СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ НАГРЕВА И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD AND DEVICE FOR IN-SERVICE INSPECTION OF DIRECT-CURRENT MOTOR HEATING AND PROTECTION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и касается контроля теплового состояния обмоток электродвигателей постоянного тока в процессе их эксплуатации в целях защиты от аварийных режимов, в том числе и на железнодорожном транспорте.
Известен способ контроля нагрева и защиты обмоток электродвигателя от перегрева, возникающего от токовых перегрузок недопустимой продолжительности, в том числе при потере одной из фаз, с использованием тепловых реле, основой которых являются термоэлементы, связанные через исполнительный механизм с контактами в цепи катушки контактора, срабатывающих от превышения тока, который может привести к перегреву, тепловому старению изоляции обмоток и преждевременному выходу из строя электродвигателя (Пястолов А.А. и др. Эксплуатация и ремонт электрооборудования. - М., Колос, 1976, с.190-191).
Недостатком такого способа контроля и защиты электродвигателя от аварийных режимов является несоответствие превышений номинального тока в обмотках статора электродвигателя температуре их нагрева. Например, перегрев обмоток происходит от ухудшения обдувания корпуса при выходе из строя вентилятора или завале корпуса электродвигателя технологическим материалом. В этом случае даже при номинальном значении тока электродвигателя температура нагрева обмоток может превысить допустимые значения, на которые не сработает защита.
Известен способ контроля нагрева и защиты обмоток электродвигателей с применением устройства встроенной температурной защиты (УВТЗ), которое реагирует на температуру обмоток электродвигателя, по сигналу терморезисторов (позисторов), устанавливаемых в лобовых частях статорных обмоток электродвигателей, которые соединены с усилителем этого сигнала и преобразованием его в сигнал, управляющий магнитным пускателем электродвигателя (Сырых Н.Н. Эксплуатация сельских электроустановок. - М., Агропромиздат, 1986. - 255 с.).
Недостатком способа является необходимость вмешательства в конструкцию электродвигателя (в заводских условиях при изготовлении или при эксплуатации) для установки или замены вышедших из строя термодатчиков, встраиваемых в лобовые части обмоток статора электродвигателя. Температура срабатывания термодатчиков в значительной мере зависит от точности соблюдения инструкций по их установке в лобовых частях обмоток статора. Также в этом случае требуется обязательная прокладка дополнительных проводников для связи термодатчиков с блоком УВТЗ, а его - с магнитным пускателем, что усложняет реализацию способа, увеличивает стоимость конструкции для его осуществления и снижает надежность защиты электродвигателя.
Известен способ эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателей, принятый за прототип, при котором измеряют температуру обмоток электродвигателей и получают управляющий сигнал для защиты электродвигателя, причем датчик температуры помещают в полый болт с резьбой, который ввинчивают в гнездо рым-болта корпуса электродвигателя, при этом места контакта полого металлического болта с корпусом электродвигателя и термодатчиком покрывают теплопроводящей пастой, измеряют температуру нагрева сердечника статора, усиливают величину полученного сигнала, при этом учитывают количественную связь между температурами нагрева сердечника и обмотки статора путем определения значения температурного коэффициента Кт=Тобм/Тст, где Тобм - температура обмотки, Тст - температура статора, и увеличивают полученное значение сигнала температуры статора в 1,4-1,7 раза, получают фактическое значение сигнала температуры нагрева обмотки статора, подают его на вход сигнального блока, сравнивают полученный сигнал с сигналом задатчика, которым устанавливают требуемый порог срабатывания сигнального блока, учитывающий значение предельно допустимой температуры перегрева обмотки защищаемого электродвигателя для данного класса изоляции, создают необходимый температурный запас, подключают к первому выходу сигнального блока индикатор-светодиод, к второму выходу сигнального блока подключают звуковой генератор-зуммер, а третий выход сигнального блока соединяют с отключающим устройством и с их помощью при появлении аварийной ситуации из-за перегрева обмоток защищаемого электродвигателя подают световой сигнал и через заданный интервал времени подают звуковой сигнал, свидетельствующие о возникновении аварийной ситуации, или подают сигнал на отключение защищаемого электродвигателя магнитным пускателем от питающей сети (RU, патент 2409884 С1, МПК Н02К 15/00, G01R 31/34, 2011 г.).
