УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ КОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ПЕРЕГРЕВА
OVERHEATING PROTECTION DEVICE OF COMMUTATOR MOTOR

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах на основе коллекторных электродвигателей, в частности для тяговых электродвигателей электропоездов.
Известно устройство времятоковой защиты электродвигателей от перегрева в электроприводе серии ЭПУ1 [Техническое описание электропривода серии ЭПУ1 ИГРФ.654674.001 ТО http://stanoks.com]. Устройство содержит защищаемый электродвигатель, датчик тока, тиристорный выпрямитель, блок интегрирования и пороговый элемент. Электродвигатель подключен к питающей сети через датчик тока, содержащий трансформатор переменного тока и выпрямитель, выходной сигнал которого пропорционален потребляемому электродвигателем току, и тиристорный выпрямитель. Выход датчика тока соединен с первым входом блока интегрирования, второй вход которого подключен к источнику сигнала смещения. Выход блока интегрирования соединен через пороговый элемент с входом зашиты тиристорного выпрямителя. Электродвигатель управляется с помощью триристорного выпрямителя, на управляющий вход которого поступает сигнал управления. На входе блока интегрирования производится сравнение сигналов смещения и датчика тока. Уровень сигнала смещения соответствует номинальному току электродвигателя, а сигнал датчика тока пропорционален текущей нагрузке электродвигателя. Если перегрузка электродвигателя отсутствует, то сигнал смещения превышает сигнал датчика тока и как результат выходное напряжение интегратора стремиться к нулю. Пороговый элемент не срабатывает. При перегрузке электродвигателя разность сигналов датчика тока и смещения становиться отрицательной и блок интегрирования вступает в работу, увеличивая во времени и пропорционально току электродвигателя свое выходное напряжение. Постоянная времени интегрирования соответствует тепловой постоянной времени электродвигателя. Если выходное напряжение блока интегрирования превышает уставку порогового элемента, то происходит срабатывание последнего и в результате тиристорный выпрямитель отключает питание от электродвигателя.
Недостатком данного устройства защиты электродвигателя от перегрева является недостаточная эффективность защиты в случае аварийной остановки электродвигателя. При этом ток протекает только через одну секцию якорной обмотки электродвигателя. В этом случае устройство времятоковой защиты не может защитить якорь электродвигателя от перегрева и разрушения якорной обмотки. Причиной является существенно меньшее значение тепловой постоянной времени одной секции якорной обмотки по сравнению со всем якорем. Поэтому выходной сигнал блока интегрирования значительно отстает от пропорциональной ему реальной температуры секции обмотки якоря.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство зашиты коллекторного электродвигателя от перегрева [Патент РФ №2214665 дата публикации 20.10.2003, МПК Н02Н 5/04, H02H 6/00, Н02Н 7/085], принятое за прототип.
Устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева состоит из электродвигателя, датчика тока, соединенных последовательно и подключенных к выходам устройства регулирования напряжения, входы которого подключены к питающей сети, первый вход блока интегрирования подключен к источнику сигнала смещения, а его выход соединен через пороговый элемент с входом защиты устройства регулирования напряжения, якорь электродвигателя соединен через датчик нулевой скорости с управляющим входом делителя напряжения, включенным между выходом датчика тока и вторым входом блока интегрирования.
Недостатком данного устройства является его низкая эффективность для защиты электродвигателей с самовентиляцией. У таких электродвигателей лопатки вентилятора расположены на валу якоря и внутренний поток охлаждающего воздуха, обтекающего якорь и обмотки возбуждения, пропорционален угловой частоте вращения электродвигателя. Частым режимом работы электродвигателя является режим, когда токовая нагрузка приближается к номинальному режиму, но меньше его, а частота вращения существенно ниже номинала. Примером является разгон электропоезда большой массы по профилю сложного подъема. В результате выходной сигнал блока интегрирования равен нулю и срабатывание защиты невозможно. Возникает реальная опасность перегрева электродвигателя и выход его из строя. Кроме того, установившаяся температура электродвигателя пропорциональна квадрату тока, а не линейной зависимости от тока. Поэтому выходной сигнал блока интегрирования в устройстве-прототипе возрастает замедленно, что вносит существенную погрешность в точность моделирования температуры якоря электродвигателя и как результат приводит к несрабатыванию защиты при фактическом перегреве электродвигателя.
Задачей изобретения является повышение чувствительности защиты коллекторного электродвигателя от перегрева.
Техническим результатом является повышение точности моделирования температуры якоря электродвигателя в широком диапазоне изменения тока якоря и частоты вращения электродвигателя.
Технический результат достигается за счет того, что устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева содержит последовательно соединенные электродвигатель и датчик тока, подключенные к питающей сети (на чертеже не показана) через устройство регулирования напряжения, блок интегрирования, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу блока интегрирования, а выход - к устройству регулирования напряжения, управляемый делитель напряжения, соединенный с входом управления блока интегрирования, а также датчик нулевой скорости электродвигателя, квадратор и функциональный преобразователь, причем квадратор подключен между выходом датчика тока и информационным входом блока интегрирования, а функциональный преобразователь соединен входом с датчиком нулевой скорости, а выходом - с входом управления управляемого делителя напряжения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет введения функционального преобразователя и квадратора удается повысить чувствительность защиты от перегрева электродвигателя благодаря повышению точности моделирования температуры якоря электродвигателя в широком диапазоне изменения тока якоря и частоты вращения электродвигателя. Введение квадратора позволяет подавать на вход блока интегрирования сигнал, пропорциональный квадрату тока якоря электродвигателя, что более точно соответствует расчету выделения в нем тепла по сравнению с линейной зависимостью. Постоянная времени интегрирования изменяется с помощью управляемого делителя напряжения в зависимости от скорости вращения якоря электродвигателя с учетом нелинейной зависимости от оборотов. Необходимую нелинейную зависимость между оборотами электродвигателя и теплоотдачей якоря в потоке охлаждающего воздуха обеспечивает введенный в состав устройства функциональный преобразователь.
