способ и устройство защиты синхронного двигателя от аварийного торможения

Формула изобретения

1. Способ защиты синхронного двигателя от аварийного торможения, включающий измерение переменной физической величины в детали конструкции электродвигателя, отличающийся тем, что в качестве переменной физической величины используют механическое напряжение в деталях крепления электродвигателя и при перераспределении механического напряжения в этих деталях, смене его знака и превышении механическим напряжением порогового значения производят отключение двигателя от источника питания.

2. Устройство защиты синхронного двигателя от аварийного торможения, содержащее синхронный двигатель с трехфазной обмоткой на статоре, и обмотками возбуждения и пусковой на роторе, выключатель с электромагнитным приводом, силовые контакты которого подключают статорную обмотку к сети, возбудитель, который обеспечивает синхронный двигатель током возбуждения и управление обмоткой возбуждения, отличающееся тем, что имеет тензореле с двумя тензорезисторами, установленными на опорных деталях крепления с двух сторон от станины синхронного двигателя, снабженное анализатором направления момента синхронного двигателя, определяющий, какое из электрических сопротивления тензорезисторов больше и передающий сигнал исполнительному органу тензореле, который включен в цепь питания электромагнитного привода выключателя для включения и выключения синхронного двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты электрооборудования от аварийных режимов работы.

Известны способы защиты синхронных двигателей от асинхронного хода и аварийного торможения (Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М., «Энергия», 1977), построенные по признаку увеличения тока в статорной обмотке при аварийных режимах, по наличию переменной ЭДС в обмотке возбуждения, с помощью устройства отсчета числа электрических проворотов ротора при асинхронном режиме.

Указанные способы имеют недостатки. Большой бросок тока статора, соизмеримый по величине с начальным пусковым током, может иметь место и при успешной синхронизации, когда после нескольких качаний двигатель входит в синхронизм, а также при ударной нагрузке двигателя. Это требует сложной отстройки тока выпадения из синхронизма от нормальных переходных токов машины.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип способом является способ защиты синхронного двигателя от асинхронного режима по патенту RU 2095908, кл. 6 Н 02 Н 7/06, 1997 г., в котором реализован способ защиты, основанный на измерении физических переменных величин машины, а именно угла между векторами напряжения и внутренней ЭДС машины, и контроле за направлением активной мощности, осуществляемом в заданных интервалах контролируемого угла.

Недостатками прототипа являются:

1) сложность и высокая стоимость защитных устройств, реализующих этот способ защиты двигателя;

2) низкая надежность, обусловленная отстройками от изменения угла между векторами ЭДС и напряжения при переходных процессах, возникающих при успешной грубой синхронизации двигателя, а также качаниями ротора при резкопеременных нагрузках;

3) недостаточно высокое быстродействие, обусловленное временем, затрачиваемым на анализ направления активной мощности машины.

Известно применение тензореле для измерения механических напряжений сжатия и растяжения в элементах конструкции рабочих машин различного назначения (патент RU 02164669 «Тензорезистивный датчик силы» (7 G 01 L 1/22)). Типовая схема тензореле контроля механического напряжения в деталях машин описана в книге [В.И.Литвак. Тензореле. М.: Машиностроение, 1989]. Схема тензореле содержит следующие блоки: упругие элементы, тензорезисторы, измерительную схему, источник питания, усилитель-преобразователь, исполнительный орган, в качестве которого может выступать электромагнитное реле или геркон. Однако патентный поиск не выявил применения тензореле в устройствах защиты синхронных электродвигателей от аварийного торможения.

Известно устройство защиты синхронных двигателей от асинхронного хода и аварийного торможения (Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М., «Энергия», 1977, с.156), содержащее синхронный двигатель с трехфазной обмоткой статора, обмоткой возбуждения и пусковой на роторе, выключатель в цепи статора для включения и выключения двигателя, возбудитель с приборами управления и аппаратуру релейной защиты двигателя, где в качестве защитного устройства использовано реле тока с независимой от тока выдержкой времени срабатывания. Устройство содержит также промежуточное реле и реле времени. Промежуточное реле имеет замедление на возврат, предотвращающее возврат реле времени при биениях тока асинхронного режима.

Недостатками такого устройства являются сложность и дороговизна, невысокая надежность, недостаточное быстродействие, причины которых раскрыты при описании прототипа способа.

Технической задачей является повышение надежности и эффективности защиты синхронного двигателя от аварийного торможения.

