устройство защиты группы трехфазных электродвигателей от обрыва фазы питания

Формула изобретения

Устройство защиты группы трехфазных электродвигателей от обрыва фазы питания, содержащее два датчика возмущения, включенных первичными обмотками трансформаторов тока в разные фазы сети, блок управления, ключевой исполнительный элемент и исполнительный орган, отличающееся тем, что датчик возмущения выполнен в виде фильтра токов обратной последовательности, причем первичные обмотки первого и второго трансформаторов тока первого датчика возмущения включены в первую и вторую фазы сети, первичные обмотки второго датчика возмущения - во вторую и третью фазы сети, вторичные обмотки трансформаторов тока каждого из датчиков возмущения соединены последовательно, первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора тока подключен к первому выводу первого резистора пассивно-емкостного делителя, состоящего из последовательного соединения первого резистора, конденсатора и второго резистора, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора тока подключен ко второму выводу второго резистора, точка соединения вторичных обмоток трансформаторов тока подключена к точке соединения конденсатора и первого вывода второго резистора, выход датчиков токов обратной последовательности представляет собой точку соединения первого вывода вторичной обмотки первого трансформатора тока с первым выводом первого резистора и точку соединения второго вывода вторичной обмотки второго трансформатора тока и второго вывода второго резистора, выходы каждого из датчиков возмущения подключены соответственно ко входам первого и второго выпрямительных мостов, являющихся входами блока управления, выходы упомянутых выпрямительных мостов одними одноименными выводами соединены между собой и подключены к общей точке, другими одноименными выводами - к соответствующим нагрузкам, другие выводы которых подключены к общей точке, средние точки упомянутых нагрузок мостов через первый и второй RC-фильтры подключены к входам первого и второго триггеров Шмидта, выходы которых подключены ко входам третьего триггера Шмидта, выход которого через третий RC-фильтр подключен ко входам четвертого триггера Шмидта, выход которого, являющийся выходом блока управления, подключен ко входу транзисторного ключа, коллекторная нагрузка которого подключена к выходному фильтру стабилизатора, в цепь коллектора которого включен светодиод оптопары, фототиристор которой при отключении разрывает цепь питания исполнительного элемента, отключая при этом контакт исполнительного органа, при замкнутом состоянии которого осуществляется питание группы двигателей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты группы электродвигателей от обрыва фазы питания.

Известны устройства защиты электродвигателей 3-фазного тока от обрыва фазы на основе датчика - фильтра токов обратной последовательности, содержащего два трансформатора тока, вторичные обмотки которых соединены последовательно, общий вывод подключен к точке соединения конденсатора и резистора, второй вывод упомянутого резистора подключен ко второму выводу вторничной обмотки второго трансформатора тока, вторая обкладка конденсатора подключена к одному из выводов другого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй обмотки первого трансформатора тока (1).

Недостатком этого устройства (при использовании одного датчика-фильтра токов обратной последовательности) является невозможность защиты группы двигателей при обрыве фазы, так как разбаланс фильтра в этом случае незначительный.

Близким к предлагаемому устройству является устройство комбинированной защиты (2), содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, блок управления и исполнительный элемент, датчик перегрузки включен в две из трех фаз, выполнен в виде трансформаторов тока с резистивной нагрузкой, подключенной к двум схемам выпрямления.

Недостатком известного устройства (2) является невозможность с помощью таких датчиков защитить группу двигателей от обрыва фазы питания.

Известно также устройство для защиты электроустановки (3), содержащее фильтр порядка чередования фаз, датчик контроля обрыва фазы и переноса фаз - датчик сигнала возмущения, подключенный к фазам защищаемой сети, измерительный преобразователь тока нагрузки, интегрирующее звено и пороговый элемент, образующие блок управления, выход порогового элемента подключен к исполнительному органу, а вход - к выходу фильтра чередования фаз и измерительного преобразователя тока через интегрирующее звено, причем преобразователь тока включен в одну из фаз защищаемой сети. Причем фильтр порядка чередования фаз, измерительный преобразователь, интегрирующее звено и пороговый элемент представляют собой систему - датчик сигнала возмущения - блок управления c одним исполнительным элементом контроля, воздействующим на исполнительный орган.