На чертеже представлена функциональная схема устройства защиты коллекторного электродвигателя от перегрева.
Устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева состоит из последовательно соединенных электродвигателя 1 и датчика тока 2, подключенных к питающей сети через устройство регулирования напряжения 3, блока интегрирования 4, датчика нулевой скорости электродвигателя 6, порогового элемента 5, вход которого подключен к выходу блока интегрирования 4, а выход - к устройству регулирования напряжения 3, управляемого делителя напряжения 7, выход которого соединен с входом управления блока интегрирования 4, а также квадратора 9 и функционального преобразователя 8, причем вход квадратора 9 соединен с выходом датчика тока 2, а выход - с информационным входом блока интегрирования 4, а функциональный преобразователь 8 соединен входом с датчиком нулевой скорости электродвигателя 6, а выходом - с входом управления управляемого делителя напряжения 7.
Устройство защиты работает следующим образом. Электродвигатель 1 подключаем к питающей сети через устройство регулирования напряжения 3. Датчик тока 2 измеряет ток нагрузки электродвигателя 1 и передает сигнал, пропорциональный току электродвигателя 1, на вход квадратора 9. Сигнал на выходе квадратора 9, пропорциональный квадрату тока электродвигателя 1, подается на информационный вход блока интегрирования 4, что более точно соответствует расчету выделения в якоре электродвигателя 1 тепла по сравнению с линейной зависимостью. Постоянная времени интегрирования изменяется с помощью управляемого делителя напряжения 7 в зависимости от скорости вращения якоря электродвигателя 1 с учетом нелинейной зависимости от оборотов. На вход управления делителя напряжения 7 поступает сигнал с выхода функционального преобразователя 8, получающего напряжение от датчика нулевой скорости электродвигателя 6, а с выхода управляемого делителя напряжения 7 сигнал поступает на вход управления блока интегрирования 4. Введенный в состав устройства функциональный преобразователь 8 обеспечивает необходимую нелинейную зависимость между оборотами электродвигателя 1 и теплоотдачей якоря в потоке охлаждающего воздуха. За счет введения функционального преобразователя 8 и квадратора 9 достигается технический результат, т.е. повышается чувствительность защиты от перегрева электродвигателя 1 благодаря повышению точности моделирования температуры якоря электродвигателя 1 в широком диапазоне изменения тока якоря и частоты вращения электродвигателя 1. При превышении выходного сигнала блока интегрирования 4 заданной уставки (максимально допустимой температуры якоря) происходит срабатывание порогового элемента 5, который осуществляет защиту электродвигателя 1 путем отключения устройства регулирования напряжения 3.
Постоянная времени нагрева T якоря определяется выражением
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><mi>G</mi></mrow><mrow><mi>α</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>α</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>c</mi><mi>G</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow>
,
где с - удельная усредненная теплоемкость якоря;
G - масса якоря;
S - площадь поверхности якоря;
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности якоря.
Скорость охлаждающего воздуха V изменяет коэффициент теплоотдачи α с поверхности якоря в соответствии с зависимостью
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mi>V</mi></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
0
где α - коэффициент теплоотдачи с поверхности якоря при отсутствии обдувающего воздуха;
k - коэффициент обдувания, зависящий от свойств обдуваемой поверхности.
Лопасти вентилятора, находящегося на валу якоря, при вращении с угловой скоростью ω создают в коллекторной камере тягового электродвигателя избыточное давление воздуха Н:
2
Н=Кω,
где К - коэффициент пропорциональности, характеризующий конструкцию вентилятора.
Давление Н позволяет определить расход охлаждающего воздуха Q в зазоре между якорем и статором электродвигателя в зависимости от аэродинамического сопротивления воздушного канала z:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mi>H</mi><mi>z</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
.
При известном сечении зазора S между якорем и статором электродвигателя можно найти скорость охлаждающего воздуха по формуле
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mi>S</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ω</mi><msqrt><mrow><mfrac><mi>K</mi><mi>z</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mi>S</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mi>K</mi><mi>z</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow>
где
- обобщенный коэффициент параметров электродвигателя, величина постоянная для каждого типа электродвигателя.
Из последнего выражения следует, что скорость охлаждающего воздуха в зазоре между статором и вращающемся якоре линейно зависит от угловой скорости вращения якоря. В результате коэффициент теплоотдачи при вращающемся якоре определиться по формуле
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
.
уд
Поскольку постоянная времени нагрева обратно пропорциональна теплоотдачи, то и коэффициент деления управляемого делителя напряжения К должен изменяться по такому же закону в диапазоне от единицы до меньших значений по формуле
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mi>A</mi></mfrac></mrow>
,
ном
где ω - номинальная частота вращения электродвигателя;
А - коэффициент изменения теплоотдачи с поверхности якоря при номинальной скорости вращения
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
.
Поэтому функциональный преобразователь имеет следующую характеристику
<mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><msqrt><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mi>A</mi></mfrac></mrow>
.
Постоянная времени блока интегрирования соответствует номинальной постоянной времени нагрева электродвигателя при номинальной скорости вращения.
Таким образом, в предлагаемом устройстве защиты тягового электродвигателя от перегрева осуществляется определение текущей температуры якоря в зависимости от тока и частоты вращения. Это дает возможность повысить чувствительность защиты к возможным перегрузкам электродвигателя при малых частотах вращения и токах ниже номинального.