устройство сохранения и воспроизведения теплового состояния защищаемого электродвигателя

Формула изобретения

Устройство сохранения и воспроизведения теплового состояния защищаемого электродвигателя, содержащее микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, конденсатор, первый вывод которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, резистор, подключенный параллельно конденсатору, первый и второй ключи с входами управления, соединенными с выходами микропроцессора, и двумя выводами, при этом первый вывод первого ключа подключен к первому выводу конденсатора, а второй - к клемме для подключения источника питания, первый вывод второго ключа подключен к первому выводу конденсатора, а второй предназначен для подключения к общему проводу источника питания, отличающееся тем, что дополнительно введены второй конденсатор и подключенный параллельно ему второй резистор, причем первые их выводы соединены с вторыми выводами первых конденсатора и резистора, а вторые выводы подключены к общему проводу источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано в устройствах защиты электродвигателей на базе микропроцессорной техники.

Известно устройство сохранения состояния цифрового расцепителя максимального тока с электропитанием от защищаемой цепи с использованием RC-элемента [1].

Основной его недостаток заключается в недостаточной надежности по отношению к сбоям, возникающим при работе микропроцессорного устройства защиты. Кроме того, это устройство вообще не способно воспроизводить тепловое состояние защищаемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является устройство сохранения состояния микропроцессорной тепловой защиты электродвигателя по патенту РФ 1787302 [2], принципиальная схема которого представлена на фиг. 1. Устройство содержит микропроцессор 1 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 2, первый 3 и второй 4 ключи, управляемые микропроцессором, конденсатор 5 и резистор 6.

В рассматриваемом устройстве микропроцессор, измеряя ток, потребляемый двигателем, вычисляет температуру его перегрева, сохраняя рассчитанное значение температуры в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Если напряжение на конденсаторе 5 меньше соответствующего содержания ОЗУ, отражающего тепловое состояние двигателя, осуществляется заряд конденсатора 5 через первый управляемый микропроцессором ключ 3 до соответствующего значения напряжения. Если напряжение на конденсаторе 5 больше соответствующего содержания ОЗУ, выполняется разряд конденсатора 5 через второй управляемый микропроцессором ключ 4 до необходимого значения напряжения.

При возникновении сбоя в работе микропроцессорной защиты и последующем восстановлении ее работоспособности после, например, срабатывания устройства, контролирующего появление сбоев ("сторож"), напряжение на конденсаторе 5, соответствующее текущему тепловому состоянию двигателя, с помощью АЦП преобразуется в код, который заносится в ОЗУ и используется микропроцессором в качестве текущего значения перегрева защищаемого двигателя.

В случае временного исчезновения напряжения в сети, от которой запитан защищаемый двигатель и микропроцессорное устройство защиты, микропроцессор не работает, и охлаждение электродвигателя моделируется разрядом конденсатора 5 на подключенный параллельно резистор 6. При восстановлении электропитания напряжение на конденсаторе 5 с помощью АЦП преобразуется в код, который заносится в ОЗУ и используется микропроцессором в качестве начального значения перегрева защищаемого двигателя.

Однако в последнем случае перегрев двигателя воспроизводится со значительными погрешностями, поскольку удовлетворительно моделировать процесс его охлаждения контуром R-C с одной постоянной времени не представляется возможным. Электродвигатель в тепловом отношении является достаточно сложным объектом, и для достаточно точной имитации его тепловой динамики необходима модель с минимум двумя постоянными времени, отражающими по отдельности процессы теплообмена обмотки и стали статора.

Недостатком устройства-прототипа является неудовлетворительное по точности моделирование процесса охлаждения защищаемого двигателя.

Технический результат заявляемого решения - повышение точности моделирования процесса охлаждения защищаемого двигателя.

Технический результат достигается тем, что в устройство сохранения и воспроизведения теплового состояния защищаемого электродвигателя, содержащее микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, конденсатор, первый вывод которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, резистор, подключенный параллельно конденсатору, первый и второй ключи с входами управления, соединенными с выходами микропроцессора, и двумя выводами, при этом первый вывод первого ключа подключен к первому выводу конденсатора, а второй - к клемме для подключения источника питания, первый вывод второго ключа подключен к первому выводу конденсатора, а второй предназначен для подключения к общему проводу источника питания, дополнительно введены второй конденсатор и подключенный параллельно ему второй резистор, причем первые их выводы соединены со вторыми выводами первых конденсатора и резистора, а вторые выводы предназначены для подключения к общему проводу источника питания.

Сущность изобретения заключается в совершенствовании устройства воспроизведения теплового состояния защищаемого двигателя, достигаемом за счет использования в нем двухконтурной физической модели вместо ранее использовавшейся одноконтурной, что обеспечивает возможность значительно более точно моделировать процесс охлаждения обмотки двигателя.

