Пристрій захисту асинхронного електродвигуна

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты асинхронного электродвигателя. Наиболее близким к заявляемому является устройство защиты асинхронного электродвигателя, содержащее блок датчиков тока с датчиками, первичные обмотки которых включены в фазы электродвигателя, а вторичные соединены между собой последовательно, один из выводов блока соединен с шиной ОБЩИЙ устройства, блок питания, блок контроля фазового сдвига, блок независимой выдержки времени, ключевой элемент в цепи питания катушки пускателя электродвигателя, источник постоянного входного воздействия, последовательно соединенные пороговый элемент и элемент или. Низкая надежность устройства связана с наличием большого числа линий связи с блоком датчиков, подачей на информационный вход устройства линейных трехфазных напряжений питания электродвигателя, контролем усредненного тока нагрузки при несимметричной загрузке фаз. Задачей, поставленной в основу изобретения, является повышение надежности устройства защиты за счет уменьшения числа линий связи, контроля степени фазовой несимметрии импульсов тока, контроля тока наиболее загруженной фазы электродвигателя, исключения электрической связи между блоком управления и силовыми жилами. Поставленная задача решается тем, что в устройство защиты асинхронного электродвигателя, содержащее блок датчиков тока с датчиками, первичные обмотки которых включены в фазы электродвигателя, а вторичные соединены между собой последовательно, один из выводов которого соединен с шиной ОБЩИЙ устройства, блок питания, блок контроля фазового сдвига, блок независимой выдержки времени, ключевой элемент в цепи питания катушки пускателя электродвигателя, первый источник постоянного входного воздействия, последовательно соединенные пороговый элемент и элемент ИЛИ, согласно изобретению, введены два источника постоянного входного воздействия, последовательно соединенные блок выделения сигнала фазы с наибольшим током, блок тепловой модели фазы электродвигателя, второй вход которого соединен со вторым источником постоянного входного воздействия, а выход с первым входом порогового элемента, второй вход которого соединен с первым источником постоянного входного воздействия, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом блока контроля фазового сдвига, первый вход которого соединен с выходом блока датчиков тока и входом блока выделения сигнала фазы с наибольшим током, а второй вход с третьим источником постоянного входного воздействия, выход блока независимой выдержки времени соединен со входом ключевого элемента, блок питания включен параллельно, последовательно соединенным, ключевому элементу и катушке пускателя. Блок контроля фазового сдвига содержит последовательно соединенные формирователь, генератор одиночных импульсов, интегратор, пороговый элемент, ко второму входу которого подключен третий источник постоянного входного воздействия, входом блока является вход формирователя, а выходом - выход порогового устройства. Блок выделения сигнала фазы с наибольшим током содержит формирователь импульсов, распределитель импульсов, шесть ключевых элементов, три схемы памяти, три формирователя импульсов сброса, схему выделения максимального сигнала, первые три входа которой соединены соответственно с выходами первой, второй, третьей схем памяти, входы которых соединены соответственно с вы ходами первого, второго, третьего ключевых элементов, а также с первыми входами четвертого, пятого, шестого ключевых элементов, выходы которых соединены с шиной ОБЩИЙ устройства, а вторые входы соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего формирователей импульсов сброса, входы которых соединены соответственно с тремя выходами распределителя импульсов, а также с первыми входами первого, второго, третьего ключевых элементов, вторые входы которых, соединенные вместе, подключены ко входу формирователя импульсов и являются входом блока, а выход формирователя импульсов соединен со входом распределителя импульсов и четвертым входом схемы выделения максимального сигнала. Функционально устройство можно рассматривать в виде двух каналов, Один из которых канал контроля фазового сдвига, включающий в себя блок контроля фазового сдвига, а другой канал контроля величины нагрузки, включающий в себя блок выделения сигнала фазы с наибольшим током, блок тепловой модели фазы электродвигателя,пороговый элемент, источники Ε1, Е2, постоянного входного воздействия. В связи с тем, что выходят из строя прежде всего фазы с максимальной нагрузкой, необходимо контролировать фазу с наибольшим током. Так как длительность сигнала на выходе датчика тока зависит от амплитуды тока электродвигателя, то контролируется фазовое расстояние между передними фронтами импульсов, в связи с чем в канал контроля фазового сдвига между импульсами тока введен генератор одиночных импульсов, длительности сигнала которого достаточно для надежного обнуления интегратора. Структура канала контроля тока наиболее загруженной фазы электродвигателя позволяет защищать асинхронные электродвигатели в