УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ И ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
DEVICE TO MONITOR OPERATION AND PROTECTION OF THREE-PHASE ELECTRIC MOTOR

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах контроля работы и защиты трехфазного электродвигателя для диагностики его состояния и предотвращения перегрузки.
Известно устройство защиты трехфазных двигателей «СТРАЖ-02» (000 НПП «РАДИОАВТОМАТИКА», Паспорт и инструкция по эксплуатации ВГЛА. 468243.002 ПС, Брянск, 2001), содержащее два токовых датчика, канал токовой перегрузки, канал фазы, схему управления, блок питания, пускатель, кнопку «защита - сброс», элементы управления, регулировки и индикации. Устройство отключает двигатель при токовой перегрузке, обрыве одной из фаз и асимметрии фазных напряжений.
Недостаток устройства заключается в том, что оно срабатывает при уже возникшей аварийной ситуации и не обеспечивает предаварийной диагностики состояния двигателя. Кроме того, устройство требует достаточно трудоемких регулировок и настроек защиты под заданные характеристики двигателя.
Известно устройство для защиты электродвигателя (патент RU 2350001, МПК Н02Н 7/00, 20.03.2009), содержащее трансформаторы тока в фазах питания электродвигателя, магнитный пускатель, выпрямитель, блок контроля перегрузки, блок формирования времятоковой характеристики, компаратор и исполнительное реле.
Недостаток устройства также заключается в отсутствии определения предаварийного состояния двигателя и своевременного его отключения. Кроме того, элементы устройства, формирующие времятоковую характеристику, обладают большой нелинейностью и не обеспечивают ее полного соответствия реальной характеристике двигателя.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является электронная система и способ защиты для электрических двигателей (патент US 2011/0149446, МПК Н02Н 7/09, Н02Н 3/04, Н02Н 3/26, 23.06.2011). Система включает в себя датчики тока, установленные на шинах питания двигателя, контактор с контактами в цепи питания обмоток двигателя, центральный процессор, обрабатывающий по заданным алгоритмам поступающие на него сигналы от датчиков тока и напряжения, приводной и коммутационный интерфейсы, дисплей, звуковую и световую сигнализацию. Реализованный в системе способ позволяет охарактеризовать возникающие в двигателе повреждения и тенденции возможных повреждений. Тем самым обеспечивается своевременное отключение двигателя и предотвращение его работы в режимах, не предусмотренных спецификацией. Одним из наиболее важных параметров, контролируемых системой, является разбаланс фазных токов двигателя.
Недостатком системы является сложность и трудоемкость обработки большого массива данных, существенные аппаратные затраты и связанные с этим высокая стоимость, значительный вес, габариты и низкая надежность.
Предлагаемое устройство основано на контроле разбаланса фазных токов двигателя, причиной которого могут быть как внутренние, так и внешние факторы: межвитковые и межобмоточные замыкания, перегорание предохранителей и обрыв фазы, снижение сопротивления изоляции или ее пробой, перекос фазных напряжений. Все эти причины могут привести к аварии двигателя. Чем раньше будет выявлен недопустимый разбаланс фазных токов двигателя и произведено его отключение, тем выше вероятность его безаварийной работы.
На чертеже представлена функциональная схема устройства контроля работы и защиты трехфазного электродвигателя.
Устройство содержит три датчика 1 тока на шинах питания электродвигателя, компаратор 2, вход 3 которого соединен с задатчиком 4 порогового уровня, а выход подключен к входу блока 5 контактора с контактами 6 в цепи питания обмоток 7 электродвигателя, и блок 8 индикации. Устройство снабжено двумя блоками 9, 10 выпрямления и выделения наибольшего напряжения, разностным усилителем 11 и аналоговым делителем 12 напряжения. Датчики 1 тока связаны с входами блока 9 выпрямления и выделения наибольшего напряжения, с выходом 13 которого соединен вход 14 усилителя 11, а с тремя другими выходами 15, 16, 17 - входы блока 10 выпрямления и выделения наибольшего напряжения. Выход 18 блока 10 подключен к входу 19 усилителя 11 и входу 20 делителя 12 напряжения, со вторым входом 21 которого соединен выход усилителя 11, а с выходом - первый вход 22 компаратора 2 и блок 8 индикации.
