устройство для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима

Формула изобретения

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима сети, содержащее резервированный источник питания, подключенный к клеммам фаз А, В, С и к нулевому проводу N питающей сети; блок контроля фазных напряжений, выполненный в виде трех компараторов напряжения, не инвертирующий вход каждого из которых снабжен конденсатором и через делитель напряжения и диод соединен с клеммой для подключения к соответствующему фазному проводу сети, инвертирующие входы объединены в общую точку, снабжены конденсатором и соединены через диод с узлом опорного напряжения, который подключен к шинам постоянного тока резервированного источника питания, объединенные инвертирующие и каждый неинвертирующий входы компараторов напряжения снабжены стабилитронами; выходы компараторов напряжения через токоограничивающие резисторы подключены к базам однотранзисторных усилителей, эмиттеры однотранзисторных усилителей подключены к минусовой шине резервированного источника питания, коллекторы однотранзисторных усилителей подключены к выводам катушек исполнительных реле, другие выводы катушек исполнительных реле подключены к плюсовой шине резервированного источника питания, катушки исполнительных реле зашунтированы диодами, отметим, что фазе А питающей сети соответствует первое исполнительное реле, фазе В - второе исполнительное реле, фазе С - третье исполнительное реле, выводы питания компараторов напряжения подключены к шинам постоянного тока резервированного источника питания; к клемме фазы А питающей сети подключен один вывод катушки первого промежуточного реле, другой вывод катушки первого промежуточного реле через замыкающий контакт первого исполнительного реле и размыкающий контакт третьего исполнительного реле подключен к нулевому проводу N питающей сети, к клемме фазы В питающей сети подключен один вывод катушки второго промежуточного реле, другой вывод катушки второго промежуточного реле через замыкающий контакт второго исполнительного реле и размыкающий контакт первого исполнительного реле подключен к нулевому проводу N питающей сети, к клемме фазы С питающей сети подключен один вывод катушки третьего промежуточного реле, другой вывод катушки третьего промежуточного реле через замыкающий контакт третьего исполнительного реле и размыкающий контакт второго исполнительного реле подключен к нулевому проводу N питающей сети, катушка четвертого промежуточного реле одним выводом подключена к минусовой шине резервированного источника питания, другим выводом через параллельно соединенные замыкающие контакты исполнительных реле - к плюсовой шине резервированного источника питания; вход фильтра напряжения обратной последовательности непосредственно соединен с клеммами для подключения электродвигателя, а выход подключен к входу блока контроля напряжений обратной последовательности, выход которого одним выводом подключен к объединенным инвертирующим входам компараторов напряжения, другим выводом подключен к плюсовой шине резервированного источника питания, отличающееся тем, что используется блок генерирования фазы, содержащий силовой мостовой выпрямитель, вход которого одним выводом подключен к конденсатору управляющей фазосдвигающей LC-цепочки и через замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы А питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы В питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы С питающей сети, другой вывод силового мостового выпрямителя подключен к индуктивности управляющей фазосдвигающей LС-цепочки и через замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы В питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы С питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы А питающей сети, выход силового мостового выпрямителя подключен к клеммам питания двухтактного усилителя мощности; выход управляющей фазосдвигающей LС-цепочки подключен к одному выводу входа транзисторного двухтактного усилителя мощности, другой вывод входа транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен к нулевому проводу N питающей сети, выход транзисторного двухтактного усилителя мощности одним выводом подключен через замыкающий контакт первого промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы С питающей сети, этот же вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы А питающей сети, этот же вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы В питающей сети, другой вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен к нулевому проводу N питающей сети, который заземлен.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных электродвигателей от асимметрии напряжений сети и от симметричного снижения напряжения.

Известно устройство для защиты трехфазного электродвигателя от обрыва фазы [1], содержащее три реле фазных напряжений, имеющих замыкающие контакты, три промежуточных реле, имеющие переключающие и размыкающие контакты, реле времени, имеющее размыкающий контакт с выдержкой времени на размыкание, промежуточное реле с замыкающим контактом и фазосдвигающий блок. Устройство позволяет сохранить работоспособность электродвигателя при обрыве одной фазы, но оно не реагирует на несимметричное повышение напряжения.

