устройство для защиты трехфазных асинхронных двигателей

Формула изобретения

Устройство защиты трехфазных асинхронных двигателей, содержащее три датчика тока, коммутатор, частотный фильтр, преобразователь тока в напряжение, микроконтроллер, блок индикации, блок выбора режимов работы и управления, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик импульсов, блок управления электродвигателем, выключатель, при этом датчики тока подключены к соответствующим трем первым входам коммутатора, вход трансформатора напряжения соединен с одной фазой электрической сети, выход трансформатора напряжения соединен с входом блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, выход блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный соединен с первым входом коммутатора и счетчиком импульсов, выход счетчика импульсов соединен с первым информационным входом микроконтроллера, выход коммутатора соединен с входом частотного фильтра, выход частотного фильтра соединен с входом преобразователя тока в напряжение, второй выход микроконтроллера соединен с входом блока управления электродвигателем, выход блока управления электродвигателем соединен с управляющим входом выключателя, третий выход микроконтроллера соединен с блоком индикации, блок выбора режимов работы и управления соединен с управляющим входом микроконтроллера, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик температуры окружающей среды, датчик температуры корпуса двигателя, датчик атмосферного давления, блок тепловой модели, состоящий из контроллера и встроенной программы, реализующей тепловую модель асинхронного двигателя, при этом сигналы с выходов датчиков температуры окружающей среды, температуры корпуса двигателя и атмосферного давления поступают на третий, четвертый и пятый входы блока тепловой модели двигателя, второй выход блока тепловой модели двигателя подключен к соответствующему входу микроконтроллера, первый выход блока тепловой модели соединен с первым входом коммутатора, выход преобразователя тока в напряжение соединен со вторым входом блока тепловой модели, первый выход микроконтроллера соединен с шестым входом блока тепловой модели, реализующего функции защиты электродвигателя от перегрузки, которая может вызывать локальные перегревы обмоток электродвигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и автоматике трехфазных асинхронных двигателей.

Известно устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя [1], содержащее датчики тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный (А.Е.Немировский, А.В.Булычев, Н.Д.Поздеев. Адаптивное устройство токовой защиты асинхронного электродвигателя // Техника в сельском хозяйстве. - 1998. - № 6. - С.21-22).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно имеет низкую точность при наличии в токе статора электродвигателя апериодических и высших гармонических составляющих, что может приводить к неправильным действиям защиты.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя [2], содержащее три датчика тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик и выключатель (Патент 2179360 С2 РФ, МКИ ⁷ Н02Н 7/085, 7/09. Устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя / Н.Д.Поздеев, А.В.Булычев).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно имеет низкую селективность срабатывания при возникновении локального перегрева, что может приводить к повреждению изоляции электродвигателя.

Цель изобретения:

1. Повышение быстродействия и надежности работы защиты.

2. Возможность настройки тепловой модели электродвигателя.

3. Возможность определения температур отдельных элементов электрической машины.

Техническим результатом, получаемым при реализации устройства, является детальное моделирование процессов внутри электрической машины и расширение возможностей по настройке параметров тепловой модели асинхронного двигателя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство, содержащее датчики тока, коммутатор, активный полосовой частотный фильтр, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, счетчик, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный дополнительно снабжено датчиками температуры окружающей среды и корпуса двигателя, датчиком атмосферного давления и блоком тепловой модели двигателя. Причем выходы датчиков температуры и датчика атмосферного давления соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока тепловой модели, второй выход блока тепловой модели соединен со вторым входом микроконтроллера, третий выход микроконтроллера соединен с шестым входом блока тепловой модели.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что оно содержит новые блоки со своими связями, которые позволяют повысить надежность и селективность срабатывания защиты при перегреве отдельных частей или всего электродвигателя в целом. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Патентный поиск показал, что признаки совпадения с предлагаемыми отличительными от прототипа устройствами выявлены не были. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «Изобретательский уровень».

На чертеже изображена структурная электрическая схема устройства для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей. Устройство защиты содержит датчики тока 1, коммутатор 2, активный полосовой частотный фильтр 3, блок преобразования тока в напряжение 4, блок тепловой модели 5, микроконтроллер 6, блок индикации 7, блок выбора режимов работы и управления 8, трансформатор напряжения 9, блок преобразования синусоидальных импульсов в прямоугольные 10, счетчик импульсов 11, блок управления электродвигателем 12, выключатель 13, датчик температуры окружающей среды 14, датчик температуры корпуса двигателя 15, датчик атмосферного давления 16.

Устройство защиты работает следующим образом.

