СПОСОБ НАГРЕВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
METHOD TO HEAT BIMETAL PLATE WITH HEATING ELEMENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам отключения электродвигателей от аварийных режимов, не допустив перегрева обмоток статора.
Известен способ нагрева биметаллических пластин с помощью нагревательных элементов в двухполюсном тепловом реле типа ТРН (см. А.О.Грундулис. «Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. Москва, ВО «Агропромиздат», 1988 г., с.14-34).
Способ заключается во включении нагревательных элементов теплового реле ТРН в две фазы электродвигателя и магнитного пускателя, в повышении температуры нагревательных элементов выше температуры окружающей среды при протекании по ним номинального тока нагрузки двигателя, в нагреве биметаллических пластин от температуры нагревательных элементов. При использовании данного способа температура нагревательных элементов не поднимается выше определенного значения, т.к. при протекании номинального тока по нагревательным элементам вскоре наступает равновесие между выделением тепла в них и передачи его окружающей среде, поэтому биметаллические пластины, частично изгибаясь от недостаточной температуры нагревательных элементов, не прерывают замкнутый контакт теплового реле ТРН в цепи катушки магнитного пускателя, не отключают электродвигатель от нормальной работы. При появлении аварийного режима ток большой силы накаляет нагревательные элементы до высокой температуры, от которой биметаллические пластины, изгибаясь, размыкают замкнутый контакт теплового реле в цепи катушки магнитного пускателя, тем самым отключают электродвигатель от аварийного режима.
Недостатком способа является то, что нагревательные элементы двухполюсного теплового реле ТРН включают две фазы электродвигателя и магнитного пускателя, ток нагрузки двигателя протекает по нагревательным элементам реле ТРН, некоторое расстояние между нагревательными элементами и биметаллическими пластинами в тепловом реле ТРН и малое сопротивление нагревательных элементов обуславливают значительную тепловую инерцию нагревательных элементов, в особенности биметаллических пластин. Без регулировки тепловое реле ТРН не обеспечивает защиту электродвигателей от аварийных режимов, однако точная регулировка реле ТРН на стенде является средне уточненной защитной характеристикой, о чем говорят приведенные данные в таблицах 6,7 и 8: в таблице 7 вероятность срабатывания теплового реле ТРН при основных аварийных режимах электродвигателя составляет 45%, в таблице 8 у отрегулированных тепловых реле ТРН расчетная эффективность очень низка, например при защите электродвигателя погружного насоса эффективность составляет всего 33%. В сноске под таблицей 7 приводится «Здесь и в таблице 8 приведены данные для теплового реле, отрегулированных дополнительно точно (результаты лабораторных исследований)»
Известен способ нагрева биметаллической пластины с помощью нагревательного элемента в однополюсном тепловом реле ТРП 2 (см. схему включения однополюсных тепловых реле в две фазы электродвигателя и магнитного пускателя. Н.Н Сырых. Эксплуатация сельских электроустановок. Москва, Агропромиздат, 1986 г., с.61).
Способ заключается во включении двух однополюсных тепловых реле ТРП в две фазы электродвигателя и магнитного пускателя. При использовании данного способа номинальный ток нагрузки электродвигателя, протекая по нагревательным элементам, выделяет в них тепло, которое поднимает температуру нагревательных элементов выше температуры окружающей среды. Но вскоре при наступлении равновесия между выделением теплоты и передачи его окружающей среде температура нагревательных элементов перестает подниматься, не достигнув высокой температуры, поэтому биметаллические пластины тепловых реле ТРП, нагреваемые нагревательными элементами, изгибаясь недостаточно, не размыкают замкнутые контакты тепловых реле ТРП в цепи катушки магнитного пускателя, тем самым двигатель не отключается от нормальной работы. При появлении аварийного режима ток большой силы накаляет нагревательные элементы до высокой температуры, от которой биметаллические пластины, изгибаясь, размыкают замкнутые контакты тепловых реле ТРП в цепи катушку магнитного пускателя, отключая двигатель от сети.