Известно также устройство для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима [2], содержащее блок контроля фазных напряжений, состоящий из резервированного источника питания, диодов, резисторных делителей напряжения из последовательно включенных резисторов, узла опорного напряжения, собранного из резисторов, конденсаторов, компараторов напряжения, однотранзисторных усилителей и исполнительных реле, а также фазосдвигающий блок и три промежуточных реле.

Однако в известном устройстве при симметричном снижении напряжения со снижением напряжения на неинвертирующих входах компараторов снижается и опорное напряжение на их инвертирующих входах, в результате чего двигатель остается включенным; отсутствует контроль симметрии напряжения на выходе фазосдвигающего блока. Все это в целом снижает надежность электропривода.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима сети [3], содержащее фазосдвигающий блок, три промежуточных реле, резервированный источник питания и блок контроля фазных напряжений, выполненный в виде трех компараторов напряжения, неинвертирующий вход каждого из которых снабжен конденсатором и через делитель напряжения и диод соединен с клеммой для соединения с соответствующим фазным проводом сети, инвертирующие входы объединены в общую точку, снабжены конденсатором и соединены с узлом опорного напряжения, а выходы через однотранзисторные усилители подключены к катушкам исполнительных реле, дополнительно введены фильтр напряжения обратной последовательности, вход которого соединен с фазосдвигающим блоком, а выход - с блоком контроля напряжения обратной последовательности, задатчик минимального уровня напряжения сети, диоды, соединяющие выходы задатчика минимального уровня напряжения сети, блока контроля напряжения обратной последовательности и узла опорного напряжения с инвертирующими входами компараторов, а объединенные инвертирующие и каждый неинвертирующий входы снабжены стабилитронами.

Однако в известном устройстве при изменении мощности нагрузки изменяется угол сдвига поврежденной фазы относительно двух неповрежденных. Это происходит из-за того, что конкретной мощности нагрузки соответствуют определенные параметры элементов фазосдвигающей L-C цепочки. Это снижает надежность электропривода.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эксплуатационной надежности электропривода и расширение функциональных возможностей устройства.

Для достижения этого технического результата в устройстве для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима сети, содержащем резервированный источник питания, подключенный к клеммам фаз АВС и к нулевому проводу N питающей сети; блок контроля фазных напряжений, выполненный в виде трех компараторов напряжения, неинвертирующий вход каждого из которых снабжен конденсатором и через делитель напряжения и диод соединен с клеммой для подключения к соответствующему фазному проводу сети, инвертирующие входы объединены в общую точку, снабжены конденсатором и соединены через диод с узлом опорного напряжения, который подключен к шинам постоянного тока резервированного источника питания, объединенные инвертирующие и каждый неинвертирующий входы компараторов напряжения снабжены стабилитронами; выходы компараторов напряжения через токоограничивающие резисторы подключены к базам однотранзисторных усилителей, эмиттеры однотранзисторных усилителей подключены к минусовой шине резервированного источника питания, коллекторы однотранзисторных усилителей подключены к выводам катушек исполнительных реле, другие выводы катушек исполнительных реле подключены к плюсовой шине резервированного источника питания, катушки исполнительных реле зашунтированы диодами, отметим, что фазе А питающей сети соответствует первое исполнительное реле, фазе В - второе исполнительное реле, фазе С - третье исполнительное реле, выводы питания компараторов напряжения подключены к шинам постоянного тока резервированного источника питания; к клемме фазы А питающей сети подключен один вывод катушки первого промежуточного реле, другой вывод катушки первого промежуточного реле через замыкающий контакт первого исполнительного реле и размыкающий контакт третьего исполнительного реле подключен к нулевому проводу N питающей сети, к клемме фазы В питающей сети подключен один вывод катушки второго промежуточного реле, другой вывод катушки второго промежуточного реле, через замыкающий контакт второго исполнительного реле и размыкающий контакт первого исполнительного реле подключен к нулевому проводу питающей сети N, к клемме фазы С питающей сети подключен один вывод катушки третьего промежуточного реле, другой вывод катушки третьего промежуточного реле через замыкающий контакт третьего исполнительного реле и размыкающий контакт второго исполнительного реле подключен к нулевому проводу питающей сети N, катушка четвертого промежуточного реле одним выводом подключена к минусовой шине резервированного источника питания, другим выводом через параллельно соединенные замыкающие контакты исполнительных реле к плюсовой шине резервированного источника питания; вход фильтра напряжения обратной последовательности непосредственно соединен с клеммами для подключения электродвигателя, а выход подключен к входу блока контроля напряжений обратной последовательности, выход которого одним выводом подключен к объединенным инвертирующим входам компараторов напряжения, другим выводом подключен к плюсовой шине резервированного источника питания; используется блок генерирования фазы, содержащий силовой мостовой выпрямитель, вход которого одним выводом подключен к конденсатору управляющей фазосдвигающей L-С цепочки и через замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы А питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы В питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы С питающей сети, другой вывод силового мостового выпрямителя подключен к индуктивности управляющей фазосдвигающей L-С цепочки и через замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы В питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы С питающей сети, этот же вход силового мостового выпрямителя подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле к клемме фазы А питающей сети, выход силового мостового выпрямителя подключен к клеммам питания двухтактного усилителя мощности; выход управляющей фазосдвигающей L-C цепочки подключен к одному выводу входа транзисторного двухтактного усилителя мощности, другой вывод входа транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен к нулевому проводу N питающей сети, выход транзисторного двухтактного усилителя мощности одним выводом подключен через замыкающий контакт первого промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы С питающей сети, этот же вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен через замыкающий контакт второго промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт второго промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы А питающей сети, этот же вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен через замыкающий контакт третьего промежуточного реле к клемме для подключения двигателя, которая через размыкающий контакт третьего промежуточного реле и замыкающий контакт четвертого промежуточного реле подключена к клемме фазы В питающей сети, другой вывод выхода транзисторного двухтактного усилителя мощности подключен к нулевому проводу N питающей сети, который в свою очередь заземлен.

