CN1889317A - 智能型电动机电源保护断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能型电动机电源保护断路器，它由空气断路器、降压电路、A/D转换接口、相序判别及触发控制、执行机构、电动机控制电路、相序指示及故障报警、电压采样、电位比较电路、温度采样及转换、给定电压电路、温度传感器、漏电传感器、漏电采样及转换、跳闸电路、跳闸指示兼复位钮、相序显示、检验按钮、机箱等组成。本发明的额定功率为30～50Kw，能直接供电给20Kw以下的三相电动机、各种三相、单相电器具，对电动机直接启动，进行全方位保护；它能同时对电源电压、负载电流、漏电流、温升、相序等进行监测，使用电器具在监控下运作；其保护功能达11种。本发明设计新颖、结构紧凑、成本低廉、安全可靠，确保人身安全。

Description

智能型电动机电源保护断路器

一、所属技术领域

本发明涉及一种保护断路器，特别是一种多功能电动机电源保护断路器。电动机在运行中往往会出现各种故障，譬如：保险丝熔断、电源缺相、开关或接触器触头接触不良、电动机二相短路、单相接地短路、三相供电电压不对称其差值超过三相平均数的25％、三相电压过低或过高、超负载运行，风扇出故障、进风口堵塞，起动频繁，供电电源相序接反等；都会使电动机严重发热而烧毁、机械设备因反转而损坏，有些故障还可能危及人身安全。

二、背景技术

传统的保护方案是基于电动机出现故障时，对其电压、电流或温度的某一个物理量的变化而设计出一种保护方案或制造出一种保护器产品，譬如：利用电压的变化而设计出采用电压继电器的保护方案，利用电流的变化而设计出采用电流继电器的方案并设计制造了热继电器，利用温度的变化而采用温度继电器的方案等。近些年科学技术专家又发明了电子式断相保护器。但是，对于因供电电源相序接反引发电动机反转而导致机械设备损坏的故障，其保护方案仅有本人1992年获得国家专利的“多功能电动机保护器”有较详细的提及，(根据本方案在中国有五个省市制造出的产品皆受用户好评)。在寻找保护电动机安全运行方法时，三相供电电源的保护往往被人们疏忽，特别是三相四线供电系统的保护；还有三相用电器具的漏电保护也多以外壳接地作为唯一的保护方法，而这种保护方法是极不可靠的，甚至是危险的。总之，传统的保护方案或制造出的保护器，只能对电动机某一种故障进行保护，远远不能满足生产实际的需要，它们的保护效果欠佳，有的甚至起不了应有的保护作用。当要求对电动机的运作实施全方位保护时，则保护方案复杂，保护设备繁多，调试维修困难，价格昂贵，非一般用户所乐意接受。如果要求同时对三相电动机、三相四线供电系统中的单相用电器具进行全方位保护设计出保护方案，并制造出价廉物美又安全可靠的保护器具，目前还没有先例，是保护器领域的盲区。

三、发明内容

本发明的目的：在于克服现有技术的盲区，而提供一种既安全可靠又价廉物美的、额定功率30kw～50kw，能对三相电动机(功率为20kw以下的三相电动机)及三相、单相用电器具同时供电，并能对它们进行全方位保护的智能型电动机电源保护断路器(下称保护开关)。若要对更大功率三相电动机实施全方位保护，可将本保护开关与电动机功率相匹的交流接触器或各种启动器相组合即可，其接线如图3所示。

