Универсальное трехпозиционное реле тока
UNIVERSAL THREE-POSITION CURRENT RELAY

Изобретение относится к области токовых реле для защиты электродвигателей с переменной нагрузкой на валу от обрыва фазы и перегрузки. Не допустив перегрева обмотка статора и отключения двигателя от холостого хода.
Известны реле соленоидного типа Р-4000, РЭО-401 и реле с поворотным якорем ЭТ-520 и РТ-40. При защите электродвигателей от коротких замыканий на землю и больших перегрузок катушки трех реле максимального тока включаются во все три фазы статора двигателя (см. Е.Н. Зимин «Защита асинхронных двигателей до 500 В», Энергия, 1967 г., стр. 23-25, рис. 5 б-в), а их размыкающие контакты соединяются последовательно с блок-контактом магнитного пускателя и шунтируются кнопкой пуска, что позволяет отключить двигатель при срабатывании хотя бы одного реле. Также известна схема защиты двигателя при помощи реле минимальных токов типа ЭТ-521 и РТ-40 (см. А.О. Грундулис «Защита электродвигателей в сельском хозяйстве», М., Колос, 1962 г., стр. 40-42, рис. 16 и А.О. Грундулис «Защита электродвигателя в сельском хозяйстве», Москва, ВО «Агропромиздат», 1988 г.) от обрыва фазы. Катушки трех реле также включают в фазы статора двигателя, а их замыкающие контакты последовательно включаются в цепь управления магнитного пускателя. Во время пуска их шунтирует кнопка «Пуск». При работе двигателя при нормальном режиме все три реле включены, а при обрыве фазы якорь поворачивается в исходное положение, разрывая цепь катушки магнитного пускателя, которая ведет к отключению двигателя.
Основным недостатком реле максимального тока является то, что их надо устанавливать в каждую фазу двигателя, и они не реагируют на обрывы фаз, их нельзя отрегулировать на небольшие перегрузки. Они изначально предназначены обеспечить в сетях 380/220 В с заземленной нейтралью защиту от однофазных замыканий на землю и защиту двигателя от больших перегрузок, поэтому они не нашли применения для защиты двигателей вентиляторов, калориферов, погружных и центробежных насосов, у которых постоянные нагрузки на валу. Недостатком схем защиты двигателя от обрыва фаз с помощью трех реле минимального тока является то, что здесь также надо включать катушки 3-х реле в фазы двигателя, и они не реагируют на перегрузку и короткое замыкание на землю.
Известно трехпозиционное реле тока, выбранное в качестве прототипа (см. патент на изобретение №226782909 (W1C2) Трехпозиционное реле тока).
Содержащее втяжной якорь, неферромагнитный контактный стержень, подвижные контакты, укрепленные на торцах неферромагнитного контактного стержня, клапан, неферромагнитную накладку, регулировочный винт, в корпусе устройства полость втяжного якоря переходит в расширенную полость клапана, на границе перехода полостей по периметру образовано плечо. Втяжной якорь и неферромагнитный контактный стержень, выступающий за торцы втяжного якоря, сочлены пружиной, находящейся на стержне между стопорным кольцом и внутренним торцом втяжного якоря и гайкой, завернутой на выступающий из нижнего торца втяжного якоря стержень. В нормальном положении втяжной якорь и неферромагнитный контактный стержень расположены в полостях корпусах в вертикальном положении на нижних замкнутых контактах, верхние контакты разомкнуты, клапан, удержанный на плече нижней периферийной плоскостью, перекрывая полость втяжного якоря, пропущен осевой полостью по выступающему стержню с возможностью хода на нем. При протекании по катушке (на чертеже не показано) тока втяжной якорь с неферромагнитным контактным стержнем, согласно изобретению, переходят в трехпозиционное нейтральное положение, клапан и втяжной якорь притянуты друг к другу, при этом верхние и нижние контакты разомкнуты.
В зависимости от тока уставки регулировочным винтом устанавливают на нужном уровне верхний неподвижные контакт, увеличивая или уменьшая ход втяжного якоря в полость.
При возникновении тока срабатывания втяжной якорь, втягиваясь в полость с клапаном на торце, замыкает верхние контакты и при неподвижном упертом положении неферромагнитного контактного стержня, перемещаясь в полость по нему, сжимает пружину. Сжатая пружина усиливает давление подвижного контакта на неподвижный и гасит вибрацию подвижного контакта.