Действительно, как указано, например, в [3], после отключения температура обмотки двигателя очень быстро уравнивается с температурой стали статора, а затем наступает регулярный режим охлаждения, при котором температура обмотки и стали снижается очень медленно. Смоделировать этот сложный процесс R-C контуром с одной постоянной времени, как это предложено в [1 и 2], не представляется возможным. Используя же модель с двумя последовательно соединенными R-C контурами с разными постоянными времени, можно выбрать такие значения этих постоянных, при которых реальный процесс охлаждения защищаемого объекта будет моделироваться достаточно точно.

Заявленное техническое решение соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия", так как отличительные признаки изобретения не являются общими с признаками прототипа и не встречаются среди известных устройств аналогичного назначения.

На фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:

1 - микропроцессор,

2 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП),

3, 4 - ключи,

5, 7 - конденсаторы,

6, 8 - резисторы.

Устройство содержит микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, первый 3 и второй 4 ключи, управляемые микропроцессором, первый конденсатор 5, зашунтированный разрядным резистором 6, и второй конденсатор 7, зашунтированный разрядным резистором 8. Конденсаторы 5 и 7 соединены последовательно и образуют совместно с резисторами 6 и 8 единую цепочку, процессы заряда и разряда которой описываются уравнениями с двумя постоянными времени.

Устройство работает следующим образом. Микропроцессор 1, измеряя ток, потребляемый двигателем, вычисляет температуру его перегрева, сохраняя рассчитанное значение температуры в ОЗУ. Если напряжение на цепочке конденсаторов 5-7 меньше соответствующего содержания ОЗУ, отражающего тепловое состояние двигателя, осуществляется заряд цепочки конденсаторов 5-7 через первый управляемый микропроцессором ключ 3 до соответствующего значения напряжения. Если напряжение на цепочке больше соответствующего содержания ОЗУ, выполняется ее разряд через второй управляемый микропроцессором ключ 4 до необходимого значения напряжения.

При возникновении сбоя в работе микропроцессорной защиты и последующем восстановлении ее работоспособности после, например, срабатывания устройства, контролирующего появление сбоев ("сторож"), напряжение на цепочке конденсаторов 5-7, соответствующее текущему тепловому состоянию двигателя, с помощью АЦП преобразуется в код, который заносится в ОЗУ и используется микропроцессором в качестве текущего значения перегрева защищаемого двигателя.

В случае временного исчезновения напряжения в сети, от которой запитан защищаемый двигатель и микропроцессорное устройство защиты, микропроцессор не работает, и охлаждение электродвигателя моделируется разрядом конденсаторов цепочки 5-7 на шунтирующие их резисторы 6 и 8. При восстановлении электропитания напряжение на цепочке конденсаторов 5-7 с помощью АЦП преобразуется в код, который заносится в ОЗУ и используется микропроцессором в качестве начального значения перегрева защищаемого двигателя.

Введенная в схему устройства цепочка последовательно включенных конденсаторов с шунтирующими их резисторами представляет собой сочетание двух R-C контуров, которые могут иметь различные постоянные времени разряда, что позволяет правильно моделировать процесс охлаждения двигателя на всех его стадиях. Так, параметры первого R-C контура, т.е. его постоянную времени, можно выбрать соответствующими быстропротекающему процессу начального охлаждения обмотки до температуры стали, а параметры второго контура - медленному охлаждению обмотки вместе со сталью статора двигателя. Соотношение номиналов резисторов 6 и 8 при этом следует выбрать таким, чтобы распределение падений напряжения на них в стационарном режиме соответствовало распределению превышений температур обмотки и стали. Настроенная таким образом модель будет отображать реальный процесс охлаждения обмотки отключенного двигателя.

Следовательно, в заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, не только сохраняется состояние микропроцессорной тепловой защиты при возникновении сбоя в ее работе или в случае кратковременного исчезновения напряжения, но также достаточно точно воспроизводится процесс охлаждения обмотки защищаемого двигателя в его отключенном состоянии как при кратковременном, так и при длительном пребывании в этом состоянии.

Достигаемая в заявленном устройстве точность моделирования расширяет его функциональные возможности, а именно - позволяет успешно защищать двигатели, работающие в режимах с произвольными по времени интервалами между соседними включенными состояниями.

Таким образом, преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключаются в следующем:

1. Улучшение качества работы микропроцессорной тепловой защиты благодаря повышению точности моделирования процесса охлаждения отключенного электродвигателя.

2. Обеспечение более широкой области возможного применения указанной защиты благодаря расширению ее (ункциональных возможностей на защиту двигателей, работающих в режимах с произвольными по времени интервалами между соседними включенными состояниями.

Источники информации

1. Патент ФРГ 3137496, Н 02 Н 7/08, 1987.

2. Патент РФ 1787302, Н 02 Н 5/04, 7/08, Н 01 Н 69/01, опубл. 07.01.93, БИ 1.

3. Кузнецов Р.С. Координация защитных характеристик аппаратов теплового действия и перегрузочной способности асинхронных двигателей // Электротехника, 1983, 5.