегрузки. Здесь термины "ток через шунтирующие резисторы" и "ток через линии питания, когда используется реле перегрузки" могут использоваться взаимозаменяемо.
Условие перегрузки может быть определено как условие, при котором электродвигатель или иное устройство подвержены риску быть термически перегруженными. Например, условие перегрузки может включать в себя следующее: ток в линии питания превышает предопределенный порог, например, величину ТПН; ток в линии питания превышает предопределенный порог в течение предопределенного временного периода; потери в линии питания (например, нулевой ток в линии питания) и/или пониженный ток в линии питания.
Для исключения сомнений в том, что описанный процесс действительно основан на сигнале, этот процесс может быть представлен сигналом "напрямую" или опосредованно на основе этого сигнала. Например, может осуществляться процесс, использующий дополнительный сигнал, полученный из первичного сигнала, а не с использованием самого первичного сигнала. Таким образом, средство управления может быть выполнено с возможностью определения наличия условия перегрузки на основании сигнала или параметра, который получен из одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы.
Суммируя вышесказанное, реле перегрузки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения использует шунтирующие резисторы для измерения тока в линиях питания источника питания электродвигателя или иного устройства. Авторы изобретения поняли, что такая конфигурация может обеспечить многочисленные преимущества по сравнению с реле перегрузки предшествующего уровня техники.
Одно преимущество состоит в том, что шунтирующий резистор может быть гораздо меньше, чем трансформатор тока, имеющий такой же номинальный ток, поэтому на нем можно выполнить реле перегрузки меньшего размера. Реле перегрузки меньшего размера при этом может быть выполнено еще и потому, что шунт может устанавливаться на пути тока линии питания источника питания. Кроме того, шунтирующие резисторы могут иметь меньшую стоимость, чем эквивалентные им трансформаторы тока.
Еще одно преимущество реле перегрузки в соответствии с первым аспектом состоит в том, что реле перегрузки можно использовать с источником питания постоянного тока электродвигателя или другого устройства. Электронные реле перегрузки предшествующего уровня техники, которые использовали трансформаторы тока для измерения тока, могут использоваться только с переменным током.
Средство управления может включать в себя множество измерительных блоков, причем каждый измерительный блок соединен с соответствующим одним из шунтирующих резисторов и выполнен с возможностью приема сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому он подключен. Каждый измерительный блок может быть выполнен в виде отдельной интегральной схемы, такой как "интегральная микросхема прикладной ориентации" (ASIC).
Каждый измерительный блок может быть подключен к соответствующему одному из шунтирующих резисторов, так что каждый измерительный блок может принимать сигнал, представляющий напряжение на соответствующем шунтирующем резисторе (который по уравнению V=IR является также сигналом, представляющим ток через шунтирующий резистор).
Измерительные блоки реле перегрузки могут быть электрически изолированы один от другого. Другими словами, измерительные блоки могут быть выполнены таким образом, что при этом нет никакого электрического подключения или контакта между каждым из измерительных блоков. Электрическая изоляция может быть обеспечена обеспечением между измерительными блоками либо воздушного промежутка, либо электрического изоляционного материала. Если измерительные блоки связаны между собой, то электрическая изоляция может быть обеспечена тем, что эти измерительные блоки связаны между собой посредством одного или большего количества электрически изолирующих компонентов, таких как оптические изоляторы и/или трансформаторы.
Напряжения между подающими линиями источника питания, например трехфазного источника питания переменного тока, могут быть очень большими. Следовательно, напряжения между шунтирующими резисторами реле перегрузки на практике также могут быть очень большими. Авторы настоящего изобретения обратили внимание на то, что такие большие напряжения, как эти, могли бы нанести вред реле перегрузки, если бы каждый из шунтирующих резисторов был подключен к одному измерительному блоку. Поэтому, если реле перегрузки имеет измерительные блоки, которые электрически изолированы один от другого, то реле перегрузки имеет меньшую вероятность быть поврежденным большими напряжениями, которые могут существовать между линиями питания источника питания.
Каждый измерительный блок может включать в себя средство усиления для усиления сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен этот измерительный блок. Это может облегчить блоку управления обработку такого сигнала, например, в том случае, когда шунтирующие резисторы имеют низкие сопротивления, и напряжения на этих шунтирующих резисторах могут быть очень маленькими, трудными для обработки, если они не усилены. Кроме того, средство усиления может использоваться при настройке величины ТПН реле перегрузки, что более подробно будет описано далее. Средство усиления может включать в себя одно или большее количество усилителей. Усиление некоторых или всех из одного или большего количества усилителей может быть регулируемым, то есть программируемым.
Каждый измерительный блок может включать в себя аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен измерительный блок, в цифровой сигнал. Цифровые сигналы от измерительных блоков могут далее обрабатываться цифровым процессором сигнала и/или центральным процессорным блоком.
Каждый измерительный блок может включать в себя накопитель энергии для накапливания энергии для питания измерительного блока. Это дает возможность запитывать измерительный блок, когда питание от источника, внешнего относительно измерительного блока (например, блока подачи питания), отсутствует. Если измерительные блоки запитаны от одной из линий питания (например, такой как описанная далее), тогда наличие накопителя энергии может позволить этим измерительным блокам продолжать функционировать, когда непрерывность подачи питания будет прервана, то есть в течение более чем 10 или 15 минут, так чтобы дать возможность электродвигателю или иному устройству, которое при этом моделируется, охладиться. Накопитель энергии может включать в себя конденсатор.
Средство управления может включать в себя средство обработки, выполненное с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы. Это средство обработки может быть средством цифровой обработки, поскольку было обнаружено, что цифровые средства обработки (например, блоки цифровой обработки) позволяют производить более точное определение наличия условий перегрузки. Средство обработки может включать в себя одно или большее количество блоков обработки и/или центральный процессорный блок.
Средство обработки может быть выполнено с возможностью генерации одного или большего количества сигналов, представляющих тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы.
Сигнал(ы), представляющий(ие) тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, может быть сгенерирован в соответствии с тепловой моделью электродвигателя или иного устройства. Тепловая модель может рассматриваться как представление тепловой емкости электродвигателя или иного устройства. Например, тепловая модель для электродвигателя могла бы быть основана на величине IRMS 2t, где IRMS есть сигнальное представление среднеквадратического значения тока через шунтирующий резистор, а t есть время. В качестве другого примера, тепловая модель для электродвигателя могла бы быть основана на величине IRMS 2,77t, которая введена для более точного отражения тепловой реакции электродвигателя по сравнению с величиной IRMS 2t. Тепловые модели хорошо известны.
Средство обработки может быть выполнено с возможностью генерации одного или большего количества сигналов, представляющих максимальное значение тока через одно или большее количество шунтирующих резисторов, на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через эти шунтирующие резисторы.
Средство обработки может быть выполнено с возможностью определения наличия условия перегрузки на основании сигнала(ов), представляющих тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, и/или сигнала(ов), представляющих максимальное значение тока. Определение наличия условий перегрузки на основании сигнала(ов), представляющих тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, способствует определению, является ли электродвигатель или иное устройство термически перегруженным или нет. Определение наличия условий перегрузки на основании сигнала(ов), представляющих максимальное значение тока, может быть полезно, поскольку дисбаланс токов в линиях питания источника питания может привести к тому, что электродвигатель будет термически перегруженным.
