CN2178014Y - 交流电机综合监护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种不将温度传感器埋入电 机绕组内，采用对绕组温度实际变化进行仿真模拟的 交流电机综合监护器，它用二个传感器分别采集电枢 电流及电机环境温度θ。并线性转换成电压量输出 分别接平方及比例运算电路和比例放大电路，二个输 出再依次接加法运算电路、RC电路和电压跟随电路 完成仿真过程，仿真单元将反映电机绕组温度的电压 分别送至比较器进行比较判断，判断结果驱动控制执 行电路报警电路和面板显示。

Description

本实用新型涉及电机的保护装置，特别是一种电子式交流电机综合监护器。

引起电机电枢绕组烧坏的直接原因是各种故障引起的过电流从而使绕组温度过高，超过绕组最高允许温度而绕坏电机。现有以电子技术为基础的电机保护器，多采用自动断电保护方式，但都是以电枢电流是否超过额定电流为标准而与电枢绕组的实际温度相关性不高，因此，在整定时，若将电流或时限放得较宽，则电机仍可能烧坏，若整定过严，又会动辄停机，使电机不能满载运行。还有一种是将温度传感器埋入电机绕组内进行直接监视温度的保护器，虽然可达到监测实际温度的目的，但维修更换传感器十分困难，对已出厂正在使用的普通电机也无法实施埋装。

本实用新型提供的电子式交流电机综合监护器，在不埋设电机内温度传感器的条件下，采取对电机绕组实际温度变化进行电路仿真或计算机仿真，用其结果再进行比较处理，使监护器过电流报警动作的启动或解除，断电停机动作的执行与否完全以电机电枢绕组的实际温度为依据，达到既可靠地保护电机又充分利用电机额定功率之目的。

本实用新型的设计思想是：要想监控电机绕组的温度，又不能将温度传感器埋入绕组内，最好是根据绕组温度变化的数学关系dθ／dt＝I²r／（cm）－λ（θ－θ_e）的解θ＝θ_e＋I²r／（cmλ）＋（θ₀－θ_e－I²r／cmλ）exp（－λt）进行电路仿真计算。用传感器采集式中两个变量I和θ_e，用实验法测得各型各种功率的电机的诸常量cm、r和λ，散热系数λ因和散热条件有关，关机后因风扇停转，散热系数减小，故需分别在开机和关机条件下测得λ和λ′，然后在电路中用电压模拟温度，用模拟计算电路或用微机模拟上式的计算，其计算结果就是与电机电枢绕组实际温度成比例的电压，它亦步亦趋地随同绕组温度的变化而变化，这样连续采集电流和环境温度就实现了对电机绕组温度的实时监控。此法不但适用于电动机，而且适用于发电机，对于交流电动机则无论异步电动机，同步电动机都适用。

本实用新型的具体手段是：由采集取样单元、仿真单元，比较判断单元、控制执行单元、报警显示单元以及直流供电及外壳组成。采集取样单元分别由一个电流传感器采集电枢电流I并线性转换成电压量V₁；一个环境温度传感器采集电机环境温度θ_e并线性转换成电压量V₂，V₁，V₂输出分别接平方及比例运算电路和比例放大电路，二个输出再依次接加法运算电路、RC电路和电压跟随电路完成仿真过程，仿真单元将反映电机绕组温度的电压分别送至由集成运放构成的比较器进行比较判断，判断结果驱动控制执行电路、报警电路和面板显示。仿真单元的输出除送至比较器外，还接有一个包括十个电压比较器和十个发光二极管组成的温度显示电路。仿真单元也可是一个由电子模拟开关，A／D转换器，单片微机、计时电路及存贮器组成的计算机仿真电路，通过软件程序实现摸拟计算。

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的电原理方框图；

图2为本实用新型的电原理图；

图3为本实用新型采集、执行和电源部分外观图；

图4为本实用新型显示、监控部分面板布置图。

参照图1、图2对各单元的电路结构及工作过程叙述如下：

一、采集取样单元

为运用θ＝θ_e＋I²r／（cmλ）＋（θ₀－θ_e－I²r／cmλ）exp（－λt）（以下简称绕组温度方程式）来进行电枢绕组温度仿真，需时时采集电机电流I和环境温θ_e，并转化成便于电路运算的电压量，采集电流用电流－电压互感器，ML1、ML2和ML3、经D₁、D₂、D₃半波整流后C₁电容滤波，从C₁两端取出直流电压U。为实现电流到电压的线性转换，此处ML1、ML2、ML3的铁芯中留有空气隙；在小功率电机的保护器中也可采用普通互感器，然后在C₁后加非线性补偿网络来实现。若通过电机的三相电流不平衡，则需取出与最大电流成正比的电压U，因为在此种情况下绕组各部分的温度不等，而电机的烧坏与否则由与最大电流有关的最热部分的温度来决定，取出与最大电流成正比的电压U的方法是利用两极管D₁、D₂、D₃的正向箝位和反向阻断作用。