四、具体实施方式：

本发明的目的可以通过以下的措施来达到；本发明包括执行电路、电动机控制电路，电动机、三相、单相用电器具，电压采样电路、电位比较电路、电源电路、机箱(壳体)、空气断路器、跳闸电路，其特征在于：还有降压电路、A/D转换接口电路、相序判别及触发控制电路、相序指示及故障报警显示电路、温度采样及转换电路、温度传感器、漏电采样及转换电路、漏电传感器；降压电路的输出一路经由A/D转换接口输送给相序判别及触发控制电路，另一路经由电压采样电路送到电位比较电路，电位比较电路的输出又送到相序判别及触发控制电路；相序判别及触发控制电路的输出一路送到相序指示及故障报警电路，另一路经由执行电路、电动机控制电路送到空气断路器的跳闸电路；温度传感器从电动机或供电线上检测到的信息经由温度采样及转换电路送到电位比较电路，漏电传感器从电动机外壳或其它用电器具的外壳检测到的信息经由漏电采样及转换电路送到电位比较电路。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到：温度传感器中的热敏元件Rt已埋置在铝套内，铝套可用502树脂胶贴在用电器具的外壳上，或捆绑在输电线的输出端，传感器通过连接件与机芯相接，漏电传感器的检测元件装在机芯上，一端与比较器相接，另一端与机箱(外壳)上的“PE”端子相接。机箱(壳体)的面板上装有相序指示及故障报警电路中的绿色顺相序指出示灯LED1、红色逆相序指序指示灯LED2、检验按钮、跳闸指示按钮。降压电路中的降压电阻R1、R2、R3分别通过集成电路IC1的反相器A1、A2、A3与集成电路IC2的1、2、3脚相接IC2的Q端通过R19与三极管BG1的基极相接、BG1的集电极与发光二极管LED1、继电器J的线圈串接，IC2的ō端通过R20与BG2的基极相接、BG2的集电极通过发光二极管与可控硅VT的触发极相接。降压电路中的降压电阻R1、R2、R3分别通过R7～R9与D5～D7及集成电路IC3中的运算放大器F1～F3的输入“1”端相接，F1～F3的输出“3”端分别通过D8～D10与IC2的“S”端相接。温度传感器中的热敏元件Rt与集成电路中的放大器F4的输入“1”端相接，“PE”端子通过W3、D13也与集成电路IC3中的放大器F4的输入“1”端相接，F4的输出“3”端通过D11与IC2的“S”端相接。

五、附图说明：

图1为本发明的原理方框图，

图2为本发明的外形结构图，

图3为本发明的电气原理图。

本发明将结合附图1、图2、图3(实施例)作进一步详述：参照图1、图2，本发明由空气断路器0、降压电路1、A/D转换接口电路2、相序判别及触发控制电路3、执行机构4、电动机控制电路5、电动机及用电器具6、相序指示及故障报警电路7、电压采样电路8、电位比较电路9、温度采样及转换电路10、电源电路及给定电压电路11、温度传感器12、漏电传感器13、漏电电流采样及转换电路14、跳闸电路15、跳闸指示兼复位按钮16、检验电路及按钮17、顺相序指示灯18(LED1)、逆相序兼事故指示灯19(LED2)、机箱(外壳)20等组成。

温度传感器12由二部分组成：一为铝外壳、二为埋置在铝外壳内的热敏感元件，通过连接线与机箱内的机芯相接。机箱20的面板上装有顺相序指示灯LED1、逆相序指示兼事故报警灯LED2，还安装有复位按钮16、检验按钮17。

参照图3，降压电路1由电阻R1～R3等组成；A/D转换接口电路2由集成块IC1、R4～R6等组成；相序判别及触发控制电路3由集成块IC2等组成；执行电路4由R19、三极管BG1、继电器J、二极管D12、电容C3等组成；电动机及各种用电器具的控制电路5由R20、三极管BG2、R21、R22、可控硅VT等组成；对于大功率电动机的控制电路则由交流接触器KM或各种启动器、继电器的常开触点“J2”等组成；相序指示及故障报警电路7由R19、R20、LED1、LED2等组成；电压采样电路8由R7～R15、D5～D7等组成；电位比较电路9由集成块IC3中的运算放大器F1～F3、D8～D10、电位器W1，R16等组成；温度采样及转换电路10由温度传感器12中的热敏元件Rt、IC3中的运算放大器F4、D11等组成；漏电采样及转换电路14由漏电传感器中的漏电敏感元件W3、D13、IC3中的F4等组成；跳闸电路15由跳闸继电器TQ、可控硅VT、C4等组成；整流电源及给定电压电路11由C0、R0、D1～D4、C1、稳压管DW、R23等组成。