Недостатком способа является то, что тепловые реле ТРП не имеют тепловой компенсации. Номинальные токи уставок тепловых реле ТРП относятся к температуре окружающего воздуха 40°С, поэтому при выборе уставок этих реле необходимо вводить температурную поправку, если температура окружающей среды ниже максимальной (40°С) более, чем на 10°С, а при значительных изменениях температуры окружающей среды (зимой и летом) тепловые реле ТРП следует отрегулировать вновь. При этом, если температура упадет до - 30°С и более, то необходимо заменить нагревательные элементы реле по меньшему номинальному току, затем его отрегулировать вновь на стенде, но на практике такую регулировку тепловых реле обычно не предусматривают. Отрегулированные тепловые реле с холодного состояния не обеспечивают защиту электродвигателей, заклиненных и не запустившихся при обрыве фазы, прочие недостатки теплового реле ТРП идентичны недостаткам теплового реле ТРН.
Наиболее близким к заявляемому способу по максимальному количеству сходных признаков является способ нагрева биметаллической пластины нагревательным элементом 1. (см. А.О.Грундулис. «Защита электродвигателя в сельском хозяйстве». Москва, ВО «Агропромиздат», 1988 г., с.15-27), 2. (см. Н.Н.Сырых. «Эксплуатация сельских электроустановок». Москва, «Агропромиздат», 1986 г., с.181 и с.202-207), который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в улучшении температурной компенсации трехполюсных тепловых реле, типов РТЛ путем зачехления нагревательных элементов в жаростойкий изоляционный материал, приложения зачехленных нагревательных элементов к биметаллическим пластинам, фиксации их стягивающими скобами, во включении всех трех нагревательных элементов реле РТЛ во все три фазы электродвигателя и магнитного пускателя.
Данный способ позволяет работать электродвигателю в номинальном режиме без отключения, но при обрыве одной из фаз при работе двигателя в нормальном режиме, когда нагревательные элементы реле имеют разогретые рабочее состояние, тепловые реле РТЛ, срабатывая ускоренно, отключают двигатель от неполнофазной работы.
Недостатком способа является то, что номинальные токи уставок реле РТЛ относятся к температуре окружающей среды 40°С, поэтому у отрегулированных тепловых реле РТЛ при изменениях температуры окружающей среды ниже (40°С) более чем 10°С нарушаются средне уточненные защитные характеристики, тем более при значительных изменениях температур окружающей среды (зимой и летом). Однако температурная инерция нагревательных элементов и биметаллических пластин тепловых реле РТЛ с холодного состояния не позволяет защитить электродвигатели заклиненные, а это означает также, что данные реле не обеспечивают защиту электродвигателей, не запустившихся при обрыве фазы, эффективность трехполюсных тепловых реле РТЛ при защите электродвигателей погружных насосов по данным таблицы 8 (1) составляет 58%.
В основу изобретения положена задача создания способа нагрева биметаллической пластины нагревательным элементом с отключением электродвигателя электротермическим реле от недопустимых перегрузок до нагрева обмоток статора за счет включения нагревательного элемента электротермического реле в фазное напряжение.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе нагрева биметаллической пластины нагревательным элементом, заключающемся в том, что нагревательные элементы зачехляют в жаростойкий изоляционный материал, зачехленные нагревательные элементы прилаживают к биметаллическим пластинам, их фиксируют стягивающими скобами, все три нагревательных элемента трехполюсного теплового реле РТЛ включают во все три фазы электродвигателя и магнитного пускателя, на биметаллическую пластину электротермического реле надевают из жаростойкого изоляционного материала чехол, на биметаллической пластине в чехле с обеих его сторон, вдоль его середины, вырезают продолговатые ленты, по верху чехла на биметаллическую пластину наматывают нагревательный элемент с большим удельным сопротивлением, нагревательный элемент электротермического реле включает две фазы магнитного пускателя со стороны включения электродвигателя, в цепь питания нагревательного элемента включают замыкающиеся и размыкающиеся контакты трехпозиционного реле тока, также выбранный по сопротивлению резистор, катушку трехпозиционного реле тока включают в одну фазу электродвигателя и магнитного пускателя, остальные две фазы электродвигателя включают в магнитный пускатель.
