Устройство для защиты асинхронного трехфазного электродвигателя от включения в сеть при неполнофазном режиме сети, обратном чередовании фаз и недопустимом снижении сопротивления изоляции обмоток

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ВКЛЮЧЕНИЯ В СЕТЬ ПРИ НЕПОЛНОФАЗНОМ РЕЖИМЕ СЕТИ, ОБРАТНОМ ЧЕРЕДОВАНИИ ФАЗ И НЕДОПУСТИМОМ СНИЖЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Гурин Владимир Владимирович Мурашко Вячеслав Вячеславович Лавцевич Елена Викторовна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) 1. Устройство для защиты асинхронного трехфазного электродвигателя от включения в сеть при неполнофазном режиме сети, обратном чередовании фаз и недопустимом снижении сопротивления изоляции обмоток, содержащее блок питания, блок коммутации,15322 1 2012.02.28 исполнительный орган, фильтр обратной последовательности, блок контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности, причем входы фильтра обратной последовательности присоеденены к фазам питающей сети, а блок контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности содержит последовательно соединенные первый диод, первый светодиод, первый динистор и входной элемент первой оптопары, выходной элемент которой соединен со входом исполнительного органа, выходной размыкающий контакт которого включен в цепь управления электромагнитного пускателя блока коммутации, отличающееся тем, что содержит датчик тока утечки, компаратор тока утечки на базе операционного усилителя, блок задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя, блок защитного отключения, причем датчик тока утечки содержит первичную токовую обмотку, включенную через замыкающий контакт реле блока задержки и резистор параллельно силовым замыкающим контактам одной фазы электромагнитного пускателя, а вторичная обмотка датчика тока утечки нагружена на резистор и далее включена на неинвертирующий вход операционного усилителя, включенного компаратором, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ исполнительного органа блок задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя содержит операционный усилитель, включенный компаратором, транзистор, реле и конденсатор на входе блока, причем конденсатор через резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора транзисторного ключа, в коллекторную цепь которого включено реле, замыкающий контакт которого включен в первичной цепи трансформатора датчика тока утечки, а вход блока задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя соединен с выходом второй транзисторной оптопары блока коммутации блок защитного отключения содержит операционный усилитель, включенный триггером с цепью обратной связи, транзисторный ключ и кнопку Сброс, причем инвертирующий вход операционного усилителя соединен со вторичной обмоткой датчика тока утечки, а выход - с базой транзистора транзисторного ключа, выход которого соединен с третьим входом элемента ИЛИ исполнительного органа и с входом блока задержки времени включения датчика тока утечки через диод,включенный в прямом направлении, а кнопка Сброс выполнена с возможностью соединения через резистор положительного полюса питания с его отрицательным полюсом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходы блока контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности присоединены ко второй цепочке,включенной параллельно первой, содержащей второй динистор на базе тиристора, второй диод и второй светодиод Обратное чередование фаз, соединенные последовательно и встречно первой цепочке выход оптрона первой цепочки соединен с первым входом элемента ИЛИ исполнительного органа. Изобретение относится к области электротехники, а именно к средствам для защиты асинхронных трехфазных электродвигателей от аварийных режимов работы, и может быть использовано, например, в сельском хозяйстве. Известно устройство для защиты трехфазного электродвигателя от изменения чередования и обрыва фаз, содержащее фильтр напряжения обратной последовательности, пороговый элемент и блок питания с элементом задержки на его входе 1. Недостаток известного устройства состоит в том, что оно допускает включение в сеть электродвигателя при недопустимом снижении сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и не имеет различий в сигнализации аварийных режимов измерения чередования и обрыва фаз, что