Устройство для температурной защиты обмоток электродвигателя

 

Использование: температурные защиты 3, в частности к 3 обмоток (ОБ) электродвигателей (ЭД) и обеспечение также контроля ресурса изоляции (РИ) ЭД по параметру "температура (Т) ОБ статора (Ст)". Сущность изобретения: устройство дополнительно снабжено счетчиком РИ, первым и вторым пороговыми элементами (ПЭ), ключом (К). При эксплуатации ЭД по мере нагрева СтОБ элементом сравнения (ЭС) выделяется ток (I_i) из поступающих на его входы сигналов со вторичных выходных ОБ первого нешихтованного (Н) и второго шихтованного (Ш) сердечников (С) из конструкционной стали, пропорционально зависящий от Т ОБ Ст. Первичной ОБ НС являются изолированные проводники лобовой части секции фазной ОБ Ст и его нагрев осуществляется как от ОБ Ст непосредственно, так и потерь энергии на вихревых токи, что уменьшает динамическую погрешность. Первичная ОБ ШС включена последовательно с фазной ОБ Ст. Выделяемый 1i, с выходной цепи ЭС беспрепятственно протекает по токовоспринимающей цепи счетчика РИ, подключенного первыми двумя входами к ЭС через последовательно соединенные первый и второй ПЭ. От цикла к циклу работы ЭД счетчик РИ накапливает информацию о выработанном РИ по величине ΣΘ_it_i, что дает возможность сравнивать его с установленным Θ ном · Т_к и планировать своевременную замену ЭД. 1 ил.

Изобретение относится к электротехникие, температурным защитам, в частности к защитам обмоток электродвигателей.

Известны устройства защиты, осуществляющие косвенный контроль температуры обмоток по величине тока, потребляемого электродвигателем, непосредственный контроль температуры обмоток электродвигателя, за счет встройки в них тепловоспринимающих элементов, и комбинированные температурно-токовые защиты, в которых тепловызывающее срабатывание к реагирующему элементу поступает от двух источников: обмоток электродвигателя непосредственно и датчиков тока, контролирующих потребляемый электродвигателем ток.

Известно устройство температурной защиты электродвигателя, содержащее термочувствительный сердечник с питающей и выходной обмотками и исполнительный орган. В известном устройстве сердечник выполнен из специального сплава на основе редкоземельного ферромагнетика, например, гадолиния. При достижении значений контролируемой температуры, близкой к точке Кюри сердечника, магнитное сопротивление его резко изменяется, обеспечивая изменение выходного сигнала [1] Основным недостатком известного устройства является то, что нагрев сердечника происходит только за счет теплопередачи, обуславливающей появление значительной динамической погрешности (тепловой инерционности) сердечника в области больших кратностей токов перегрузки электродвигателя, т. е. при высоких скоростях роста температуры обмотки. Это обстоятельство значительно снижает эффективность защитного устройства.

Для электродвигателей ответственных приводов целесообразно использовать температурно-токовые защиты, обладающие более полноценными защитными характеристиками, так как они реагируют на два параметра: температуру и ток одновременно.

Наиболее полно этому условию соответствует устройство, содержащее первый нешихтованный сердечник термочувствительный элемент, первичной обработкой которого служат изолированные проводники лобовой части секции фазной обмотки статора, второй шихтованный сердечник, первичная обмотка которого включена последовательно с фазной обмоткой, причем оба сердечника выполнены из ферромагнитного материала, например, конструкционной стали, а также вторичные выходные обмотки на каждом из сердечников, включенные на общий элемент сравнения, и исполнительный орган [2] Устройство обладает малой динамической погрешностью при больших токах перегрузки и пусковых токах ненормальной продолжительности и формирует выходной ток с помощью элемента сравнения, пропорционально зависящий от температуры обмоток электродвигателя, на который реагирует исполнительный орган. Известное устройство наиболее близко к предлагаемому и принято за прототип.

