Устройство для защиты электрооборудования от перегрева

 

Использование: в электротехники, в частности защита электрооборудования от перегрева. Сущность изобретения: подогреватель терморезистора выполнен в виде индукционной катушки с ферромагнитным сердечником с повышенной поверхностью охлаждения торцевой части за счет фланца. Внутри сердечника без дополнительной изоляции от нагревательного элемента встроен терморезистор. Тепло в сердечниках выделяется за счет потерь на перемагничивание и потерь от вихревых токов и сердечник не имеет электрического контакта с токопроводящей цепью, что не требует высокотемпературной изоляции терморезистора от нагревательного элемента и массу нагревательного элемента можно снизить до минимума, а следовательно уменьшить постоянную времени нагрева терморезистора в случае прекращения обдува. Повышенная поверхность охлаждения торцевых частей за счет фланца позволяет интенсивно отводить тепло при наличии потока воздуха, снизив температуру терморезистора в нормальном режиме работы оборудования. 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и предназначено для защиты элементов оборудования.

Известно устройство для защиты элементов электрооборудования от перегрева, действие которого основано на моделировании теплового состояния защищаемого элемента, содержащее датчик тока, выход которого подключен к выходу органа с зависимой выдержкой времени, состоящего из соединенных последовательно функционального преобразователя и накопительного конденсатора, к которому подключен вход исполнительного элемента. Сигнал с выхода исполнительного элемента воздействует на отключение защищаемого электрооборудования (см.напр. Филатов Н.М. Коржов Н.В. Аналоговая защита электродвигателей от перегрева, ж. Электротехника N 12, 1970).

Недостатком такого устройства является то, что при наличии у защищаемого электрооборудования принудительного воздушного охлаждения возникает трудность согласования время-токовых характеристик с интенсивностью охлаждения, а также отсутствие защиты соседних узлов электрооборудования с малой постоянной времени нагрева (например, R-C цепочек), к котором нельзя подключить датчик тока.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для защиты электрооборудования от перегрева, содержащее датчик тока, выход которого подключен на вход органа с зависимой от тока выдержкой времени, состоящего из функционального преобразователя, накопительного конденсатора, и нуль-органа, а также резистора и термистора с независимым подогревом нагревателем, помещенном в воздушный поток вентилятора, подключенных на зажимы источником (-U₁), (+U₂) постоянного напряжения. Зажим термистора через диод соединен с накопительным конденсатором (см. а.с. N 690586, кл. H 02 H 5/04), которое принято за прототип.

В исходном состоянии устройства, когда вентилятор работает нормально, сопротивление термистора мало, напряжение на нем и конденсаторе меньше уставки срабатывания нуль-органа, выход которого является выходом защиты.

При прекращении работы вентилятора термистор разогревается, его сопротивление возрастает, возрастает и падение напряжения на нем от источника оперативного питания устройства. Диод открывается и конденсатор заряжается до напряжения на термисторе. При превышении этим напряжением уровня переключения нуль-органа, последний переключается и выдает сигнал на отключение защищаемого электрооборудования.

Недостаток такого устройства заключается в недостаточном быстродействии защиты из-за большой постоянной времени нагревательного элемента, за счет увеличения его массы на электроизоляцию термистора от нагревательной спирали, по которой протекает постоянный ток источника оперативного питания устройства, что приводит к недопустимому перегреву элементов оборудования с малой постоянной времени нагрева, например, R-C цепочек, в случае прекращения обдува из-за неисправности вентилятора.

Действительно, в частотно-регулируемых электроприводах с асинхронным электродвигателем преобразователь частоты обычно состоит из силового выпрямителя и транзисторного инвертора, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), отрабатывая заданный сигналом Uзад уровень частоты и напряжения на зажимах асинхронного двигателя.

Нагрев элементов преобразователя частоты зависит как от тока нагрузки, так и от частоты ШИМ.