В одном предпочтительном варианте исполнения средство обработки включает в себя множество блоков обработки, например, цифровых процессоров сигнала, причем каждый блок обработки расположен в соответствующем одном из измерительных блоков. Другими словами, средство обработки может быть распределено между измерительными блоками.
Каждый блок обработки, расположенный в соответствующем одном из измерительных блоков, может быть выполнен с возможностью генерации сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен измерительный блок. Сигнал, представляющий тепловое состояние электродвигателя, может быть сгенерирован в соответствии с тепловой моделью, то есть средством моделирования.
Аналогично, каждый блок обработки, расположенный в соответствующем одном из измерительных блоков, может быть выполнен с возможностью генерации сигнала, представляющего максимальное значение тока на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен измерительный блок. Сигнал, представляющий максимальное значение тока, может быть получен пиковым детектором.
Каждый блок обработки, расположенный в соответствующем одном из измерительных блоков, может быть выполнен с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен измерительный блок. Например, каждый блок обработки мог бы определять наличие условий перегрузки на основании сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, и/или сигнала, представляющего максимальное значение тока, генерируемого тем же самым процессорным устройством. Определение наличия условий перегрузки может производиться логической схемой.
Одним из множества измерительных блоков может быть главный измерительный блок, выполненный с возможностью генерации сигнала отключения. Поэтому одним или большим количеством других измерительных блоков могут быть подчиненные измерительные блоки. В предпочтительном варианте выполнения каждый измерительный блок выполнен с возможностью определения наличия условий перегрузки, а главный измерительный блок выполнен с возможностью генерации сигнала отключения, если какой-либо из измерительных блоков определяет наличие условий перегрузки. Однако альтернативно определение наличия условий перегрузки могло бы производиться только главным измерительным блоком на основании сигнала(ов), представляющего тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, и/или сигнала(ов), представляющего максимальное значение тока от измерительных блоков. Конфигурация "главный-подчиненный" может иметь преимущество более низкой стоимости, поскольку при этом можно обойтись без использования центрального процессорного устройства.
Главный измерительный блок, предпочтительно, соединен с другим(и) измерительным(и) блоком (блоками), чтобы можно было передавать сигналы между измерительными блоками. Связь может осуществляться одним или большим количеством изолирующих компонентов, таких как оптические изоляторы, так что измерительные блоки могут быть электрически изолированы друг от друга.
В другом предпочтительном варианте исполнения средство обработки представляет собой центральный процессорный блок (ЦП), соединенный с измерительными блоками. Преимущество такой конфигурации заключается в том, что ЦП может выполнять вычисления, которые включают/комбинируют сигналы, представляющие ток со всех измерительных блоков.
ЦП может быть электрически изолирован от измерительных блоков, например, во избежание повреждения высоким напряжением, которое может присутствовать между линиями питания источника питания. Поэтому ЦП может быть соединен с измерительными блоками посредством одного или большего количества электрически изолирующих компонентов, таких как оптические изоляторы и/или трансформаторы.
ЦП может быть соединен с накопителем энергии для накапливания энергии для питания ЦП. Это может дать возможность запитывать ЦП, когда питание от источника, внешнего относительно ЦП (например, блока подачи питания), отсутствует. Если ЦП запитывается от одной из линий питания (как описано ниже), тогда наличие накопления энергии может позволить ЦП продолжать функционировать, когда непрерывность подачи питания будет прервана, то есть в течение более чем 10 или 15 минут, так чтобы дать возможность электродвигателю или иному устройству, которое при этом моделируется, охладиться. Устройство накопления энергии может включать в себя конденсатор.
ЦП может быть выполнен с возможностью питания измерительных блоков. ЦП может включать в себя генератор для питания измерительных блоков. Реле перегрузки может включать в себя множество трансформаторов, а ЦП может быть выполнен с возможностью питания каждого из измерительных блоков через соответствующий один из трансформаторов. Такая конфигурация может способствовать обеспечению электрической изоляции между ЦП и измерительными блоками.
Средство управления может быть выполнено с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании величины ТПН и/или класса отключения реле перегрузки, например, таким образом, что при этом реле перегрузки имеет характеристики отключения, связанные с величиной ТПН и/или с классом отключения. Как пояснялось выше, реле перегрузки обычно классифицируются по величине их ТПН и классу отключения, причем оба параметра хорошо известны.
Величина ТПН и класс отключения реле перегрузки могут регулироваться пользователем. Поэтому пользователь может устанавливать величину ТПН и/или класс отключения реле перегрузки в соответствии с требованиями конкретного электродвигателя или иного устройства, которое должно использоваться в комбинации с этим реле перегрузки. Значение ТПН может устанавливаться выше диапазона величины ТПН.
Хотя известно, что имеются реле перегрузки, которые имеют регулируемые величины ТПН, в существующих реле перегрузки есть тенденция устанавливать очень ограниченный диапазон величины ТПН, потому что они используют для измерения тока измерительные трансформаторы. Дело в том, что измерительные трансформаторы обычно не могут измерять токи в широком диапазоне, потому что при больших токах они имеют тенденцию насыщаться. Возможные же величины ТПН электромеханических реле перегрузки еще более ограничены вследствие необходимости использовать биметаллические пластины для каждого значения величины ТПН.
В реле перегрузки по настоящему изобретению ток измеряется шунтирующими резисторами, которые обычно могут измерять токи в более широком диапазоне, чем эквивалентные им трансформаторы тока. Поэтому реле перегрузки по настоящему изобретению могут иметь более широкий диапазон изменения величин ТПН, чем реле перегрузки предшествующего уровня техники, которые включают в себя трансформаторы тока. Реле перегрузки по настоящему изобретению могут, например, иметь максимальную величину ТПН, которая в пять раз или больше или в десять раз или больше минимальной величины ТПН. Это, например, может позволить трем или четырем различным реле перегрузки в соответствии с настоящим изобретением перекрывать токовый диапазон в от 0,1 до 100 А, например, используя диапазоны величин ТПН в 0,1 до 1 А, от 1 до 10 А, от 3,7 до 37 А и от 6,3 до 100 А. Обычно, для того чтобы перекрыть токовый диапазон от 0,1 до 100 А, требуется семь реле перегрузки на основе трансформаторов тока или девятнадцать реле перегрузки на основе биметаллических пластин.
Характеристики отключения реле перегрузки могут быть выполнены соответствующими величине ТПН или классу отключения реле перегрузки любым удобным образом. Например, характеристики отключения реле перегрузки могут быть выполнены соответствующими величине ТПН или классу отключения реле перегрузки изменением коэффициента усиления усилительного средства в измерительных блоках. В качестве другого примера, характеристики отключения реле перегрузки могут быть выполнены соответствующими величине ТПН или классу отключения реле перегрузки соответствующим изменением тепловой модели, использованной реле перегрузки, например, изменением постоянной времени тепловой модели.
Средство управления может быть выполнено с возможностью генерирования сигнала сброса для восстановления непрерывности источника питания.
Средство управления может быть выполнено с возможностью генерирования сигнала сброса, если оно на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующий резистор, определяет отсутствие условий перегрузки. Если это так, то реле перегрузки может быть восстановлено без ручного вмешательства пользователя. Средство управления может производить такое определение на основании сигнала (сигналов), представляющего тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, и/или сигнала (сигналов) на основании максимального тока через шунтирующий резистор, описанный ранее.
Реле перегрузки может иметь автоматический режим и ручной режим. В автоматическом режиме средство управления может быть выполнено с возможностью генерировать сигнал сброса, если оно определяет отсутствие условий перегрузки, например, как описано выше. В ручном режиме средство управления может быть выполнено с возможностью генерирования сигнала сброса в ответ на входной сигнал от пользователя. Средство управления может быть регулируемым/переключаемым из автоматического режима в ручной.
