УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE OF THERMAL ENGINE PROTECTION

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах тепловой защиты электродвигателей для предотвращения недопустимого повышения температуры их обмоток.
Известно устройство для защиты от тепловой перегрузки (патент WO 2005109592, МПК H02H 7/085, 31.03.2005), содержащее датчики фазных токов, квадраторы, разностные усилители, интеграторы, элементы памяти, блоки выделения максимального и минимального напряжений, компаратор и выключатель. Недостаток устройства состоит в большом числе нелинейных преобразователей, снижающих его точность и надежность, а также в отсутствии элементов индикации, позволяющих диагностировать место и характер возникшей неисправности.
Известно устройство для тепловой защиты двигателя (патент RU 2227354, МПК H02H 5/04, H02H 7/06, 20.04.2004), содержащее контактор с контактами в цепи обмоток двигателя и обмоткой, подключенной к цепи питания, датчики тока в цепях питания двигателя, блок управления с органами управления и контроллером с энергонезависимой памятью и программным модулем, узел измерения сопротивления и два промежуточных реле.
Недостатком устройства является весьма сложный алгоритм вычисления температуры обмотки, требующий знание параметров тепловой схемы замещения двигателя и периодического определения омического сопротивления его обмотки. Кроме того, известное устройство не обеспечивает обслуживающий персонал информацией о месте и характере тепловой перегрузки двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство релейной защиты асинхронного двигателя (патент RU 2179360, МПК H02H 7/085, H02H 7/09, 10.02.2002), содержащее три датчика тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, активный полосовой частотный фильтр и счетчик.
Устройство обеспечивает определение допустимого времени работы от момента появления перегрузки до остановки электродвигателя в зависимости от кратности отношения фазного и номинального токов.
Недостаток устройства заключается в наличии большого числа преобразователей, необходимости поочередной обработки фазных токов двигателя, отсутствии индикации фазы с наибольшим током и величины тока перегрузки двигателя.
Предлагаемое устройство основано на использовании стандартной время - токовой характеристики двигателя в зоне токов перегрузки, обычно прикладываемой к документации на двигатель заводом изготовителем. Оно позволяет существенно упростить конструкцию, повысить надежность и быстродействие устройства защиты, сократить объем и стоимость оборудования, облегчить его настройку и эксплуатацию. Кроме того, устройство индицирует как в процессе работы, так и после остановки двигателя величину текущего тока, тока перегрузки и фазу с наибольшим током, что упрощает определение места, причины и степени тепловой перегрузки двигателя.
ном
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства тепловой защиты двигателя. На фиг.2 показана типичная время - токовая характеристика двигателя, задающая временную зону (t) срабатывания тепловой защиты в функции от величины тока перегрузки двигателя (I/I).
Устройство содержит блок 1 контактора с контактами 2 в цепи питания обмоток 3 двигателя, индикатор 4 тока и датчики 5 тока в фазах питающей двигатель сети. Устройство снабжено блоком 6 выделения наибольшего напряжения, блоком 7 индикации фазы с наибольшим током, компараторами 8, таймерами 9, элементами 10 запрета, элементом 11 ИЛИ и блоком 12 индикации величины тока перегрузки двигателя. Датчики 5 подключены к входам блока 6, с одним выходом 13 которого связаны входы компараторов 8 и индикатора 4 тока, а с другими выходами 14 - входы блока 7 индикации фазы с наибольшим током. Выходы компараторов 8, кроме последнего, соединены непосредственно и через таймеры 9 с первыми и вторыми входами соответствующих элементов 10 запрета, к выходам которых подключены входы блока 12 и входы элемента 11 ИЛИ. Выход элемента 11 связан с входом блока 1 контактора и с управляющим входом блока 7. Выход последнего компаратора 8 соединен с последними входами блока 12 и элемента 11.
Блок 6 выполнен на операционных выпрямителях 15, входы которых подключены к входам блока 6, выходы 16 выпрямленного напряжения объединены и соединены с одним выходом 13 блока 6, а выходы 17 невыпрямленного напряжения подключены к другим выходам 14 блока 6.
Блок 7 выполнен на транзисторных ключах 18, входы которых подключены к входам блока 7, а выходы через инверторы 19, связаны с входами S синхронных RS триггеров 20, к входам С которых подключен управляющий вход блока 7. К коллекторам ключей 18 и к выходам RS триггеров 20 подсоединены светодиоды 21 и 22.
Элементы 10 запрета выполнены в виде элементов 2И с прямым (первым) и инверсным (вторым) входами.
Блок 12 выполнен в виде RS триггеров 23, к входам S которых подключены входы блока 12, а к выходам - светодиоды 24.