неудобно при эксплуатации. Наиболее близким к предлагаемому является устройство защиты трехфазного электродвигателя от анормального режима, содержащее блок питания, исполнительный орган,фильтр напряжения обратной последовательности, входы которого присоединены к фазам 2 15322 1 2012.02.28 питающей сети, а на выходе включена цепочка из последовательно включенного первого диода, первого динистора и входного элемента первого оптрона, выходной элемент которого включен в цепь электромагнитного контактора, коммутирующего защищаемый электродвигатель 2. Недостаток известного устройства состоит в том, что оно допускает включение в сеть электродвигателя при недопустимом снижении сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и не позволяет различать неполнофазный режим сети от обратного чередования фаз сети. Задача изобретения - расширить функциональные возможности устройства защиты путем контроля сопротивления изоляции обмоток электродвигателя во время технологической паузы, а также путем раздельной сигнализации неполнофазного режима сети и обратного чередования фаз сети. Указанная задача достигается тем, что устройство для защиты асинхронного трехфазного электродвигателя от включения в сеть при неполнофазном режиме сети, обратном чередовании фаз и недопустимом снижении сопротивления изоляции обмоток, содержащее блок питания, блок коммутации, исполнительный орган, фильтр обратной последовательности, блок контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности,причем входы фильтра обратной последовательности присоединены к фазам питающей сети, а блок контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности содержит последовательно соединенные первый диод, первый светодиод, первый динистор и входной элемент первой оптопары, выходной элемент которой соединен со входом исполнительного органа, выходной размыкающий контакт которого включен в цепь управления электромагнитного пускателя блока коммутации, согласно изобретению, содержит датчик тока утечки, компаратор тока утечки на базе операционного усилителя, блок задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя, блок защитного отключения, причем датчик тока утечки содержит первичную токовую обмотку, включенную через замыкающий контакт реле блока задержки и резистор параллельно силовым замыкающим контактам одной фазы электромагнитного пускателя, а вторичная обмотка датчика тока утечки нагружена на резистор и далее включена на неинвертирующий вход операционного усилителя, включенного компаратором, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ исполнительного органа блок задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя содержит операционный усилитель, включенный компаратором, транзистор, реле и конденсатор на входе блока, причем конденсатор через резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора транзисторного ключа, в коллекторную цепь которого включено реле, замыкающий контакт которого включен в первичной цепи трансформатора датчика тока утечки, а вход блока задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя соединен с выходом второй транзисторной оптопары блока коммутации блок защитного отключения содержит операционный усилитель, включенный триггером с целью обратной связи, транзисторный ключ и кнопку Сброс, причем инвертирующий вход операционного усилителя соединен со вторичной обмоткой датчика тока утечки, а выход - с базой транзистора транзисторного ключа, выход которого соединен с третьим входом элемента ИЛИ исполнительного органа и с входом блока задержки времени включения датчика тока утечки через диод, включенный в прямом направлении, а кнопка Сброс выполнена с возможностью соединения через резистор положительного полюса питания с его отрицательным полюсом. Кроме того, выходы блока контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности присоединены ко второй цепочке, включенной параллельно первой, содержащей второй динистор на базе тиристора, второй диод и второй светодиод Обратное чередование фаз, соединенные последовательно и встречно первой цепочке выход оптрона первой цепочки соединен с первым входом элемента ИЛИ исполнительного органа. 