当电动机的供电电源按顺序接法供电、电压额定值时，触发控制器IC2的“Q”端为零、“ Q”端为1、绿色相序顺序指示灯LED1亮、红色逆相序指示灯LED2不亮，继电器J带电吸合，它的一对常开触点“J2”闭合，另一对常闭触点“J1”则断开，而“J2”是串接在电动机的控制回路中，因此，为大功率电动机的安全启动作好了准备；只要按下启动按钮，电动机便投入运作；而“J1”是串接在跳闸回路中，因而为空气断路器的合闸作好了准备。

当供电电源的相序因某种原因错接成逆相序供给电动机时，经相序判别后，IC2翻转，“Q”端变为1，“ Q”端变为零，此时绿色顺序指示灯LED1不亮，红色逆相序指示灯LED2亮，继电器J不带电处于释放状态，常开触点“J2”断开，电动机因其控制回路有断点而不能被启动；同时，常闭触点“J1”闭合，使跳闸回路中的可控硅VT触发导通、跳闸继电器带电吸合，从而使空气断路器不能被合闸，即本保护开关的智能保护器既拒绝执行空气断路器的合闸指令又拒不执行启动电动机的指令，达到了相序保护的目的。

当相序连接正确，但电源电压过低或三相电压不对称且其差值超过三相平均数的25％，则经由电压采样电路采取到的反映电源电压瞬时值的电压，经D5、D6、D7整流后分别输入电位比较器F1、F2、F3中的“-”端与输入“+”端的基准电压值进行比较，若有一相因“-”端电位在此刻低于“+”端的电位，则该相比较器便有高电位输出经二极管D(D8或D9或D10)输至IC2的“S”端，使“ Q”端为零，“Q”端为1，红色事故报警灯LED2亮、继电器J处于释放状态，“J2”开断，对电动机起到了预防性保护的作用。同时“J1”闭合，空气断路器不能合闸、电动机不能被启动，即当电源电压不正常时，本智能保护器拒绝执行合闸指令，也拒绝执行启动电动机的指令。

当电动机，三相、单相用电器具及供电网络因绝缘老化、受损等原因而发生漏电使各种用电器具的外壳带有漏电电压且其值足以危及人身安全时，本保护开关的智能保护器中的比较器F4会输出高电位经二极管D11送至IC2的“S”端、IC2被触发而翻转，此时，“Q”变为1，“ Q”变为零，顺相序指示灯LED1不亮、故障报警灯LED2亮，继电器J不带电处于释放状态，常开触点“J2”断开，电动机因其控制回路有断点而不能被启动；常闭触点“J1”闭合，使跳闸回路中的可控硅VT触发导通、从而使跳闸继电器带电吸合，因而使空气断路器不能被合闸，即本保护开关的智能保护器既拒绝执行空气断路器的合闸指令又不执行启动电动机的指令，从而使电动机及用电器的外壳永远不带能危及人身安全的漏电电压，使这些存在安全隐患的电器不能上供电网络运行，它们的漏电故障不会再扩大。

以上三项称为预防性保护，即当运行条件不具备时，本保护开关不会自动供电给电动机，也拒绝执行合闸的指令。这些保护性能是现有任何一种保护装置都不具备的，本保护开关开创了新技术的先河。

当正常运作的电动机或其它单相用电器具，因某种原因，其供电电源的电压下降超过额定值的25％或三相电压严重不对称或断相等，则电压采样电路采取的瞬时电压值经D5、D6、D7整流后分别输入比较器F1、F2、F3，其中最少有一相的电压低于基准电压值，三个比较器中总有一个有高电位输出至IC2的“S”端，使其翻转，“Q”端变为1，“ Q”端变为零，绿色指示灯LED1熄灭、红色故障指示灯LED2亮，继电器J失电释放→“J2”开断→接触器KM失电释放→主触头KM分断→电动机失电退出运作。同时，“J1”闭合→可控硅VT触发导通→跳闸继电器TQ带电吸合→空气断路器跳闸→用电器具退出运作。即是说：本保护断路器可及时终止因供电电源电压不正常、断相等引起的故障，使电动机、其它三相及单相用电器具不会损坏。

