устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования

Формула изобретения

1. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования, содержащее каналы защиты от токовой и тепловой перегрузки, включающие датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока и установленный на фазном проводе, магнитный пускатель, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, цепь управления магнитного пускателя и исполнительное реле с выходным контактом, причем выходной контакт исполнительного реле включен в цепь управления магнитного пускателя, и закрепленный на электродвигателе контактный элемент, реагирующий на тепловую перегрузку электродвигателя, отличающееся тем, что канал защиты от токовой перегрузки, содержащий электронный блок формирования времятоковой характеристики, канал защиты от тепловой перегрузки, канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования и канал защиты от пуска электродвигателя при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя соединены между собой параллельно и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле.

2. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования по п.1, отличающееся тем, что канал защиты от токовой перегрузки содержит интегратор, к входу которого посредством усилителя и выпрямителя параллельно подключены установленные на двух фазных проводах датчики тока, электронный блок формирования времятоковой характеристики включает блок, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например, в квадратичной зависимости, который подсоединен к счетчику импульсов, засвечивающийся при включении счетчика импульсов предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» и засвечивающийся при заполнении счетчика импульсов аварийный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА».

3. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования по п.1, отличающееся тем, что канал защиты электродвигателя от тепловой перегрузки содержит контактный элемент, выполненный в виде температурного датчика, и аварийный индикатор «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», засвечивающийся при превышении измеренной датчиком температуры значения уставки температуры.

4. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования по п.1, отличающееся тем, что канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования содержит аварийный индикатор «СУХОЙ ХОД», засвечивающийся при уменьшении тока электродвигателя ниже значения уставки минимального тока.

5. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования по п.1, отличающееся тем, что канал защиты электродвигателя от пуска при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя содержит источник постоянного напряжения и аварийный индикатор «ИЗОЛЯЦИЯ», засвечивающийся при снижения сопротивления изоляции обмотки ниже значения уставки сопротивления.

6. Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования по п.2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» выполнен желтым цветом, а аварийные индикаторы «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «СУХОЙ ХОД» и «ИЗОЛЯЦИЯ» выполнены красным цветом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электродвигателя и приводимого им оборудования от недопустимой токовой и тепловой перегрузки, нештатного сброса нагрузки и недопустимого понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя.

Известно устройство для защиты электродвигателя от перегрева и перегрузки, содержащее датчик тока защищаемого электродвигателя, к выходу которого подключены вход исполнительного элемента и шунтирующий тиристор, последовательно соединенные ключ и элемент задержки, последовательно соединенные первый потенциометр и стабилитрон. Параллельно стабилитрону подключены последовательно соединенные датчик температуры двигателя, второй потенциометр, датчик температуры окружающей среды. Выход второго потенциометра соединен с одним из входов ключа, к другому входу которого через логический оператор ИЛИ присоединены выход элемента задержки и элемент отсечки по току [1].

Недостатком этого устройства является невысокая надежность защиты из-за несоответствия времятоковых характеристик устройства с тепловыми характеристиками двигателя.

Известно устройство для защиты электродвигателя с приводом насоса, содержащее датчик температуры, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый аккумулятор, блок регулирования и генератор импульсов [2]. Вход фильтра нижних частот предназначен для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора. Датчик температуры, установленный вблизи статорных обмоток погружного электродвигателя, подсоединен последовательно с диодом между нулевой точкой обмотки электродвигателя и его заземленным корпусом. Блок регулирования выполнен в виде двух блоков сравнения, выходы которых подключены к исполнительным механизмам.

Это устройство позволяет исключить влияние сопротивления изоляции на измерение температуры нагрева статорных обмоток электродвигателя.

Недостатком данного устройства является отсутствие в нем элементов защиты погружного электродвигателя от срыва подачи электронасоса, контролируемого по давлению в скважине, что может привести к возникновению в насосе «сухого трения», повышению газового фактора откачиваемой жидкости и, следовательно, к ухудшению охлаждения двигателя и силового кабеля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для защиты электродвигателя от анормальных режимов работы, содержащее датчик тока в виде трансформатора тока, который выполнен с возможностью крепления на электродвигателе с обеспечением теплового контакта с электродвигателем в точке контроля температуры, при этом сердечник трансформатора тока выполнен из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри, что позволяет расширить функциональные возможности устройства путем обеспечения температурной защиты электродвигателя [3]. При этом точка Кюри равна максимально допустимой температуре электродвигателя в месте расположения трансформатора тока.