3 15322 1 2012.02.28 На фигуре приведена принципиальная электрическая схема устройства защиты. Устройство состоит из блока коммутации 1, фильтра напряжения обратной последовательности 2, блока 3 контроля выходного напряжения указанного фильтра, исполнительного органа 4, блока питания 5, датчика тока утечки 6, блока 7 задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя, компаратора 8 тока утечки, блока 9 защитного отключения. Блок коммутации включает кнопку 10 Пуск и кнопку 11 Стоп, электромагнитный пускатель 12, имеющий силовые контакты 13 и электротепловое токовое реле 14. В цепи электромагнитного пускателя 12 включен электронный ключ на базе симистора, который управляется тиристорной оптопарой 16. Параллельно цепи из симистора 15 и электромагнитного пускателя 12 включен вход транзисторной оптопары 17. Входы фильтра напряжения обратной последовательности 2 присоединены к фазам питающей сети, а выходы - к блоку 3 контроля выходного напряжения указанного фильтра,состоящего из двух параллельных цепочек. В первую цепочку последовательно включены первый диод 18, первый светодиод 19 Неполнофазный режим, первый динистор 20, составленный по схеме-аналогу на базе тиристора, и вход оптрона 21 (транзисторной оптопары), выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 25 исполнительного органа 4. Во вторую цепочку, последовательно и встречно первой цепочке, включены второй динистор 22, составленный на базе тиристора, второй диод 23 и второй светодиод 24 Обратное чередование фаз. Исполнительный орган 4 содержит трехвходовой элемент ИЛИ 25, нагруженный на интегрирующий элемент 26, выход которого соединен с входом компаратора 27, нагруженного на вход тиристорной оптопары 16. Блок питания 5 включен в ту же фразу, что и цепочка блока коммутации 1. На выходе блока питания обеспечивается однополярное напряжение, от которого получают питание другие элементы устройства. Датчик тока утечки 6 имеет первичную токовую обмотку 28, включенную через замыкающий контакт 29 блока задержки 7 и резистор 30 параллельно силовым замыкающим контактам 13 одной фазы электромагнитного пускателя 12. Вторичная обмотка датчика тока 6 нагружена на резистор 31 и далее включена на неинвертирующий вход операционного усилителя 32, включенного компаратором, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ 25 исполнительного органа 4. Блок 7 задержки времени включения датчика тока 6 в цепь двигателя содержит операционный усилитель 33, включенный компаратором. На входе блока 7 содержится емкость 34, которая через резистор 35 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 33, а выход его - с базой транзистора 36, в коллекторную цепь которого включено реле 37. Замыкающий контакт 29 реле 37 включен в первичной цепи 28 трансформатора тока утечки 6. Вход блока 7 соединен с выходом транзисторной оптопары 17 блока коммутации 1. Блок 9 защитного отключения содержит операционный усилитель 38, включенный триггером с цепью обратной связи 39, транзисторный ключ 40 и кнопку Сброс 42. Инвертирующий вход операционного усилителя 38 соединен с вторичной обмоткой датчика тока 28,а выход - с базой транзисторного ключа 40. Выход транзисторного ключа 40 соединен с третьим входом элемента ИЛИ 25 исполнительного органа 4 и с входом блока 7 задержки времени включения датчика тока утечки 28 через диод 41 в прямом направлении. Кнопка Сброс 42 соединяет через резистор 43 плюс питания с минусом питания. Устройство защиты работает следующим образом. При включении устройства в сеть исправной электрической сети и сопротивлении изоляции обмоток выше нормы на выходе компаратора 27 положительный сигнал, оптотиристор 16 открыт и симистор 15 открыт. На входе блока 7 задержки времени включения сигнал отсутствует, поэтому на выходе компаратора 32 положительный сигнал, который открывает транзистор 35, и включается 4 15322 1 2012.02.28 реле 36, отчего его контакт 29 замыкается и трансформатор тока утечки 28 включается в сеть. Через его первичную обмотку течет переменный ток утечки, который ограничен сопротивлением изоляции изол. и сопротивлением резистора 30, т.е.(1) ф ут.