Реле перегрузки может включать в себя схему выключения, выполненную с возможностью прерывания непрерывности подачи питания в ответ на сигнал отключения от средства управления. Схема выключения может быть выполнена с возможностью восстановления непрерывности источника питания в ответ на сигнал сброса от средства управления. Схема выключения может быть выполнена с возможностью прерывания/восстановления непрерывности подачи питания через контактор.
Средство управления может быть связано со схемой выключения посредством одного или большего количества электрически изолирующих компонентов, например оптическими изоляторами, чтобы сигнал отключения/сброса от средства обработки мог передаваться на схему выключения при обеспечении между средством обработки и схемой выключения электрической изоляции.
Схема выключения может включать в себя бистабильное (то есть перебрасывающееся) реле, переключающееся между первой устойчивой конфигурацией для прерывания непрерывности подачи питания и второй устойчивой конфигурацией для восстановления непрерывности подачи питания.
Схема выключения может включать в себя конденсатор выключения для накопления заряда для переключения бистабильного реле в первую конфигурацию. Схема выключения может включать в себя конденсатор сброса для накопления заряда для переключения бистабильного реле во вторую конфигурацию. Конденсаторы выключения и сброса могут быть полезны для исключения такого сценария, при котором в каком-нибудь реле перегрузки будет недостаточно тока или заряда для переключения бистабильного реле.
Конденсатор выключения и/или конденсатор сброса может быть защищен от разрядки. Другими словами, конденсатор выключения и/или конденсатор сброса может быть защищен от разрядки в том случае, когда источник питания от конденсатора будет отсоединен. Это позволяет цепи отключения переключать бистабильное реле в том случае, когда источник питания от конденсатора будет отсоединен. Особенно важно быть защищенным конденсатору сброса, ибо реле перегрузки запитывается от того же самого источника питания, что и электродвигатель или иное устройство (см. ниже), поскольку реле перегрузки может прекратить прием питания от этого источника питания, когда непрерывность источника питания прервана.
Средство управления может быть выполнено с возможностью приема сигналов, представляющих напряжения между шунтирующими резисторами, например, посредством каждого измерительного блока, подключенного к двум или более шунтирующим резисторам. Средство управления может быть выполнено с возможностью вычисления на основании сигналов, представляющих напряжения, любого одного или большего количества "недо/перенапряжения", действительного тока, кажущегося тока, коэффициента мощности, а также потребления мощности.
Средство управления может включать в себя один или большее количество температурных датчиков, например, для измерения любого одного или большего количества параметров: температуры клеммы, температуры шунта или температуры локальной окружающей среды. Данные от температурных датчиков можно использовать для обеспечения другой защиты для электродвигателя или иного устройства или для обеспечения предупреждения пользователю.
Шунтирующие резисторы для минимизации потерь мощности в шунтирующих резисторах могут иметь сопротивление в 1 μОм или меньше. Для обеспечения того, чтобы напряжение на шунтирующем резисторе было достаточным, чтобы быть детектированным измерительными блоками, шунтирующие резисторы могут иметь сопротивление в 20 μОм или больше.
Источник питания может быть источником питания переменного тока. Источник питания может быть трехфазным источником питания переменного тока, имеющим три линии питания, и в этом случае реле перегрузки может иметь, соответственно, три шунтирующих резистора и, опционально, три измерительных блока.
Реле перегрузки может включать в себя блок источника питания для подачи питания реле перегрузки. Блок источника питания может быть выполнен с возможностью получения питания от одной или большего количества линий питания источника питания, которое питает устройство, которое оно защищает. Блок источника питания может быть таким, который описан в связи с третьим аспектом настоящего изобретения.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство, имеющее электродвигатель или иное устройство; источник питания, имеющий множество линий питания для подачи питания в электродвигатель или иное устройство; и реле перегрузки, такое как описанное выше, причем каждый шунтирующий резистор реле перегрузки расположен на пути тока соответствующей линии питания источника питания.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен блок питания для подачи питания на реле перегрузки, причем блок питания содержит:
- выпрямитель для получения постоянного тока из одной или большего количества линий питания источника питания переменного тока, подключенного к электродвигателю или иному устройству, защищенному реле перегрузки, и
- по меньшей мере один трансформатор для соединения источника питания с реле перегрузки.
Соответственно, реле перегрузки может быть запитано от источника питания, который питает устройство, которое оно защищает, такое как электродвигатель. Это исключает использование внешнего источника питания для реле перегрузки.
Линии питания могут иметь между собой высокие напряжения, которые вследствие этого могут повредить реле перегрузки. Поэтому может быть полезен трансформатор, потому что он может электрически изолировать блок питания от реле перегрузки.
Источник питания может иметь множество линий питания. Он может иметь три линии питания, например, в случае трехфазного источника питания переменного тока.
Другим преимуществом использования выпрямителя в блоке питания является то, что питание может быть подано на реле перегрузки чрезвычайно быстро с тем, чтобы реле перегрузки имело малое время запуска (то есть время, которое требуется для того, чтобы реле перегрузки после подачи на него питания начало работать). Реле перегрузки может иметь время запуска, меньшее, чем одна секунда. Время запуска, меньшее, чем одна секунда, не существенно для обеспечения защиты от перегрузки, поскольку перегрузки обычно имеют место с периодами, более продолжительными, чем одна секунда (например, десятки секунд). Однако реле перегрузки могло бы иметь другие защитные функции, для которых было бы крайне желательно время запуска, меньшее, чем одна секунда, например защита линии заземления, защита от заедания и/или предотвращение остановок.
Блок питания может включать в себя один или большее количество регуляторов для регулирования постоянного тока. Регуляторы могут использоваться для сглаживания получаемого выпрямителем постоянного тока и/или изменения (например, уменьшения) получаемого выпрямителем напряжения постоянного тока.
Блок подачи питания может включать в себя генератор для подачи в реле перегрузки переменного тока. Генератор может быть выполнен с возможностью подачи в реле перегрузки переменного тока через один или большее количество трансформаторов.
Реле перегрузки может включать в себя выпрямитель и, необязательно, регулятор для преобразования переменного тока от генератора в постоянный ток для использования его реле перегрузки. Характеристики переменного тока, подаваемого в реле перегрузки, могут выбираться путем выбора соответствующего генератора, так чтобы они подходили под требования реле перегрузки (а не использование переменного тока, например, непосредственно от линий питания источника питания).
Если реле перегрузки включает в себя множество измерительных блоков, то генератор может быть подключен к каждому измерительному блоку через соответствующий трансформатор, поскольку это может обеспечить электрическую изоляцию между измерительными блоками. Каждый измерительный блок может включать в себя выпрямитель и, необязательно, регулятор для преобразования переменного тока от генератора в постоянный ток для использования его измерительным блоком.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложено реле перегрузки для защиты электродвигателя или иного устройства от условий перегрузки, содержащее:
- шунтирующий резистор, устанавливаемый в пути тока линии питания источника питания для электродвигателя или иного устройства; и
- средство управления, подключенное к шунтирующему резистору и выполненное с возможностью приема или генерации сигнала, представляющего ток через этот шунтирующий резистор,
в котором средство управления выполнено с возможностью генерации сигнала отключения для прерывания непрерывности подачи питания, если оно на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, определяет наличие условий перегрузки.