В устройстве-прототипе при достижении максимально допустимой температуры электродвигателем сердечник трансформатора тока теряет магнитные свойства при достижении точки Кюри, что приводит к отключению магнитного пускателя и электродвигателя от сети. В режиме перегрузки электродвигателя по току при превышении допустимого значения либо при обрыве фазы происходит также отключение электродвигателя от сети.

Однако при работе электродвигателя величина допустимого превышения тока свыше номинального во многом зависит от времени действия этого тока. Так, чем меньше время действия, тем больше величину тока можно пропустить в обмотках электродвигателя без аварийных последствий, в то время как при больших временах воздействия величина тока должна быть уменьшена. Таким образом, наличие только одного значения допустимого тока без учета его продолжительности при коротких временах его протекания может привести к необоснованному отключению электродвигателя, а при значительных временах - к запоздалому отключению с аварийными последствиями для электродвигателя.

В устройстве-прототипе ограничены функциональные возможности, поскольку не происходит отключение электродвигателя при исчезновении нагрузки со стороны приводимого им оборудования, что сопровождается понижением тока. Так, если приводимое оборудование представляет собой, например, конвейер, лифт и др., то несанкционированный сброс нагрузки свидетельствует о его остановке или отсоединении от электродвигателя. Особенно опасной ситуация будет, если в качестве приводимого оборудования выступает насос для перекачки жидкости, например воды, поскольку в этом случае произойдет работа насоса в режиме «сухого хода» и неизбежное повреждение.

Кроме того, при использовании устройства-прототипа возможен запуск в ход электродвигателя при пониженном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса, что возникает при попадании влаги или иных агрессивных сред, в которых функционирует оборудование и электродвигатель. Это устройство не сможет защитить электродвигатель от возникающей при этом аварийной ситуации.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты электродвигателя и приводимого оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве защиты электродвигателя и приводимого оборудования, содержащем каналы защиты от токовой и тепловой перегрузки, включающие датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока и установленный на фазном проводе, магнитный пускатель, силовые контакты которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя, элементы управления магнитного пускателя, и исполнительное реле с выходным контактом, причем вход исполнительного реле подключен к выходу датчика тока, а его выходной контакт включен в цепь управления магнитного пускателя, и закрепленный на электродвигателе контактный элемент, реагирующий на тепловую перегрузку электродвигателя, канал защиты от токовой перегрузки, содержащий электронный блок формирования времятоковой характеристики, канал защиты от тепловой перегрузки, канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования и канал защиты от пуска электродвигателя при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя соединены между собой параллельно и подключены посредством логического оператора ИЛИ к исполнительному реле, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя.

Кроме того, канал защиты от токовой перегрузки содержит интегратор, к входу которого посредством усилителя и выпрямителя параллельно подключены установленные на двух фазных проводах датчики тока, а электронный блок формирования времятоковой характеристики включает блок, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например в квадратичной зависимости, который подсоединен к счетчику импульсов.

Канал защиты от токовой перегрузки содержит предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», засвечивающийся при включении счетчика импульсов, и аварийный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», засвечивающийся при заполнении счетчика импульсов.

Канал защиты электродвигателя от тепловой перегрузки содержит контактный элемент, выполненный в виде температурного датчика, и аварийный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», засвечивающийся при превышении температурой, измеренной датчиком, значения уставки по температуре.

Канал защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования содержит аварийный индикатор «СУХОЙ ХОД», засвечивающийся при уменьшении тока электродвигателя ниже значения уставки по минимальному току.

Канал защиты электродвигателя от пуска при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя содержит источник постоянного напряжения и аварийный индикатор «ИЗОЛЯЦИЯ», засвечивающийся при снижении сопротивления изоляции обмотки ниже значения уставки по сопротивлению.

Предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» выполнен желтым цветом, а аварийные индикаторы «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «СУХОЙ ХОД» и «ИЗОЛЯЦИЯ» выполнены красным цветом.

В предлагаемом изобретении осуществляется комплексная защита электродвигателя от:

1) недопустимой перегрузки по току, вызванной обрывом одной из фаз статорной обмотки или линии питания, несимметрией фазных напряжений, технологической перегрузкой, заклиниванием ротора или междувитковыми замыканиями;

2) нештатного исчезновения нагрузки, например, из-за работы насоса в режиме «сухого хода»;

3) понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня;

4) недопустимой тепловой перегрузки двигателя, вызванной ухудшением условий его охлаждения.