При обрыве фазы, возникающей в общей электролинии 380/220 В, питающей объекты с электродвигателями, высоковольтной электролинии 6-10 кВ, питающей потребительские подстанции, из-за потери контактов и т.д., ток в поврежденной фазе не всегда бывает минимальным или равным нулю, а может быть достаточным для удержания якоря во включенном положении, но неферромагнитная накладка, укрепленная на нижней плоскости клапана или на верхнем торце втяжного якоря, огранивает приближение торца втяжного якоря к нижней плоскости клапана, что ослабляет силу электромагнитного притяжения между клапаном и втяжным якорем. В этом случае сила тяжести втяжного якоря и неферромагнитного контактного стержня оказывается больше силы электромагнитного поля. Поэтому при потере фазы или сухом (холостом) ходе двигателя погружного насоса клапан отпускает втяжной якорь в исходное положение на замыкание нижних контактов. От замыкания реле времени получает питание и отключает двигатель от сети после выдержки времени.
Недостатком трехпозиционного реле тока является то, что оно имеет на нижней плоскости клапана или на верхнем торце втяжного якоря прикрепленную неферромагнитную накладку, ослабляющее магнитное притяжение между клапаном и втяжным якорем, поэтому трехпозиционное реле тока отключает электродвигатель с переменной нагрузкой на валу от холостого хода, что будет прерывать работу агрегата или станка с переменной подачей нагрузки от нормальной работы.
Целью изобретения является преобразование трехпозиционного реле тока в универсальное трехпозиционное реле тока для защиты электродвигателей с переменной нагрузкой на валу от перегрузки и обрыва фазы, не допустив перегрева обмотки статора и выключения электродвигателя от холостого хода.
Указанная цель достигается тем, что в универсальном трехпозиционном реле тока содержится втяжной якорь, неферромагнитный контактный стержень, подвижные контакты, укрепленные на торцах неферромагнитного контактного стержня, клапан, регулировочный винт, в корпусе устройства полость втяжного якоря переходит в расширенную полость клапана, на границе перехода полостей по периметру образовано плечо. Втяжной якорь и неферромагнитный контактный стержень, выступающий за торцы втяжного якоря, сочленены пружиной, находящейся на стержне между стопорным кольцом и внутренним торцом втяжного якоря и гайкой, завернутой на выступающий из нижнего торца втяжного якоря стержень. В нормальном положении втяжной якорь и неферромагнитный контактный стержень расположены в полостях корпуса в вертикальном положении на нижних замкнутых контактах, верхние контакты разомкнуты, клапан, удержанный на плече нижней периферийной плоскостью, перекрывая полость втяжного якоря, пропущен осевой полостью по выступающему стержню возможностью хода на нем.
При нормальном пуске электродвигателя с переменной нагрузкой на валу втяжной якорь, втягиваясь в полость с клапаном на торце, замыкает верхние контакты в цепи нагревательного элемента электротермического реле, но тут же разомкнув контакты, опускается в исходное положение, на замыкание нижних контактов, в этом случае клапан, опустившись на плечо, удерживает втяжной якорь в магнитном притяжении в трехпозиционном нейтральном положении, в этом положении втяжной якорь удерживается клапаном при протекании по виткам универсального трехпозиционного реле тока номинального тока электродвигателя и тока холостого хода двигателя, поэтому электродвигатель с переменной нагрузкой на валу в нормальном режиме работает без выключения от холостого хода универсальным трехпозиционным реле тока. При появлении не допустимой перегрузки или обрыве фазы, не включенной в универсальное трехпозиционное реле тока, втяжной якорь, втягиваясь в полость с клапаном на торце, замыкает верхние контакты в цепи нагревательного элемента электротермического реле, в этом случае биметаллическая пластина в электротермическом реле, изогнувшись от высокой температуры нагревательного элемента, размыкает контакт в цепи катушки магнитного пускателя, что ведет к отключению электродвигателя от аварийного режима.