режимах работы (S1 - продолжительный номинальный, S2 - кратковременный номинальный, S3 - повторно-кратковременный номинальный, S6 - перемежающийся номинальный), предусмотренных ГОСТом 183-66. Выходные сигналы каналов через логический элемент ИЛИ поступают на вход блока задержки времени, который обеспечивает отстройку от импульсных помех и случайных возмущений. Включение блока питания параллельно цепи управления катушкой пускателя, соединенной последовательно с ключевым элементом, позволяет отключить блок питания после срабатывания устройства, то есть после размыкания силовых контактов пускателя. Силовые жилы пропускают через окна магнитопроводов датчиков, на их выходе формируются узкие импульсы с амплитудой, пропорциональной амплитуде тока. Форма сигналов на выходе таких датчиков позволяет использовать их для контроля величины тока и фазового сдвига между импульсами. Включение вторичных обмоток датчиков тока по схеме "открытый треугольник" позволяет снизить число линий связи между датчиками и блоком управления до двух проводов, при этом порядок подключения их к блоку управления не имеет значения. Один вывод соединяют с шиной, ОБЩИЙ, а второй - со входом блока контроля фазового сдвига и входом блока выделения сигнала фазы с наибольшим током. Один из каналов контролирует степень несимметрии импульсов тока. При этом предполагается, что электродвигатель может работать при допустимой фазовой несимметрии, следовательно, ток в его фазах может быть неодинаковым. Для повышения надежности защиты электродвигателя контролируется не усредненное значение тока, а ток наиболее загруженной фазы электродвигателя Наличие только двух проводников для передачи информации от датчиков тока повышает надежность за счет сокращения числа соединений. Отсутствие электрической связи между силовыми жилами электродвигателя и устройством защиты также повышает надежность. Заявляемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства защиты асинхронного электродвигателя. На фиг.2 представлена структурная схема блока выделения сигнала фазы с наибольшим током. На фиг. 3 представлены диаграммы сигналов в отдельных точках схемы устройства. Устройство защиты асинхронного электродвигателя 1 состоит из блока 2 датчиков тока, один вывод последовательно соединенных вторичных обмоток датчиков подключен к шине ОБЩИЙ, а другой - ко входу блока 3 контроля фазового сдвига, и входу блока 4 выделения сигнала фазы с наибольшим током, выход которого подключен к последовательно соединенной цепи - блок 5 тепловой модели фазы электродвигателя 1, пороговый элемент 6, элемент ИЛИ 7, блок 8 независимой выдержки времени, ключевой элемент 9, который включен в цепь питания катушки 10 пускателя электродвигателя 1. Блок питания 11 включен параллельно последовательно соединенным ключевому элементу 9 и катушке 10. Силовые контакты К пускателя включены в цепь питания статора электродвигателя 1. Цепь питания катушки 10 пускателя подключается к сети через последовательно включенные кнопки ПУСК и СТОП, а блок-контакт пускателя включен параллельно кнопке ПУСК, Выход блока 3 контроля фазового сдвига соединен со вторым входом элемента ИЛИ, а его вход с третьим источником постоянного входного воздействия Е3 Первый и второй источники постоянного входного воздействия Ε1, Е2 соединены соответственно со вторыми входами порогового элемента б и блока 5 тепловой модели фазы электродвигателя 1. Блок 3 контроля фазового сдвига содержит последовательно соединенные формирователь 12, генератор одиночных импульсов 13, интегратор 14, пороговый элемент 15, второй вход которого является одним из входов блока 3, а выход является выходом блока 3. Блок 4 выделения сигнала фазы с наибольшим током (фиг. 2) содержит распределитель 16 импульсов, формирователь 17 импульсов, шесть ключевых элементов 18, 19, 20, 21, 22, 23, три схемы памяти 24, 25, 26, три формирователя 27,28,29 импульсов сброса, схему 30 выделения максимального сигнала, первые три входа которой соединены соответственно с выходами первой, второй, третьей схем памяти 24, 25, 26, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего ключевых элементов 18, 19, 20, а также с первыми входами четвертого, пятого, шестого ключевых элементов 21, 22, 23, выходы которых соединены с шиной ОБЩИЙ устройства, а вторые входы соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего формирователей 27, 28,29 импульсов сброса, входы которых соединены соответственно с тремя выходами распределителя 16 импульсов, а также с первыми входами первого, второго, третьего ключевых элементов 18, 19,20, вторые входы которых, соединенные вместе, подключены ко входу формирователя 17 импульсов и являются входом блока 4, а выход формирователя 17 импульсов соединен со входом распределителя 16 импульсов и четвертым входом схемы выделения максимального сигнала 30. Магнитопроводы датчиков блока 2 выполнены из магнитомягкого материала с высоким значением начальной магнитной проницаемости и малым значением величины коэрцитивной силы при низком значении напряженности поля. Распределитель импульсов предназначен для формирования