изол.30 Поскольку 30 изол., то ток утечки определяется сопротивлением изоляции. Ток утечки вызывает в трансформаторе 28 электромагнитный поток, пропорциональный ему, а также ЭДС во вторичной обмотке, пропорциональную току утечки. Эта ЭДС вызывает падение напряжения на резисторе 31. Это напряжение поступает на инвертирующий вход триггера 38 и неинвертирующий вход компаратора 32. Если уровень тока утечки выше нормы, то на неинвертирующем входе компаратора 32 напряжение выше,чем на инвертирующем, и на выходе его появляется положительный сигнал, который поступает на элемент ИЛИ 25, и компаратор 27 переключается, отчего на выходе его появляется отрицательный сигнал и оптотиристор 16 закрывается, отчего симистор 15 тоже закрывается. Электромагнитный пускатель 12 нельзя включить, нажимая на кнопку Пуск 10. Если уровень тока утечки ниже нормы, то на неинвертирующем входе компаратора 32 напряжение ниже, чем на инвертирующем входе, отчего на выходе его отрицательный сигнал. При этом компаратор 27 имеет на выходе положительный сигнал, отчего оптотиристор 16 и симистор 15 открыты. В таком состоянии переменное напряжение частотой 50 Гц подводится к обмотке двигателя, вызывая ток утечки через изоляцию. Этот ток в свою очередь вызывает Джоулевые потери в изоляции, благодаря чему изоляция подслушивается. Таким образом, благодаря введению в устройство трансформатора тока утечки, блока задержки времени включения датчика тока утечки в цепь двигателя и компаратора тока утечки обеспечиваются запрет на включение двигателя в сеть при пониженном сопротивлении изоляции и дополнительно подсушка изоляции двигателя во время технологической паузы, что уменьшает аварийность электродвигателей и обеспечивает положительный экономический эффект. Если случится замыкание обмотки на корпус или увлажнение изоляции обмоток достигает величины недопустимого значения и ток утечки возрастает до 510 мА, опасной для жизни человека или животного, то вступает в работу блок 9 защитного отключения. Напряжение на инвертирующем входе триггера 38 станет больше, чем на неинвертирующем входе, отчего на выходе триггера появляется отрицательный сигнал, транзистор 40 откроется и положительное напряжение поступает на вход элемента ИЛИ 25 исполнительного органа 4 и на вход блока 7. Это вызывает быстрый заряд конденсатора 34, переключение компаратора 33 и отключение транзистора 36 и реле 37, контакт 29 которого разрывается в цепи датчика тока утечки. Одновременно переключается компаратор 27 и отключаются оптотиристор 16 и симистор 15. Электродвигатель нельзя включить в сеть. Для возврата схемы в исходное состояние нажимают кнопку Сброс 42. Таким образом, сближение устройства блоком 9 защитного отключения обеспечивает электробезопасность и повышение надежности работы устройства. Если в сети пропало напряжение в одной фазе, то на выходе блока 2 фильтра обратной последовательности возникает напряжение, достаточное для открытия динистора 20, отчего светится диод 19 и открывается оптопара 21 и положительное напряжение поступает на вход ИЛИ исполнительного блока 4. С небольшой задержкой это напряжение поступает на компаратор 27, отчего он переключается, на выходе появляется отрицательное напряжение и оптотиристор 16 и симистор 15 закрываются. Теперь электромагнитный пускатель 12 и электродвигатель нельзя включить. Если в сети случилось обратное чередование фаз, то напряжение на выходе блока 2 фильтра обратной последовательности увеличивается примерно в два раза, отчего пробиваются динисторы 22, 20 и загораются светодиоды 19 и 24 Обратное чередование фаз. 5 15322 1 2012.02.28 Сработает оптотранзистор 21 и положительное напряжение поступит на вход элемента ИЛИ и переключится компаратор 27, отчего на его выходе появится отрицательное напряжение и закроется тиристорная оптопара 16 и симистор 15. Теперь электромагнитный пускатель 12 и электродвигатель нельзя включить. Таким образом, снабжение блока 3 контроля выходного напряжения фильтра обратной последовательности второй цепочкой, включенной параллельно первой цепочке, составленной из последовательно и встречно первой цепочке второго динистора 22 на базе тиристора, второго диода 23 и второго светодиода 24 Обратное чередование фаз, позволяет не допускать включения электродвигателя в сеть и сигнализировать об обратном чередовании фаз сети при свечении двух светодиодов 24 и 19. При неполнофазном режиме сети горит только один светодиод 19. Это позволяет легко различать указанные аварийные режимы в условиях эксплуатации и уменьшает эксплуатационные расходы, связанные с определением причины аварии, что обеспечивает в связи с этим положительный экономический эффект. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6