Недостатком этого устройства является то, что устройство представлено на уровне структурной схемы, отсутствует связывающий узлы структурной схемы источник питания для исполнительного элемента, с помощью этого устройства невозможно защитить группу двигателей от обрыва фазы питания.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для защиты трехфазного электродвигателя (4), содержащее измерительный первый и второй трансформаторы тока, образующие 2 датчика сигнала возмущения с двумя первичными обмотками каждый, включенные в разные фазы питания электродвигателя, исполнительный орган, включенный между средними выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, пороговый блок контроля перегрузки, образующий блок управления, выполненный в виде реле напряжения, входом включенный между первым и вторым выходами вторичной обмотки одного из измерительных трансформаторов, ключевого исполнительного элемента, выполненного в виде двух фототиристорных оптронов, светодиоды которых подключены к выходу блока контроля перегрузки.

Недостатком прототипа является то, что с помощью этого устройства нельзя защитить группу двигателей от обрыва фазы питания.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве, содержащем два датчика сигнала возмущения, включенных первичными обмотками трансформаторов тока в разные фазы сети, блока управления, ключевого исполнительного элемента и исполнительного органа, датчик сигнала возмущения выполнен в виде фильтра токов обратной последовательности, причем первичные обмотки первого и второго трансформаторов тока первого датчика включены в первую и вторую фазы сети, первичные обмотки второго датчика - во вторую и третью фазы, вторичные обмотки упомянутых трансформаторов тока каждого из датчиков соединены последовательно, первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора тока подключен к первому резистору пассивно-емкостного делителя, состоящего из последовательно соединенных первого резистора, конденсатора и второго резистора, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора тока подключен ко второму выводу второго резистора, точка соединения упомянутых вторичных обмоток трансформаторов тока подключена к точке соединения конденсатора и первого вывода второго резистора, точки соединения первого вывода вторичной обмотки первого трансформатора тока и второго вывода вторичной обмотки второго трансформатора тока с соответственно первым выводом первого резистора пассивно-емкостного делителя и вторым выводом упомянутого второго резистора - выходы датчиков токов обратных последовательностей, выходы каждого из датчиков подключены соответственно ко входам первого и второго выпрямительных мостов, являющихся входами блока управления, выходы упомянутых выпрямительных мостов одними одноименными выводами соединены между собой и подключены к общей точке, другими одноименными - к нагрузкам через средние точки упомянутых нагрузок мостов, первый и второй RC-фильтры подключены ко входам первого и второго триггеров Шмидта, выходы которых подключены ко входам третьего триггера Шмидта, выход которого через третий RC-фильтр подключен ко входам четвертого триггера Шмидта, выход которого, являющегося выходом блока управления, подключен ко входу транзисторного ключа, в цепи коллектора которого включен светодиод оптопары, фототиристор которой подключен к выходу третьего выпрямительного моста, во входной цепи которой включен ключевой исполнительный элемент, воздействующий на исполнительный орган.

Указанные выше существенные связи обеспечат защиту любого из группы, например, электродвигателей или любой другой нагрузки дискретного характера, работа которой зависит от симметрии фаз многофазной нагрузки.

Авторами испытано устройство со следующими техническими характеристиками: группа электродвигателей из 4 штук мощностью от 2,2 кВт до 0,4 кВт в различном сочетании при питании от сети 380/220 В, 50 Гц. При обрыве фазы питания любого из указанных электродвигателей, работающих под нагрузкой в режиме от 0,1 P_ном. до 1,0 P_ном., а также в режиме холостого хода, в том числе и наименьшего по мощности, происходило отключение всей группы.

Таким образом, при сравнении с известными устройствами повышается чувствительность и надежность, упрощается реализация его, т.е. обеспечивается защита от обрыва фазы у любого из группы работающих электродвигателей независимо от номинальной и потребляемой мощности.

На фиг.1 изображена структурно-принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - поясняющая структурная схема, на фиг. 3,4 - векторные диаграммы режимов работы.