Каждый из блоков 9, 10 выполнен на трех операционных выпрямителях 23, 24, 25 с диодно-резистивными обратными связями, входы которых подключены к входам блоков. Выходы 26, 27, 28 выпрямленного напряжения одной (отрицательной) полярности объединены и соединены с выходами 13, 18 наибольшего напряжения блоков 9, 10, а выходы 29, 30, 31 выпрямленного напряжения другой (положительной) полярности операционных выпрямителей 23, 24, 25 блока 9 подключены к его трем другим выходам 15, 16, 17.
Блок 5 содержит ключ на транзисторе 32, вход которого соединен с входом блока 5. В коллекторную цепь транзистора 32 включена обмотка 33 контактора. Параллельно транзистору 32 подключены последовательно соединенные вспомогательный разомкнутый контакт 34 контактора и нормально-замкнутая кнопка 35 отключения контактора.
Устройство контроля работы и защиты трехфазного электродвигателя работает следующим образом.
A
A
B
A
C
A
B
A
B
При подаче питания на электродвигатель в обмотках 7 протекают фазные токи, воздействующие на датчики 1. На выходах датчиков 1 появляются постоянные положительные напряжения, пропорциональные действующим значениям фазных токов. В блоке 9 на объединенных выходах 26, 27, 28 выпрямителей 23, 24, 25 выделяется наибольшее (по величине) входное напряжение, пропорциональное, например, фазному току - I. Это напряжение имеет отрицательную полярность и поступает на выход 13 блока 9. Одновременно с этим на выходе 29 выпрямителя 23 блока 9 будет присутствовать напряжение равное нулю, а на выходах 30 и 31 выпрямителей 24, 25 блока 9 - положительные напряжения, пропорциональные разностям фазных токов: (I-I) и (I-I). Эти напряжения поступают на выходы 15, 16, 17 блока 9 и прикладываются к входам блока 10, который, аналогичным образом, выделяет на своем выходе 18 напряжение, пропорциональное максимальной (по величине) разности фазных токов двигателя, например (I-I). Полярность напряжения на выходе 18 блока 10, также как и на выходе 13 блока 9, отрицательная. Очевидно, что один из входящих в эту разность токов - I - является максимальным, а другой - I - минимальным фазным током. Напряжения с выходов 13, 18 блоков 9, 10 поступают на входы 14, 19 разностного усилителя 11. Усилитель 11 осуществляет вычисление напряжения, пропорционального среднеарифметическому значению максимального и минимального фазных токов, в соответствии с формулой:
A
A
B
A
B
I-1/2(I-I)=(I+I)/2.
Требуемые коэффициенты передачи по каждому входу 14, 19 усилителя 11 задаются с помощью соответствующих резисторов, подключенных к его входам.
Аналоговый делитель 12 определяет максимальную относительную величину разбаланса фазных токов как отношение максимальной разности фазных токов двигателя к их среднеарифметическому значению:
A
B
A
B
(I-I)/(I+I)/2.
Подключенный к выходу 22 делителя 12 блок 8 индикации отображает величину относительного рассогласования фазных токов электродвигателя, позволяя обслуживающему персоналу контролировать работу электродвигателя. При достижении этой величиной порогового уровня, задаваемого задатчиком 4, например 10-20%, срабатывает компаратор 2. Под действием выходного сигнала компаратора 2 в блоке 5 открывается транзистор 32, запитывающий обмотку 33 контактора. При этом размыкаются контакты 6, отключающие обмотки 7 электродвигателя от сети, и замыкается контакт 34, самоблокирующий обмотку 33 контактора. После устранения неисправности, вызвавшей дисбаланс фазных токов электродвигателя, с помощью кнопки 35 размыкается цепь обмотки 33 контактора, снимается ее блокировка и устройство возвращается в исходное состояние.
При необходимости устройство контроля работы и защиты может быть дооснащено элементами логики, памяти и индикации, позволяющими отображать фазы с наибольшим и наименьшим током и сохранять эту информацию после срабатывания защиты, что упрощает отыскание и устранение возникшей неисправности.
Таким образом, предлагаемое устройство реализует простой и универсальный способ контроля исправности и защиты трехфазного электродвигателя во всем диапазоне рабочих токов. Устройство позволяет предотвратить возникновение как аварийных, так и предаварийных состояний электродвигателя. Для его реализации требуется минимальное количество широко распространенных аналоговых микросхем. Оно характеризуется низкой стоимостью, малыми габаритами и весом, высокой надежностью и простотой эксплуатации.