В преобразователях частоты, предназначенных для управления асинхронными двигателями общепромышленного исполнения, частота ШИМ составляет 1 1,5 кГц и силовые транзисторы греются обычно больше R-C цепочек, их постоянная времени значительна и к нагревателю терморезистора не предъявляются никакие требования по быстродействию.

В преобразователях частоты, предназначенных для управления высокоскоростными асинхронными электродвигателями и электрошпинделями частота работы ШИМ в виду малой индуктивности рассеяния фазных обмоток двигателя повышается до 5 кГц, R-C цепочки нагреваются быстрее силовых транзисторов и отключение защиты при прекращении обдува должно происходить за время не более 0,5-1 мин (в зависимости от температуры окружающей среды).

Нагреватели, выполненные на основе спирали, изолированной от терморезистора керамикой и нагреваемые постоянным током, имеют постоянную времени до 5 минут и не обеспечивают требуемого быстродействия срабатывания защиты.

Целью изобретения является повышение быстродействия защиты от перегрева электрооборудования в случае снижения интенсивности принудительного воздушного охлаждения защищаемого элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для защиты электрооборудования от перегрева, например, транзисторного преобразователя частоты, содержащее нуль-орган, выход которого связан со входом исполнительного элемента, а вход связан с источниками напряжений смещения через резистор и терморезистор с нагревателем, помещенной в канал потока воздуха вентилятора, в качестве нагревателя использована индукционная катушка с ферромагнитным сердечником, выполненным в виде втулки, снабженной, по меньшей мере, одним фланцем, а термистор закреплен внутри ферромагнитного сердечника, например, с помощью клея.

Сущность заявляемого устройства заключается в оригинальном исполнении подогревателя терморезистора в виде индукционной катушки с ферромагнитным сердечником с повышенной поверхностью охлаждения торцевой части за счет фланца. Внутрь сердечника без дополнительной изоляции от нагревательного элемента встроен терморезистор. Тепло в сердечнике выделяется за счет потерь на перемагничивание и потерь от вихревых токов и сердечник не имеет электрического контакта с токопроводящей цепью. Поэтому высокотемпературной изоляции терморезистора от нагревательного элемента не требуется и массу нагревательного элемента (сердечника) можно снизить до минимума, а значит, и уменьшить постоянную времени нагрева терморезистора в случае прекращения обдува, а повышенная поверхность охлаждения торцевых частей за счет фланца позволяет интенсивно отводить тепло при наличии потока воздуха, снизив температуру терморезистора в нормальном режиме работы оборудования.

Функциональная схема заявляемого устройства для защиты электрооборудования от перегрева представлена на фиг. 1 конструктивное исполнение нагревателя с встроенным терморезистором на фиг. 2, а временные диаграммы, поясняющие работу устройства, на фиг. 3.

Обозначение на фиг. 2, 3, 4.

1 преобразователь частоты, 2 нуль-орган, 3 исполнительный элемент, 4 резистор, 5 терморезистор, 6 нагреватель, 7 вентилятор, 8 - индукционная катушка, 9 ферромагнитный сердечник, 10 источник повышенной частоты 10кГц, 11 силовой выпрямитель, 12 транзисторный инвертор с R-C цепочками, 13, 14, 15 датчики тока, 16 асинхронный электродвигатель, 17 - сумматор сигналов датчиков тока, 18 интегратор, Q производительность вентилятора, U₃, U₂, U₅ уровень напряжений соответственно на выходах исполнительного элемента 3, нуль-органа 2, терморезистора 5.

Предлагаемое устройство для защиты электрооборудования от перегрева, например, транзисторного преобразователя частоты 1, содержит нуль-орган 2 выход которого связан со входом исполнительного элемента 3, а вход связан с источниками напряжений смещения (-U₁), (+U₂) через резистор 4 и терморезистор 5 с нагревателем 6, помещенной в канал потока воздуха вентилятора 7. В качестве нагревателя 6 использована индукционная катушка 8 с ферромагнитным сердечником 9, выполненным в виде втулки, снабженной фланцем с одной или двух сторон, а терморезистор 5 закреплен внутри ферромагнитного сердечника, например, с помощью клея. Зажимы индукционной катушки 8 нагревателя 6 подключены к источнику 10 напряжения повышенной частоты 10 кГц, который имеется внутри преобразователя частоты 1.

