СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF ELECTRIC MOTOR MANAGEMENT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к области эксплуатации электродвигателей и предназначено для восстановления проектных характеристик изоляции их обмоток.
Предпосылки к созданию изобретения
На ответственных инфраструктурных объектах, связанных, например, с транспортом или жизнеобеспечением человека, в целях обеспечения надежности привода оборудования используется два (или больше) электродвигателя, включающихся поочередно. Далее по тексту электродвигатель, функционирующий в текущий момент, будет именоваться основным электродвигателем, а электродвигатель, остановленный в текущий момент, будет именоваться резервным электродвигателем. В то время как у основного электродвигателя изоляция обмотки статора (далее - обмотка) разогревается током, текущим по обмотке, у резервного электродвигателя, находящегося в выключенном состоянии, изоляция обмотки имеет температуру окружающей среды и может отсыреть, например, вследствие адсорбции влаги из воздуха. Данный процесс существенно интенсифицируется при размещении резервного электродвигателя в условиях повышенной влажности либо прямого попадания воды на изоляцию обмотки. Описанная ситуация может вызвать существенное ухудшение рабочих параметров резервного электродвигателя вплоть до полной его неработоспособности, что способно привести к катастрофическим последствиям.
Из патентной публикации (SU 741379 A1, H02K 15/12, 15.06.1980) известен способ сушки изоляции обмотки электродвигателя, в котором изоляцию нагревают посредством разогрева проводников обмотки, пропуская по ним ток. Для экономии энергии на обмотку подают постоянное напряжение сушки при помощи раскрытого в указанной публикации устройства, содержащего тиристорный источник выпрямленного тока. Подачу напряжения сушки периодически прерывают для измерения сопротивления изоляции обмотки, при этом при достижении сопротивлением изоляции заданного значения сушку изоляции прекращают. Данный способ выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Прототип позволяет осуществлять сушку изоляции обмотки электродвигателя до достижения сопротивлением изоляции обмотки заданного значения, обеспечивающего требуемые рабочие параметры электродвигателя, а также осуществлять автоматическое поддержание сопротивления изоляции обмотки на заданном значении. Однако в реальных условиях сопротивление изоляции обмотки может резко снизиться на существенную величину от заданного значения, например, при прямом попадании воды на обмотку, а необходимость включения резервного электродвигателя может возникнуть в момент, когда сушка не закончена, и сопротивление изоляции обмотки ниже заданного значения. Прототип не раскрывает условия безопасного запуска резервного электродвигателя для такого случая, при этом как однозначный запрет на запуск в данных обстоятельствах, так и разрешение запуска безотносительно состояния изоляции обмотки способны создать существенный риск для функционирования всего инфраструктурного объекта.
Целью изобретения является предложение способа управления электродвигателем и устройства для его реализации, обеспечивающих автоматическое поддержание резервного электродвигателя в рабочем состоянии, безопасность автоматического запуска электродвигателя даже в случае снижения сопротивления изоляции его обмотки до определенного уровня ниже проектного значения и запрет автоматического запуска электродвигателя, когда безопасность такого запуска не гарантируется.
Сущность изобретения
Первым объектом изобретения является способ управления электродвигателем, в котором в период остановки электродвигателя производят измерение сопротивления изоляции обмотки электродвигателя. Если сопротивление изоляции обмотки оказывается равно или меньше первого порогового значения, то автоматический запуск электродвигателя запрещают и выполняют сушку изоляции обмотки до превышения сопротивлением изоляции обмотки второго порогового значения, которое больше первого порогового значения, причем при превышении сопротивлением изоляции обмотки первого порогового значения разрешают автоматический запуск электродвигателя. Автоматический запуск электродвигателя может осуществляться при определенном условии.