К недостаткам известного устройства относятся отсутствие контроля износа изоляции, затрудняющее своевременное планирование замены электродвигателей и вызывающее значительные затраты времени и средств из-за непредвиденной остановки рабочего агрегата или установки, тепловое старение изоляции обмоток и сокращение ресурса электродвигателя.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей за счет контроля ресурса изоляции электродвигателя по параметру "температура обмотки статора".

Цель достигается тем, что устройство для температурной защиты обмоток электродвигателя, содержащее первый нешихтованный сердечник, в качестве первичной обмотки которого используются изолированные проводники лобовой части секции фазной обмотки статора, второй шихтованный сердечник, первичная обмотка которого предназначена для включения последовательно с фазной обмоткой, при этом оба сердечника выполнены из ферромагнитного материала, выходные обмотки на каждом из сердечников, включенные на общий элемент сравнения, исполнительный орган, снабжено счетчиком ресурса изоляции, первым и вторым пороговыми элементами, ключом, при этом первые два входа счетчика ресурса изоляции соединены через соответственно первый и второй пороговые элементы с выходами элемента сравнения, вторые два входа счетчика ресурса изоляции подсоединены через ключ к клеммам для подключения к двум фазам питающей сети, при этом выход первого порогового элемента соединен с входом ключа, а выход второго порогового элемента с входом исполнительного органа.

На чертеже изображено устройство для температурной защиты обмоток электродвигателя.

Устройство состоит из нешихтованного сердечника 1 термочувствительного элемента, в качестве первичной обмотки которого используются изолированные проводники лобовой части секции фазной обмотки статора электродвигателя, шихтованного сердечника 2, первичная обмотка которого предназначена для включения последовательно с фазной обмоткой, при этом оба сердечника выполнены из ферромагнитного материала, например, конструкционной стали, элемента сравнения 3, подключенного входами к вторичным выходным обмоткам сердечников 1 и 2. Выходы элемента сравнения 3 подключены к первым двум входам счетчика ресурса изоляции 4 через соответственно первый и второй 6 пороговые элементы. Вторые два входа счетчика ресурса изоляции 4 подсоединены через ключ 7 к клеммам для подключения к двум фазам питающей сети электродвигателя. Выход первого порогового элемента 5 соединен с входом ключа 7, а выход второго порогового элемента 6 соединен с входом исполнительного органа 8.

Устройство для температурной защиты обмоток электродвигателя работает следующим образом.

При протекании тока в обмотках электродвигателя термочувствительный элемент нешихтованный сердечник 1, в качестве первичной обмотки которого используются изолированные проводники лобовой части секции фазной обмотки, а вторичная выходная обмотка включена на элемент сравнения 3, нагревается как за счет тепла, передаваемого от обмотки, так и потерь энергии, передаваемой в массивный сердечник 1 электромагнитным способом. Имеющиеся потери электромагнитной энергии в основном на вихревые токи, вызывающие дополнительный нагрев нешихтованного сердечника 1, компенсируют отставание его в следовании за температурой изоляции обмотки, т. е. уменьшают динамическую погрешность при больших токах перегрузки и пусковых токах ненормальной продолжительности. Электрическое сопротивление ферромагнитного нешихтованного сердечника 1 при нагревании увеличивается, а магнитное сопротивление стали уменьшается, так как ослабевает размагничивающее поле вихревых токов, вследствие увеличения электрического сопротивления стали, в результате чего увеличивается магнитный поток и ток во вторичной выходной обмотке пропорционально температуре нагрева нешихтованного сердечника 1 при том же токе в питающей обмотке. Изменение электрических и магнитных параметров нешихтованного сердечника 1 от температуры его нагрева носит практически линейный характер, а интенсивность процесса их изменения зависит от величины потребляемого тока электродвигателем.

Таким образом тепло, вызывающее срабатывание устройства поступает к термочувствительному элементу (нешихтованному сердечнику 1) от двух источников: обмотки электродвигателя непосредственно за счет теплопроводности и за счет потерь электромагнитной энергии в массивном теле нешихтованного сердечника, возрастающих пропорционально величине перегрузочного тока.

Нагрев шихтованного сердечника 2, первичная обмотка которого предназначена для включения последовательно с фазной обмоткой, а вторичная включена на элемент сравнения 3, ввиду малых потерь в нем электромагнитной энергии практически отсутствует, и величина тока во вторичной выходной обмотке определяется только величиной тока в обмотках электродвигателя.