Таким образом, может быть обеспечено реле перегрузки, имеющее только один шунтирующий резистор, например, для защиты электродвигателя или иного устройства, запитываемое от источника питания, имеющего одну линию питания, например однофазного источника питания переменного тока. Реле перегрузки, соответственно, может иметь любой признак, связанный с вышеописанным реле перегрузки. В частности, реле перегрузки может иметь измерительный блок, подключенный к шунтирующему резистору и выполненный с возможностью приема сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор.
Необязательные и/или предпочтительные признаки любого какого-либо одного аспекта изобретения могут быть применимы к любому какому-либо одному из других аспекту. Дополнительно, любой один или большее количество объектов настоящего изобретения могут быть скомбинированы с любым другим объектом.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает условную схему первого реле перегрузки;
Фиг.2 изображает принципиальную схему первого реле перегрузки;
Фиг.3 изображает принципиальную схему измерительного блока первого реле перегрузки;
Фиг.4 изображает принципиальную схему блока источника питания первого реле перегрузки;
Фиг.5 изображает принципиальную схему второго реле перегрузки;
Фиг.6 изображает принципиальную схему блока источника питания второго реле перегрузки;
Фиг.7 изображает принципиальную схему третьего реле перегрузки;
Фиг.8 изображает принципиальную схему компоновки для использования реле перегрузки для защиты электродвигателя.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Фиг.1 изображает условную схему первого реле 101 перегрузки для защиты трехфазного электродвигателя от трехфазного источника питания переменного тока. Реле перегрузки 101 включает в себя выводы L линии, выводы Т нагрузки, шунтирующие резисторы 110, средство управления 120 и схему 150 отключения.
Фиг.2 изображает первое реле 101 перегрузки более подробно. Первое реле 101 перегрузки включает в себя три вывода L1, L2, L3 линии, три вывода Т1, Т2, Т3 нагрузки и три шунтирующих резистора 110а, 110b, 110с, каждый из которых соединяет один из выводов L1, L2, L3 линии с соответствующим одним из выводов Т1, Т2, Т3 нагрузки. Средство управления 120 первого реле 101 перегрузки включает в себя три измерительных блока 122а, 122b, 122с, а также средство 124 ввода. Первое реле 101 перегрузки дополнительно включает в себя схему 150 отключения и блок 160 подачи питания.
Выводы L1, L2, L3 линии первого реле 101 перегрузки подключены к линиям питания трехфазного источника питания переменного тока (не показан), а выводы Т1, Т2, Т3 нагрузки первого реле 101 перегрузки подключены к трехфазному индукционному электродвигателю (не показан). Поскольку каждый из трех шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с соединяет один из выводов L1, L2, L3 линии с соответствующим одним из выводов Т1, Т2, Т3 нагрузки, то каждый из трех шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с расположен в соответствующей одной из линий питания источника питания. Шунтирующие резисторы 110а, 110b, 110с представляют собой низкоомные резисторы, имеющие сопротивление в диапазоне от 20 μОм до 1 μОм для минимизации потерь мощности в линиях питания источника питания.
Каждый измерительный блок 122а, 122b, 122с представляет собой интегральную микросхему прикладной ориентации (ASIC). Каждый измерительный блок 122а, 122b, 122с соединен с соответствующим одним из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с и поэтому выполнен с возможностью приема сигнала, представляющего напряжение на своем соответствующем шунтирующем резисторе 110а, 110b или 110с и соответствующий через него ток. Поскольку каждый из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с расположен в линии питания источника питания, сигнал, представляющий ток через один из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с, также представляет ток в соответствующей линии питания источника питания.
При работе источника питания между каждой из линий питания источника питания может быть очень высокое напряжение. Поскольку каждый измерительный блок 122а, 122b, 122с подключен к соответствующей линии питания источника питания (через один из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с), то измерительные блоки 122а, 122b, 122с были электрически изолированы один от другого (то есть между ними нет прямого электрического соединения или контакта). Это способствует предотвращению повреждения измерительных блоков 122а, 122b, 122с высокими напряжениями, которые могут быть между линиями питания источника питания.
Три измерительных блока 122а, 122b, 122с находятся в конфигурации "главный-подчиненный", причем есть один главный измерительный блок 122b и два подчиненных измерительных блока 122а, 122с. Главный измерительный блок 122b выполнен с возможностью генерирования сигнала отключения для прерывания непрерывности подачи трехфазного питания, если определено наличие условий перегрузки на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующие резисторы 110а, 110b, 110с.
Измерительные блоки 122а, 122b, 122с соединены друг с другом посредством электрически изолирующих компонентов, что позволяет передавать между измерительными блоками 122а, 122b, 122с сигналы, в данном случае цифровые сигналы при поддержании электрической изоляции между ними. В данном варианте исполнения измерительные блоки соединены друг с другом оптическими изоляторами 126.
Средство 124 ввода позволяет пользователю регулировать величину ТПН, класс отключения и ручной/автоматический режим реле 101 перегрузки. Это средство 124 ввода связано с главным измерительным блоком 122b, чтобы пользователь мог передавать на главный измерительный блок 122b, а также на подчиненные измерительные блоки 122а, 122с величину ТПН, класс отключения и режим - ручной/автоматический - реле (через оптические изоляторы 126), например, таким образом, чтобы реле 101 перегрузки могло регулировать свои характеристики отключения на соответствие их входному ТПН и классу отключения.
Главный измерительный блок 122b связан со схемой 150 отключения, чтобы сигналы отключения/сброса от главного измерительного блока 122b можно было передавать на эту схему 150 отключения. В этом варианте исполнения главный измерительный блок 122b связан со схемой 150 отключения оптическими изоляторами 128, чтобы электрически изолировать измерительные блоки 122а, 122b, 122с от схемы 150 отключения. Схема 150 отключения выполнена с возможностью прерывания непрерывности подачи питания в ответ на сигнал отключения от главного измерительного блока 122b и восстановления непрерывности подачи питания в ответ на сигнал сброса от главного измерительного блока 122b.
Схема 150 отключения включает в себя накопитель 152 отключения/сброса, а также бистабильное реле 158. Накопитель 152 отключения/сброса включает в себя конденсатор 154 выключения и конденсатор 156 сброса для накопления заряда (эти конденсаторы показаны на фиг.4 и будут описаны ниже).
Бистабильное реле 158 является переключающимся между первой устойчивой конфигурацией прерывания непрерывности подачи питания через контактор (не показан) и второй устойчивой конфигурацией восстановления непрерывности подачи питания через контактор. В первой устойчивой конфигурации бистабильное реле 158 не подает питание на контактор, так что непрерывность подачи питания этим контактором прервана. Во второй устойчивой конфигурации бистабильное реле 158 подает питание на контактор (не показан), так что контактор обеспечивает непрерывность подачи питания. В этом примере бистабильное реле 158 берет свой ток из идущих через контактор линий питания (не показаны).
Конденсатор 154 выключения выполнен с возможностью разряда на бистабильное реле 158 через линию 155 отключения, если главный измерительный блок 122b выдает сигнал отключения, чтобы переключить бистабильное реле 158 из второй конфигурации в первую конфигурацию. Конденсатор 156 сброса выполнен с возможностью разряда на бистабильное реле 158 через линию 157 сброса, если главный измерительный блок 122b выдает сигнал сброса. Наличие конденсаторов 154 и 156 способствует исключению сценария, по которому где-нибудь в реле перегрузки будет недостаточно тока/заряда в реле перегрузки для отключения/сброса бистабильного реле 158.