Благодаря виткам нагревательного элемента с большим удельным сопротивлением, намотанным на биметаллическую пластину и включению их в две фазы магнитного пускателя со стороны включения двигателя, включению в цепь питания нагревательного элемента замыкающих и размыкающих контактов трехпозиционного реле тока, включенного в одну фазу электродвигателя и магнитного пускателя и включению двух фаз электродвигателя в магнитный пускатель, при работе электродвигателя в номинальном режиме по нагревательному элементу электротермического реле не протекает ток, т.к. замыкающие и размыкающие контакты трехпозиционного реле тока разомкнуты при нейтральном положении трехпозиционного реле тока, при наступлении недопустимой нагрузки или обрыва фазы трехпозиционное реле тока, замкнув из нейтрального положения замыкающие или размыкающие контакты, включает нагревательный элемент электротермического реле на фазное напряжение, в этом случае силу тока в цепи нагревательного элемента и время срабатывания электротермического реле определяет выбранное сопротивление резистора, включенного в цепь нагревательного элемента, поэтому электротермическое реле отключает электродвигатель от аварийного режима, не допустив перегрева обмотки статора.
Кроме того, заявляемый способ унифицирует все типы тепловых реле и нагревательные элементы к ним в одно электротермическое реле, что привносит удобство, четкость и надежность в защиту электродвигателей от аварийных режимов, экономит мощность электроэнергии на выделение тепла в нагревательных элементах тепловых реле. В схеме автоматического управления электродвигателем, например погружного насоса, электротермическое реле совмещает реле времени и промежуточное реле самоблокировки.
На фигуре 1 дана схема трехпозиционного реле тока в продольном сечении, на фигуре 2 дана схема изготовленного электротермического реле, на фигуре 3 дана схема защиты электродвигателя при помощи электротермического реле, на фигуре 4 дана схема защиты электродвигателя погружного насоса, на фигуре 5 дана схема мгновенного отключения электродвигателя от аварийного режима при помощи промежуточного реле.
Для осуществления способа использован патент на изобретение №2267829 - трехпозиционное реле тока. - Автор - Михаханов Бугда Соронович.
Трехпозиционное реле тока содержит втяжной якорь 1, неферромагнитный контактный стержень 2, выступающий по осевой линии втяжного якоря 1 за его торцы, подвижные контакты 3 и 3', укрепленные на торцах стержня 2, ферромагнитный клапан 4, неферромагнитную накладку 5, укрепленную на нижней плоскости клапана 4 или на верхнем торце якоря 1, ограничивающую приближение торца якоря 1 к нижней плоскости клапана 4, регулировочный винт 6, укрепленный на верхней траверсе 7 и направленный по осевой линии в полость 8 в зависимости от тока срабатывания, т.е. регулирует ход втяжного якоря 1 в полость 8, сочленяющую пружину 9, расположенную на стержне 2 между стопорным кольцом 10 и внутренним нижним торцом якоря 1, удерживающую сочленение гайку 11, завернутую на нижний выступающий из торца якоря 1 стержень 2, в корпусе 12 устройства полость 13 втяжного якоря 1 переходит в расширенную полость 8 клапана 4, на границе перехода полостей 8 и 13 образовано по периметру плечо 14, в нормальном положении сочлененные втяжной якорь 1 и неферромагнитный контактный стержень 2 находятся в полостях 13 и 8 в вертикальном положении на нижних замкнутых контактах 3' и 15', а верхние контакты 3 и 15 разомкнуты, а клапан 4, пропущенный осевой полостью по выступающему из верхнего торца якоря 1 стержню 2 и удержанный нижней периферийной плоскостью на плече 14, перекрыв полость 13 якоря 1, образует разрыв между нижней плоскостью клапана 4 и верхним торцом втяжного якоря 1. От витков катушки выведены отдельные отпайки(не показано) на соответствующие номинальные токи защищаемых двигателей, близко разнящихся по мощности, и катушка состоит из разного сечения наращенных проводов, по нагреву выдерживающих длительно допустимый ток, т.е. начальные витки соответствуют более мощному двигателю из подключаемых двигателей.