В частном случае способа управления электродвигателем измерение сопротивления изоляции обмотки осуществляют на периодической основе. При этом если сопротивление изоляции обмотки в текущем измерении больше первого порогового значения и при этом равно или меньше третьего порогового значения, которое больше первого порогового значения, но меньше второго порогового значения, а в предыдущем измерении сопротивление изоляции обмотки превышало третье пороговое значение, то сушку изоляции обмотки могут выполнять до превышения сопротивлением изоляции обмотки второго порогового значения.
В предпочтительном случае способа управления электродвигателем сушку изоляции обмотки осуществляют путем пропускания по обмотке постоянного тока.
В еще одном частном случае способа управления электродвигателем запуск электродвигателя могут осуществлять в ручном режиме, и в таком случае запуск электродвигателя разрешают при любом сопротивлении изоляции обмотки.
Вторым объектом изобретения является устройство для управления электродвигателем, запуск которого осуществляется контактором запуска электродвигателя автоматически при определенном условии. Устройство включает в себя: блок измерения, способный измерять сопротивление изоляции обмотки электродвигателя, блок нагрева, способный подавать постоянное напряжение на обмотку электродвигателя, блок сравнения, способный сравнивать измеренное сопротивление обмотки с первым и вторым пороговыми значениями. В состав устройства входит также блок управления, способный размыкать промежуточный контактор, который в разомкнутом состоянии не допускает запуск электродвигателя, если от блока сравнения поступает сигнал, что измеренное блоком измерения сопротивление обмотки меньше первого порогового значения. Блок управления способен также выдавать сигнал на блок нагрева на подачу напряжения нагрева, при чередовании с выдачей сигнала на блок измерения на подачу напряжения измерения, до тех пор, пока от блока сравнения не поступит сигнал, что сопротивление обмотки больше второго порогового значения, которое больше первого порогового значения. Блок управления при этом способен замыкать промежуточный контактор, если от блока сравнения поступает сигнал, что измеренное блоком измерения сопротивление обмотки больше первого порогового значения.
В частном случае устройства для управления электродвигателем блок сравнения может быть способен сравнивать измеренное сопротивление обмотки с третьим пороговым значением, которое больше первого порогового значения, но меньше второго порогового значения. В случае, когда сопротивление изоляции обмотки в текущем измерении больше первого порогового значения и при этом равно или меньше третьего порогового значения, а в предыдущем измерении сопротивление изоляции обмотки превышало третье пороговое значение, блок управления может быть способен выдавать сигнал на блок нагрева на подачу напряжения нагрева, при чередовании с выдачей сигнала на блок измерения на подачу напряжения измерения, до тех пор, пока от блока сравнения не поступит сигнал, что сопротивление обмотки больше второго порогового значения.
В других частных случаях устройства для управления электродвигателем промежуточный контактор может быть включен между электродвигателем и контактором запуска либо может быть включен в цепь управления контактором запуска.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для управления электродвигателем;
Фиг. 2 – блок-схема алгоритма согласно способу управления электродвигателем;
Фиг. 3 – блок-схема алгоритма согласно частному случаю способа управления электродвигателем.
Осуществление изобретения
Сначала будет описана принципиальная схема устройства для управления электродвигателем (Фиг. 1). Конструкция устройства приведена исключительно для иллюстрации наилучшего примера реализации способа и не ограничивает объема охраняемых прав.
Устройство 1 для управления электродвигателем (далее - устройство) подключено к концам двух фаз обмотки 3 электродвигателя 2. Устройство выполнено в виде обособленного аппарата и в предпочтительном случае размещается в технологическом шкафу управления электродвигателем. Следует отметить, что в настоящем примере электродвигатель 2 является резервным, т.е. в данный момент электродвигатель 2 остановлен, и его запуск осуществляется при определенном условии, например при выходе из строя основного электродвигателя.
Электродвигатель 2 получает питание от трехфазной сети 4 переменного тока и подключается к ней через контактор 5 запуска. Контактор 5 запуска в данный момент находится в разомнуктом состоянии, а его замыкание осуществляется автоматически при наступлении вышеупомянутого условия.