На чертеже представлена схема электрическая принципиальная предлагаемого устройства для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима.

Устройство выполнено в виде блока контроля фазных напряжений 1: резервированного источника питания 2, на выходе которого поддерживается постоянное стабилизированное напряжение, блока генерирования фазы 3, блока контроля напряжений обратной последовательности 4, фильтра напряжений обратной последовательности 5.

Блок контроля фазных напряжений 1 содержит резервированный источник питания 2; диоды 6, 7, 8, включенные между фазами сети А, В, С с одной стороны, и резисторными делителями напряжения 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 (для каждой фазы соответственно) с другой стороны; узел опорного напряжения, который одновременно является задатчиком минимального уровня напряжения сети, собранный из подстроечного сопротивления 15 и резистора 16; конденсаторы 17, 18, 19, сглаживающие контролируемые сигналы, подающиеся с делителей напряжения на неинвертирующие входы компараторов напряжения 20, 21, 22; конденсатор 23, сглаживающий опорный сигнал, подающийся через диод 24 на объединенные инвертирующие входы компараторов напряжения 20, 21, 22; стабилитроны 25, 26, 27, ограничивающие максимальный уровень сигнала на неинвертирующих входах компараторов напряжений 20, 21, 22, который меньше уровня сигнала на объединенных инвертирующих входах, ограничиваемого стабилитроном 28 при срабатывании блока контроля напряжений обратной последовательности 4 или при значительном повышении напряжения сети. С помощью подстроечного сопротивления 15 регулируется уровень опорного напряжения и уровень минимального напряжения сети. Диод 24 связывает узел опорного напряжения с объединенными инвертирующими входами компараторов напряжения 20, 21, 22. Блок 1 также содержит три однотранзисторных усилителя 29, 30, 31, в цепи коллекторов которых включены исполнительные реле 32, 33, 34; токоограничивающие резисторы 35, 36, 37, включенные в цепи баз однотранзисторных усилителей 29, 30, 31; диоды 38, 39, 40, служащие для защиты исполнительных реле 32, 33, 34. Устройство также включает в себя три промежуточных реле 41, 42, 43, катушки которых присоединены одним выводом через замыкающие контакты 44, 45, 46 и размыкающие контакты 47, 48, 49 исполнительных реле 32, 33, 34 к нулевому проводу, причем первое промежуточное реле 41 подключено через замыкающий контакт 44 первого исполнительного реле 32 и размыкающий контакт третьего исполнительного реле 34, второе промежуточное реле 42 подключено через замыкающий контакт 45 второго исполнительного реле 33 и размыкающий контакт первого исполнительного реле 32, третье промежуточное реле 43 подключено через замыкающий контакт 46 третьего исполнительного реле 34 и размыкающий контакт первого исполнительного реле 32, другие выводы промежуточных реле 41, 42, 43 подключены к клеммам фаз А, В, С соответственно. Промежуточное реле 41 имеет один размыкающий контакт 50 и три замыкающих контакта 51, 52, 53. Промежуточное реле 42 имеет один размыкающий контакт 54 и три замыкающих контакта 55, 56, 57. Промежуточное реле 43 имеет один размыкающий контакт 58 и три замыкающих контакта 59, 60, 61. Промежуточное реле 62 имеет три замыкающих контакта 63, 64, 65, подключается одним выводом через контакты 66, 67, 68 исполнительных реле 32, 33, 34 соответственно к положительной шине резервированного источника питания 2, другим выводом к отрицательной шине резервированного источника питания 2 и защищает электродвигатель 69 от симметричного снижения напряжения ниже допустимого уровня.

