автоматический выключатель с температурной защитой для электродвигателя

Формула изобретения

1. Автоматический выключатель с температурной защитой для электродвигателей, содержащий корпус с крышкой, механизм свободного расцепления, подвижные и неподвижные контакты с дугогасительными камерами, электромагнитные расцепители, отличающийся тем, что он снабжен блоком управления с входящим в него блоком управляющего делителя с группой терморезисторов по числу контролируемых зон, предназначенных для установки в соответствующих зонах электродвигателя, а также расцепителем минимального тока, содержащим модуль усилителя мощности и в каждом полюсе автоматического выключателя модуль транзисторного ключа, при этом расцепитель минимального тока содержит в каждом полюсе автоматического выключателя трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом модуля транзисторного ключа, причем выходы модулей транзисторных ключей соединены между собой последовательно и это соединение подключено к входу модуля усилителя мощности, к выходу которого подсоединена катушка исполнительного реле автоматического выключателя.

2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что модуль транзисторного ключа представляет собой транзистор, база которого через резистор и эмиттер соединены с RC-фильтром, подключенным к выходу выпрямительного блока, вход которого является и входом модуля, а выходами модуля являются коллектор и эмиттер транзистора и свободный конец резистора, включенного в цепь эмиттера, причем выходы модулей соединены между собой последовательно, эмиттер модуля фазы A соединен с коллектором модуля фазы B, эмиттер модуля фазы B соединен с коллектором модуля фазы C, а выход с резистора в цепи эмиттера модуля фазы C является выходом последовательного соединения модулей транзисторных ключей.

3. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что модуль усилителя мощности представляет собой транзистор, база которого соединена через резистор с одним входом модуля, а второй его вход соединен с эмиттером, причем между эмиттером и базой включен резистор, выходами модуля являются эмиттер, коллектор и катод диода, анод которого соединен с коллектором, а катушка исполнительного реле автоматического выключателя подключена параллельно диоду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области низковольтного аппаратостроения, в частности к автоматическим выключателям для защиты электродвигателей.

Известно использование для защиты электродвигателей от токов перегрузки и токов короткого замыкания автоматических выключателей, отвечающих условиям I_с.п. = (1,2 - 1,4) I_н.дв.; I_с.р. = нI_n, I_с.п. = (1,5 - 2) I_п, где I_н.дв. - номинальный ток электродвигателя, I_п - пусковой ток электродвигателя, I_с.п. - ток срабатывания автоматического выключателя от перегрузки, I_с.р. - ток несрабатывания автоматического выключателя при пуске электродвигателя н - коэффициент надежности отстройки отсечки автоматического выключателя при пуске электродвигателя, с.п. - время срабатывания автоматического выключателя при токе I = I_п, n - длительность пуска электродвигателя [1].

Длительность пуска одного и того же электродвигателя при легких условиях пуска составляет 0,5 - 2 с, при тяжелых - 5 - 10 с, т.е. однозначно заранее задано быть не может. Она зависит от конструкции электродвигателя, характера и величины нагрузки, номинальной скорости вращения. Поэтому защита электродвигателей автоматическими выключателями очень неэффективна.

Известно, что наиболее рациональным устройством защиты электродвигателей является устройство температурной защиты, непосредственно реагирующее на температуру.

Температурная защита может применяться при любых рабочих режимах электродвигателя и защищает его в различных аварийных режимах, связанных с нагревом, независимо от причин, их вызывающих. Для контроля температуры могут применяться датчики самого различного принципа действия, основанного на различных термометрических эффектах.

Наибольшее применение в современных системах находят датчики, основанные на электрическом преобразовании температуры, т.е. термометры сопротивления и термопары. К датчикам температуры в системе температурной защиты электродвигателей предъявляются жесткие требования: высокая чувствительность, малая инерционность, достаточная электрическая и механическая прочность, стабильность и идентичность параметров и т.п. Этим требованиям в большей степени удовлетворяют позисторы. Температурная защита предполагает наличие датчика температуры в защищаемых элементах конструкции электродвигателя и блока управления, расположенного вне электродвигателя и соединенного кабелем с датчиками [2].

Однако возможности применения такого устройства температурной защиты ограничиваются значением скорости нарастания температуры электродвигателя из-за тепловой инерции позисторов.

Имеют меньшую тепловую инерционность устройства температурной защиты, у которых в качестве датчика температуры используют термометр сопротивления из медной проволоки, представляющий собой бифилярно намотанную плоскую катушку, входящую в один из делителей напряжения блока управления [3].

Недостатком такого устройства температурной защиты является достаточно большая инерционность срабатывания, что осложняет эффективность его работы при больших скоростях нарастания температуры (свыше 2^oC/с). Инерционность такого датчика температуры обусловлена тем, что он клеется на изоляцию и слой клея является дополнительным источником инерционности срабатывания.

