СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕГРУЗОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTING THE ELECTRIC ENGINE FROM TECHNOLOGICAL OVERLOADS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к защите электрических двигателей от тепловых перегрузок.
Известен способ защиты [Электрические и электронные аппараты. Под ред. А.Г. Ганджело, Ю.К. Розанова; учеб.; изд. «Академия». 2010 г. 227 с.], когда фиксируют величину тока, протекающего через объект защиты, и в случае перегрузки при превышении его значения, принятого за уставку, производят отключение объекта защиты независимо от времени протекания тока.
Недостатком этого способа является низкая точность величины тока уставки, поскольку значение тока отключения следует делать зависимым от времени протекания тока, т.к. при малых токах допустим длительный нагрев двигателя, а при больших - только кратковременный.
Известны устройства защиты, например автоматические выключатели [Электрические и электронные аппараты; учеб. под ред. А.Г. Ганджело, Ю.К. Розанова; изд. «Академия». 2010 г. 227 с.], в течение миллисекунд отключающие объект защиты при превышении значения тока заданной величины, принятого за уставку.
Недостатком этих устройств является низкая точность, т.к. при кратковременных перегрузках допустим значительно больший ток (двигатель не успевает нагреться до недопустимой температуры), чем при длительных перегрузках.
Наиболее близким по достигаемому результату данного изобретения является способ защиты электрического двигателя от технологических перегрузок [Электрические и электронные аппараты; учеб. под ред. А.Г. Ганджело, Ю.К. Розанова: изд. «Академия» 2010 г. 212 с.], принятый нами за прототип, когда фиксируют ток перегрузки и длительность его протекания через двигатель, и производят отключение двигателя, в том случае, когда длительность протекания тока через двигатель достигнет некоторой величины. Связь между током срабатывания защиты и допустимого для этого тока времени протекания задают, фиксируя, время движения биметаллической пластины, нагреваемой этим током.
Недостатком этого способа является низкая точность в определении критического режима отключения двигателя, который в действительности однозначно определяется по температуре нагрева опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя при его тепловой перегрузке. Движение биметаллической пластины не может выполнить эту функцию и из-за разных постоянных времени нагрева пластины и электрического двигателя, которые имеют несоизмеримые размеры, а следовательно и теплоемкости. Защита данным способом не позволяет адекватно защитить двигатель при произвольно меняющейся амплитуде тока перегрузки и меняющейся формы кривой (что часто бывает при эксплуатации двигателей в электрическом транспорте) и учесть влияние окружающей температуры, т.к. невозможно сложить длительность (с) и температуру (град), а также учесть большие постоянные времени нагрева и охлаждения двигателя.
Существенным недостатком прототипа является то, что он не учитывает напряжение (U) питания двигателя, в то время как нагрев любого электротехнического объекта зависит от мощности, рассеиваемой источником питания: P=I*U. Согласно ГОСТу напряжение питания (сети) может быть от номинала: +10%…-15%. В этих же пределах может изменяться нагрев двигателя; кроме того, при включении двигателя и при перегрузках напряжение на нем «садится», т.е. уменьшается. Если не учитывать возможное изменение напряжения питания, то при перегрузке в случае повышенного напряжения двигатель перегреется раньше, чем его отключит защита, а в случае пониженного напряжения защита отключит раньше, чем это требуется.
Известно широко применяемое в промышленности электромеханическое тепловое реле, которое работает на электромагнитный контактор, реализуя защиту электрических двигателей от перегрузок [Электрические и электронные аппараты; учеб. под ред. А.Г. Ганджело, Ю.К. Розанова: изд. «академия», 2010 г. 212 с.], принятое нами за прототип, состоящее из датчика тока, греющего двигатель, реализуемого в виде обмотки проводом высокого сопротивления, преобразователя тока в длительность времени достижения режима, требующего отключения, реализованного в виде биметаллической пластины, изгибающейся под действием тока, греющего двигатель, (чем больше ток, тем быстрее двигается пластина, тем быстрее срабатывает защита), механизма с контактами, предназначенными для включения контактора, предназначенного для отключения перегруженного двигателя.