Блок генерирования фазы 3 содержит: блок питания, состоящий из силового мостового выпрямителя 70-73; сглаживающего конденсатора 74; управляющей фазосдвигающей L-C цепочки, сдвигающей первоначальный сигнал с предыдущей “здоровой” фазы на 120 электрических градусов, содержащей индуктивность 75 и емкость 76; двухтактный усилитель мощности, содержащий: управляющий согласующий трансформатор 77, силовой согласующий трансформатор 78, два мощных низкочастотных транзистора 79, 80, резисторы 81, 82, задающие начальную рабочую точку и обеспечивающие обратную связь, конденсатор 83, обеспечивающий беспрепятственное управление переменным сигналом.

Блок контроля напряжений обратной последовательности 4 подключен к выходу фильтра напряжений обратной последовательности 5. В блок контроля напряжений обратной последовательности 4 входят следующие элементы: мостовой выпрямитель 84-87; конденсатор 88, сглаживающий пульсации и задающий выдержку времени; резисторный делитель, состоящий из резистора 89 и подстроечного сопротивления 90; пороговый элемент 91; оптопара 92, фотодиод которой с резистором 93 образует делитель напряжения, управляющий транзистором 94, коллектор которого соединен с источником питания через резистор 95 и через резистор 96 с базой транзистора 97; диод 98 и резистор 99, образующие положительную обратную связь; резистор 100, с которого снимается управляющий сигнал, и через диод 101 подается на инвертирующие входы компараторов напряжения 20, 21, 22 блока контроля напряжений обратной последовательности 1.

Фильтр напряжения обратной последовательности 5 подключен к электродвигателю 69 и позволяет контролировать симметрию напряжений на его клеммах. Фильтр напряжения обратной последовательности 5 состоит из резисторов 102, 103 и конденсаторов 104, 105.

Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от асимметричного режима работает следующим образом.

При подаче симметричного напряжения на вход устройства на блок контроля фазных напряжений 1 подается питающее напряжение с резервированного источника питания 2. Одновременно с этим на неинвертирующие входы компараторов напряжения 20, 21, 22 через резисторные делители напряжения 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 приходит контролируемый сигнал, а на инвертирующие входы от узла опорного напряжения, состоящего из подстроечного сопротивления 15 и резистора 16, через диод 24 приходит опорный сигнал меньшего потенциала. В результате их сравнения на выходе компараторов напряжения 20, 21, 22 возникает потенциал, отпирающий однотранзисторные усилители 29, 30, 31, вызывая срабатывание исполнительных реле 32, 33, 34, которые размыкают свои контакты 47, 48, 49, тем самым обесточивая промежуточные реле 41, 42, 43. Размыкающие контакты 50, 54, 58 промежуточных реле 41, 42, 43 подключат электродвигатель к сети, а замыкающие контакты 51, 52, 53; 55, 56, 57; 59, 60, 61 отключат блок генерирования фазы 3. Электродвигатель включен и работает на трех фазах сети.