Таким же недостатком обладает и устройство температурной защиты, которое может быть использовано в качестве задающего элемента в автоматическом выключателе с независимым расцепителем, выполняющим функции теплового расцепителя, содержащее блок управления с входящим в него блоком управляющего делителя с группой терморезисторов по числу контролируемых зон, предназначенных для установки в соответствующих зонах защищаемого объекта [4].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является автоматический выключатель, содержащий корпус с крышкой, механизм свободного расцепителя, подвижные и неподвижные контакты с дугогасительными камерами, термобиметаллические и электромагнитные максимальные расцепители тока [5].

Такие автоматические выключатели осуществляют параметрическую защиту электродвигателей, т. е. защиту по току в обмотке статора. Однако в процессе эксплуатации электродвигателя нагревание любой из его частей ограничивается определенными пределами. Основные ограничения накладываются на температуру электрической изоляции, определяемую классом нагревостойкости, т.е. способностью изоляции выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без ее недопустимого ухудшения. При нагревании в электрической изоляции происходят необратимые физико-химические процессы, ведущие к ее старению, т.е. постепенной утрате механической прочности и изолирующих свойств. Изоляция становится неспособной противостоять обычным вибрациям или ударам, деформациям из-за различия коэффициентов теплового расширения, проникновения влаги, коммутационным перенапряжениям. В результате происходит электрический пробой изоляции и выход электродвигателя из строя. Чем выше температура изоляции, тем больше скорость ее старения, тем меньше срок службы электродвигателя.

В основу изобретения поставлена задача создания такого автоматического выключателя с температурной защитой для электродвигателя, в котором благодаря введению в него элементов, обеспечивающих совмещение температурной защиты с защитой от исчезновения напряжения в любой из фаз сети питания электродвигателя, и расцепителя минимального тока, обеспечивается уменьшение времени срабатывания при больших скоростях нарастания температуры в фазных обмотках необорванных фаз питания электродвигателя и за счет этого снижается инерционность срабатывания автоматического выключателя.

Поставленная задача решается следующим образом. Автоматический выключатель с температурной защитой для электродвигателей содержит механизм свободного расцепления, корпус с крышкой, подвижные и неподвижные контакты с дугогасительными камерами, электромагнитные расцепители. Согласно изобретению он снабжен блоком управления с входящим в него блоком управляющего делителя с группой терморезисторов по числу контролируемых зон, предназначенных для установки в соответствующих зонах электродвигателя, а также расцепителем минимального тока, содержащим модуль усилителя мощности и в каждом полюсе автоматического выключателя модуль транзисторного ключа. Расцепитель минимального тока содержит в каждом полюсе автоматического выключателя трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом модуля транзисторного ключа, причем выходы модулей транзисторных ключей соединены между собой последовательно и это соединение подключено к входу модуля усилителя мощности, к выходу которого подсоединена катушка исполнительного реле автоматического выключателя.

Кроме того, модуль транзисторного ключа может представлять собой транзистор, база которого через резистор и эмиттер соединены с RC-фильтром, подключенным к выходу выпрямительного блока, вход которого является и входом модуля, а выходами модуля являются коллектор и эмиттер транзистора, и свободный конец резистора, включенного в цепь эмиттера, причем выходы модулей соединены между собой последовательно, эмиттер модуля фазы A соединен с коллектором модуля фазы B, эмиттер модуля фазы B соединен с коллектором модуля фазы C, а выход с резистора в цепи эмиттера модуля фазы C является выходом последовательного соединения модулей транзисторных ключей.

Модуль усилителя мощности может представлять собой транзистор, база которого соединена через резистор с одним входом модуля, а второй его вход соединен с эмиттером, причем между эмиттером и базой включен резистор, выходами модуля являются эмиттер, коллектор и катода диода, анод которого соединен с коллектором, а катушка исполнительного реле автоматического выключателя подключена параллельно диоду.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достижением технического результата заключается в следующем.

Именно благодаря тому, что автоматический выключатель снабжен устройством температурной защиты, и получена возможность осуществления контроля непосредственно за температурой в соответствующих зонах электродвигателя при любых его рабочих режимах и защиты электродвигателя в различных аварийных ситуациях, связанных с нагревом.

Благодаря тому, что автоматический выключатель с температурной защитой снабжен расцепителем минимального тока обеспечивается мгновенное отключение электродвигателя в случае исчезновения напряжения в любой из питающих его фаз. В случае исчезновения напряжения в одной из фаз электродвигателя ток в оставшихся фазах резко повышается и вследствие этого быстро нарастает температура обмоток электродвигателя в этих фазах. Устройство же температурной защиты ввиду своей инерционности не успевает вовремя отреагировать на столь высокую скорость нарастания температуры и это выполняет расцепитель минимального тока, что и обусловливает снижение инерционности срабатывания автоматического выключателя с температурной защитой при больших скоростях нарастания температуры в обмотках электродвигателя при исчезновении напряжения в одной из питающих фаз.

Сущность изобретения для защиты трехфазного асинхронного электродвигателя поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема модуля транзисторного ключа; на фиг. 2 приведена принципиальная схема модуля усилителя мощности; на фиг. 3 приведена схема соединения элементов расцепителя минимального тока автоматического выключателя, осуществляющего защиту электродвигателя от исчезновения напряжения в одной из питающих его фаз.