Недостатком этого устройства, вытекающим из принципа действия, когда отключение производится не непосредственно по температуре, а по времени нагрева, а также неточность учета влияния окружающей температуры, т.к. невозможно сложить длительность (с) и температуру (град), и невозможность адекватно защитить двигатель в случае, когда произвольно меняется амплитуда тока перегрузки и меняющейся формы кривой, например, в тяговых двигателях электротранспорта, или при кратковременных, частых перегрузках.
Существенным недостатком прототипа является то, что в нем отсутствует элемент, предназначенный для учета влияния изменения напряжения питания, которое по ГОСТу может изменятся от -15% до +10%, а нагрев любого объекта определяется мощностью нагревающего источника, т.е. в нашем случае P=I*U. Кроме того, напряжение на двигателе при включении двигателя и при перегрузке «садится», т.е. уменьшается. Если не учитывать возможное изменение напряжения питания, то при перегрузке в случае повышенного напряжения двигатель перегреется раньше, чем его отключит защита, а в случае пониженного напряжения защита отключит раньше, чем это требуется.
Недостатком этого устройства является также неточное отключение двигателя из-за того, что биметаллическая пластина имеет намного меньше постоянную времени нагрева и охлаждения, чем двигатель. Вследствие этого, например, после срабатывания защиты пластина быстро охлаждается, а двигатель еще долго остается теплым, и повторное включение двигателя может привести к аварии.
Технической задачей изобретения является повышение точности порога срабатывания защиты, который однозначно определяется нагревом наиболее опасного в тепловом отношении участка в физической структуре двигателя предлагается следующий способ защиты двигателя от технологических перегрузок, который отражая реальные процессы нагрева двигателя при технологических перегрузках, определяющих однозначную связь опасного режима работы двигателя с температурой нагрева опасного в тепловом отношении его участка, позволяет производить адекватную защиту двигателя в тех случаях, когда произвольно меняется амплитуда тока перегрузки и искажается форма тока, или при кратковременных частых перегрузках, и учесть температуру окружающей среды, а также учесть влияние на нагрев напряжения на двигателе.
Задача изобретения по способу решается за счет того, что способ защиты электрического двигателя от технологических перегрузок, состоящий в том, что фиксируют ток двигателя, преобразуют его в величину, определяющую опасный режим при длительной тепловой перегрузке двигателя, и производят отключение двигателя, когда выбранная величина достигает недопустимого предела, причем за критерий опасного режима принимают мгновенное значение температуры нагрева мощностью независимо от формы тока. Мощность рассеивается в двигателе при перегрузке опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя с учетом температуры окружающей среды, для чего фиксируют мгновенное значение тока перегрузки, проходящего через двигатель, и мгновенное значение напряжения на двигателе, перемножают их и величину, пропорциональную получившейся в результате перемножения мощности, рассеиваемой в двигателе и греющей его, подают на элементы, воссоздающие экспоненциальные зависимости, соответствующие кривым нагрева различных условных участков структуры защищаемого двигателя, причем параметры элементов получают путем разложения экспериментально снятой кривой нагрева наиболее опасного в тепловом отношении участка физической структуры защищаемого двигателя на составляющие ее экспоненты, а параметры на выходе указанных элементов складывают, получая параметр, пропорциональный мгновенному значению температуры перегрева наиболее опасного участка физической структуры двигателя относительно окружающей среды, который складывают со значением параметра, пропорционального температуре окружающей среды, а получающуюся в результате суммирования величину, пропорциональную мгновенному значению температуры нагрева наиболее опасного участка физической структуры двигателя, сравнивают с температурой уставки срабатывания защиты, а результат сравнения преобразуют в соответствующие электрические сигналы, с помощью которых производят защитное отключение двигателя.