Устройство (фиг. 1) содержит два датчика сигнала возмущения 1, 1" - фильтров токов обратной последовательности, в состав каждого из которых входят по два трансформатора тока 2 и 3, первичные обмотки которых включены в три фазы сети следующим образом: первый 1 - в первую и вторую фазы (например, A и B трехфазной сети), второй 1" - во вторую и третью фазы (например, B и C) сети, вторичные обмотки 2 и 3 упомянутых трансформаторов тока соединены последовательно, первый вывод вторичной обмотки трансформатора тока 2 подключен к первому резистору 4 пассивно-емкостного делителя (может быть переменным), соединенного вторым выводом с конденсатором 5 и точкой соединения вторичных обмоток трансформаторов тока 2 и 3, вторая обкладка упомянутого конденсатора подключена ко второму резистору 6 (может быть переменным) пассивно-емкостного делителя, представляющего последовательное соединение резистора 4, конденсатора 5 и резистора 6, второй вывод которого подключен ко второму выводу вторичной обмотки второго трансформатора тока 3, выход датчиков токов обратной последовательности 1, 1", представляющий точки соединения обмоток 2 и 3 с резисторами 4 и 6 соответственно, подключен ко входу первого выпрямительного моста 7, выход второго датчика 1" - фильтра токов обратной последовательности подключен ко входу второго выпрямительного моста 8. Одноименные первые выходы первого и второго выпрямительного моста 7 и 8 соединены между собой и подключены к общей точке, другой одноименный выход первого выпрямительного моста 7 подключен к нагрузке 9, средняя точка нагрузки 9 первого выпрямительного моста 7 подключена ко входу первого RC-фильтра из резистора 10 и конденсатора 11, выход первого RC - фильтра подключен к параллельно соединенным входам первого триггера Шмидта 12, другой выход второго выпрямительного моста 8 подключен к нагрузке 13, второй вывод которой и нагрузки 9 подключен к общей точке, средняя точка нагрузки 13 подключена ко входу второго RC - фильтра из резистора 14 и конденсатора 15, выход второго RC - фильтра подключен к параллельно соединенным входам второго триггера Шмидта 16, выходы триггеров 12 и 16 подключены ко входам третьего триггера Шмидта 17, выход которого через третий RC - фильтр из резистора 18 и конденсатора 19 подключен к параллельно соединенным входам четвертого триггера Шмидта 20, выход этого триггера подключен через ограничительный резистор 21 и подключенный к нему общим выводом резистор входного сигнала 22 ко входу ключа 23, причем второй вывод резистора 22 и эмиттер ключа 23 подключены к общей точке, в коллекторной цепи ключа 23 установлена нагрузка 24, последовательно с которой включен светодиод 25 оптопары 26, фототиристор которой включен в выходную цепь третьего выпрямительного моста 28, ко входу которого подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора 29 и резистора 30 - фильтра переходного процесса, параллельно упомянутому фильтру подключена кнопка "ПУСК" 31, а последовательно - кнопка "СТОП" 32, в другую шину однофазной сети включен исполнительный элемент 33, воздействующий на исполнительный орган 34, к однофазной сети подключена первичная обмотка трансформатора 35, вторичная обмотка которого подключена ко входу 4-го выпрямительного моста, выход которого подключен к емкостному фильтру 37, параллельно которому включен дополнительный стабилизатор 38, выходным фильтром которого является конденсатор 39, параллельно которому подключены цепи питания всех четырех триггеров (на чертеже фиг. 1 показано питание первого триггера 12) и коллекторная нагрузка 24.

Выходы первого 7 и второго 8 выпрямительного мостов являются входами блока управления, в состав которого входят элементы 9-20, 35-39, выходом блока управления является выход четвертого триггера Шмидта 20. Все связи между элементами 9-20 и 35-39 описаны ранее.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при отсутствии обрыва любой из фаз разбаланс на выходе датчиков 1,1" незначителен (или отсутствует вообще), что эквивалентно сигналу лог."0". На выходах триггеров 12 и 16 сигнал лог."1", на выходе триггера 17 сигнал лог. "0", являющийся входным сигналом триггера 20, на выходе которого сигнал лог. "1", ключ 23 открыт, оптопара 26 находится в рабочем режиме, т.е. светодиод 25 и фототиристор 27 включены.