Решение задачи достигается тем, что в способе защиты синхронного двигателя от аварийного торможения, включающем измерение переменной физической величины в детали конструкции электродвигателя, в качестве переменной физической величины используют механическое напряжение в деталях крепления электродвигателя к основанию и отключение двигателя от источника питания производится при перераспределении механического напряжении в этих деталях и превышении напряжением порогового значения.

Реализация способа осуществляется устройством защиты синхронного двигателя от аварийного торможения, содержащим синхронный двигатель с трехфазной обмоткой на статоре и обмотками возбуждения и пусковой на роторе, выключатель с электромагнитным приводом для включения и выключения двигателя, возбудитель с приборами управления и аппаратуру релейной защиты двигателя, которое имеет тензореле с двумя тензорезисторами, установленными на опорных деталях крепления с двух сторон от станины двигателя, снабженное анализатором направления момента двигателя, при этом исполнительный орган реле включен в цепь питания электромагнитного привода выключателя.

Использование новых признаков для выявления аварийного режима, а также использование тензореле в устройстве защиты двигателя и изменение структуры тензореле соответствует критерию «новизна».

По сравнению с прототипом способ обладает следующими отличительными признаками: в качестве физической переменной величины используется тормозной момент двигателя, т.е. именно та физическая величина, которая является причиной торможения; сигнал на отключение двигателя формируется при появлении первого признака торможения без затрат времени на оценку изменения активной мощности машины; устройства, реализующие предложенный способ, значительно проще устройств, реализующих принцип действия прототипа. Таким образом, способ обладает признаками, соответствующими критерию «положительный эффект».

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 представлена схема защищаемого электродвигателя и защитного устройства; на фиг.2 представлена блок-схема тензореле заявленного устройства; на фиг.3 приведен пример схемы управления выключателя с использованием тензореле в качестве устройства защиты электродвигателя.

Синхронный двигатель с горизонтальным валом (фиг.1) имеет станину 1, которая с помощью двух деталей крепления (лап) 2 и 3 крепится на основании машины 4 (фундаменте). Ротор 5 двигателя сочленен с рабочей машиной через передаточный орган (два последних на чертеже не показаны). На лапах 2 и 3 установлены тензорезисторы (датчики) 6 и 7 механического напряжения лап. Тензорезисторы воспринимают напряжения сжатия и растяжения в лапах от действия крутящего момента станины. Тензорезисторы 6 и 7 проводниками 8 присоединены к электронному блоку тензореле 9, подающему сигнал на отключение выключателя 10 двигателя, имеющего электромагнитный привод. Возбудитель 11 обеспечивает синхронный двигатель током возбуждения, обеспечивает управление обмоткой возбуждения при асинхронном пуске и является стандартным устройством конструкции синхронного двигателя.

На фиг.2 представлены упругие элементы 2 и 3, в качестве которых выступают лапы электродвигателя, тензорезисторы 6 и 7, измерительная схема 12, получающая питание от источника питания 13 и соединенная проводниками 8 с тензорезисторами 6 и 7, анализатор направления момента двигателя 14, определяющий, какое из электрических сопротивлений тензорезисторов 6 и 7 больше, усилитель электрических сигналов 15, также, как и схема 12 получающий питании от источника 13. Измерительная схема 12 передает электрический сигнал анализатору направления момента 14, усилителю 15 и далее исполнительному органу 16, в качестве которого могут использоваться электромагнитное реле или геркон. Исполнительный орган 16 размыкающим контактом воздействует на цепь управления выключателя 10, т.е. его электромагнитный привод.

В качестве измерительной схемы 12 может быть использован четырехплечий измерительный мост постоянного тока с включением тензорезисторов в смежные плечи моста. Полярность напряжения на выходе моста определяется направлением изменения электрического сопротивления тензорезисторов. В качестве анализатора направления момента 14 может использоваться диод.

На фиг.3 кнопочная станция с кнопками «стоп» 17 и «пуск» 18 соединена последовательно с электромагнитным приводом (магнитной катушкой) выключателя 19, силовые контакты 10 которого подключают статорную обмотку двигателя к сети. Блокировочный контакт 20 выключателя включен последовательно с размыкающим контактом 21 исполнительного органа тензореле, и они совместно шунтируют кнопку «пуск» 18. К цепи управления выключателя приложено напряжение U_y .

Новой является область применения тензореле для защиты синхронного двигателя от аварийного торможения. Новизна конструктивной схемы тензореле заключается в введении анализатора направления момента 14, позволяющем адаптировать тензореле к задаче защиты электродвигателя.

Способ и устройство имеют следующий принцип работы. У отключенного двигателя на лапы 2 и 3 действует его сила тяжести, создавая в них примерно одинаковое механическое напряжение сжатия. Это напряжение не фиксируется тензорезисторами, поскольку они устанавливаются на лапах после их нагружения весом двигателя.