трех отдельных последовательностей импульсов и может быть выполнен с применением элементов интегрального исполнения -счетчиков, регистров. Формирователь импульсов предназначен для получения прямоугольных импульсов одной полярности и может быть выполнен с применением элементов сравнения сигналов компараторов. Формирователь импульсов сброса предназначен для формирования импульсов, задержанных во времени от входных, и может быть выполнен на базе генератора одиночных импульсов, схем совпадения. Ключевой элемент предназначен для коммутации цепи при подаче управляющего сигнала и может быть выполнен на базе электронных ключей интегрального исполнения. Схема памяти предназначена для запоминания входной информации и может быть выполнена с использованием электронных Элементов. Схема выделения максимального сигнала обеспечивает выделение сигнала, имеющего наибольшую амплитуду из числа входных, и может быть выполнена на интегральных микросхемах. Приняты обозначения U1 - напряжение на n выходе 1-го элемента. Работает устройство следующим образом. После подачи напряжения в силовые цепи и цепи управления нажимается кнопка ПУСК, подается питание на блок питания 11, получает питание также катушка 10 пускателя электродвигателя через размыкающийся контакт ключевого элемента 9, кнопки СТОП и ПУСК. Силовые контакты К пускателя подключают статор асинхронного электродвигателя 1 к сети, а его блок-контакт ставит кнопку ПУСК на блокировку. По статору начинает протекать ток. Сигналы датчиков тока 2, импульсные по форме с частотой 150 Гц, при частоте сети 50 Гц, поступают в блок контроля фазового сдвига и блок выделения сигнала фазы с наибольшим током. Они формируются в моменты перехода токов в фазах через ноль. Диаграмма импульсов блока 2 датчиков тока U2 представлена на фиг. 3. В блоке 3 контроля фазового сдвига входные сигналы поступают на формирователь 12, с выхода которого снимаются прямоугольные импульсы. Генератор 13 одиночных импульсов по переднему фронту поступающи х на его вход сигналов формирует узкие импульсы с постоянной длительностью, которые обеспечивают обнуление интегратора 14, который в остальной период времени интегрирует напряжение, значение которого устанавливается пропорционально фазовому сдвигу при отладке устройства. Это напряжение пилообразной формы и поступает на пороговый элемент 15, где сравнивается с напряжением уставки. Пороговый элемент 15 имеет характеристику Фазовая длительность между импульсами составляет одну треть периода питающего напряжения и возрастает при обрыве одной из фаз электродвигателя 1, глубокой несимметрии напряжения питания, при двухфазном и однофазном коротких замыканиях. Настройка порогового элемента 15 на выходе интегратора 14 на срабатывание при фазовой длительности порядка 125...140 электрических градусов обеспечивает гарантированное отключение электродвигателя при всех перечисленных выше аварийных режимах. Чем ближе значение уставки к 120 электрическим градусам, соответствующим номинальному режиму, тем выше чувствительность устройства защиты к несимметрии токов. Для установки порога используется источник постоянного входного воздействия Е3. При превышении выходного напряжения интегратора 14 значения уставки Е3 пороговый элемент 15 срабатывает и на вход логического элемента ИЛИ 7 поступает сигнал высокого уровня, который через блок 8 независимой выдержки времени подается на ключевой элемент 9 с характеристикой Ключевой элемент 9 размыкает цепь питания катушки 10 пускателя, пускатель отключает электродвигатель от сети. Канал контроля тока наиболее загруженной фазы электродвигателя работает следующим образом. Сигналы с выхода блока 2 датчиков тока подаются на формирователь 17 импульсов, где преобразуются в прямоугольные импульсы, которые подаются на схему 30 выделения максимального сигнала, а также на распределитель 16 импульсов. Импульсы на его трех вы ходах U116, U216, U3 16 идентичны и сдвинуты во времени между собой на одну треть периода. Они подаются на ключевые элементы 18,19,20 и обеспечивают их замыкание в соответствии с характеристиками а также, подаются на формирователи 27, 28, 29 импульсов сброса, которые формируют выходные импульсы с задержкой на время, обеспечивающее сброс схем памяти 24, 25, 26 перед подачей очередного импульса блока 2. Импульсы формирователей 27, 28, 29 подаются на ключевые элементы 21, 22, 23, имеющие характеристики, аналогичные ключевым элементам 18,19, 20. Так, как выходы ключевых элементов 21, 22, 23 соединены с шиной ОБЩИЙ устройства, то при подаче на их управляющий вход импульсов с формирователей 27, 28, 29 импульсов сброса входы ключевых элементов 21,22,23 соединяются с шиной ОБЩИЙ, что обеспечивает обнуление схем памяти 24, 25, 26, сохраняющих значение амплитуды сигналов тока U2 на время между импульсами сброса U27, U28, U29· Как видно из диаграмм, импульсы сброса U27, U28, U29 (фиг. 3) подаются по времени после каждого выходного импульса распределителя 16 импульсов и это значение подается на схему 30 выделения максимального сигнала, имеющего характеристику На выходе схемы 30 выделения максимального