当电动机在运作途中，发生二相短路或单相接地故障时，则短路相的电压会降低、电流会增大，且电动机的温升会很快升高，造成了如上所述相似的故障状态；除比较器中的F1、F2、F3最少有一个有高电位输至“S”端外，用来反映电动机温度变化的F4也有可能有高电位输出至“S”端，使IC2翻转“Q”端变1、“ Q”端变为零，绿色灯LED1熄灭，红色故障报警LED2亮，继电器J失电释放→触点“J2”开断→接触器KM失电释放→主触头KM分断→电动机失电退出运作。同时，触点“J1”闭合→可控硅VT触发导通→跳闸继电器TQ带电吸合→空气断路器跳闸→用电器具退出运作。即是说：本保护断路器可保护因电动机、各种用电器具本身缺陷而造成的故障，使故障不会进一步扩大。

当电动机，其它三相及单相用电器具在运作中发生过载、端电压过高、电动机匝间短路、风扇损坏、进风口堵塞、启动频繁等时，电动机的温升会不断升高，当温升达到电动机或其它用电器具的极限容许温升附近时，经本保护开关的智能保护器的温度采样及转换电路转换后，输入比较器F4“-”端，它的电压会低于“+”端的基准电压，F4输出端有高电位输至“S”端，使IC2翻转，“Q”端变为1，“ Q”端变为零，绿色指示灯LED1熄灭，红色故障报警灯LED2亮，继电器J失电释放→触点“J2”分断→电动机失电退出运作。同时，触点“J1”闭合→可控硅VT触发导通→跳闸继电器TQ带电吸合→空气断路器跳闸→用电器具退出运作。即是说：凡是使电动机及其它用电器具的温升达到极限允许温度的故障，本保护断路器均能给予有效的保护。

当电动机，其它三相及单相用电器具在运作中发生因绝缘损坏而发生漏电故障时，经本保护开关的漏电采样及转换电路转换后，输入比较器F4的“-”端、并使其电位降低、当这个电位低于“+”端的基准电压时，F4输出端有高电位输至“S”端，使IC2翻转，“Q”端变为1，“ Q”端变为零，绿色指示灯LED1熄灭，红色故障报警灯LED2亮，继电器J失电释放→触点“J2”分断→电动机失电退出运作。同时，触点“J1”闭合→可控硅VT触发导通→跳闸继电器TQ带电吸合→空气断路器跳闸→用电器具退出运作。即是说：凡是运行中的电动机及其它三相、单相用电器具，一旦因为其绝缘受损而发生漏电，当其值达到危及用电器具的安全及人身安全时、本保护断路器均能给予有效的保护。

当雷电直击并影响到了本保护开关的保护范围内时，线路将会产生涌流、入侵本保护开关的供电网络及诸多用电器具，形成感应过电压、过电流；本保护开关的智能保护器中的过电压保护、漏电保护机构都会发出跳闸指令，命令空气断路器跳闸、切断与外界供电网络的联系点，使其保护范围内的一切电器设备及运行中的电动机及各种用电器具得到了有效的保护。以上各项为动态保护功能，总括起来共有：

(1)断相保护；(2)低电压保护；(3)供电电压不平衡保护；

(4)漏电保护；(5)过载、过热保护；(6)短路保护；

(7)雷电感应、过电压、涌流保护；(8)断电延时保护。

六、本发明相比现有技术具有如下的优点

1.微电子集成电路化，保护功能齐全，结构紧凑，容易安装、调试，成本低廉、动作准确及时、安全可靠：另外还增加了三相电动机的相序保护功能、漏电保护功能；

2.集传统的电动机、各种家用、日用电器的保护方案为一体，对各种功率的三相交流电动机，各种三相、单相用电器具有全方位的保护功能及预防性保护功能；并且用户可根据需要调整灵敏度；另外还有电源显示及相序指示、事故报警指示，跳闸显示按钮、整机检测试验按钮等，便于工作人员掌握电动机及其它用电器具的运行状态。