При пуске и нормальной работе двигателя на его ротор действует крутящий момент М_дв, направленный по направлению вращения ротора (фиг.1). Такой же по величине и противоположно направленный момент М_ст действует на станину, вызывая перераспределение механического напряжения в лапах двигателя: на набегающей лапе 2 сжатие уменьшается или переходит в растяжение, на сбегающей лапе 3 сжатие усиливается. Разность механических напряжений в лапах пропорциональна крутящему моменту М_ст.

Аварийное торможение двигателя возникает при появлении электромагнитного тормозного момента. При этом направление моментов, действующих на ротор и станину, изменяется на противоположное. В этом случае усиливается сжатие лапы 2 и уменьшается сжатие лапы 3 с возможной сменой знака этих механических напряжений (т.е. перехода от растяжения к сжатию или наоборот). Это изменение фиксируется тензореле 9, и последнее подает выключателю 10 команду на отключение электродвигателя от сети (источника электроэнергии). Такого же по характеру и величине изменения механических напряжений в лапах 2 и 3 не происходит при других возможных режимах синхронного двигателя и потому является однозначным признаком аварийного торможения двигателя.

Блок-схема, представленная на фиг.2, работает следующим образом. При пуске и нормальной работе двигателя в синхронном режиме в лапе 3, как упругом элементе, механическое напряжение больше, чем в упругом элементе 2, соответственно электрическое сопротивление тензорезистора 6 меньше, чем тензорезистора 7. Измерительная схема 12 реагирует на такое изменение величины сопротивления тензорезисторов появлением отрицательного сигнала на выходе, который подается на анализатор направления момента 14. Анализатор 14 не передает отрицательный сигнал усилителю 15, и исполнительное реле 16 не получает сигнал на размыкание цепи управления выключателя двигателя. Выключатель 10 оставляет двигатель подключенным к источнику.

При появлении тормозного момента, вызывающего аварийное торможение двигателя, механические напряжения в упругих элементах изменяются: в упругом элементе 2 оно становится больше, чем в 3, электрическое сопротивление тензорезистора 6 становится больше, чем тензорезистора 7, измерительная схема 12 (фиг.2) реагирует на это изменение величины электрического сопротивления тензорезисторов сменой знака и величины выходного сигнала, анализатор направления момента 14 передает положительный сигнал на вход усилителя 15. Усиленный электрический сигнал передается исполнительному органу 16, который размыкает электрический контакт в цепи управления выключателя, вызывая отключение электродвигателя от сети.

При отсутствии аварийного торможения контакт 21 тензореле замкнут (фиг.3) и не препятствует включению и работе двигателя. При появлении аварийного торможения контакт 21 размыкается и размыкает цепь магнитной катушки выключателя, в результате чего последний размыкает контакты 10 и 20, отключая двигатель от сети.

Повышение эффективности защиты достигается увеличением быстродействия отключения, поскольку появление тормозного момента проявляется в самый начальный период аварийного торможения, а тензореле обладает высоким быстродействием, поскольку не имеет инерционных элементов. Высокая надежность устройства определяется, с одной стороны, однозначностью признака аварийного торможения двигателя, большим диапазоном изменения механических напряжений в лапах двигателя, что обусловливает надежное срабатывание тензореле и, с другой стороны, высокой конструктивной надежностью современных тензореле.

Схема защитного устройства с двумя тензорезисторами обладает высокой чувствительностью и не требует компенсации температурной погрешности. Вместе с тем она относительно сложна. В некоторых случаях, например для электродвигателей малоответственных механизмов, схема защитного устройства может быть упрощена использованием только одного тензорезистора, установленного на одной из опорных лап электродвигателя. Наши испытания устройства показали, что лучшие результаты дает установка тензорезистора на сбегающей лапе 3 двигателя; в этом случае сопротивление тензорезистора во время аварийного торможения увеличивается, а настройка тензореле упрощается.

В тех случаях, когда температура лап двигателя изменяется в большом диапазоне, применение одного тензорезистора требует использования устройства компенсации температурной погрешности измерения. Наиболее простым типовым решением вопроса компенсации температурной погрешности измерения является использование такого же тензорезистора в качестве пассивного элемента измерительного моста с установкой его вблизи активного датчика в месте с аналогичной температурой, где не происходит изменение механического напряжения. Таким местом является верхняя поверхность горизонтальной части опорной лапы с ориентировкой тензорезистора параллельно оси вращения двигателя.

Использование изобретения повышает надежность работы синхронного двигателя, упрощает и удешевляет защитное устройство.