Устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах с коллекторными электродвигателями постоянного тока. Технический результат изобретения - улучшение качества защиты электродвигателя от перегрева. Устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева содержит электродвигатель, датчик тока, устройство регулирования напряжения, блок интегрирования и пороговый элемент. Электродвигатель и датчик тока соединены последовательно и подключены к питающей сети через устройство регулирования напряжения. Вход блока интегрирования соединен с источником сигнала смещения, а выход блока интегрирования через пороговый элемент соединен с входом защиты устройства регулирования напряжения. В устройство введены датчик нулевой скорости электродвигателя и управляемый делитель напряжения, соединенный с датчиком тока и блоком интегрирования, причем управляющий вход делителя напряжения соединен с датчиком нулевой скорости электродвигателя. 2 ил.

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах с коллекторными электродвигателями, в частности в электроприводах постоянного тока.

Известно устройство для защиты от перегрева электродвигателя, входящее в состав системы управления электродвигателем постоянного тока с постоянными магнитами [1], содержащее датчик температуры, встроенный в корпус электродвигателя, причем выход датчика температуры соединен со входом блока защиты.

При перегрузке электродвигателя его нагрев увеличивается выше нормы, в результате чего срабатывает блок защиты и отключает электродвигатель.

Недостатками аналога являются: 1. Низкая точность при определении перегрева якорной обмотки электродвигателя, обусловленная тем, что температура на корпусе электродвигателя, там где установлен датчик температуры, существенно отличается от температуры вращающегося якоря электродвигателя.

Разница температур между местом установки датчика температуры и самой нагретой частью электродвигателя - якорной обмоткой (которую должно защищать от перегрева устройство защиты) - зависит от режимов работы, условий охлаждения якоря и корпуса электродвигателя и ряда других факторов. Так, например, при охлаждении якоря воздухом от вентилятора передача тепла от якоря к корпусу электродвигателя существенно уменьшается и датчик температуры наименее точно измеряет температуру якорной обмотки электродвигателя.

Указанный недостаток устройства защиты электродвигателя может быть частично устранен за счет снижения порога срабатывания защиты, которое будет косвенно учитывать разницу температур в якорной обмотке и на корпусе датчика температуры с учетом способа охлаждения двигателя. Однако этот путь устранения недостатка аналога неэффективен из-за необходимости сложного экспериментального определения требуемого уровня порога срабатывания защиты с учетом факторов нагрева и охлаждения электродвигателя.

2. Большое запаздывание по времени при измерении температуры якоря, связанное с процессом передачи тепла от якорной обмотки на корпус электродвигателя через сердечник якоря и воздушный зазор между якорем и корпусом электродвигателя.

Отмеченные недостатки аналога снижают качество защиты от перегрева электродвигателя. При этом следует заметить, что особенно большое запаздывание и низкое качество защиты устройство имеет при аварийной остановке якоря электродвигателя (например, при заклинивании приводного механизма). В этом случае ток все время протекает через одну секцию якорной обмотки (при вращающемся якоре ток протекает поочередно через все секции якорной обмотки), в результате чего происходит ее ускоренный нагрев выше допустимой температуры и разрушение изоляции обмотки прежде, чем сработает защита. Указанные недостатки усугубляются в двигателях с самовентиляцией, в которых при останове двигателя меняются условия охлаждения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство времятоковой защиты электродвигателя в электроприводе серии ЭПУ1 [2], представленное на фиг.1 и принятое за прототип, где имеем следующие обозначения: 1 - электродвигатель, 2 - датчик тока, 3 - тиристорный выпрямитель, 4 - блок интегрирования, 5 - пороговый элемент, Uc - напряжение питающей сети, Uy - сигнал управления тиристорным выпрямителем, Uдт = кI - выходной сигнал датчика тока,
I - ток двигателя,
Iн - номинальный ток двигателя,
Uсм - сигнал смещения.