Преобразователь частоты 1 содержит также силовой выпрямитель 11 и инвертор 12, выполненный на силовых транзисторах с подключенными к зажимам эмиттер-коллектор защитными R-C цепочками. Имеются также датчики тока 13, 14, 15, включенные в цепь нагрузки двигателя 16, которым управляет преобразователь частоты 1, а также сумматор 17 сигналов датчиков тока (выполняет функции функционального преобразователя прототипа), выход которого через интегратор 18 (выполняет функции накопительного конденсатора прототипа) соединен с первым входом исполнительного элемента 3, выполненного на логической микросхеме И-НЕ, со вторым входом которого связан выход нуль-органа 2.

Работает устройство следующим образом.

В исходном состоянии на преобразователь частоты 1 подано переменное напряжение U₁ и задающий сигнал Uзад. При этом на выходе выпрямителя 11 имеется постоянное напряжение, которое подается на вход инвертора 12. Транзисторы инвертора 12 работают в режиме широтно-импульсной модуляции, отрабатывая заданное напряжение и частоту. Двигатель 16 вращается на заданной скорости. По датчикам тока 13.15 протекает ток нагрузки, не превышающий номинальный.

Двигатель вентилятора 7 также вращается, создавая поток воздуха, охлаждающий преобразователь частоты.

Переменное напряжение (U₂) повышенной частоты от источника 10 подано на индукционную катушку 8 нагревателя 6, на зажим терморезистора 5 подано напряжение (+U₂), а на резистор 4 и на вход смещения интегратора 18 подано напряжение (-U₁).

Под действием переменного напряжения (U₂) от источника повышенной частоты 10, приложенного к индукционной катушке 8, сердечник 9 из ферромагнитного материала перемагничивается с частотой приложенного напряжения. При этом в сердечнике возникают вихревые токи. Энергия, израсходованная на перемагничивание сердечника и поддержание в нем вихревых токов, преобразуется в тепло. Но поскольку вентилятор работает и фланец сердечника интенсивно обдувается, то излишнее тепло отводится за пределы сердечника и температура терморезистора 5 незначительно отличается от температуры окружающей среды. При этом сопротивление терморезистора 5 наибольшее и на инверсном входе нуль-органа 2 отрицательный сигнал, а на выходе положительный, соответствующий логической единице, которая не влияет на состояние исполнительного органа 3, выполненного на логической микросхеме И-НЕ.

При выходе из строя вентилятора 7 охлаждение и преобразователя частоты 1 и сердечника 9 прекращается и температура их начинает повышаться, а значит начинает уменьшаться и сопротивление терморезистора 5. После его снижения до величины, меньшей сопротивления резистора 4 (при /-U₁/ /+U₂ /), потенциал инверсного входа нуль-органа 2 меняется на положительный, а знак сигнал на его выходе на отрицательный, что соответствует логическому нулю на входе микросхемы И-НЕ (исполнительного органа 3. При этом на ее выходе появляется логическая единица, свидетельствующая о срабатывании защиты, которая блокирует работу силовых транзисторов преобразователя частоты 1, и двигатель 16 останавливается.

Аналогичным образом блокируется работа преобразователя частоты 1 и двигатель 16 останавливается и при длительном превышении допустимой нагрузки на валу электродвигателя 16. В этом случае положительный сигнал с выхода сумматора 17 на входе интегратора 18 превышает сигнал смещения от источника (-U₁) и конденсатор интегратора 18 начинает перезаряжаться с положительного уровня сигнала на отрицательный. После его снижения до напряжения, меньшего половины напряжения источника питания микросхем И-НЕ (в случае применения микросхемы серии KP561), что соответствует появлению логического нуля на ее входе, на выходе микросхемы, а значит, и исполнительном органе 3 появляется логическая единица, свидетельствующая о срабатывании защиты. Интенсивность перезаряда конденсатора интегратора 18, а значит, и время отключения защиты зависит от уровня сигнала с выхода сумматора 17, т.е. от величины перегрузки.