Устройство снабжено понижающим трансформатором 10, который подключен к двум фазам той же трехфазной сети через выключатель 6. Устройство также включает в себя блок 8 нагрева и управляющий блок 9.
Блок 8 нагрева выполнен по известной схеме тиристорного выпрямления напряжения и получает питание от понижающего трансформатора 10. К блоку 8 нагрева подключены концы обмотки электродвигателя, образуя контур нагрева, при этом блок 8 нагрева способен подавать постоянное напряжение на обмотку электродвигателя (далее также - напряжение нагрева) через вспомогательный переключатель 11 и провода 12. Следует отметить, что блок 8 нагрева способен подавать на обмотку такое постоянное напряжение, которое обеспечивает заданную блоком управления силу тока, при этом постоянное напряжение может подаваться импульсами с заданной частотой и скважностью. Кроме того, под постоянным напряжением в контексте данной заявки понимается, главным образом, выпрямленное напряжение.
Управляющий блок 9 содержит блок 17 управления, блок 18 измерения и блок 19 сравнения. Следует, однако, отметить, что блок 18 измерения и блок 19 сравнения не обязательно должны быть конструктивно объединены с блоком 17 управления и могут быть выполнены в виде отдельных блоков.
Блок 18 измерения способен измерять сопротивление изоляции обмотки электродвигателя. Блок 18 измерения получает питание от трансформатора 10, при этом одним своим выходом он соединен с любым из концов обмотки, а другим через заземляющий проводник 13 - с корпусом электродвигателя 2, образуя контур измерения. Блок 18 измерения подает измерительное напряжение на обмотку и корпус электродвигателя, измеряет ток утечки и рассчитывает текущее сопротивления изоляции.
Блок 19 сравнения способен сравнивать измеренное сопротивление обмотки с первым, вторым и третьим пороговыми значениями и передавать результат сравнения в блок 17 управления.
Блок 17 управления обеспечивает подключение обмотки электродвигателя либо к блоку 8 нагрева, подающему постоянное напряжение на обмотку для ее нагрева, либо к блоку 18 измерения, подающему измерительное напряжение на обмотку и корпус электродвигателя и определяющему текущее сопротивления изоляции обмотки. Другими словами, блок 17 управления обеспечивает переключение между контуром нагрева и контуром измерения, которое осуществляется посредством переключения взаимосвязанных реле 15 и 16. Кроме того, блок 17 управления обеспечивает ввод пороговых значений сопротивления изоляции обмотки, а также ввод и индикацию силы тока, протекающего в обмотке электродвигателя. Кроме того, блок управления способен через управляющую шину 20 управлять промежуточным контактором 7, который в разомкнутом состоянии не допускает запуск электродвигателя 2, а также управлять вспомогательным переключателем 11. Промежуточный контактор 7 может быть включен между электродвигателем и контактором 5 запуска, как показано на фиг. 1, и в этом случае, находясь в разомкнутом состоянии, промежуточный контактор 7 не допускает подачу питания на электродвигатель 2. Однако промежуточный контактор 7 может быть включен в цепь управления контактором 5 запуска, когда он, находясь в разомкнутом состоянии, не допускает поступление на контактор 5 запуска автоматически генерируемого сигнала замыкания.
При функционировании устройства 1 для управления электродвигателем реализуется способ управления электродвигателем, блок-схема алгоритма которого представлена на фиг. 2, поэтому функционирование устройства будет описано совместно со способом.
Алгоритм, показанный на фиг. 2, выполняется периодически через заданные интервалы времени.
Этап 1 характеризуется тем, что устройство 1 собрано и подключено, как показано на фиг. 1, при этом выключатель 6 включен.
