СХЕМА ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Настоящая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для защиты двигателя постоянного тока от перегрузки.
Из существующего уровня техники известно устройство защиты двигателя постоянного тока (патент РФ на полезную модель №65306 U1, МПК H02H 7/08, опубл. 27.07.2007), содержащее источник питания, силовой ключ, блоки сравнения и уставки, датчик тока, усилитель и дифференциатор.
Известен стабилизатор постоянного напряжения (патент РФ на изобретение №2324217 C1, МПК G05F 1/569, опубл. 10.05.2008), направленный на получение возможности самостоятельного запуска стабилизатора после устранения короткого замыкания на выходе и содержащий регулирующий транзистор, транзистор усилителя постоянного тока и пусковую RC-цепь.
Также из уровня техники известны коммутаторы напряжения с защитой от перегрузки по току (патент РФ на изобретение №2335843 C2, МПК H03K 17/08, H02H 9/02, опубл. 10.10.2008, патент РФ на изобретение №2397612 C1, МПК H03K 17/08, H02M 3/156, опубл. 20.08.2010), направленные на расширение функциональных возможностей за счет возможности настройки времени коммутации тока и осуществления защиты от перегрузки по току как в переходном, так и в установившемся состояниях.
Недостатком всех вышеописанных устройств является невозможность осуществления защиты двигателя постоянного тока от перегрузки при смене полярности подаваемого напряжения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является схема защиты от перегрузки для электродвигателя (патент Германии на изобретение №4426961 A1, МПК B60N 2/02, Н02Н 7/085, опубл. 01.02.1996).
Данное устройство содержит источник напряжения, главный переключатель, сенсор тока, представляющий собой катушку, соединенную с герконом, а также бистабильное реле, частью которого является защитный контакт, вторичный переключатель, соединяющий реле с источником тока. Описываемое устройство обеспечивает быструю реакцию на превышение тока в цепи за счет замыкания геркона под воздействием магнитного поля катушки. Устройство работает следующим образом. При замыкании главного ключа в цепь с двигателем подается питание. При возрастании нагрузки на двигателе увеличивается ток в цепи. Следовательно, магнитное поле катушки также увеличивается. При достижении определенного значения магнитное поле замыкает геркон, при этом ток подается на установочный вход реле, которое размыкает защитный контакт. Цепь при этом обесточивается. Недостатком описанного устройства является недостаточная надежность работы двигателя, обусловленная следующими факторами: наличием включенного в схему геркона, который может привести к ложному срабатыванию схемы из-за конструктивного недостатка элемента, так как контакты геркона иногда остаются в замкнутом состоянии; подверженностью схемы нежелательному срабатыванию под действием пусковых токов из-за отсутствия токоограничивающих элементов в конструктивном исполнении схемы. Также недостатком описанного устройства является необходимость ручного переключения ключа для осуществления защиты электрического двигателя от перегрузки при прямом и инверсном движении.
Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности работы двигателя за счет схемотехнического решения, позволяющего предотвратить перегрузку двигателя, исключить вероятность неисправной работы схемы путем исключения из нее уязвимого элемента (геркона), а также устранить возможность ложного срабатывания схемы из-за пусковых токов в цепи питания. Также полезная модель обеспечивает защиту двигателя при прямом и инверсном ходе двигателя за счет дублирования контуров, подключенных к блоку управления, что также способствует повышению надежности.
Исключение вероятности неисправной работы схемы достигается тем, что уязвимый элемент (геркон) заменяется более надежным контуром, представляющим собой параллельное соединение датчика тока (резистора) и защитного ключа. Элементы, входящие в состав контура лишены таких недостатков, присущих геркону, как высокая чувствительность к внешним магнитным полям и, как следствие, возможность самопроизвольного замыкания/размыкания контактов.
Путем введения в схему конденсаторов устраняется возможность срабатывания схемы из-за пусковых токов в цепи питания за счет того, что конденсаторы, при кратковременном увеличении напряжения в цепи, обусловленном пусковыми токами, сглаживают вызванный этим увеличением импульс, предотвращая ложное срабатывание схемы защиты. Сглаживание пускового импульса происходит следующим образом.
При включении питания пусковой ток, начиная течь по направлению к управляющему электроду тиристора, проходит через вывод конденсатора. Конденсатор в начальный момент времени является разряженным, поэтому пусковые токи текут не по направлению к управляющему электроду тиристора, а через конденсатор, в течение времени, определенном его емкостью. После стабилизации напряжения на входах схемы первый конденсатор остается заряжен до отключения питания. При возрастании напряжения на двигателе конденсатор уже не заряжается, а срабатывает механизм защиты, приводящий к шунтированию обмоток двигателя через открытый первый тиристор.
Дополнительная защита двигателя при прямом и инверсном ходе двигателя достигается за счет дублирования защитных контуров, подключенных к блоку управления, соединенных друг с другом посредством анодов соответствующих тиристоров и соединенных с соответствующими шинами входного напряжения. При подаче на двигатель напряжения той или иной полярности (что соответствует прямому либо инверсному ходу двигателя) срабатывает соответствующий контур.