Наличие логического оператора ИЛИ приводит к отключению электродвигателя при возникновении любого из указанных выше факторов. Наличие блока формирования времятоковой характеристики в канале защиты двигателя от токовой перегрузки позволяет учесть не только кратность токовой перегрузки, но и ее продолжительность. При этом можно сформировать реальную характеристику для конкретного электродвигателя, например квадратичную, по которой будет происходить его отключение.

Параллельное соединение каналов защиты повышает надежность устройства защиты, поскольку, если один из каналов по какой-либо причине не сработает, то защита произойдет по другим каналам.

Предлагаемое защитное устройство позволяет выдавать сигналы о перегрузке двигателя, пропорциональные его току, в цифровом виде, что важно для записи на регистрирующие приборы и установления причин аварийного отключения.

Наличие предупредительного индикатора «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» и аварийных индикаторов «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА», «СУХОЙ ХОД» и «ИЗОЛЯЦИЯ», а также выполнение их желтым и красным цветом, привычными для многих людей, создает удобство для оператора.

На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства защиты электродвигателя и приводимого оборудования;

на фиг.2 - развернутая структурная схема устройства защиты электродвигателя и приводимого оборудования;

на фиг.3 - структурная схема электронного блока формирования времятоковой характеристики;

на фиг.4 - времятоковая характеристика, формируемая электронным блоком, где t - время срабатывания устройства, K_I - кратность перегрузки по току;

на фиг.5 - электрическая схема устройства защиты электродвигателя и приводимого оборудования;

на фиг.6 - индикаторная панель устройства защиты.

Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования содержит канал 1 защиты от токовой перегрузки, канал 2 защиты от тепловой перегрузки, канал 3 защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования и канал 4 защиты от пуска электродвигателя 5 при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки 6 относительно корпуса электродвигателя. Эти каналы соединены параллельно между собой и подключены посредством логического оператора ИЛИ 7 к исполнительному реле 8, выход которого соединен с контактами цепи управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого предназначены для включения в линию питания фаз электродвигателя 5. Устройство содержит элемент включения 11, вспомогательный контакт 12 и элемент выключения 13 магнитного пускателя.

Канал 1 защиты от токовой перегрузки содержит установленные на двух фазных проводах 14 датчики тока 15 и 16, выполненные в виде трансформаторов тока. Датчики тока 15 и 16 посредством усилителей соответственно 17, 18 и выпрямителей соответственно 19, 20 параллельно подключены к входу интегратора 21. Электронный блок формирования времятоковой характеристики 22 включает регулируемый задатчик уставки по максимальному току 23, компаратор максимального тока 24, предупредительный индикатор «токовая перегрузка» 25, блок «ток-частота» 26, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например в квадратичной зависимости, который подсоединен к счетчику импульсов 27. Канал 1 содержит аварийный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 28.

Канал 2 защиты электродвигателя от тепловой перегрузки содержит температурный датчик 29, выполненный в виде интегральной микросхемы, закрепленной на монтажной теплопроводящей пластине с клеммной колодкой (не показана), задатчик уставки по температуре 30, компаратор температуры 31 и аварийный индикатор «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 32.

Канал 3 защиты от аварийного сброса нагрузки приводимого оборудования (не показано) содержит задатчик уставки по минимальному току 33, компаратор минимального тока 34 и аварийный индикатор «СУХОЙ ХОД» 35.

Канал 4 защиты электродвигателя 5 от пуска при недостаточном сопротивлении изоляции обмотки 6 относительно корпуса электродвигателя содержит задатчик уставки по сопротивлению 36, источник постоянного напряжения (не показан), компаратор сопротивления 37 и аварийный индикатор «ИЗОЛЯЦИЯ» 38.

Предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 25 выполнен желтым цветом, а аварийные индикаторы «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 28, «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 32, «СУХОЙ ХОД» 35 и «ИЗОЛЯЦИЯ» 38 выполнены красным цветом. Указанные индикаторы расположены на индикаторной панели 39 корпуса 40 защитного устройства.

Устройство защиты электродвигателя и приводимого оборудования работает следующим образом.