На этапе 2 блок 17 управления определяет, включен ли ручной режим управления. Ручной режим используется в критических ситуациях, когда резервный электродвигатель 2 должен быть запущен вне зависимости от состояния изоляции его обмотки, т.е., по существу, в ситуации «последнего шанса». Ручной режим управления задается на панели ввода и индикации блока 17 управления, в результате чего блок 17 управления выключает вспомогательный переключатель 11 и включает промежуточный контактор 7, который во включенном состоянии разрешает запуск электродвигателя 2 (этап 2.1). Если блок 17 управления определил, что ручной режим управления включен, то на этом алгоритм управления завершается переходом к этапу 6.
Если на этапе 2 блок 17 управления определил, что ручной режим управления не включен, т.е. включен автоматический режим управления, то алгоритм переходит на этап 2.2, на котором производится измерение сопротивления изоляции обмотки электродвигателя. На этапе 2.2 блок 17 управления включает реле 16 и выключает реле 15, замыкая, таким образом, контур измерения. В итоге, на этапе 2.2 блок 18 измерения измеряет сопротивление изоляции обмотки электродвигателя 2, и алгоритм переходит на этап 3.
На этапе 3 блок 19 сравнения получает от блока 18 измерения сопротивление изоляции и сравнивает его с первым пороговым значением. Первое пороговое значение представляет собой такое сопротивление изоляции обмотки, при котором (или меньше него) запуск электродвигателя может привести к пробою изоляции и выходу электродвигателя из строя и поэтому недопустим. Другими словами, в качестве первого порогового значения принимают такое сопротивление изоляции обмотки, которое согласно нормативным документам является минимально допустимым для данного типа электродвигателей. Для электродвигателей с напряжением до 1 кВ первое пороговое значение принимается, например, равным 500 кОм при температуре 10-30°C, в соответствии с ПУЭ 7 (Правила устройства электроустановок, изд. 7, утв. Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 №204).
Таким образом, если на этапе 3 блок 19 сравнения определяет, что сопротивление изоляции равно или меньше первого порогового значения, алгоритм переходит на этап 3.2. На этапе 3.2 блок 17 управления запрещает автоматический запуск электродвигателя 2 путем выключения промежуточного контактора 7, после чего алгоритм переходит на этап 3.3.
На этапе 3.3 блок 17 управления выключает реле 15 и включает реле 16, размыкая, таким образом, контур измерения и подавая команду на блок 8 нагрева на замыкание контура нагрева. Блок 8 нагрева подает напряжение нагрева на обмотку электродвигателя 2 в виде постоянного напряжения, обеспечивающего протекание в обмотке тока, имеющего силу тока, равную той, которая была задана на панели ввода и индикации блока 8 нагрева. Кроме того, постоянное напряжение может подаваться импульсным образом с заданной частотой и скважностью. В результате проводники обмотки нагреваются, передавая тепло в изоляцию обмотки и тем самым обеспечивая ее высушивание. Через некоторое время, равное заданному циклу сушки, блок 17 управления размыкает контур нагрева и замыкает контур измерения, и, таким образом, алгоритм возвращается к этапу 2.2.
Если на этапе 3 блок 19 сравнения определяет, что сопротивление изоляции обмотки превышает первое пороговое значение, то алгоритм переходи на этап 3.1, и блок 17 управления разрешает автоматический запуск электродвигателя 2, замыкая промежуточный контактор 7. Следует отметить, что незначительное превышение сопротивлением изоляции обмотки первого порогового значения позволяет вывести электродвигатель 2 из зоны риска выхода из строя, однако, оно не обеспечивает достижения требуемых рабочих параметров электродвигателя 2. После этого алгоритм переходит на этап 5.
На этапе 5 блок 19 сравнения сравнивает сопротивление изоляции, измеренное на этапе 2.2, со вторым пороговым значением. Второе пороговое значение выбирается таким образом, чтобы с некоторым запасом гарантировать требуемые, например номинальные, рабочие параметры электродвигателя 2, и для указанного типа электродвигателей составляет, например, 1000 кОм. Отметим, что сопротивление изоляции обмотки вряд ли может достигать второго порогового значения, если переход к этапу 5 в одном и том же выполнении алгоритма осуществляется после этапов 3.2 и 3.3, поскольку в этом случае сопротивление изоляции обмотки будет, вероятно, лишь незначительно превышать первое пороговое значение.