Бистабильное реле 158 включает в себя проверочную кнопку 159а и кнопку сброса 159b для ручного переключения бистабильного реле 158 в первую и во вторую конфигурацию соответственно.
Блок 160 питания запитывает измерительные блоки 122а, 122b, 122с, а также схему 150 отключения и более подробно описан со ссылками на фиг.4.
Фиг.3 более подробно показывает измерительные блоки 122. Измерительный блок 122 включает в себя средство 130 усиления, аналого-цифровой преобразователь 135 и блок 400 обработки.
Средство 130 усиления включает в себя первый усилитель 131, второй усилитель 132 и третий усилитель 133. Первый усилитель 131 соединен с шунтирующим резистором 110 и выполнен с возможностью усиления напряжения на этом шунтирующем резисторе 110. Второй усилитель 132 усиливает выходной сигнал первого усилителя 131, а третий усилитель 133 усиливает выходной сигнал второго усилителя 132.
В соответствии с уравнением V=IR напряжение на шунтирующем резисторе пропорционально току, протекающему через шунтирующий резистор 110, и поэтому представляет его. Поэтому выходным сигналом каждого усилителя 131, 132, 133 в средстве 130 усиления является сигнал, представляющий ток через шунтирующий резистор 110 и поэтому представляющий ток через соответствующую линию питания трехфазного источника питания.
Первый усилитель 131 является усилителем с постоянным коэффициентом усиления. В этом варианте выполнения первый усилитель 131 с постоянным коэффициентом усиления имеет ограниченную полосу пропускания (2 кГц). Поскольку сопротивление шунтирующего резистора 110 обычно очень мало (например, от 20 μОм до 1 μОм), то напряжение на шунтирующем резисторе 110 также очень мало. Поэтому первый усилитель 131 используется для усиления напряжения на шунтирующем резисторе 110, чтобы затем его можно было более легко превратить в цифровой сигнал.
Второй усилитель 132 и третий усилитель 134 являются усилителями с программируемым коэффициентом усиления. Их функции более подробно описаны далее.
Аналого-цифровой преобразователь 135 преобразует сигнал от средства 130 усиления, представляющий ток через шунтирующий резистор 110, в цифровой сигнал. Подходящим аналого-цифровым преобразователем 135 может быть 12-битовый преобразователь с тактовой частотой 4 кГц. Для аналого-цифрового преобразователя 135 выделена опорная запрещенная зона в качестве опорного напряжения, чтобы этот аналого-цифровой преобразователь мог измерять сигналы с биполярным напряжением.
Блок 140 обработки обрабатывает сигнал от аналого-цифрового преобразователя 135, представляющий ток через шунтирующий резистор 110. Блок 140 обработки включает в себя две ветви обработки, которые ведут к логической схеме 146 отключения/сброса. Первая ветвь блока 140 обработки включает в себя средство 141 мультипликации, средство 142 моделирования и первый пороговый детектор 143. Вторая ветвь блока 140 обработки включает в себя пиковый детектор 144 и второй пороговый детектор 145.
Средство 141 мультипликации выполнено с возможностью формирования сигнала, представляющего среднеквадратичную величину тока через шунтирующий резистор 110 на основании сигнала от аналого-цифрового преобразователя 135, представляющего ток через шунтирующий резистор 110. В одном варианте исполнения средство 141 мультипликации может включать в себя цифровой мультипликатор, объединенный с низкочастотным цифровым фильтром первого порядка.
Средство 142 моделирования выполнено с возможностью формирования сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя, на основании сигнала от средства 141 мультипликации, представляющего среднеквадратичную величину тока через шунтирующий резистор 110. Средство 142 моделирования формирует сигнал, представляющий тепловое состояние электродвигателя, на основании тепловой модели электродвигателя. Тепловая модель электродвигателя может рассматриваться как представление термической емкости электродвигателя. Такие тепловые модели хорошо известны.
В этом варианте выполнения сигнал, представляющий тепловое состояние электродвигателя, основан на величине IRMS 2t, где IRMS есть сигнальное представление среднеквадратического тока от средства 141 мультипликации, а t есть время. В другом варианте исполнения сигнал, представляющий тепловое состояние электродвигателя, основан на величине IRMS 2,77t, которая введена для более точного отражения тепловой реакции электродвигателя, но она более трудоемка для вычислений.
Первый пороговый детектор 143 выполнен с возможностью сравнения сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя, с первой пороговой величиной. Если сигнальное представление теплового состояния электродвигателя больше, чем первая пороговая величина, то первым пороговым детектором 143 генерируется сигнал, указывающий, что первый порог превышен. Сигнал от первого порогового детектора 143, указывающий, что первый порог превышен, является индикативным сигналом тепловой перегрузки электродвигателя.
Пиковый пороговый детектор 144 выполнен с возможностью генерации сигнала, представляющего максимальную величину тока, протекающего через шунтирующий резистор 110, на основании сигнала от аналого-цифрового преобразователя 135, представляющего ток через шунтирующий резистор 110.
Второй пороговый детектор 145 выполнен с возможностью сравнения сигнала, представляющего максимальную величину тока через шунтирующий резистор 110, со второй пороговой величиной. Если сигнальное представление максимального тока меньше, чем вторая пороговая величина, то генерируется сигнал, указывающий, что максимальный ток меньше второго порога. Вторая пороговая величина может составлять, например, 70% или 20% от величины ТПН первого реле 101 перегрузки. Поэтому сигнал от второго порогового детектора 145, указывающий, что максимальная величина тока меньше второго порога, является указывающим на то, что одна из линий питания имеет пониженный или нулевой ток, что может привести к перегреву электродвигателя вследствие дисбаланса между линиями подачи питания.
Логическая схема 146 отключения/сброса выполнена с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор 110. В данном конкретном варианте исполнения логическая схема 146 отключения/сброса выполняет это определением наличия условий перегрузки, если она принимает сигнал от первого порогового детектора 143, указывающий, что первый порог был превышен, или если она принимает сигнал от второго порогового детектора 145, указывающий, что максимальная величина тока меньше второго порога. Логическая схема 146 отключения/сброса выполнена таким образом, что если она определяет наличие условий перегрузки, то она выдает сигнал, указывающий, что существуют условия перегрузки.
В альтернативном варианте выполнения средство 142 моделирования и пиковый детектор 144 могут быть выполнены с возможностью генерирования сигнала, указывающего состояние источника питания, например, указывающего одно из множества состояний, таких как обрыв линии питания, наличие линии питания с низкой мощностью, нормальная работа и/или тепловая перегрузка. Эти сигналы затем могут использоваться логической схемой 146 отключения/сброса при определении наличия условий перегрузки.
Если логическая схема 146 отключения/сброса главного измерительного блока 122b определяет наличие условий перегрузки или принимает сигнал, указывающий наличие условия перегрузки от логической схемы отключения/сброса любого из подчиненных измерительных блоков 122а, 122с, то главный измерительный блок 122b генерирует сигнал отключения для прерывания непрерывности подачи трехфазного питания. Этот сигнал передается на схему 150 отключения, как пояснялось ранее.