При первом пуске электродвигателя в блоке выбора режимов работы и управления 8 запускается наладочный режим. После нажатия кнопки «Пуск», относящейся к этому же блоку, микроконтроллер 6 подает сигнал со своего выхода через специальный интерфейс на вход блока тепловой модели 5, представляющий собой микроконтроллер с встроенной программой, который, в свою очередь, определяет значение полупериода питающей сети, подключая через коммутатор 2 к информационному входу блока тепловой модели выходной сигнал трансформатора напряжения 9, преобразованный из синусоидального сигнала в однополярный прямоугольный в блоке 10. Блок тепловой модели 5 в это время записывает в постоянное запоминающее устройство, относящееся к этому же микроконтроллеру, информацию с датчиков температуры окружающей среды и корпуса двигателя, а также значение с датчика атмосферного давления, которые присоединены к соответствующим входам блока тепловой модели. Затем микроконтроллер 6 посредством блока управления электродвигателем 12 через выключатель 13 подает трехфазное напряжение на электродвигатель, а блок тепловой модели циклически определяет значения фазных токов электродвигателя и пересылает их в микроконтроллер 6, который определяет пусковой ток электродвигателя, на основании которого вычисляет ток срабатывания отсечки. Далее блок тепловой модели по начальным данным и данным с датчиков начинает рассчитывать значения температур элементов электродвигателя. Входными сигналами устройства защиты служат вторичные токи фаз, снимаемые с датчиков тока 1, значение температуры окружающего воздуха, снимаемое с датчика 14, значение температуры корпуса двигателя, снимаемое с датчика 15, значение атмосферного давления, снимаемое с датчика 16, а также значение напряжения сети, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора напряжения 9. По очереди с каждой фазы информация о значениях тока через коммутатор 2, управляемый блоком тепловой модели 5, через активный низкочастотный фильтр 3, подключенный к выходу коммутатора, ограничивающий полосу пропускания входного сигнала, поступает в блок преобразования тока в напряжение 4, с выхода которого поступает на информационный вход блока тепловой модели 5. Преобразование тока в напряжение необходимо из-за того, что контроллер может работать только с потенциальными сигналами. При отсутствии сигнала хотя бы с одной фазы блок тепловой модели выдает сигнал со своего выхода на соответствующий вход микроконтроллера 6, который останавливает электродвигатель и выводит информацию в блок индикации 7. Режим «Работа» устанавливается в блоке выбора режимов работы и управления 8 и является основным. В этом режиме активны защита от обрыва фазы, токовая отсечка, защита от заклинивания ротора и от перегрузки. Срабатывание любой из перечисленных защит приведет к остановке электродвигателя и выводу в блок индикации 7 соответствующей информации. При превышении номинального тока потребления электродвигателя сработает защита от перегрузки, которая реализована в блоке тепловой модели. Остановка электродвигателя происходит при нажатии на кнопку «Стоп», относящейся к блоку выбора режимов работы и управления 8. Сигналы с датчика температуры окружающей среды 14, датчика температуры корпуса двигателя 15, датчика атмосферного давления подаются на соответствующие входы блока тепловой модели 5 и формируют данные о начальной температуре внутренних элементов электрической машины. Блок тепловой модели 5 снимает параметры с датчика напряжения 9 и датчиков тока 1 и вычисляет внутренние сопротивления обмоток электродвигателя. Сигнал с выхода блока тепловой модели подается на вход микроконтроллера 6, который обрабатывает данные и принимает решение о дальнейших действиях. При превышениях температур внутренних элементов электрической машины микроконтроллер подает управляющий сигнал на вход блока управления электродвигателем 12 и выводит соответствующую информацию на устройство индикации 7, что позволяет предотвратить необратимые процессы в электродвигателе, вызванные перегревами.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство, предназначено для использования в промышленности и в сельском хозяйстве, а именно в электротехнике;

- преимущество изобретения состоит в том, что возможность реализации тепловой модели асинхронного двигателя в защите от перегрузок повышает эффективность использования электродвигателей в нестационарных режимах;

- программно-аппаратная реализация тепловой модели двигателя в предлагаемом устройстве позволяет настраивать защиту от перегрузок для любых типов асинхронных двигателей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Источники информации

1. А.Е.Немировский, А.В.Булычев, Н.Д.Поздеев. Адаптивное устройство токовой защиты асинхронного электродвигателя // Техника в сельском хозяйстве, 1998, № 6, с.21-22.

2. Патент 2179360 С2 РФ, МКИ ⁷ Н02Н 7/085, 7/09. Устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя / Н.Д.Поздеев, А.В.Булычев. - Опубл. в БИ № 4, 2002.