Блок 1 содержит транзисторный ключ 25, вход которого соединен с входом блока 1, а в коллекторную цепь ключа 25 включена обмотка 26 контактора, причем транзистор 25 запараллелен последовательно соединенными вспомогательным замыкающим контактом 27 контактора и нормально-замкнутой кнопкой 28 отключения контактора.
Устройство тепловой защиты двигателя работает следующим образом.
При подаче питания на двигатель в обмотках 3 протекают фазные токи, воздействующие на датчики 5. На выходах датчиков 5 появляются постоянные напряжения, пропорциональные действующим значениям фазных токов. В блоке 6 на объединенных выходах 16 выпрямителей 15 выделяется наибольшее входное напряжение, например от датчика 5, расположенного на фазе A. Это напряжение поступает на выход 13 блока 6. Одновременно с этим на выходе 17 верхнего по схеме выпрямителя 15 появляется положительное, а на выходах 17 других выпрямителей 15 - отрицательные напряжения, под действием которых в блоке 7 открывается верхний ключ 18 и закрываются нижние ключи 18. При этом загорается верхний светодиод 21, сигнализирующий о том, что наибольший ток протекает в фазе A. Кроме того, выходные сигналы ключей 18 через инверторы 19 поступают на входы S триггеров 20, подготавливая их к запоминанию фазы с наибольшим током в момент, предшествующий срабатыванию тепловой защиты.
ном
ном
Напряжение с выхода 13 блока 6 поступает на индикатор 4 текущего максимального фазного тока и на входы компараторов 8. Верхний компаратор 8 настроен на начальное значение тока перегрузки. Согласно конкретной характеристике на фиг.2 оно составляет I/I=1,25. Последующие компараторы 8 настроены соответственно на I/I=3,3; 5,6; 10. Каждому из указанных значений токов перегрузки соответствуют допустимые значения времени протекания указанных токов. Согласно характеристике на фиг.2 они составляют t=400 с; 40 с; 6,3 с; 2,1 с и 0 с. Указанные времена в устройстве задаются таймерами 9.
При этом характеристика, реализуемая предлагаемым устройством, будет иметь вид ступенчатый ломаной линии, каждая точка которой расположена внутри заданной зоны срабатывания тепловой защиты.
ном
При срабатывании верхнего компаратора 8 запускается таймер 9, формирующий импульс длительностью 400 с и блокирующий на это время прохождение высокого потенциала от компаратора 8 через элемент 10 на блок 12 и элемент 11. По окончании импульса таймера 9 блокировка (запрет) с элемента 10 снимается и высокий потенциал от компаратора 8 через элемент 11 открывает ключ 25 в блоке 1, запитывающий обмотку 26 контактора. Основные контакты 2 контактора отключают двигатель от сети, а вспомогательный контакт 27 самоблокирует контактор. Одновременно с этим под действием высокого потенциала с выхода верхнего элемента 10 в блоке 12 срабатывает верхний триггер 23, зажигая верхний светодиод 24, сигнализирующий о том, что ток перегрузки, вызвавший срабатывание тепловой защиты двигателя лежит в пределах 1,25≤I/I<2.
Под действием высокого потенциала на выходе элемента 11, поступающего на управляющий вход блока 7, срабатывает один из триггеров 20, соответствующий фазе с наибольшим током, вызывая загорание одного из светодиодов 22, дублируя погасший после отключения двигателя светодиод 21.
Аналогично работает устройство при достижении током перегрузки следующего порогового уровня. При этом срабатывает следующий компаратор 8 и запускается следующий таймер 9, по окончании импульса которого срабатывает блок 11, а в блоке 12 зажигается соответствующий светодиод 24.
ном
При достижении током перегрузки значения, приравненного к току короткого замыкания (для рассматриваемого конкретного случая I/I>10), срабатывает последний (нижний) компаратор 8, выходной потенциал которого без задержки поступает на блок 1, вызывая максимально быстрое отключение двигателя.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает контроль теплового состояния двигателя по максимальному фазному току, обладает высокой информативностью, отображая состояние двигателя как в рабочем состоянии, так и в момент, предшествующий его аварийному отключению, и сохраняя эти данные после отключения. Количество содержащихся в устройстве однотипных каналов контроля, включающих в себя компараторы, таймеры и элементы запрета, относительно невелико и их настройка и регулировка под конкретные характеристики двигателя достаточно просты. С увеличением числа каналов контроля повышается точность аппроксимации время - токовой характеристики двигателя, но несколько усложняется устройство.
Содержащаяся в устройстве кнопка 28 позволяет после устранения неисправности и остывания двигателя вернуть устройство в исходное состояние.