Как пояснялось ранее, реле 101 перегрузки имеет автоматический режим и ручной режим. В автоматическом режиме главный измерительный блок 122b выполнен с возможностью генерирования сигнала сброса, когда он определяет отсутствие условий перегрузки (например, потому что электродвигатель охладился). Поэтому автоматический режим может быть использован для разрешения непрерывности подачи питания, когда условий перегрузки нет. В ручном режиме главный измерительный блок 122b выдает только сигнал сброса в ответ на входной сигнал пользователя. Непрерывность трехфазного питания может быть также восстановлена вручную с использованием вышеописанной кнопки 159b сброса. Каждый из измерительных блоков 122а, 122b, 122с включает в себя устройство накопления энергии (не показано) для запитывания измерительных блоков, если непрерывность подачи питания прервана (например, вследствие подачи сигнала отключения от главного измерительного блока 122b). Это позволяет сохранять тепловую модель в каждом из измерительных блоков 122а, 122b, 122с даже при прерывании непрерывности трехфазного питания (что, например, может потребоваться для того, чтобы реле 101 перегрузки правильно функционировало в автоматическом режиме). Накопитель энергии каждого измерительного блока, предпочтительно, накапливает достаточно энергии, чтобы подавать питание на измерительный блок в течение по меньшей мере 15 минут, чтобы можно было обновлять тепловую модель в каждом из измерительных блоков, в то время как электродвигатель еще охлаждается. Накопителем энергии может быть конденсатор, который заряжается блоком 160 питания.
Как пояснялось ранее, реле 101 перегрузки имеет величину ТПН, которая регулируется посредством средства 124 ввода. Каждый измерительный блок 122а, 122b, 122с выполнен с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании величины ТПН реле 101 перегрузки, то есть таким образом реле 101 перегрузки имеет характеристики отключения, связанные с величиной ТПН. В этом варианте выполнения характеристики отключения реле перегрузки выполнены соответствующими величине ТПН реле перегрузки посредством изменения коэффициента усиления второго усилителя 132 средства 130 усиления таким образом, чтобы, когда ток, текущий по шунтирующему резистору 110, был равен величине ТПН реле 101 перегрузки, выходной сигнал средства 130 усиления всегда был бы одним и тем же. Например, если диапазон значений величины ТПН реле перегрузки есть от 0,5 до 5А, тогда усиление, обеспечиваемое средством 130 усиления для величины ТПН 0,5 А, будет в 10 раз больше, чем оно было бы для величины ТПН 5 А.
Третий усилитель 133 используется для выбора диапазона. Коэффициент усиления третьего усилителя является регулируемым, чтобы коэффициент усиления средства 130 усиления можно было изменять, учитывая сопротивление используемого шунтирующего резистора 110, таким образом, чтобы, когда ток, протекающий по шунтирующему резистору, был равен величине ТПН реле 101 перегрузки, выходной сигнал средства усиления всегда был бы одним и тем же, независимо от того, какой конкретно используется шунтирующий резистор.
Как пояснялось ранее, реле 101 перегрузки имеет класс отключения, который является регулируемым пользователем посредством средства 124 ввода. Каждый измерительный блок 122а, 122b, 122с выполнен с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании класса отключения реле 101 перегрузки, то есть таким образом реле 101 перегрузки имеет характеристики отключения, связанные с классом отключения. В этом варианте исполнения характеристики отключения реле перегрузки выполнены соответствующими классу отключения реле перегрузки посредством соответствующего регулирования тепловых моделей, используемых измерительными блоками 122а, 122b, 122с, например изменением постоянной времени тепловых моделей.
Фиг.4 показывает более подробно блок 160 питания. Блок 160 питания включает в себя три вывода L1, L2, L3 линии, выпрямитель 162, регулятор 162, конденсатор 154 выключения и конденсатор 156 сброса схемы 150 отключения, генератор 166 и три изолирующих трансформатора 168а, 168b, 168с.
Выводы L1, L2, L3 линии соединены с тремя линиями питания трехфазного источника питания переменного тока. Выпрямитель 162 выполнен с возможностью получения постоянного тока из переменных токов в трех линиях питания источника питания. Выпрямитель 162, предпочтительно, выполнен таким образом, чтобы в случае обрыва одной или большего количества линий питания источника питания этот выпрямитель 162 все еще может генерировать постоянный ток из оставшихся линий питания. Регулятор 164 используется для сглаживания выпрямленного постоянного тока от выпрямителя 162.
Как можно видеть из фиг.4, выпрямленный постоянный ток используется для зарядки конденсатора 154 выключения и конденсатора 156 сброса схемы 150 отключения.
Конденсатор 156 сброса (и конденсатор 154 выключения) может быть защищен таким образом, что он не будет разряжаться, когда непрерывность трехфазного источника питания прервана (то есть по меньшей мере в течение 2 минут). Это позволяет использовать конденсатор 156 сброса для восстановления непрерывности трехфазного источника питания, даже если непрерывность трехфазного источника питания была прервана. Конденсатор 154 отключения и конденсатор 156 сброса могут быть конденсаторами с емкостью 1 мФ.
Генератор 166 запитывается с использованием постоянного тока от выпрямителя 162 и регулятора 164. Генератор 166 подает переменный ток на измерительные блоки 122а, 122b, 122с.
Для того чтобы электрически изолировать блок 160 питания от измерительных блоков 122а, 122b, 122с, переменный ток от генератора 166 подается на измерительные блоки 122а, 122b, 122с посредством трех трансформаторов 168а, 168b, 168с. Каждый из измерительных блоков 122а, 122b, 122с включает в себя выпрямитель и регулятор (не показаны) для преобразования переменного тока от генератора 166 в постоянный ток для использования его измерительным блоком.
Индуктивность в трансформаторах 168а, 168b, 168с может быть малой. Поэтому трансформаторы 168а, 168b, 168с могут быть не в состоянии подавать нужную величину тока туда, куда надо подавать низкочастотный переменный ток (такой как переменный ток частотой 50/60 Гц, обычно присутствующий в линиях питания сети питания). Для решения этой проблемы переменный ток, подаваемый от генератора 166, может иметь более высокую частоту, чем в сети питания, например 1 МГц или выше. Трансформаторы 168а, 168b, 168с могут иметь обмотки с малой емкостью, уменьшая, таким образом, вероятность возникновения вихревых токов.
Фиг.5 показывает второе реле 201 перегрузки. Второе реле 201 перегрузки имеет многие признаки первого реле 101 перегрузки, которые соответствующим образом и обозначены. Эти признаки более подробно обсуждаться не будут.
Второе реле 201 перегрузки включает в себя средство 220 управления, которое включает в себя центральный процессорный блок (ЦП), выполненный с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы 110а, 110b, 110с. ЦП 240 соединен с тремя измерительными блоками 222а, 222b, 222с посредством оптических изоляторов 226 с тем, чтобы исключить повреждение центрального процессорного блока 240 высоким напряжением, существующим между линиями питания трехфазного источника питания. ЦП 240 и схема 150 отключения второго реле 201 перегрузки запитываются от блока 260 питания.
Между ЦП 240 и схемой 150 отключения/сброса изоляция не требуется, поскольку эти элементы питаются от общего напряжения относительно блока 260 питания.
Измерительные блоки 222а, 222b, 222с второго реле 201 перегрузки включают в себя средство усиления и аналого-цифровой преобразователь, подобный показанному на фиг.3. Однако измерительные блоки 222а, 222b, 222с второго реле 201 перегрузки не включают в себя блоки обработки, поскольку обработка, связанная со вторым реле 201 перегрузки, выполняется ЦП 240.