Недостатком такого способа контроля и защиты электродвигателя от аварийных режимов также является несоответствие температуры корпуса статора электродвигателя, в который устанавливается датчик температуры, реальной температуре обмоток двигателя. Кроме того, наличие проводного монтажа от датчика температуры к схеме управления двигателем усложняет эксплуатацию и обслуживание элементов, установленных на электродвигателе. Особенно сказывается этот недостаток при использовании данного способа на железнодорожном транспорте, например, на тепловозах, где доступ к электродвигателям постоянного тока весьма затруднен.
Известно устройство для тепловой защиты электродвигателя, содержащее три последовательно соединенных терморезистора с положительным коэффициентом температурного сопротивления, расположенных на фазных обмотках статора, однопереходный транзистор, два постоянных резистора, тиристор, симистор в цепи включения контактором электродвигателя выпрямительный мост, соединенный одним входным выводом с управляющими выводом симистора, конденсатор, два диода, два подстроечных резистора, четвертый терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления расположенный на магнитопроводе статора, один вывод которого соединен с одним свободным выводом последовательно соединенных трех терморезисторов и эмиттером однопереходного транзистора, второй вывод - с анодом первого введенного диода, катод которого соединен с первым выводом введенного первого подстроечного резистора, с катодом тиристора, с первым выводом первого резистора и отрицательным выводом выпрямительного моста, второй вывод последовательно соединенных терморезисторов соединен с первыми выводами второго резистора и введенного конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом тиристора, с вторым выводом первого резистора и с положительным выводом выпрямительного моста, второй вывод второго резистора соединен с второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена с вторым и третьим выводами первого введенного подстроенного резистора, с управляющим электродом тиристора и с первым выводом второго введенного подстроенного резистора, второй и третий выводы которого соединены с анодом введенного второго диода, катод которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выпрямительный мост другим входным выводом соединен с анодом симистора (RU, патент 2115987 С1, МПК Н02Н 5/04, Н02Н 7/08, 1998 г.).
Недостатком устройства является повышенная сложность схемы контроля, изменение параметров защиты в зависимости от внешних факторов, наличие элементов подстройки (резисторов), что снижает надежность работы устройства для тепловой защиты.
Известно устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева, содержащее последовательно соединенные электродвигатель и датчик тока, подключенные к питающей сети через устройство регулирования напряжения, блок интегрирования, вход которого соединен с источником сигнала смещения, а выход связан через пороговый элемент с входом защиты устройства регулирования напряжения, датчик нулевой скорости электродвигателя и управляемый делитель напряжения, включенный между выходом датчика тока и вторым входом блока интегрирования, причем управляющий вход делителя напряжения подключен к датчику нулевой скорости электродвигателя (RU, патент 2214665 С2, МПК Н02Н 5/04, Н02Н 6/00, Н02Н 7/085, 2003 г.).
Недостатком устройства является отсутствие фактического контроля температуры обмоток двигателя, которая может существенно отличаться от расчетной в связи с изменением условий охлаждения, засорением воздушных каналов, что снижает надежность работы устройства для защиты от перегрева.
Известно устройство эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателя, принятого за прототип, содержащий датчик температуры, который помещают в полый болт с резьбой, который ввинчен в гнездо рым-болта корпуса электродвигателя. Датчик температуры связан через усилитель с сигнальным блоком для усиления величины полученного от него управляющего сигнала и сравнения сигнала с сигналом задатчика. Выходы сигнального блока подключены к индикатору-светодиоду, звуковому генератор-зуммеру и отключающему устройству ((RU, патент 2409884 С1, МПК Н02К 15/00, G01R 31/34, 2011 г.).
Недостатками известного устройства являются значительная погрешность измерения температуры обмоток применительно к электродвигателю постоянного тока, а также наличие проводного монтажа от датчика температуры к схеме управления электродвигателем.
Последний недостаток особенно сказывается при использовании подобного устройства на железнодорожном транспорте, например на тепловозах, где доступ к электродвигателям постоянного тока весьма затруднен.