При возникновении одного из аварийных факторов:

1) превышение длительностью перегрузки по току времени срабатывания устройства по времятоковой характеристике;

2) превышение температурой, измеренной датчиком 29, значения уставки по температуре 36;

3) уменьшение тока электродвигателя, возникающего при аварийном сбросе нагрузки приводимого оборудования, ниже значения уставки по минимальному току 33;

4) понижение сопротивления изоляции обмотки 6 относительно корпуса электродвигателя 5, ниже значения уставки по сопротивлению 36,

логический оператор или 7 выдает сигнал на исполнительное реле 8, которое, в свою очередь, выдает сигнал в цепь управления магнитного пускателя 9, главные контакты 10 которого отключают линию питания фаз электродвигателя 5.

Перед пуском электродвигателя обеспечивается подача на обмотку 6 неподвижного электродвигателя 5 постоянного напряжения. Измеренное при этом сопротивление изоляции обмотки 6 относительно корпуса электродвигателя в компараторе сопротивления 37 сравнивается со значением уставки по сопротивлению 36. Если измеренное значение сопротивления изоляции меньше значения уставки 36, то засвечивается аварийный индикатор «ИЗОЛЯЦИЯ» 38 и размыкаются силовые контакты 9 магнитного пускателя 8.

Ток, измеренный одним из токовых датчиков 15 и 16, усиливается при помощи усилителя соответственно 17 и 18, выпрямляется при помощи выпрямителя соответственно 19 и 20, после чего подается на вход интегратора 21.

Наибольшее значение сигнала от датчиков тока после интегратора 21 поступает на электронный блок формирования времятоковой характеристики 22. Значение этого тока в компараторе максимального тока 24 сравнивается со значением уставки по максимальному току 23. Если значение тока превышает значение уставки, то засвечивается предупредительный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 25, сигнал поступает на блок «ТОК-ЧАСТОТА» 26, преобразующий величину кратности перегрузки по току в частоту следования импульсов, например в квадратичной зависимости, и поступает в виде последовательности импульсов на счетчик импульсов 27. При заполнении счетчика 27 засвечивается аварийный индикатор «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 28, и посредством логического оператора ИЛИ 7 сигнал поступает на исполнительное реле 8, вследствие чего происходит отключение электродвигателя от линии питания фаз. Чем больше величина кратности перегрузки по току, тем выше частота следования импульсов блока 26, тем быстрее происходит заполнение счетчика импульсов 27. Таким образом, реализуется квадратичная зависимость времени срабатывания устройства защиты от кратности перегрузки по току.

Если устраняется причина токовой перегрузки до заполнения счетчика 27, что происходит, например, в момент пуска электродвигателя, то осуществляется сброс счетчика до нуля с прекращением свечения предупредительного индикатора «ТОКОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 25.

Значение сигнала от датчиков тока 15 и 16 после интегратора 21, поступая на компаратор минимального тока 34, сравнивается со значением уставки по минимальному току 33. Если значение тока после интегратора 21 оказывается меньшим, то загорается аварийный индикатор «СУХОЙ ХОД» 35 с последующим размыканием главных контактов 10 магнитного пускателя 9.

Измеренное датчиком 29 значение температуры в компараторе температуры 31 сравнивается со значением уставки по температуре 30, и, если превышает его, то загорается аварийный индикатор «ТЕПЛОВАЯ ПЕРЕГРУЗКА» 32 с последующим размыканием главных контактов 10 магнитного пускателя 9.

При помощи электронного блока «ТОК-ЧАСТОТА» 26 можно сформировать времятоковую характеристику устройства по любому необходимому закону. Это позволяет осуществлять защиту электродвигателей различного типа при различных условиях работы и характере нагрузки.

Предлагаемое устройство обеспечивает комплексную защиту от различных разнородных факторов (недопустимой токовой и тепловой перегрузки, аварийного сброса нагрузки, понижения сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса электродвигателя ниже допустимого уровня), что гарантирует высокую надежность защиты. Устройство защиты реализовано в корпусе 40, на внешней поверхности которого размещена индикаторная панель 39 с индикаторами 25, 28, 32, 35 и 38, а также за защитной крышкой (не показана) - регуляторы значений уставок по максимальному току 23, минимальному току 33, температуре 30 и сопротивлению 36. При помощи регуляторов уставок можно устанавливать соответствующее значение контролируемого параметра с учетом реальных условий работы, типа электродвигателя и приводимого оборудования.

Устройство защиты было изготовлено, прошло экспериментальную проверку в различных условиях, показав высокую надежность.

Источники информации

1. А.с. СССР №600654, МКИ Н 02 Н 7/08, 1978 г.

2. А.с. СССР №1302369, МКИ Н 02 Н 7/08, 1985 г.

3. А.с. СССР №1764118, МКИ Н 02 Н 7/08, 1992 г. (прототип).