Трехпозиционное реле тока ТПРТ работает следующим образом. Катушку ТПРТ включают в одну фазу электродвигателя, верхние контакты 3 и 15 реле ТПРТ включены в цепь питания нагревательного элемента электротермического реле. Размыкающий контакт 3 и 15 электротермического реле (ЭТР) включен в цепь катушки магнитного пускателя МП и в начале пуска в цепи катушки магнитного пускателя МП замкнут, в пусковой момент втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, втягиваясь в полость 8, замыкает верхние контакты 3 и 15, от поданного питания начинает нагреваться нагревательный элемент 16 ЭТР. Если пуск протекает нормально, то до нагрева нагревательного элемента 1 6 ЭТР до высокой температуры втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, опускаясь вниз, разомкнет контакты 3 и 15 ТПРТ, поэтому биметаллическая пластина 17 ЭТР, частично изгибаясь, не разомкнет в цепи катушки МП контакт 3 и 15 ЭТР, двигатель останется в работе. Если клапан 4 на торце якоря 1 опустится на плечо 14, то удержит втяжной якорь 1 в магнитном притяжении в трехпозиционном нейтральном положении, при этом возникнет разрыв между нижним подвижным контактом 3' и неподвижным контактом 15', равный существовавшему разрыву между нижней плоскостью клапана 4 и верхним торцом якоря 1 в их исходном положении, если не опустится до плеча 14 при допустимом токе перегрузки, то втяжной якорь с клапаном 4 на торце взвесится в электромагнитном силовом поле, уравновешенный силами электромагнитного поля, направленными вверх, и тяжести, направленной вниз, также в трехпозиционном нейтральном положении, т.к. при малом ходе втяжного якоря 1 в полость 8 подвижный контакт 3 не замкнет неподвижный контакт 15, поэтому положение втяжного якоря с клапаном 4 на торце в промежутке свободного хода (от плеча 14 до замыкания верхних контактов 3 и 15), регулируемое регулировочным винтом 6, в зависимости от тока уставки, также является трехпозиционным, т.к. верхние контакты 3 и 15 и нижние контакты 3' и 15' разомкнуты, т.е. промежуток свободного хода якоря 1 используется для перегрузочной способности двигателя, как и при защите двигателя, тепловыми реле. При затянувшемся пуске, недопустимых перегрузках и обрыве фазы, которая не включена в катушку ТПРТ, втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, втягиваясь в полость 8, замкнет верхние контакты 3 и 15, подаст питания на нагревательный элемент 16 ЭТР. По истечении 4-6 секунд биметаллическая пластина 17 ЭТР, изогнувшись от высокой температуры нагревательного элемента 16 ЭТР, разомкнет контакт 3 и 15 ЭТР в цепи катушки магнитного пускателя МП, отключит двигатель от аварийного режима. При обрыве фазы, которая включена в катушку ТПРТ, клапан 4 отпускает втяжной якорь 1 на контакт 15', от замкнутых контактов 3' и 15' подается питание на нагревательный элемент 16 ЭТР и через 4-6 секунд биметаллическая пластина 17 ЭТР, изогнувшись, прерывает контакт 3 и 15 ЭТР в цепи катушки магнитного пускателя МП, отключая двигатель от аварийного режима.
Для осуществления заявляемого способа было изготовлено экспериментальное электротермическое реле.
Испытание данного реле показало, что время срабатывания электротермического реле зависит от силы тока, протекающего по нагревательному элементу, короткого шага выхода защелки из упора, т.е. при меньшем изгибе биметаллической пластины, длины биметаллической пластины, при питании нагревательного элемента электротермического реле током 4,5-5А реле срабатывало через 4-6 секунд.
Электротермическое реле содержит размыкающие контакты 3 и 15 ЭТР, нагревательный элемент 16; биметаллическую пластину 17; защелку 18; упор 19; пружину 9 на стержне 2; столбик 20 кнопки 21 ручного возврата; пружину 9 защелки 18; пружину 9 под неподвижным контактом 15 и стопорное кольцо 10.
Электротермическое реле работает следующим образом.
При протекании по нагревательному элементу 16 ЭТР тока он нагревается до высокой температуры, биметаллическая пластина 17 ЭТР, изгибаясь от высокой температуры нагревательного элемента 16 ЭТР, выталкивает защелку 18 из упора 19, при этом упругая сила пружины 9 на стержне 2 скачком поднимает вверх контактный стержень 2 со столбиком 20 кнопки 21 ручного возврата, размыкая контакт 3 и 15 ЭТР в цепи управления. При нажатии кнопки 7 вниз электротермическое реле возвращается в исходное положение.