Данный режим возможен при нажатии кнопки "ПУСК" 31 и замыкании контакта 33 его исполнительного элемента. Питание трансформатора 35 осуществляется от однофазной сети переменного тока или от линейного напряжения, данное напряжение выпрямляется 4-м выпрямительным мостом 36, фильтруется емкостным фильтром 37, стабилизируется стабилизатором 38 (например, параметрическим в интегральном исполнении, например, EH5, может отсутствовать при использовании триггеров КМОП - технологии, например, 561ТЛ1). Контакт исполнительного органа 34 замкнут, осуществляется питание группы двигателей.

В аварийном режиме, в зависимости от характера аварийного состояния (см. описание работы схемы (фиг. 2), разбаланс на выходах датчика увеличивается и, при достижении определенного уровня, переключается третий триггер Шмидта 17, затем 4-й триггер 20 и ключ 23 закрывается, отключается элемент 27, разрывая в конечном итоге цепь питания исполнительного элемента 33 и отключая контакт исполнительного органа 34.

Пояснение принципа работы датчика сигнала возмущения - фильтров токов обратной последовательности дано на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.

Фильтр содержит (фиг. 2) трансформаторы тока, включенные первичными обмотками в фазы A и B сети питания двигателя. Вторичные обмотки трансформаторов тока включены последовательно, причем нагрузкой ТТА является резистор r2, а нагрузкой ТТВ - цепочка из последовательно включенных емкости с сопротивлением Xc и резистора r1.

При соотношениях r2 = 2r1 и Xc = на выходных зажимах mn напряжение равно 0, при симметричной 3-фазной системе токов (векторная диаграмма фиг. 3).

Если защищается один двигатель, то обрыв любой из фаз питания вызывает одинаковую разбалансировку фильтра, на его выходе появляется достаточный сигнал, воздействующий на регулирующий орган, и защита отключает электродвигатель от сети. Например, при обрыве фазы В напряжение om (векторная диаграмма фиг. 3).

Иное положение при защите нескольких двигателей (фиг.2).

Например, в двигателе Д2 оборвалась фаза C, т.е. для фильтра ТТА, ТТВ та фаза, где отсутствует трансформатор тока.

Таковой режим приводит к изменению величины и фазы токов в трансформаторах тока фильтра.

Составим по 1-му закону Кирхгофа уравнение токов для точек "d" и "f".

Данный режим изображен на векторной диаграмме фиг. 4.

Из данной диаграммы видно, что разбаланс фильтра незначительный, что может и не привести к срабатыванию защиты, особенно, если мощность двигателя Д2 значительно меньше мощности двигателя Д1.

При введении второго аналогичного фильтра, включенного в фазы B и C (ТТВ, ТТС), их регулирующие органы воздействуют на общий отключающий элемент.

При таком включении фильтров обрыв любой из фаз любого из работающих группы 3-фазных электродвигателей приводит к разбалансировке обоих фильтров, но в большей степени того из них, где обрыв произошел в фазе, где имеется трансформатор тока, в нашем случае ТТС (фиг. 4). Выходы упомянутых фильтров и являются выходами датчика сигнала возмущения.

Таким образом, в предложенном устройстве повышается чувствительность и надежность, упрощается реализация его и может быть обеспечена зашита от обрыва фазы у любого из группы работающих электродвигателей, причем и для двигателей наименьшей мощности.

Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Паперно Л.Б. Бесконтактные токовые защиты электроустановок. М.: Энергоиздат, 1983, С. 86-87, рис. 44.

2. Патент РФ "Устройство комбинированной защиты трехфазных нагрузок" по заявке N 94001235/07 от 14.01.1994 г. с решением о выдаче патента от 28.03.1996 г.

3. А. с. N 890514 СССР H 02 H 7/10, H 02 H 3/24. Устройство для защиты электроустановки / А.М.Федун. Опубл. БИ, 1981, N 46.

4. А. с. N 1317540 СССР H 02 H 7/08 Устройство для защиты трехфазного электродвигателя / В.М.Гетманенко, А.М.Королев. Опубл. БИ, 1987, N 22.