УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам и компонентам для защиты электродвигателей. В настоящее время в электротехнике известны и используются устройства токовой защиты электродвигателей, состоящие из комплекта датчиков тока, электронной схемы обработки сигналов датчиков, обнаруживающей аварийные ситуации, исполнительного устройства для отключения электродвигателя при возникновении аварийной ситуации и средств для задания параметров защит.
Известен контроллер диагностики и защиты электроустановок, содержащий электронный блок, включающий блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, интерфейс, исполнительное реле, индикатор, выходы блока гальванической развязки и предварительного масштабирования соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с программируемым входом микропроцессора, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными предельными величинами по току, напряжению, температуре и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации контролируемой установки, выход микропроцессора соединен с входом исполнительного реле и индикатора, при этом пульт управления и программирования, соединенный через интерфейс с микропроцессором электронного блока, содержит индикатор, микропроцессор, через который вводятся данные о режимах и предельных значениях контролируемых величин и выводится информация о текущих значениях тока и напряжения, генератор тактовой частоты и кнопочную панель, причем выходы последних соединены с входами микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора, а блок гальванической развязки и предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин. (Патент РФ на изобретение №2256993).
Известно также устройство защиты электродвигателя, включающее в себя устанавливаемые на линию электропитания электродвигателя датчики тока, к которым соответственно присоединены в единую схему входные цепи, аналого-цифровой преобразователь, блок алгоритмов защиты, блок вычисления действующих значений токов, блок памяти настроек, блок индикации и управления, интерфейс обмена данными, содержащее блок измерения пусковой характеристики электродвигателя и блок вычисления настроек защит, выполненное с возможностью подключения к компьютеру для совместного изображения на экране компьютера в графическом виде измеренной пусковой характеристики электродвигателя и порогов защит при текущих их настройках, а также возможностью корректировки порогов защиты с компьютера с одновременным отображением результата корректировки (Патент РФ на полезную модель №97014.
Общий недостаток применяемых в этих устройствах технических решений является следствием того, что величина пускового тока двигателя превышает его значение в рабочем режиме в несколько раз (до 4…6). При линейной зависимости поступающего с датчиков тока на вход аналого-цифрового преобразователя сигнала от величины тока нагрузки и входном диапазоне аналого-цифрового преобразователя, выбранном так, чтобы значения этого сигнала при пусковом режиме двигателя не выходили за его пределы получается, что при измерении тока двигателя в рабочем режиме используется малая часть входного диапазона аналого-цифрового преобразователя. При ограниченной разрядности аналого-цифрового преобразователя это приводит к потере точности измерения токов двигателя в рабочем режиме. Например, если аналого-цифровой преобразователь имеет восемь двоичных разрядов и, соответственно, погрешность за счет дискретности измерения около 0.4% от максимального измеряемого значения, то относительная погрешность измерения пускового тока, близкого к максимальному измеряемому, будет иметь величину близкую к этому значению; а для рабочего тока, если он, к примеру, равен одной шестой максимально измеряемого, относительная погрешность, вызванная дискретностью измерения, составит около 2.5%. Повышение точности измерения может быть достигнуто за счет увеличения разрядности аналого-цифрового преобразователя, но это значительно усложнит и удорожит устройство.
Целью предлагаемого технического решения является повышение относительной точности измерения рабочих токов двигателя за счет некоторого уменьшения относительной точности измерения пусковых токов при неизменной разрядности аналого-цифрового преобразователя.
Для этого в устройство контроля и защиты двигателя содержащее датчики тока, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, исполнительный элемент, индикатор, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены со входами микропроцессора, выходы микропроцессора соединены со входами исполнительного элемента и индикатора дополнительно вводится по числу токовых датчиков группа согласующих элементов с нелинейной передаточной характеристикой, выходы этих элементов соединены со входами аналого-цифрового преобразователя, а входы соединены с выходами датчиков тока. Получающаяся нелинейная зависимость выходного кода аналого-цифрового преобразователя от тока двигателя, измеряемого датчиком тока, может быть скомпенсирована при дальнейшей цифровой обработке результатов аналого-цифрового преобразования в микропроцессоре. Для того, чтобы относительная погрешность возникающая за счет дискретности аналого-цифрового преобразования была постоянной в некотором диапазоне изменения сигнала от датчиков тока, передаточная характеристика согласующих элементов в этом диапазоне должна иметь вид логарифма (при такой зависимости изменение входного сигнала на одинаковую относительную величину вызывает изменение выходного сигнала на одинаковую абсолютную величину в пределах всего этого диапазона). Однако, реализация такой характеристики со стабильными и повторяемыми параметрами может вызвать затруднения при серийном производстве устройства, поэтому предлагается аппроксимировать характеристику несколькими линейными участками с разными коэффициентами передачи, в простейшем случае, для однополярного сигнала от датчиков, двумя. На фиг.1 показан пример такой характеристики и для сравнения линейная характеристика (в отсутствие согласующего элемента). По горизонтальной оси выходной сигнал датчика тока, пропорциональный току двигателя. По вертикальной оси входной сигнал аналого-цифрового преобразователя и соответствующие ему выходные коды аналого-цифрового преобразователя. Um соответствует максимальному значению диапазона входного сигнала аналого-цифрового преобразователя. Точка D соответствует максимальному значению тока двигателя, точка С - половине максимального значения, точка В - четверти максимального значения и точка А - десяти процентам максимального. Зона А В - область рабочих токов, зона BD - область пусковых токов. Для примера можно оценить изменение относительной погрешности измерения для различных значений измеряемого тока. Пусть аналого-цифровой преобразователь имеет восемь двоичных разрядов, как и в примере приведенном выше. Погрешность возникающая за счет дискретности аналого-цифрового преобразователя составляет в точке А 4% без согласующего элемента и 2% с согласующим элементом. В точке В слева от перелома характеристики соответственно 1.5% и 0.8%. В точке В справа от перелома характеристики соответственно 1.5% и 2,3%. В точке С 0.8% и 1,2% соответственно, и в точке D 0.4% и 0,6% соответственно. Как видим, погрешность в зоне рабочих токов уменьшилась вдвое. На фиг.2 приведен пример возможной схемы согласующего элемента с такой характеристикой. Операционные усилители могут быть использованы, например, типа МАХ4329 фирмы MAXIM. Схема работает следующим образом: Верхний операционный усилитель при указанных на схеме номиналах резисторов имеет коэффициент усиления равный четырем. Нижний операционный усилитель включен повторителем с коэффициентом усиления равным единице. Пока напряжение на входе схемы не превышает четверти напряжения питания верхнего операционного усилителя, выбранного равным максимальному измеряемому входному сигналу аналого-цифрового преобразователя, общий коэффициент передачи схемы равен двум. При достижении входным сигналом четверти напряжения питания верхний усилитель входит в режим ограничения своего выходного сигнала на уровне напряжения питания и динамический коэффициент передачи становится равным 2/3, так что при входном сигнале, равном напряжению питания верхнего усилителя выходной сигнал схемы будет иметь такую-же величину. Таким образом, передаточная характеристика соответствует фиг.2.