При совместной работе выходных обмоток нешихтованного сердечника 1 (термочувствительного элемента) и шихтованного сердечника 2, используемого в качестве компенсатора, на общий элемент сравнения 3, работающий по принципу магнитного или электрического вычитания двух измеряемых сигналов, выделяется ток, пропорционально зависящий от температуры нагрева нешихтованного сердечника 1 или в равной степени от температуры нагрева обмотки электродвигателя. Таким образом тепловое действие перегрузочного тока с помощью нешихтованного сердечника 1 преобразуется в электрическую величину в виде тока.

Для получения наиболее полной информации о тепловом действии перегрузочного тока на изолированные проводники фазной обмотки статора электродвигателя шихтованный 2 и нешихтованный 1 сердечники выполняются из одного материала, например, конструкционной стали, позволяющего максимально приблизить веберамперные характеристики сердечников в холодном состоянии.

Выделяемый элементом сравнения 3 ток, пропорционально зависящий от температуры нагрева обмотки статора, наиболее полно соответствует параметру, необходимому для контроля ресурса изоляции электродвигателя и обеспечения его температурной защиты. Закономерность изменения ресурса изоляции электродвигателей от термического старения и износа характеризуется "кривой жизни" изоляции или уравнением общего закона Вант-Гоффа-Аррениуса вида где T_кi базовый средний ресурс электродвигателя до первого капитального ремонта, 4; A и B постоянные, зависящие от свойств изоляционных материалов, класса их нагревостойкости, конструкции и технологии изготовления электродвигателей; Θ_i температура обмотки статора, ^oС.

Приведенное уравнение (1) является базовой математической моделью надежности для прогноза и оценки влияния температуры обмотки статора на ресурс электродвигателей в условиях эксплуатации.

Располагая сведениями о свойствах изоляционных материалов и классе нагревостойкости обмоточного провода, можно рассчитать базовый средний ресурс T_кi защищаемого электродвигателя при Θ_i=Θ_ном длительно допустимой температуре для данного класса нагревостойкости изоляции, а также его изменение ("кривую жизни" изоляции) при возможных отклонениях температуры Θ_i от Θ_ном. Расчетное значение Θ_ном·T_к для данного электродвигателя вводится в счетчик ресурса изоляции 4 защитного устройства в качестве базового значения для последующего учета расхода ресурса изоляции в условиях эксплуатации. Счетчик ресурса изоляции 4, содержащий, например, электромеханический учитывающий блок или интегральный, реагирует на величину κ=u_л·I_i(Θ)·t_i, (2) где U_л линейное напряжение сети, питающей электродвигатель; I_i(Θ) ток, выделяемый элементом сравнения 3, пропорционально зависящий от температуры нагрева обмотки статора электродвигателя;
t_i текущее время.

Возможные колебания напряжения U_л в сети при работе электродвигателя, проявляющиеся в изменении потребляемого тока электродвигателем, компенсируются током I_i(Θ) отражающего тепловое действие потребляемого тока на обмотку. При наличии источника питания неограниченной мощности возможные колебания напряжения U_л незначительны и поэтому, с учетом приведенного, можно принять U_л≈const K.

Учитывая пропорциональную линейную связь между током I_i(Θ) и температурой нагрева нешихтованного сердечника 1 или в равной степени линейную связь между током I_i(Θ) и температурой нагрева обмотки электродвигателя, можно принять I_i(Θ)=m·Θ_i, где m коэффициент пропорциональности.

Тогда уравнение (2) можно записать в виде
κ=k·m·Θ_i·t_i=P·Θ_i·t_i, (3)
где P постоянная счетчика ресурса изоляции.