Работа заявленного устройства поясняется схемой, приведенной на фиг. 1. На схеме (фиг. 1) показаны:
1 - электродвигатель постоянного тока
2 - шина входного напряжения прямого хода двигателя
3 - шина выходного напряжения прямого хода двигателя
4 - блок управления
5 - датчик тока (резистор) первого контура
6 - защитный ключ первого контура
7 - первый контур
8 - стабилитрон защитного ключа первого контура
9 - первый резистор защитного ключа первого контура
10 - тиристор защитного ключа первого контура
11 - второй резистор защитного ключа первого контура
12 - конденсатор защитного ключа первого контура
13 - шина входного напряжения инверсного хода двигателя
14 - шина выходного напряжения инверсного хода двигателя
15 - датчик тока (резистор) второго контура
16 - защитный ключ второго контура
17 - второй контур
18 - стабилитрон защитного ключа второго контура
19 - первый резистор защитного ключа второго контура
20 - тиристор защитного ключа второго контура
21 - второй резистор защитного ключа второго контура
22 - конденсатор защитного ключа второго контура
Схема защиты двигателя 1 от перегрузок содержит блок управления 4, соединенный с первым контуром 7 и вторым контуром 17 через шины входного напряжения 2 и 13 соответственно. Первый 7 и второй 17 контуры представляют собой параллельно соединенные датчики тока (резисторы) 5 (15 для второго контура) и первый 6 и второй 16 защитные ключи соответственно. При этом первый 7 и второй 17 защитные ключи включают в себя последовательно соединенные стабилитрон 8 (18), пару параллельно соединенных резисторов 9 и 11, конденсатор 12 (22) и тиристор 10 (20). Вместе с тем шина входного напряжения 2 через датчик тока (резистор) 5 соединена с катодом стабилитрона 8, с шиной выходного напряжения 3; через резистор 11 с анодом стабилитрона 8; через конденсатор 12 с управляющим электродом тиристора 10; с катодом тиристора 10. Анод стабилитрона 8 через резистор 9 соединен с управляющим электродом тиристора 10. Шина входного напряжения 13 через резистор 15 соединена с шиной выходного напряжения 14 и с катодом стабилитрона 18; через резистор 21 с анодом стабилитрона 18; через конденсатор 22 с управляющим электродом тиристора 20; с катодом тиристора 20. Анод стабилитрона 18 через резистор 19 соединен с управляющим электродом тиристора 20.
При этом контуры соединены друг с другом посредством того, что шина входного напряжения 2 через датчик тока (резистор) 5 соединена с анодом тиристора защитного ключа второго контура, а шина входного напряжения 13 через датчик тока (резистор) 15 соединена с анодом тиристора защитного ключа первого контура 10.
Схема защиты двигателя постоянного тока от перегрузок работает следующим образом.
Пусть, например, на шину входного напряжения 2 подано положительное напряжение, а на шину 13 - отрицательное. При увеличении нагрузки на двигатель 1, ток через обмотки электродвигателя будет увеличиваться, что приведет к возрастанию напряжения на датчике тока (резисторе) 5 и на катоде стабилитрона 8, т.к. они соединены параллельно. Стабилитрон 8 откроется в момент превышения порогового значения напряжения стабилизации, возрастет напряжения на управляющем электроде тиристора 10 до значения, приводящего к его открыванию. Обмотки двигателя будут зашунтированы через открытый тиристор 10, ток будет течь от шины входного напряжения 2 через тиристор 10, датчик тока (резистор) 15 к шине напряжения 13. Таким образом, электродвигатель будет обесточен.
Роль конденсатора 12 (22 для второго контура) следует рассмотреть отдельно. При включении питания происходит скачек напряжения, так называемый пусковой импульс, приводящий к пробиванию стабилитрона 8 (18). При этом ток начинает течь через стабилитрон 8 (18), резистор 9 (19) и тиристор 10 (20). На пути к управляющему электроду тиристора 10 (20) ток проходит через вывод конденсатора 12 (22). Вследствие того, что конденсатор в начальный момент времени является разряженным, пусковые токи текут не по направлению к управляющему электроду тиристора 10 (20), а через конденсатор 12 (22) в течение времени, определенного его емкостью. Емкость подбирается таким образом, чтобы время, в течение которого заряжается конденсатор, было больше времени переходного процесса. После стабилизации напряжения на входах схемы конденсатор 12 (22) остается заряжен до отключения питания. При возрастании напряжения на двигателе конденсатор уже не заряжается, а срабатывает механизм защиты, описанный выше и приводящий к шунтированию обмоток двигателя через открытый тиристор 10 (20).
В другом случае, при подаче на шину 2 отрицательного напряжения, а на шину 13 положительного, сработает второй контур 17, работа которого осуществляется по алгоритму, аналогичному описанному выше. При перегрузке двигатель будет зашунтирован через тиристор 20.
Предложенная схема защиты двигателя от перегрузки может работать в автоматическом режиме за счет подключения контуров и шин входного напряжения к электронному блоку управления, работа которого регулируется программными методами.
В устройстве-прототипе автоматизация работы схемы невозможна из-за наличия механической связи между блоком управления и вторичным переключателем, который обеспечивает возвращение схемы в исходного состояние.
Предлагаемая совокупность признаков не встречалась для решения поставленных задач, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна». Внедрение вышеописанной разработки в «Управляемую фотографическую установку» для защиты привода трансфокатора фотоаппарата позволяет судить о соответствии технического решения критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №65306 U1 «Устройство защиты двигателя постоянного тока», Н02Н 7/08, опубл. 27.07.2007
2. Патент РФ на изобретение №2324217 C1 «Стабилизатор постоянного напряжения», G05F 1/569, опубл. 10.05.2008
3. Патент РФ на изобретение №2335843 C2 «Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току», H03K 17/08, H02H 9/02, опубл. 10.10.2008
4. Патент РФ на изобретение №2397612 C1 «Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току», H03K 17/08, Н02М 3/156, опубл. 20.08.2010
5. Патент Германии на изобретение №4426961 «Overload protection for DC motor arranged in primary or main circuit for current)), B60N 2/02, H02H 7/085, опубл. 01.02.1996