Устройство состоит из электродвигателя 1, подключенного к питающей сети через датчик тока 2, содержащий трансформатор переменного тока и выпрямитель, и тиристорный выпрямитель 3. Выход датчика тока 2 соединен с первым входом блока интегрирования 4, второй вход которого подключен к источнику сигнала смещения Uсм, выход блока интегрирования 4 соединен через пороговый элемент 5 с входом защиты тиристорного выпрямителя 3.

Электродвигатель 1 управляется с помощью тиристорного выпрямителя 3, на управляющий вход которого поступает сигнал управления Uy. На входе блока интегрирования 4 производится сравнение сигналов смещения Uсм и датчика тока Uдт, при этом величина первого из указанных сигналов соответствует номинальной нагрузке электродвигателя 1, а величина второго сигнала - текущей нагрузке электродвигателя. В нормальном режиме работы при I≤Iн разность сигналов (Uсм-Uдт) положительна и устройство время - токовой защиты не оказывает влияния на работу тиристорного выпрямителя 3. При перегрузке электродвигателя I>Iн разность (Uсм-Uдт) становится отрицательной и блок интегрирования 4 вступает в работу, при этом время интегрирования блока 4 тем меньше, чем больше сигнал Uдт (интегрирование разности сигналов с учетом постоянной времени нагрева электродвигателя). При I>Iн и увеличении выходного сигнала блока 4 до порога срабатывания порогового элемента 5 на его выходе появляется сигнал блокировки дальнейшей работы тиристорного выпрямителя 3.

Таким образом, устройство времятоковой защиты электродвигателя от перегрузок защищает электродвигатель при I>Iн как при небольших, но длительных перегрузках, так и при больших кратковременных перегрузках. Данное устройство более качественно защищает электродвигатель от перегрева, чем указанное в аналоге, т.к. выполняет защиту в функции величины тока нагрузки, однако имеет недостатки.

Недостатком данного устройства защиты электродвигателя от перегрева является низкое качество защиты в случае аварийной остановки электродвигателя, при этом аварийный ток протекает через одну секцию якорной обмотки электродвигателя. В этом случае устройство время - токовой защиты не может защитить якорь электродвигателя от перегрева и разрушения якорной обмотки, т.к. увеличение выходного сигнала блока интегрирования происходит с учетом постоянной времени нагрева всего якоря электродвигателя, а не одной его секции, постоянная времени нагрева которой существенно меньше, чем у всего якоря.

Технический результат изобретения - улучшение качества защиты электродвигателя от перегрева.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева, содержащее электродвигатель, датчик тока, устройство регулирования напряжения, блок интегрирования и пороговый элемент, в котором электродвигатель и датчик тока соединены последовательно и подключены к питающей сети через устройство регулирования напряжения, вход блока интегрирования соединен с источником сигнала смещения, а выход блока интегрирования соединен через пороговый элемент с входом защиты устройства регулирования напряжения, дополнительно выведены датчик нулевой скорости электродвигателя и управляемый делитель напряжения, включенный между выходом датчика тока и вторым входом блока интегрирования, причем управляющий вход делителя напряжения соединен с датчиком нулевой скорости электродвигателя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет введения датчика нулевой скорости электродвигателя и управляемого делителя напряжения и их соответствующего соединения с блоком интегрирования и датчиком тока удалось повысить качество защиты электродвигателя от перегрева. С помощью датчика нулевой скорости фиксируется останов электродвигателя, с помощью управляемого делителя производится увеличение сигнала, поступающего на второй вход блока интегрирования, который производит быстрое интегрирование тока нагрузки с учетом уменьшения постоянной времени нагрева одной секции якорной обмотки электродвигателя, защищая тем самым ее от перегрева и разрушения.

На фиг.2 приведена принципиальная электрическая схема устройства защиты, где приняты следующие обозначения:
1 - электродвигатель;
2 - датчик тока;
3 - устройство регулирования напряжения, например тиристорный выпрямитель,
4 - блок интегрирования;
5 - пороговый элемент;
6 - датчик нулевой скорости;
7 - управляемый делитель напряжения;
~Uc - напряжение питающей сети;
Uсм - сигнал смещения;
Uдт - сигнал датчика тока.