Таким образом, счетчик ресурса изоляции 4 по существу реагирует на величину Θ_i·t_i представляющую практический интерес с точки зрения учета расхода ресурса изоляции защищаемого электродвигателя
Исходя из известных условий требуемого контроля расхода ресурса изоляции, целесообразные значения нижнего и верхнего пределов изменения Θ_i устанавливаются службой эксплуатации с учетом особенностей защищаемого электродвигателя или в общем случае согласно выработанным рекомендациям: Θ_imin=(0,9÷0,95)Θ_ном (меньшие значения характерны для обмоток с изоляцией классов B, F, H); Θ_imax=1,25Θ_ном.
Верхнее значение температуры Θ_imax принимается также и в качестве параметра срабатывания температурной защиты, при котором происходит отключение перегретого электродвигателя от источника питания. При значениях Θ_i<Θ_imin учет расхода ресурса изоляции не ведется.

Для реализации этого условия в устройстве используются первый 5 и второй 6 пороговые элементы, реагирующие на величину тока I_i(Θ), соответствующую Θ_imin и Θ_imax.

Итак, при включении электродвигателя в работу по мере его нагрева увеличивается ток I_i(Θ), выделяемый элементом сравнения 30 пропорционально зависящий от температуры нагрева обмотки статора. Этот ток с выходной цепи элемента сравнения 3 беспрепятственно протекает по токовоспринимающей цепи счетчика ресурса изоляции 40 подключенного первыми двумя входами к элементу сравнения 3 через последовательно соединенные первый 5 и второй 6 пороговые элементы. При достижении величины тока I_i(Θ), соответствующей температуре Θ_imin, срабатывает первый 5 и пороговый элемент, приводящий к замыканию ключа 7. С этого момента времени на вторые два входа счетчика ресурса изоляции 4 подается линейное напряжение U_л сети и начинается учет расхода ресурса изоляции по величине Θ_i·t_i. Если режим работы электродвигателя сопряжен с перегрузками, то температура обмоток увеличивается и одновременно также увеличивается ток I_i(Θ). При достижении величины тока I_i(Θ), соответствующей температуры Θ_imax, срабатывает второй пороговый элемент 6 и происходит отключение перегретого электродвигателя от источника питания с помощью исполнительного органа 8. С этого момента времени ключ 7 возвращается в исходное состояние и приостанавливается учет расхода ресурса до последующего включения электродвигателя в работу. Израсходованный ресурс электродвигателя. от цикла к циклу работы накапливается в счетчике ресурса изоляции 4 в виде ΣΘ_i·t_i,, что дает возможность оперативно сопоставлять его с расчетным запланированным ресурсом Θ_ном·T_к.. При достижении выработанного ресурса ΣΘ_i·t_i]=(0,9÷0,95)Θ_ном·T_к целесообразно произвести замену эксплуатируемого электродвигателя и сдать его в капитальный ремонт.

Предлагаемое устройство может быть рекомендовано для температурной защиты электродвигателей переменного тока ответственных приводов низкого и высокого напряжений, силовых трансформаторов и другого электрооборудования.

Экономическая целесообразность предлагаемого изобретения определяется надежной температурной защитой и возможностью обеспечения непрерывного функционирования рабочих агрегатов и установок за счет рационального планирования электрооборудования по мере выработки ресурса изоляции.

Формула изобретения

Устройство для температурной защиты обмоток электродвигателя, содержащее первый нешихтованный сердечник, в качестве первичной обмотки которого используются изолированные проводники лобовой части секции фазы фазной обмотки статора, второй шихтованный сердечник, первичная обмотка которого предназначена для включения последовательно с фазной обмоткой, при этом оба сердечника выполнены из ферромагнитного материала, выходные обмотки на каждом из сердечников, включенные на общий элемент сравнения, исполнительный орган, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет контроля ресурса изоляции электродвигателя по параметру "температура обмотки статора", оно дополнительно снабжено счетчиком ресурса изоляции, первым и вторым пороговыми элементами, ключом, при этом первые два входа счетчика ресурса изоляции соединены через соответственно первый и второй пороговые элементы с выходами элемента сравнения, вторые два выхода счетчика ресурса изоляции подсоединены через ключ к клеммам для подключения к двум фазам питающей сети, при этом выход первого порогового элемента соединен с входом ключа, а выход второго порогового элемента с входом исполнительного органа.

РИСУНКИ

Рисунок 1