Задача изобретения по устройству решается за счет того, что устройство защиты двигателя от перегрузки, состоящее из датчика тока через двигатель, подключенного к преобразователю тока в величину, определяющую опасный режим при перегрузке двигателя, выход которого подключен к контактам, предназначен для включения контактора, силовые контакты которого предназначены для защитного отключения двигателя, причем величиной, определяющей работу устройства при опасном режиме во время тепловых перегрузок двигателя, является непосредственно температура, мгновенное значение, пропорциональное которому непосредственно фиксируется устройством, а за источник нагрева принимается мощность, рассеиваемая в двигателе при перегрузке, при этом преобразователь дополнительно содержит датчик напряжения на двигателе, виртуальное множительное устройство, предназначенное для воздействия на него через аналого-цифровой преобразователь сигналов от датчиков тока и напряжения и получения на выходе величины пропорциональной мощности, греющей двигатель, путем перемножения мгновенного значения тока на мгновенное значение напряжения, и подключенное своим выходом к виртуальным экспоненциальным элементам, предназначенным для получения величины, пропорциональной мгновенному значению температуры перегрева двигателя относительно окружающей среды, выход которых программным путем подключен к входам виртуального сумматора, подключенного программным путем своим выходом на один из входов второго виртуального сумматора, другой вход которого предназначен для получения через аналого-цифровой преобразователь сигналов от датчика окружающей температуры, а выход второго сумматора подключен программным путем к одному из входов виртуального компаратора, к другому входу которого подключен программным путем виртуальный задатчик уставки срабатывания компаратора при опасной температуре опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя, а выход компаратора предназначен для передачи через цифро-аналоговый преобразователь сигналов на контакты, предназначенные для включения контактора, предназначенного для отключения двигателя в случае опасной перегрузки.
Фиксируют мгновенное значение тока перегрузки, проходящего через двигатель, и мгновенное значение напряжения на двигателе, перемножают их и получающуюся величину, пропорциональную мощности, рассеиваемой в двигателе, подают на элементы, воссоздающие экспоненциальные зависимости, соответствующие кривым нагрева различных условных участков структуры защищаемого двигателя. Параметры элементов получают путем разложения экспериментально снятой кривой нагрева наиболее опасного в тепловом отношении участка физической структуры защищаемого двигателя на составляющие ее экспоненты. Параметры на выходе указанных элементов складывают, получая параметр, пропорциональный мгновенному значению температуры перегрева наиболее опасного участка физической структуры двигателя относительно окружающей среды. Этот параметр складывают со значением параметра, пропорционального температуре окружающей среды. Получающуюся в результате суммирования величину, пропорциональную мгновенному значению температуры нагрева наиболее опасного участка физической структуры двигателя сравнивают с температурой уставки срабатывания защиты. Результат сравнения преобразуют в соответствующие электрические сигналы, с помощью которых производят защитное отключение двигателя.
Структурная схема предлагаемого устройства, реализующего способ, показана на фиг. 1. Датчик тока 1 двигателя 6 подключен к преобразователю 3, который преобразует в предлагаемом устройстве мощность, рассеиваемую в двигателе 6, в величину, пропорциональную мгновенному значению температуры опасного участка структуры защищаемого двигателя 6. К входу преобразователя 3 подключен также датчик напряжения на двигателе 2. Выход преобразователя 3 подключен через контакты 4 к контактору 5, предназначенному для защитного отключения двигателя 6.