Техническим результатом изобретения является упрощение способа, повышение точности контроля нагрева обмоток электродвигателей постоянного тока и надежности защиты обмоток электродвигателей постоянного тока от перегрева в эксплуатационных условиях.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе и устройстве эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателя постоянного тока, заключающихся в том, что датчик температуры помещают в полый болт с резьбой, который с датчиком температуры ввинчивают в электродвигатель, измеряют температуру обмоток электродвигателя постоянного тока и получают управляющий сигнал для защиты электродвигателя, полый болт с резьбой с датчиком температуры ввинчивают в сердечник одного из дополнительных полюсов электродвигателя постоянного тока, которые являются наиболее теплонапряженными в конструкции электродвигателя постоянного тока, измеряют посредством датчика температуру сердечника дополнительного полюса, управляющий сигнал от датчика температуры преобразуют в цифровой сигнал и по беспроводному каналу связи, образованному миниатюрным радиопередатчиком с антенной, передают управляющий сигнал в виде преобразованного значения температуры в систему управления для осуществления контроля за температурой обмоток электродвигателя постоянного тока и для принятия мер по защите электродвигателя постоянного тока от перегрева, при этом датчик температуры соединен с преобразователем сигнала, подключенного к миниатюрному радиопередатчику с антенной, питающемуся от элемента питания, которые установлены над полым болтом с резьбой.
На Фиг.1 представлена часть электродвигателя постоянного тока в разрезе с устройством эксплуатационного контроля нагрева и защиты.
На Фиг.2 показан фрагмент А Фиг.1 с устройством эксплуатационного контроля нагрева и защиты.
Устройство эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателя постоянного тока, реализующее предложенный способ, содержит датчик температуры 1, установленный в полый болт с резьбой 2 и соединенный с преобразователем сигнала 3, подключенный к миниатюрному радиопередатчику 4 с антенной 5, питающегося от элемента питания 6, которые установлены над полым болтом 2 с резьбой, ввинченный в сердечник одного из дополнительных полюсов 7 электродвигателя постоянного тока 8, например, тягового электродвигателя локомотива, для измерения температуры его обмоток, с якорем 9. Такое устройство позволяет осуществить контроль за температурой обмоток электродвигателя постоянного тока и принять меры по защите электродвигателя постоянного тока от перегрева.
Способ осуществляется следующим образом.
Датчик температуры устанавливают в полый болт с резьбой, который с датчиком температуры ввинчивают в сердечник одного из дополнительных полюсов.
Посредством датчика температуры 1 измеряют температуру сердечника дополнительного полюса 7 электродвигателя постоянного тока 8, например тягового электродвигателя локомотива и другого тягового подвижного транспортного средства, в который ввинчен полый болт 2. Управляющий сигнал датчика температуры 1 преобразуют в цифровой сигнал посредством преобразователя сигнала 3, и по беспроводному каналу связи, образованному миниатюрным радиопередатчиком 4 с антенной 5, передают управляющий сигнал в виде преобразованного значения температуры в систему управления, например, локомотивом (на чертежах не показано), осуществляя контроль за температурой. В системе управления на основании информации о температуре сердечника дополнительного полюса 7 электродвигателя постоянного тока 8 принимаются соответствующие меры по защите электродвигателя постоянного тока 8 или же, например, о снижении нагрузки на электродвигатель постоянного тока 8. Известно, что в тяговых электродвигателях постоянного тока 8 локомотивов по обмоткам дополнительных полюсов 7 протекает полный ток нагрузки якоря 9, и они являются наиболее теплонапряженными в конструкции электродвигателя, в то время как по обмоткам главных полюсов может протекать частичный ток якоря 9 из-за применения ослабления возбуждения тяговых двигателей. Поэтому с точки зрения выявления наибольшего нагрева информация о температуре дополнительных полюсов 7 достаточна для оценки теплового состояния всех обмоток тягового электродвигателя постоянного тока 8.
Установка датчика температуры 1 в полый болт с резьбой 2, ввинчивающийся в сердечник дополнительного полюса 7 тягового электродвигателя постоянного тока 8 локомотива, не требует никакой доработки конструкции тягового электродвигателя постоянного тока. Сама установка полого болта с резьбой 2 с датчиком температуры 1 и всеми дополнительными элементами проста и может быть осуществлена на любом виде технического обслуживания и ремонта тяговых электродвигателей постоянного тока 8. Аналогично достаточно просто может быть осуществлена замена элемента питания 6.
Способ и устройство эксплуатационного контроля нагрева и защиты электродвигателя постоянного тока опробовано на опытном тепловозе 2ТЭ116 с тяговыми электродвигателями ЭД118А и показали положительные результаты.