3.有预防性保护功能，当运行条件不具备时，本保护开关的智能保护器会发出拒绝执行合闸的指令，确保了用电设备的安全，操作人员的人身安全。

4.当三相电动机的功率小于20Kw时，可不使用交流接触器或其它启动器，本保护开关可直接供给三相电源对其进行启动、运行、仃止操作并对其实施全方位保护。另外，各种三相、单相用电器具也可使用同一电源，本保护开关亦将对其进行全方位保护。当三相电动机的功率大于20Kw时，本保护开关可与各种启动器组合，对200Kw以内的三相电动机进行启动、运行、仃止操作，并对其进行全方位保护；这是现有技术所望尘莫及。

5.本发明能迅速找出用电器具的漏电点而加以排除，避免了故障进一步扩大，提高了供电质量、消除了工作人员可能触电的隐患，这是现有技术无法比拟的。

Claims (8)

1.一种智能型电动机电源保护断路器(以下称保护开关)，包括空气断路器0、执行机构4、电动机控制电路5、电动机及(三相、单相))用电器具6、电源电路及给定电压电路11、电压采样电路8、电位比较电路9、机箱(外壳)20，其特征在于：还有降压电路1、A/D转换接口电路2、相序判别及触发控制电路3、相序指示及故障报警电路7、温度采样及转换电路10、温度传感器12、漏电采样及转换电路14、漏电传感器13；降压电路1的输出一路经由A/D转换接口电路2送到相序判别及触发控制电路3，另一路经由电压采样电路8送到电位比较电路9，电位比较电路9的输出送到相序判别及触发控制电路3；相序判别及触发控制电路3的输出一路送到相序指示及故障报警电路7，另一路经由执行机构4→电动机控制电路5→电动机及(三相、单相)用电动器具6；温度传感器12从电动机及(三相、单相)用电器具6或其它供电设备检测到的信号经由温度采样及转换电路10送到电位比较电路9，漏电传感器13从电动机及其它用电器具6的外壳检测到的信号经由漏电采样及转换电路14送到电位比较电路9；

2.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：机箱(外壳)的面板上装有相序指示及故障报警电路7中的顺相序指示灯LED1、逆相序指示灯LED2，跳闸指示兼复位按钮16、检验按钮17，空气断路器0的操作手柄；空气断路器0与机箱20联成一整体如附图(图2)所示，智能保护器的机芯安装在机箱20内；

3.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：温度传感器12由二部分组成：一为铝外壳、二为埋置在铝外壳内的热敏元件Rt，通过连接线与机箱20内的机芯相接，温度传感器12可贴在电动机、各用器的外壳上，或捆绑在供电线上；

4.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：漏电传感器13中的检测漏电信号的敏感元件W3已安装在机芯上、通过连接与保护开关的“PE”端子相接

5.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：降压电路中的降压电阻R1、R2、R3分别通过集成电路IC1的反相器A1、A2、A3与集成电路IC2的1、2、3脚相接，IC2的“Q””端通过R19与三极管BG1基极相接，BG1的集电极与发光二极管LED1、继电器J的线圈串接，IC2的“Q”端经由R20与三极管BG2的基极相接，BG2的集电极与R22、发光二极管LED2、可控硅VT的控制极相串接，可控硅VT的阳极与跳闸继电器的线圈TQ、继电器J的常闭触点“J1”、电源串接，可控硅VT的阴极经R21与“地”相接；

6.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：降压电路中的降压电阻R1、R2、R3分别通过R7～R9、R10～R12、R13～R15串、并联经D5～D7整流后与集成电路IC3中的运算放大器F1～F3的输入“1”端相接，F1～F3的输出“3”端分别通过D8～D10与IC2的“S”端相接；

7.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：温度传感器12中的热敏元件Rt与集成电路IC3中的运算放大器F4的输入“1”端相接，F4的输出“3”端通过D11与IC2的“S”端相接；漏电传感器的检测漏电信号的元件一端与“PE”端子相接，另一端经由W3、D13与IC3中的运算放大器F4的输入“1”端相接，F4的输出“3”端与IC2的“S”端相接；

8.根据权利要求1所述的保护开关，其特征在于：电源电路及给定电压电路11经电阻R0、电容C0降压、D1～D4组成的整流桥整流、电容C1滤波，稳压管DW稳压后，一路经由R17分别与IC3中的运算放大器F1、F2、F3、F4的输入“2”端相接，另一路分别与三极管BG1、BG2的发射极相接。

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