сигнала всегда будет сигнал с наибольшим значением входной амплитуды из трех поданных на его вход сигналов. Управление схемой 30 обеспечивается импульсами формирователя 17 с частотой входных сигналов, что позволяет отслеживать изменение амплитуды входного сигнала в каждом периоде их следования с частотой сети во все х тре х фазах. На фи г. 3 показана перегрузка фазы В (U2, U25, U30) жирными линиями. Выходной сигнал блока 4 выделения сигнала фазы с наибольшим током пропорционален амплитуде тока в фазе с наибольшим током. Дискретно изменяющийся сигнал подается на блок 5 тепловой модели фазы электродвигателя 1, в простейшем случае представляющей собой интегратор с разрядной цепью, постоянная времени которой соответствует конкретной мощности электродвигателя. Выходное напряжение на выходе блока 5 пропорционально температуре наиболее загруженной фазы. Выходной сигнал с блока 5 подается на вход порогового элемента 6, имеющего характеристику где сравнивается с уставкой Ε1, пропорциональной допустимой температуре фазы электродвигателя 1. При срабатывании порогового элемента 6 на вход логического элемента ИЛИ 7 поступает сигнал высокого уровня, который подается на вход блока 8 независимой выдержки времени, который позволяет регулировать время между началом первого аварийного сигнала и моментом отключения электродвигателя. Если время прохождения аварийных сигналов превысит уставку независимой выдержки времени блока 8, то на его выходе формируется сигнал, по которому ключевой элемент 9 разорвет цепь питания катушки 10 пускателя. Его силовые контакты К отключат питание электродвигателя, а блок-контакт разомкнет блокировку кнопки ПУСК и подготовит схему к очередному включению. Контроль наличия напряжения в фазах производится в каждый период прохождения напряжения питания электродвигателя, т.е. пятьдесят раз в секунду, а сигнал на отключение может быть подан как после первого отсутствующего сигнала тока в любой фазе при обрыве фазы или появлении первого импульса перегрузки по току (см, фиг, 3). Этот сигнал формируется на выходе блока 3 без задержки, а выходной сигнал Ue появляется по времени в зависимости от задержки, определяемой блоком независимой выдержки времени 8. Этим обеспечивается адаптация устройства к условиям технологического процесса. Для использования устройства в широком диапазоне мощностей электродвигателей используются источники постоянного входного воздействия Ε1, Е2, Е3, позволяющие просто производить настройку по значениям максимального тока – Ε1, мощности электродвигателя – Е2 и на конкретную допустимую асимметрию токов электродвигателя – Е3. При перегрузке электродвигателя 1 его температура превышает допустимое значение, определяемое значением Ε1, и сигнал на выходе порогового элемента 12 переходит в высокий уровень, что приводит к отключению электродвигателя 1 аналогично описанному выше. Напряжение питания электродвигателя не является входным сигналом устройства, так как в качестве первичной информации используются сигналы блока 2 датчиков тока. Сами датчики работают в зоне после насыщения магнитопроводов. Диапазон измерения токов такими датчиками шире, чем в стандартных трансформаторах тока, что позволяет применить один типоразмер датчика для двигателей средней мощности. Особенностью таких датчиков является импульсный характер выходного сигнала, пропорционального по величине амплитуде тока. Длительность таких сигналов составляет порядка 0,1 периода сети. Это достигается использованием для сердечников быстронасыщающихся магнитомягких материалов с малым значением величины коэрцитивной силы, в качестве которых используются, например марганеццинковые ферриты, которые удовлетворяют жестким требованиям в отношении нелинейных искажений. Они характеризуются также низким тангенсом угла диэлектрических потерь и максимальной рабочей температурой порядка 180 градусов Цельсия. Высокое значение начальной магнитной проницаемости материала сердечников позволяет получить необходимую амплитуду на выходе датчиков блока 2 при числе витков вторичной обмотки не более пятидесяти для обеспечения работоспособности устройства в широком диапазоне мощностей электродвигателей защищаемых устройством - от 0,5 до 120 кВт, а малое значение коэрцитивной силы -быстронасыщающийся режим, при котором выходной сигнал датчика, пропорциональный току нагрузки, формируется в начале каждого периода амплитуды тока, что позволяет без дополнительных преобразований подавать сигналы датчиков на другие элементы устройства. Это позволяет обеспечить универсальность и высокую эксплуатационную надежность устройства. При применении таких датчиков не требуется их обмотки включать непосредственно в цепь питания электродвигателя. Датчики одеваются на изолированную часть токоведущих питающих проводников электродвигателя и поэтому не находятся под напряжением питающей сети. Такие датчики имеют массу на порядок ниже, чем при использовании стандартных трансформаторов тока, небольшие габариты. Это обеспечивает простоту монтажа и обслуживания. Устройство находится включенным только во время работы электродвигателя.