Каждая фаза A, B, C автоматического выключателя (на фиг. не показан) содержит трансформатор тока I, вторичная обмотка которого соединена со входом "а" и "б" модуля транзисторного ключа 2. Модуль транзисторного ключа 2 содержит транзистор 3, база которого соединена через резистор 4 с RC-фильтром 5. Фильтр 5 соединен с выходом выпрямительного блока 5, а вход выпрямительного блока 6 является входами "а" и "б" модуля транзисторного ключа 2. В эмиттер транзистора 3 включен резистор 7. Выходами модуля транзисторного ключа 2 являются коллектор "в", эмиттер "г" и свободный конец "д" резистора 7.

Выходы модулей транзисторных ключей 2 соединены последовательно: эмиттер модуля фазы A соединен с коллектором модуля фазы B, эмиттер модуля фазы B соединен с коллектором модуля фазы C, а выходы "г" и "д" с резистора 7 модуля фазы C соединены с входом "а" и "б" модуля усилителя мощности 8.

Модуль усилителя мощности 8 содержит транзистор 9, вход которого включен через делитель напряжения на резисторах 10 и 11. Выходами модуля усилителя мощности являются эмиттер "в", коллектор "д" и анод "г" диода 12, катод которого соединен с коллектором. К выходам "д" и "г" модуля усилителя мощности 8 присоединена катушка 13 исполнительного реле автоматического выключателя, управляющего работой электродвигателя (на фиг. 1 - 3 не показан). Отрицательный зажим дополнительного источника питания соединен с выходом "в", а положительный зажим - с выходом "г" модуля усилителя мощности 8 и выходом "в" модуля транзисторного ключа 2 фазы A.

Автоматический выключатель работает следующим образом.

При протекании номинального тока I_н по всем трех фазам A, B и C автоматического выключателя, на выходе каждого из трансформаторов тока I, т.е. на входе "а" и "б" модуля транзисторного ключа 2, появляется напряжение, преобразуемое выпрямительным блоком 6 модуля транзисторного ключа 2 в постоянное напряжение. Уровень напряжения в этом случае достаточен для открытия транзистора 3, что обеспечивается подбором значений RC-фильтра 5 и резистора 4. Выходы "в", "г" и "д" модулей транзисторных ключей 2 соединены последовательно и все соединение образует логическую схему И-НЕ. Сигнал с резистора 7 (выходы "г" и "д") модуля транзисторного ключа 2 фазы C подается на вход "а" и "б" модуля усилителя мощности 8. Значение резисторов 7, 10 и 11 таково, что при всех значениях токов в каждой фазе I_н, транзистор 9 модуля усилителя мощности 8 открыт. По катушке 13 исполнительного реле удерживающего типа автоматического выключателя протекает ток, достаточный для удержания автоматического выключателя во включенном положении на необходимое длительное время. Диод 12 необходим для шунтирования токов против ЭДС в катушке исполнительного реле 13.

В случае исчезновения напряжения в любой из фаз A, B, C (например, обрыв), транзистор 3 модуля транзисторного ключа 2 соответствующей фазы закрывается. Падение напряжения на входе "а" и "б" модуля усилителя мощности исчезает, что приводит к закрытию его транзистора 9. Катушка 13 исполнительного реле обесточивается, что приводит к мгновенному срабатыванию автоматического выключателя, который отключает электродвигатель.

В случае возникновения аварийных токов перегрузки (1,05 I_н) защита электродвигателя осуществляется устройством температурной защиты автоматического выключателя (на фиг. 1 - 3 устройство температурной защиты не показано).

Таким образом, предлагаемый автоматический выключатель осуществляет защиту от малых токов перегрузки через устройство температурной защиты, от токов короткого замыкания с помощью электромагнитных расцепителей и дополнительно от исчезновения напряжения в любой из фаз с помощью расцепителя минимального тока. Кроме того, предлагаемый автоматический выключатель позволяет снизить инерционность температурной защиты, что повышает надежность защиты электродвигателей.

Необходимо отметить, что модуль транзисторного ключа и модуль усилителя мощности выполнены в одинаковых оболочках, что значительно облегчает монтаж.

Источники информации

1. Особенности защиты асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (К.К. Намитоков, В.Н. Терешин, В.Г. Брезинский и др.//Сб. научн.тр./ Всесоюз. научн-исслед. , проектно-констр. и технолог. институт электроаппаратостроения. - 1990. с. 51 - 58.

2. Воробьев В.А. и др. Состояние и перспективы совершенствования температурной защиты электродвигателей /В.А. Воробьев, Я.Б. Тубис, И.В. Никитина//Электротехн.пром-сть. Сер. 07. Электр. аппараты и устройства низкого напряжения: Обзор. информ. 1990. Вып. 15. с. 1 - 36.

3. Авт. св. СССР 1274056, кл. H 02 H 5/04, БИ N 4, 1986.

4. Авт. св. СССР 1462447, кл. H 02 H 5/04, БИ N 8, 1989.

5. Авт. св. СССР 1453472, кл. H 01 H 73/22, БИ N 3, 1989 - прототип.