Достоинством предлагаемого устройства является то, что выделение тепла в сердечнике 9 происходит за счет перемагничивания и вихревых токов во всем объеме, что ускоряет его нагрев в случае прекращения охлаждения. А поскольку отсутствует специальная электроизоляция нагревательного элемента от терморезистора, то ускоряется и передача терморезистору тепла, выделенного в сердечнике, а значит, и срабатывание защиты. В то же время наличие фланца у ферромагнитного сердечника увеличивает поверхность охлаждения, улучшает его теплоотдачу и предотвращает перегрев и ложное срабатывание защиты в нормальном режиме работы электрооборудования при наличии потока воздуха вентилятора.

Испытание защиты показало, что время ее срабатывания при выполнении подогревателя терморезистора на базе индукционной катушки с ферромагнитным сердечником в соответствии с заявляемым устройством снижается более, чем в 5 раз по сравнению с выполнением подогревателя терморезистора защиты теплом, выделяемым керамическим резистором типа C5-35 мощностью 25 Вт (терморезистор помещался внутрь резистора), и составляет 40-60 c в зависимости от начальной температуры окружающей среды (20-55^oC, что достаточно для защиты R-C цепочек преобразователя частоты в случае прекращения их охлаждения.

Достоинством предлагаемого устройства является также то, что тепло выделяется в сердечнике вне индукционной катушки, обмоточные провода которой более чувствительный к перегреву, чем ферромагнитный сердечник и терморезистор. Поэтому надежность работы предлагаемого устройства защиты значительно выше, чем устройства защиты с подогревом терморезистора за счет выделения тепла в активном сопротивлении нагревателя при протекании по нему постоянного тока от оперативного источника питания (как выполнено в прототипе).

В настоящее время ПО "Электромеханика" г. Пенза выпускает для электрооборудования тепловых электростанций шкафы УКТС-М комплекса технических средств по ТУ25-7192.003-87 и шкафы РТ-М устройств распределения унифицированного токового сигнала по ТУ25-7192.0048-87, где для защиты от прекращения вентилятора используется постоянные магниты, впрессованные в крыльчатку вентилятора, и датчики Холла, помещенные на неподвижной части вентилятора совместно с платой преобразователя импульсных сигналов с датчиков Холла, возникающих при прохождении под ними постоянных магнитов при вращении крыльчатки вентилятора, в аналоговый сигнал.

Данное устройство индикации работы вентилятора принято за базовое.

Недостатком базового устройства по сравнению с предлагаемым является более сложная измерительная часть, а также повышение трудоемкости изготовления вентилятора за счет необходимости дополнительной балансировки крыльчатки вентилятора после встройки постоянных магнитов.

Экономический эффект, достигаемый при использовании предлагаемого устройства взамен базового в частотно-регулируемых электроприводах серии ЭПА1-02, составляет ориентировочно 100 рублей на одном изделие за счет исключения платы преобразователя импульсных сигналов и датчиков Холла, а также применения более дешевых вентиляторов.

Заявляемое решение заложено в электроприводы ЭПА1-02, внедрение которых запланировано с 1992 года на Чебоксарском электроаппаратном заводе и ПО "Электромеханика" г. Пенза.

Формула изобретения

Устройство для защиты электрооборудования от перегрева, например, транзисторного преобразователя частоты, содержащее нуль-орган, выход которого связан с входом исполнительного элемента, а вход с источниками напряжений смещения через резистор и терморезистор с нагревателем, помещенный в канал потока воздуха вентилятора, отличающееся тем, что в качестве нагревателя использована индукционная катушка с ферромагнитным сердечником, выполненным в виде втулки, снабженной по меньшей мере одним фланцем, а терморезистор закреплен внутри ферромагнитного сердечника, например с помощью клея.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3