Определение наличия условий реле перегрузки, выполняемое ЦП 240, подобно тому, что выполняется логической схемой 146 отключения/сброса первого реле перегрузки. Например, ЦП 240 генерирует сигнал, представляющий максимальный ток через каждый из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с. Однако, в отличие от логической схемы 146 отключения/сброса первого реле 101 перегрузки, ЦП 240 на основании всех сигналов, представляющий ток через каждый из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с, генерирует лишь один сигнал, представляющий тепловое состояние электродвигателя. Это позволяет выполнять более точное моделирование теплового состояния электродвигателя (хотя это может потребовать больших вычислительных мощностей).
ЦП 240 может иметь большую вычислительную мощность, чем средство обработки измерительных блоков 122а, 122b, 122с первого реле 101 перегрузки. Это может позволить ЦП 240 использовать более объемную с точки зрения вычислений, но более точную тепловую модель, чем та, которую использовали измерительные блоки 122а, 122b, 122с первого реле 101 перегрузки. Увеличенная вычислительная мощность может позволить производить вычисление дополнительных параметров. Кроме того, использование ЦП 240 может позволить производить регулирование используемой ЦП 240 тепловой модели при установке второго реле 201 перегрузки.
Второе реле 201 перегрузки включает в себя связанное с ЦП 240 средство 224 ввода, которое позволяет пользователю регулировать величину ТПН, класс отключения и режим - ручной/автоматический - второго реле 201 перегрузки. Подобно первому реле 101 перегрузки, второе реле 201 перегрузки определяет наличие условий перегрузки на основании величины ТПН и класса отключения. Подобно первому реле 101 перегрузки, в автоматическом режиме второго реле 201 перегрузки ЦП 240 выполнено с возможностью генерирования сигнала сброса, если оно определяет, что условия перегрузки отсутствуют.
Центральный процессорный блок используется для питания измерительных каналов 222а, 222b, 222с. Переменный ток подается генератором в центральный процессорный блок 240 к каждому из измерительных блоков 222а, 222b, 222с через соответствующие трансформаторы 268а, 268b, 268с (см. фиг.5) для обеспечения электрической изоляции. Как и в случае измерительных каналов 122а, 122b, 122с первого реле 101 перегрузки, каждый из измерительных блоков 222а, 222b, 222с второго реле 201 перегрузки включает в себя выпрямитель и регулятор (не показан) для преобразования переменного тока от центрального процессорного блока 240 в постоянный ток для питания измерительного блока.
Центральный процессорный блок 240 может подавать на измерительные блоки 222а, 222b, 222с (через оптические изоляторы 226) синхронизирующий сигнал для обеспечения того, что аналого-цифровые преобразователи измерительных блоков 222а, 222b, 222с выполняют дискретизацию одновременно.
Фиг.6 показывает более подробно блок 260 питания второго реле 201 перегрузки. Блок 260 питания включает в себя три вывода L1, L2, L3 линии, выпрямитель 262, первый регулятор 264, второй регулятор 265, трансформатор 266 и выходной регулятор 267. Как показано на фиг.6, блок 260 питания соединен с конденсатором 154 отключения и конденсатором 156 сброса схемы 150 отключения.
Выводы L1, L2, L3 линии соединены с тремя линиями питания источника питания. Выпрямитель 262 выполнен с возможностью генерирования постоянного тока из переменных токов в трех линиях питания источника питания. Выпрямитель 162, предпочтительно, выполнен таким образом, чтобы в случае обрыва одной или большего количества линий питания источника питания этот выпрямитель 262 все еще мог бы генерировать постоянный ток из оставшихся линий питания.
Первый регулятор 264 является простым линейным регулятором, который выдает постоянный ток, который ограничен напряжением 440 В. Второй регулятор 265 выдает постоянный ток, который ограничен напряжением 9 В.
Второй регулятор 265 обеспечивает значительное усиление тока и, поэтому, допускает гораздо большую выходную способность по току. Однако выходной сигнал со второго регулятора 265 может быть недостаточен для переключения бистабильного реле 258 схемы 250 отключения. Поэтому конденсатор 154 отключения и конденсатор 156 сброса схемы 150 отключения заряжаются от выхода второго регулятора 265, чтобы запасенный заряд можно было использовать для переключения бистабильного реле.
Для электрической изоляции центрального процессорного блока 240 от линий питания источника питания в схеме присутствует трансформатор 266.
Выходной сигнал выходного регулятора 267 ограничен 3,3 В для подачи питания на центральный процессорный блок 240. Для обеспечения поддержания работоспособности центрального процессорного блока 240 в течение до 15 минут после того, как непрерывность источника питания была прервана, чтобы этот центральный процессорный блок 240 мог поддерживать свою тепловую модель, могут быть использованы конденсаторы большой емкости (не показаны).
Фиг.7 изображает третье реле 301 перегрузки. Третье реле 301 перегрузки имеет многие признаки второго реле 201 перегрузки, которые обозначены соответствующим образом.
Каждый из измерительных блоков 222а, 222b, 222с третьего реле 301 перегрузки соединен с соответствующим одним из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с, а, кроме того, с ним и смежным одним из шунтирующих резисторов 110а, 110b, 110с соответствующими парами резисторов 312а, 312b, 312с, образующими простые делители напряжения. Такая компоновка позволяет каждому из измерительных блоков 222а, 222b, 222с принимать сигнал, представляющий напряжение между соседней парой подающих линий источника питания. Эти сигналы затем могут быть переданы через оптические изоляторы 228 (например, мультиплексированием сигнала, представляющего напряжение, с сигналом, представляющим ток) на центральный процессорный блок 240.
Используя сигналы, представляющие токи и напряжения в подающих линиях трехфазного источника питания, центральный процессорный блок 240 может вычислить дополнительные параметры трехфазного источника питания, такие как "недо/перенапряжение", действительный и кажущийся ток, коэффициент мощности, а также потребление мощности.
Обычные специалисты в данной области техники, ознакомившись с предшествующим описанием, смогут внести в него различные изменения, произвести замены и опустить одинаковые элементы без отклонения от изложенной общей концепции. Поэтому предполагается, что изложенный здесь объем патента ограничен лишь приложенными пунктами формулы изобретения в том виде, как они пояснены, со ссылками на данное описание и чертежи, а не описанными в нем вариантами исполнения. В частности, хотя реле перегрузки были описаны здесь применительно к защите электродвигателей, реле перегрузки могут быть использованы для защиты других устройств, например котлов.
1. Реле перегрузки для защиты электродвигателя или иного устройства от условий перегрузки, содержащее:
множество шунтирующих резисторов, причем каждый шунтирующий резистор устанавливается на пути тока соответствующей линии питания источника питания для электродвигателя или иного устройства, и
средство управления, соединенное с каждым из шунтирующих резисторов и выполненное с возможностью приема сигналов, представляющих ток через каждый из шунтирующих резисторов,
причем средство управления выполнено с возможностью генерации сигнала отключения для прерывания непрерывности подачи питания, если оно на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы, определяет наличие условий перегрузки, причем
средство управления включает в себя множество измерительных блоков, причем каждый измерительный блок соединен с соответствующим одним из шунтирующих резисторов и выполнен с возможностью приема сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому он подключен, при этом
один из множества измерительных блоков является главным измерительным блоком, выполненным с возможностью генерации сигнала отключения.
2. Реле перегрузки по п.1, в котором средство управления включает в себя:
средство обработки, предназначенное для определения наличия условий перегрузки на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы, при этом средство обработки включает в себя множество блоков обработки, причем каждый блок обработки расположен в соответствующем измерительном блоке.