Устройство защиты электродвигателя от перегрева состоит из электродвигателя 1, датчика тока 2, соединенных последовательно и подключенных к выходам устройства регулирования напряжения 3, входы которого подключены к питающей сети, первый вход блока интегрирования 4 подключен к источнику сигнала смещения, а его выход соединен через пороговый элемент 5 с входом защиты устройства регулирования напряжения 3, якорь электродвигателя 1 соединен через датчик нулевой скорости 6 с управляющим входом делителя напряжения 7, включенным между выходом датчика тока 2 и вторым входом блока интегрирования 4.

На фиг.2 приведен пример датчика нулевой скорости 6, состоящего из последовательно соединенных тахогенератора и дополнительного порогового элемента (нуль-органа). При этом, как правило, тахогенератор используется в канале регулирования скорости двигателя, и в данном случае выполняет две функции.

Устройство защиты работает следующим образом.

Электродвигатель 1 управляется с помощью устройства регулирования напряжения 3. Датчик тока 2 измеряет ток нагрузки, протекающий через якорь электродвигателя. На входах блока интегрирования 4 производится сравнение сигналов датчика тока 2 и смещения Uсм, соответствующим номинальной нагрузке электродвигателя 1. В нормальном режиме работы сигнал датчика тока Uдт меньше сигнала смещения Uсм и сигнал на выходе блока интегрирования 4 равен нулю. При работе электродвигателя с перегрузкой сигнал Uдт становится больше сигнала смещения Uсм и блок интегрирования 4 вступает в работу, производя интегрирование разности сигнала (Uдт-Uсм). При увеличении сигнала на выходе блока интегрирования 4 до величины порога срабатывания порогового элемента 5 последний включается и запрещает работу устройства регулирования напряжения 3. Причем время нарастания выходного сигнала блока интегрирования 4 зависит как от величины перегрузки электродвигателя, так и от постоянной времени нагрева якоря электродвигателя.

При аварии в механизме, приводимом в действие электродвигателем 1, вызывающей стопорение механизма и вала электродвигателя, нагрузка на электродвигатель увеличивается, а ток в этом случае протекает через одну секцию якорной обмотки электродвигателя. В этом режиме (отсутствие вращения вала электродвигателя) на выходе датчика нулевой скорости 6 появляется сигнал, который выключает управляемый делитель напряжения 7 и увеличивает сигнал датчика тока 2, поступающий на вход блока интегрирования 4. Степень увеличения сигнала датчика тока выбрана с учетом постоянной времени нагрева одной секции якорной обмотки. Это приводит к быстрому нарастанию выходного сигнала блока интегрирования 4 и отключению электродвигателя.

Следует отметить, что данная защита в отличие от прототипа может работать при заклинивании (останове) двигателя и при токах, меньших номинального значения, что повышает ее эффективность.

Заявляемое устройство защиты испытано в электроприводах постоянного тока серии ЭПУ4-1, выпуск которых планируется со второй половины 2001 года.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США 5991505, МПК Н 02 Р 7/29 от 23.11.1999.

2. Техническое описание электропривода серии ЭПУ1 ИГФР.654674.001 ТО.

Формула изобретения

Устройство защиты коллекторного электродвигателя от перегрева, содержащее последовательно соединенные электродвигатель и датчик тока, подключенные к питающей сети через устройство регулирования напряжения, блок интегрирования, вход которого соединен с источником сигнала смещения, а выход связан через пороговый элемент с входом защиты устройства регулирования напряжения, отличающееся тем, что введены датчик нулевой скорости электродвигателя и управляемый делитель напряжения, включенный между выходом датчика тока и вторым входом блока интегрирования, причем управляющий вход делителя напряжения подключен к датчику нулевой скорости электродвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2