Преобразователь имеет физическую и виртуальную части. Физическая часть - это, во-первых, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)1 (на фиг. 1 не обозначен), предназначенный для преобразования электрических сигналов от датчика тока в машинный код сигналов, предназначенных для воздействия на один из входов виртуального множительного устройства (*) (на фиг. 1 не обозначен). Во-вторых, это АЦП2 (на фиг. 1 не обозначен), предназначенный для преобразования электрических сигналов от датчика напряжения на двигателе 2 в машинный код сигналов, предназначенных для воздействия на второй вход виртуального множительного устройства (*). В-третьих, это АЦП3, предназначенный для преобразования окружающей температуры в машинный код сигналов, предназначенных для воздействия на второй вход второго сумматора виртуальной части (на фиг. 1 не обозначен). В-четвертых, это цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (на фиг. 1 не обозначен), предназначенный для преобразования мгновенного значения температуры наиболее опасного участка структуры защищаемого двигателя 6, выраженное в машинном коде, в электрические импульсы, предназначенные для воздействия на аппаратуру отключения. В виртуальную часть входит созданное программным путем виртуальное множительное устройство (*), предназначенное для получения величины мощности как произведение мгновенного значения тока на мгновенное значение напряжения, подключенное программным путем своим выходом к группе виртуальных элементов, предназначенных для реализации экспоненциальных функций кривых нагрева и охлаждения различных условных участков структуры двигателя 6 (Т1, Т2…Tn-1, Tn), полученных путем разложения на экспоненты экспериментальной кривой нагрева наиболее опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя 6. Эти элементы программным путем своим выходом подключены к созданному программным путем виртуальному сумматору (S1), предназначенному для суммирования мгновенных значений температур всех элементов и получения на выходе мгновенного значения температуры перегрева опасного участка физической структуры двигателя 6 над окружающей средой. Выход сумматора S1 программным путем подключен к одному из входов виртуального сумматора S2. Другой вход сумматора S2 предназначен для получения сигналов через АЦП3 от датчика окружающей температуры (Токр). Выход сумматора S2 программным путем подключен к первому входу виртуального компаратора К, второй вход которого программным путем подключен к виртуальному задатчику уставки Туст (на фиг. 1 не обозначен) опасной температуры опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя 6. Выход компаратора К (на фиг. 1 не обозначен) предназначен для передачи через ЦАП сигналов на включения контактов 3, предназначенных для включения контактора 4, предназначенного для отключения двигателя 6 при опасной перегрузке.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на основе способа. Электрический сигнал, пропорциональный току через двигатель 6, поступает с датчика тока 1 на АЦП1 преобразователя 3. АЦП1 преобразует информацию о греющем действии тока двигателя 6, выраженную в параметрах электрических импульсов на выходе датчика тока 1, в машинный код, «понятный» виртуальному множительному устройства, на один из входов которого подаются сигналы от датчика тока 1. На второй вход виртуального множительного устройства через АЦП2 подаются сигналы от датчика напряжения на двигателе 2. Полученная в результате перемножения мгновенного значения тока и мгновенного значения напряжения величина, пропорциональная мощности, греющей двигатель 6, поступает на виртуальные элементы Т1, Т2…Tn-1, Tn, реализующие экспоненциальные функции нагрева условных отдельных частей физической структуры электрического двигателя 6, параметры которых (экспонециальных функций) получены путем разложения экспериментальной кривой нагрева опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя 6 на составляющие ее экспоненты. Параметры, пропорциональные мгновенному значению температур перегрева относительно окружающей среды условных участков структуры двигателя 6, суммируются в созданном программным путем виртуальном сумматоре S1, на выходе которого получается параметр, пропорциональный мгновенному значению температуры перегрева относительно окружающей среды опасного в тепловом отношении участка физической структуры двигателя 6. С целью учета температуры окружающей среды результат суммирования сумматором S1 подается на один из входов виртуального сумматора S2, на второй вход которого через АЦП2 подаются сигналы от датчика температуры Токр (на фиг. 1 не обозначен). Благодаря такому включению на выходе сумматора получается параметр, пропорциональный мгновенному значению температуры нагрева с учетом температуры окружающей среды, выраженный в машинном коде. Эта величина сравнивается в виртуальном компараторе со значением опасной для двигателя температуры, получаемой на машинном языке от виртуального задатчика Тзад. При превышении заданного порога компаратор срабатывает, и на его выходе появляется на машинном языке сигнал о необходимости отключения двигателя 6. Эта информация, выраженная в машинном коде, преобразуется ЦАП в соответствующий электрический сигнал, который вызывает замыкание контактов 4, включающих контактор 5, своими силовыми контактами отключающий защищаемый электрический двигатель 6.
Виртуальную часть преобразователя можно реализовать на универсальной микропроцессорной плате с датчиками тока и напряжения, например, фирмы Intel (фиг. 2).