3. Реле перегрузки по п.2, в котором каждый блок обработки выполнен с возможностью генерации:
сигнала представляющего тепловое состояние электродвигателя или иного устройства, на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен этот измерительный блок, и/или
сигнала представляющего максимальную величину тока, на основании сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому подключен этот измерительный блок.
4. Реле перегрузки по п.2, в котором каждый блок обработки включает в себя две ветви обработки, при этом
первая ветвь обработки включает в себя:
средство мультипликации, предназначенное для формирования сигнала, представляющего среднеквадратичную величину тока через шунтирующий резистор;
средство моделирования, предназначенное для генерирования сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя, на основании сигнала, представляющего среднеквадратичную величину тока через соответствующий шунтирующий резистор и первый пороговый детектор; и
первый пороговый детектор, выполненный с возможностью сравнения сигнала, представляющего тепловое состояние электродвигателя, с первой пороговой величиной, и если сигнальное представление теплового состояния электродвигателя больше, чем первая пороговая величина, для генерации сигнала указания тепловой перегрузки электродвигателя;
вторая ветвь обработки включает в себя:
пиковый пороговый детектор, выполненный с возможностью генерации сигнала, представляющего максимальную величину тока, протекающего через шунтирующий резистор,
второй пороговый детектор, выполненный с возможностью сравнения сигнала, представляющего максимальную величину тока, со второй пороговой величиной, и если сигнальное представление максимального тока меньше, чем вторая пороговая величина, то для генерации сигнала указания уменьшенной или нулевой величины тока в линии питания.
5. Реле перегрузки по п.2, в котором каждый блок обработки выполнен с возможностью определения наличия условий перегрузки на основании сигнального представления тока, протекающего через шунтирующий резистор, к которому подключен измерительный блок.
6. Реле перегрузки по п.1, в котором главный измерительный блок соединен с одним или с большим количеством других измерительных блоков посредством одного или большего количества изолирующих компонентов.
7. Реле перегрузки по п.1, в котором средство управления включает в себя:
множество измерительных блоков, причем каждый измерительный блок соединен с соответствующим одним из шунтирующих резисторов и выполнен с возможностью приема сигнала, представляющего ток через шунтирующий резистор, к которому он подключен; и
средство обработки, выполненное с возможностью определения наличия условия перегрузки на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы, причем это средство обработки является центральным процессорным блоком, подключенным к измерительным блокам.
8. Реле перегрузки по п.1, в котором реле перегрузки включает в себя схему выключения, выполненную с возможностью прерывания непрерывности источника питания в ответ на сигнал отключения от средства управления и выполненную с возможностью восстановления непрерывности источника питания в ответ на сигнал сброса от средства управления, в котором схема выключения включает в себя:
бистабильное реле, переключаемое между первой устойчивой конфигурацией для прерывания непрерывности источника питания и второй устойчивой конфигурацией для восстановления непрерывности источника питания;
конденсатор выключения для накопления заряда для переключения бистабильного реле в первую конфигурацию; и
конденсатор сброса для накопления заряда для переключения бистабильного реле во вторую конфигурацию,
при этом конденсатор выключения и/или конденсатор сброса защищен от разрядки.
9. Реле перегрузки по п.1, в котором средство управления выполнено с возможностью приема сигналов, представляющих напряжения между шунтирующими резисторами.
10. Реле перегрузки по п.1, включающее в себя блок питания для питания реле перегрузки, при этом блок питания содержит:
выпрямитель для генерирования постоянного тока от одной или большего количества линий питания источника питания переменного тока, подключенного к электродвигателю или к иному устройству, защищенному реле перегрузки, и
по меньшей мере один трансформатор для соединения источника питания с реле перегрузки.
11. Реле перегрузки по п.10, в котором блок питания включает в себя один или большее количество регуляторов для регулирования постоянного тока, генерируемого выпрямителем.
12. Реле перегрузки по п.10, в котором блок питания включает в себя генератор для подачи в реле перегрузки переменного тока.
13. Реле перегрузки по п.12, в котором реле перегрузки включает в себя множество измерительных блоков и множество трансформаторов, причем генератор подключен к каждому измерительному блоку через соответствующий трансформатор.
14. Реле перегрузки по п.13, в котором каждый измерительный блок включает в себя выпрямитель для преобразования переменного тока от генератора в постоянный ток для использования его измерительным блоком.
15. Реле перегрузки по п.1, в котором средство управления включает в себя множество измерительных блоков, при этом каждый измерительный блок включает в себя накопитель энергии для накапливания энергии, чтобы питать этот измерительный блок.
16. Реле перегрузки по п.1, включенное в установку, содержащую:
электродвигатель или иное устройство;
источник питания, имеющий множество линий питания для подачи питания в электродвигатель или иное устройство,
при этом каждый шунтирующий резистор реле перегрузки установлен на пути тока соответствующей линии питания источника питания.
17. Блок питания для питания реле перегрузки по любому из пп.1-16, содержащий:
выпрямитель для выработки постоянного тока из одной или большего количества линий питания источника питания переменного тока, подключенного к электродвигателю или иному устройству, защищенному реле перегрузки, и
по меньшей мере один трансформатор для соединения источника питания с реле перегрузки.
18. Реле перегрузки для защиты электродвигателя или иного устройства от условий перегрузки, содержащее:
множество шунтирующих резисторов, причем каждый шунтирующий резистор установлен на пути тока соответствующей подающей линии источника питания для электродвигателя или иного устройства; и
средство управления, подключенное к каждому из шунтирующих резисторов и выполненное с возможностью приема сигналов, представляющих ток через каждый из шунтирующих резисторов,
при этом средство управления выполнено с возможностью генерирования сигнала отключения для прерывания непрерывности подачи питания, если оно на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы, определяет наличие условий перегрузки;
причем средство управления включает в себя:
множество измерительных блоков, причем каждый измерительный блок подключен к соответствующему одному из шунтирующих резисторов и выполнен с возможностью получения сигналов, представляющих ток через шунтирующий резистор, к которому он подключен; и
средство обработки, предназначенное для определения наличия условий перегрузки на основании одного или большего количества сигналов, представляющих ток через шунтирующие резисторы;
при этом реле перегрузки включает в себя схему выключения, выполненную с возможностью прерывания непрерывности источника питания в ответ на сигнал переключения от средства управления и выполненную с возможностью восстановления непрерывности источника питания в ответ на сигнал сброса от средства управления;
причем схема выключения включает в себя
бистабильное реле, переключаемое между первой устойчивой конфигурацией для прерывания непрерывности источника питания и второй устойчивой конфигурацией для восстановления непрерывности источника питания;
конденсатор выключения для накопления заряда для переключения бистабильного реле в первую конфигурацию; и
конденсатор сброса для накопления заряда для переключения бистабильного реле во вторую конфигурацию;
причем конденсатор выключения и/или конденсатор сброса защищен от разрядки;
причем реле перегрузки включено в установку, имеющую:
электродвигатель или иное устройство;
источник питания переменного тока, имеющий множество линий питания для подачи питания в электродвигатель или иное устройство,
причем каждый шунтирующий резистор реле перегрузки установлен на пути тока соответствующей линии питания источника питания;
причем реле перегрузки включает в себя блок питания для подачи питания в реле перегрузки, при этом блок питания содержит:
выпрямитель для создания постоянного тока от одной или большего количества линий питания источника питания переменного тока, и
по меньшей мере один трансформатор для соединения источника питания с реле перегрузки.