Если сопротивление изоляции обмотки равно или меньше второго порогового значения, то алгоритм переходит на этап 5.1, на котором выполняется цикл сушки, аналогичный тому, что был описан на этапе 3.3.
Далее алгоритм переходит на этап 5.2, где производится измерение сопротивления изоляции обмотки, аналогичное тому, что было описано на этапе 2.2.
После этапа 2.2 алгоритм возвращается к этапу 5, и цикл из этапов 5, 5.1, 5.2 будет повторяться, пока сопротивление изоляции обмотки не превысит второго порогового значения, после чего алгоритм завершается.
При следующем выполнении алгоритма, если не произошло нештатного воздействия на электродвигатель 2, например прямого попадания воды, то сопротивление изоляции обмотки будет лишь незначительно отличаться от того, которое было на завершении предыдущего выполнения алгоритма. То есть после этапа 3 алгоритм сразу переходит на этап 5, и, таким образом, сопротивление изоляции обмотки будет автоматически поддерживаться вблизи второго порогового значения, обеспечивая работоспособность электродвигателя 2 в штатном режиме - таком режиме, когда реализуются требуемые рабочие параметры.
На фиг. 3 представлен алгоритм способа управления электродвигателем в частном случае выполнения изобретения.
Алгоритм, показанный на фиг. 3, в целом сходен с алгоритмом, показанным на фиг. 2, поэтому описание одних и тех же этапов будет опущено. Алгоритм, показанный на фиг. 3, отличается от алгоритма, показанного на фиг. 2, тем, что введен этап 4, а этапы 5.1 и 5.2 здесь именуются, как этапы 4.1 и 4.2, и выполняются до этапа 5.
На этапе 4 блок 19 сравнения сравнивает сопротивление изоляции, измеренное на этапе 2.2, с третьим пороговым значением. Третье пороговое значение больше, чем первое пороговое значение, но меньше, чем второе пороговое значение. Если первое пороговое значение представляет собой такое сопротивление изоляции обмотки, при превышении которого гарантируется безопасный запуск и работа электродвигателя, но не гарантируются его требуемые рабочие параметры, то третье пороговое значение представляет собой такое сопротивление изоляции обмотки, при превышении которого гарантируются требуемые параметры электродвигателя.
Если на этапе 4 сопротивление изоляции обмотки превышает третье пороговое значение, то алгоритм завершается, поскольку электродвигатель находится в штатном состоянии, и сопротивление изоляции обмотки является нормальным, т.е. обеспечивающим требуемые рабочие параметры электродвигателя.
Если на этапе 4 сопротивление изоляции обмотки равно или меньше третьего порогового значения, то алгоритм через этапы 4.1 и 4.2, аналогичные этапам 5.1 и 5.2 на фиг. 2, переходит к этапу 5 и в итоге доводит сопротивление изоляции обмотки до превышения второго порогового значения. Другими словами, при поддержании электродвигателя 2 в штатном режиме, если в текущем измерении сопротивление изоляции обмотки больше первого порогового значения и при этом равно или меньше третьего порогового значения, а в предыдущем измерении сопротивление изоляции обмотки превышало третье пороговое значение, то сушку изоляции обмотки выполняют до превышения сопротивлением изоляции обмотки второго порогового значения.
Использование третьего порогового значения наряду со вторым пороговым значением позволяет избежать частого включения устройства при колебании сопротивления изоляции обмотки вокруг второго порогового значения.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет осуществить полностью автоматическое управление резервным электродвигателем в части обеспечения его требуемых рабочих параметров. Кроме того, изобретение обеспечивает запрет на запуск электродвигателя, когда такой запуск может привести к выходу его из строя.