При обрыве фазы, включенной в универсальное трехпозиционное реле тока, клапан отпускает втяжной якорь в исходное положение на замыкание нижних контактов в цепи нагревательного элемента электротермического реле, в этом случае биметаллическая пластина, также изгибаясь от высокой температуры нагревательного элемента, размыкает контакт в электротермическом реле в цепи катушки магнитного пускателя, что ведет к отключению двигателя от аварийного режима, до перегрева обмотки статора.
На фиг. 1 дана схема универсального трехпозиционного реле тока в продольном сечении, на фиг. 2 дана схема защиты двигателя с переменной нагрузкой на валу с применением универсального трехпозиционного реле тока.
Универсальный трехпозиционный 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, регулировочный винт 6, укрепленный на верхней траверсе 7 и направленный по осевой линии в полость 8 в зависимости от тока срабатывания, т.е. регулируют ход втяжного якоря 1 в полость 8, сочленяющую пружину 9, расположенную на стержне 2 между стопорным кольцом 10 и внутренним нижнем торцом якоря 1, удерживающую сочленение гайку 11, завернутую на нижний выступающий из торца якоря 1 стержня 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 (на чертеже не показано) на соответствующие номинальные токи защищаемых двигателей, близко разнящихся по мощности, и катушка состоит из разного сечения наращенный проводов, по нагреву выдерживающих длительно допустимый ток, т.е. начальный витки соответствуют более мощному двигателю из подключаемых двигателей.
Универсальное трехпозиционное реле тока работает следующим образом. Катушку УТПРТ универсального трехпозиционного реле тока включают в одну фазу двигателя и магнитного пускателя, верхние контакты (3 и 15) УТПРТ включают в цепь нагревательного элемента электротермического реле КК1, также включают последовательно выбранное сопротивление R, размыкающий контакт КК11 электротермического реле КК1 включают в цепь катушки магнитного пускателя, 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 в электротермическом реле КК1, если пуск нормальный, то до нагрева нагревательного элемента до высокой температуры втяжной якорь 1 с клапаном 4 на торце, опускаясь вниз, разомкнет контакт 3 и 15, поэтому в электротермическом реле КК1 не разомкнется контакт КК11 в цепи катушки магнитного пускателя, 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 1 с клапаном 4 на торце взвесится в электромагнитном силовом поле, уравновешенный силами электромагнитного поля, направленный вверх и тяжести, направленный 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 1 с клапаном 4 на торце в промежутке свободного хода (от плеча 14 до замыкания верхних контактов 3 и 15), регулируемые 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 при защите двигателя тепловыми реле. При затянувшимся пуске, недопустимых перегрузках и обрыве фазы, которая не включена в катушку УТПРТ, втяжной якорь 1 клапаном 4 на торце, втягиваясь в полость 8, замкнет верхние контакты 3 и 15 в цепи нагревательного элемента электротермического реле КК1, в этом случае биметаллическая пластина за допустимое время изогнувшись от температуры нагревательного элемента размыкает контакт КК11 в электротермическом реле КК1в цепи катушки магнитного пускателя, тем самым отключает двигатель с переменной нагрузкой на валу от аварийного режима.
При обрыве фазы, включенный в универсальное трехпозиционное реле тока, клапан отпускает втяжной якорь 1 в исходное положение - на замыкание нижних контактов 3' и 15' в цепи нагревательного элемента электротермического реле КК1, в этом случае биметаллическая пластина в электротермическом реле КК1, изгибаясь от высокой температуры нагревательного элемента, размыкает контакт КК11 в цепи катушки магнитного пускателя, что ведет к отключению двигателя от аварийного режима.
Применение универсального трехпозиционного реле тока в схеме защиты электродвигателя с переменной нагрузкой на валу от обрыва фазы и перегрузки объединяет функции реле минимальных и максимальных токов в одном указанном реле. Следовательно, схема защиты электродвигателя с переменной нагрузкой на валу от обрыва фазы при помощи трех реле минимального тока и защиты двигателя от перегрузки при помощи трех реле максимального тока объединятся в одну схему защиты двигателя с переменной нагрузкой на валу от обрыва фазы и перегрузки. Таким образом видно, что универсальное трехпозиционное реле тока заменяет три реле минимального тока и три реле максимального тока и объединяет две схемы в одну. Это само по себе приносит удобство, простоту, надежность защиты и экономию.