Способ осуществляют следующим образом.
Две фазы электродвигателя включают в магнитный пускатель (МП), затем выбранную одну из отпаек, выведенных от витков катушки трехпозиционного реле тока (ТПРТ) на соответствующие номинальные токи защищаемых электродвигателей, включают в третью фазу электродвигателя, а общий вывод из катушки - в магнитный пускатель (МП). Нагревательный элемент 16 ЭТР включают в две фазы магнитного пускателя МП со стороны включения электродвигателя, в цепь питания нагревательного элемента 16 ЭТР включают замыкающиеся контакты 3 и 15 ТПРТ и размыкающиеся контакты 3' и 15' ТПРТ, также в цепь питания нагревательного элемента 16 ЭТР включают резистор 22 с подобранным сопротивлением, размыкающий контакт 3 и 15 ЭТР включают в цепь управления магнитным пускателем МП. В пусковой момент втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, втягиваясь в полость 8, замыкает верхние контакты 3 и 15 ТПРТ, от поданного питания начинает нагреваться нагревательный элемент 16 ЭТР, если пуск протекает нормально, то до нагрева нагревательного элемента 16 ЭТР до высокой температуры втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, опускаясь вниз, разомкнет контакты 3 и 15 ТПРТ, поэтому биметаллическая пластина 17 ЭТР, недостаточно изогнувшись, не размыкает замкнутые контакты 3 и 15 ЭТР в цепи катушки магнитного пускателя МП, двигатель остается в работе. Если клапан 4 на торце якоря 1 опустится на плечо 14, то удержит втяжной якорь 1 в магнитном протяжении в трехпозиционном нейтральном положении, при этом возникнет разрыв между нижним подвижным контактом 3' и неподвижным контактом 15', равный существовавшему разрыву между нижней плоскостью клапана 4 и верхним торцом якоря 1 в их исходном положении, если не опустится до плеча 14 при допустимом токе перегрузки, то втяжной якорь с клапаном 4 на торце взвесится в электромагнитном силовом поле, уравновешенный силами электромагнитного поля, направленной вверх, и тяжести, направленной вниз, также в трехпозиционном нейтральном положении, т.к. при малом ходе втяжного якоря 1 в полость 8 подвижный контакт 3 не замкнет неподвижный контакт 15, поэтому положение втяжного якоря, с клапаном 4 на торце в промежутке свободного хода (от плеча 14 до замыкания верхних контактов 3 и 15), регулируемое регулировочным винтом 6, в зависимости от тока уставки, также является трехпозиционным, т.к. верхние контакты 3 и 15 ТПРТ и нижние контакты 3' и 15' ТПРТ разомкнуты, т.е. промежуток свободного хода якоря 1 используется для перегрузочной способности двигателя, как при защите двигателя, тепловыми реле. При затянувшемся пуске, недопустимых перегрузках и обрыве фазы, которая не включена в катушку ТПРТ, втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, втягиваясь в полость 8, замкнет верхние контакты 3 и 15 ТПРТ, подаст питание на нагревательный элемент 16 ЭТР, по истечении 4-6 секунд биметаллическая пластина 17 ЭТР, изогнувшись от высокой температуры нагревательного элемента 16 ЭТР, разомкнет контакты 3 и 15 ЭТР в цепи катушки магнитного пускателя, тем самым отключит электродвигатель от аварийного режима, до перегрева обмоток статора. При обрыве фазы, которая включена в катушку ТПРТ, клапан 4 отпускает втяжной якорь 1 на контакт 15', от замкнутых контактов 3' и 15' ТПРТ подается питание на нагревательный элемент 16 ЭТР, по истечении 4-6 секунд биметаллическая пластина 17 ЭТР, изогнувшись, прерывают замкнутый контакт 3 и 15 ЭТР в цепи катушки магнитного пускателя МП, отключает двигатель от аварийного режима.
Примечание: время отключения электродвигателя от аварийного режима регулируют биметаллической пластиной, передвижением ее вправо или влево.