При симметричном снижении напряжений сети контролируемое напряжение на неинвертирующих входах компараторов напряжения 20, 21, 22 снижается пропорционально фазным напряжениям, напротив, сигнал на выходе узла опорного напряжения не изменяется. Как только сигналы на неинвертирующих входах станут меньше уровня, установленного на инвертирующих входах, компараторы напряжения 20, 21, 22 изменят свое состояние, обесточив исполнительные реле 32, 33, 34, которые разомкнут контакты 66, 67, 68 в цепи питания промежуточного реле 62, отключив электродвигатель и блок генерирования фазы 3 от питающей сети.

При восстановлении уровня напряжений электродвигатель снова включится в рабочий режим.

При снижении напряжения в одной из фаз (например, в фазе А) контролируемое напряжение на неинвертирующем входе компаратора напряжения 20 снижается пропорционально фазному напряжению, в то же время опорное напряжение остается неизменным. При снижении контролируемого напряжения ниже опорного компаратор напряжения 20 перейдет в другое устойчивое состояние и на его выходе исчезнет потенциал. Однотранзисторный усилитель 29 обесточит исполнительное реле 32. Замкнется контакт 48 исполнительного реле 32, катушка промежуточного реле 42 получит питание и своим размыкающим контактом 54 отключит обесточенную фазу. Замыкающие контакты 55 и 56 подключат силовой мостовой выпрямитель 70-73 и управляющую фазосдвигающую L-С цепочку на напряжение U_BC. С выхода силового мостового выпрямителя постоянное напряжение подается на клеммы питания двухтактного усилителя мощности. На вход двухтактного усилителя мощности подается сигнал с выхода управляющей фазосдвигающей L-С цепочки. С вторичных полуобмоток управляющего согласующего трансформатора 77 управляющие сигналы подаются на базы мощных низкочастотных транзисторов 79, 80. Сигналы усиливаются и подаются на первичные полуобмотки силового согласующего трансформатора 78. С выхода силового согласующего трансформатора 78 напряжение через замыкающий контакт 57 подается на фазу А электродвигателя, что обеспечит более полное использование мощности электродвигателя.

При исчезновении несимметрии блок генерирования фазы 3 отключается, а электродвигатель подключается к трем фазам сети.

Контроль симметрии напряжений после включения блока генерирования фазы 3 производится при помощи фильтра напряжений обратной последовательности 5 и блока контроля напряжений обратной последовательности 4. В случае, если несимметрия напряжений превышает допустимый уровень, то с выдержкой времени произойдет открытие порогового элемента 91, в результате передачи информации через оптопару 92, фотодиод которой изменит сопротивление обратному току, под воздействием более положительного потенциала откроется транзистор 94, открывая отрицательным потенциалом транзистор 97. С резистора 100 управляющий сигнал через диод 101 подается на инвертирующие входы компараторов напряжения 20, 21, 22. Напряжение стабилизации стабилитрона 28 выше напряжения стабилизации стабилитронов 25, 26, 27, чем обеспечивается надежное переключение компараторов напряжения и отключение электродвигателя при любом уровне напряжения сети. Положительная обратная связь на резисторе 99 и диоде 98 обеспечивает запоминание состояния. Повторное включение возможно только после отключения защиты от сети.

При снижении напряжения в любой другой фазе произойдут аналогичные переключения.

При обрыве двух фаз на электродвигатель подается только одна фаза, что аналогично отключению электродвигателя от сети.

При снижении напряжения в двух фазах ниже допустимого уровня устройство сымитирует искусственный обрыв двух фаз.

При отсутствии напряжения на входе устройства отсутствует питание блока контроля фазных напряжений 1 и промежуточных реле 41, 42, 43 электродвигатель отключен.

Источники информации

1. А.с. СССР № 1798850, Н 02 Н 7/09, 1993 г.

2. А.с. СССР № 1830585, Н 02 Н 7/09, 1993 г.

3. А.с. RU № 2115988 C1, Н 02 Н 7/09, 1996 г. - прототип.