采集环境温度θ_e可以采用电阻式、半导体结型、PTC、NTC热敏电阻或热电偶、此处采用的是I₃（9013）构成的半导体结型温度传感器，I₂（30J60）和VR₃组成恒流源，I₃集电级输出的电压即和环境温度θ_e成比例。

二、仿真单元

平方电路是要变与I成正比的电压为与I²成正比的电压、用集成乘法器实现起来最为简便，此处是利用T1（30J6H）场效应管在漏源电压一定时，漏极电流与栅极电压的平方成正比的规律，漏极电流经集成运放IC1（LM324）构成的电流－电压变换器从它的1脚输出与I²成正比的电压，比例系数则由实验测得的电机常数r／cmλ来决定。具体电路是由场效应管T1和集成运放IC1组成，T1的栅极从R₁和VR₁组成的分压器上输入电压，它的漏极直接＋9V电源，它的源极接到IC1的反相输入端，这样保证了T1漏源电压不变，漏极电流与栅极电压的平方从而与电机电流的平方成正比。IC1和R₇R₈组成电流－电压变换器，输出电压U′就是漏极电流在R7上的压降的相反数，即U′＝－KI²，K由电路中VR1和R₇来决定。令K＝K′r／cmλ，r／emλ对一定的电机是常数，由实验测得K′是电压与温度的转换系数，单位V／℃，由设计者依方便而定，本实例取K′＝0.05V／℃。

加法运算电路是为实现绕组温度方程式中θ_e＋I²r／cmλ的计算，本监护器用集成运放IC2（LM324）构成的加法运算电路来实现。集成运放IC2（LM324）和R10、R11、R12、R13构成加法运算电路。T3集电极上引出的反映环境温度的电压和IC1输出的U′分别从它的两个输入端输入，此加法运算电路同时具有比例放大作用，R11和R10的比值使得反映环境温度的输出电压与环境温度的比例系数也是K′＝0.05V／℃，所以IC2的输出U″＝K′（θ_e＋I²r／cmλ）。

电机内部绕组通电发热和散热与RC电路在电压源作用下充放电虽然其物理机制不一样，但若将温度类比于电压，则得到完全相似的微分方程，这就是此电路仿真得以实现的基础。电压U″＝K′（θ_e＋I²r／cmλ）加在由R17、R18及C3组成的RC电路的输入端、输出端即得到与绕组温度方程式右端成比例的电压U″＝K′［（θ_e＋I²r／（cmλ）＋（θ₀－θ_e－I²r／cmλ）exp（－λt）］，选择电路的时间常数等于由实验测得的电机的散热系数的倒数，即R₁₈C₈＝1／λ，λ为电机开机时的散热系数，集成模拟电子开关IC3（4066）的1、2脚并联在R17的两端，控制端13脚电位受电机开机、停机状态所决定，开机时13脚高电平、开关导通，关机则反之，选择（R17＋R18）C3＝1／λ′，λ′为由实验测得的电机关机后的散热系数。

RC电路要实现上述的运算其输出端必须接高阻负载，集成运放IC4（LM324）和R19、R24组成电压 跟随器起阻抗变换作用。

IC4的输出除送至控制部分以外还送至温度显示电路。本监护器的温度显示电路由R41和D6构成的稳压电路，R31－R40构成的分压器，集成比较器由IC8－IC17（LM339×10）组成的十个电压比较器和L3－L12十个发光二极管组成，这十个发光二极管安装在图4所示的电动机综合监护器面板的中央，由仿真电路模拟温度变化所得的电压经温度显示电路转化为温度显示出来，绕组温度每上升10℃，多点亮一支发光管，满量程显示为100℃。

三、比较判断及控制执行和报警显示单元

仿真电路输出的反映电机绕组温度的电压同时送由集成运放IC5和R₂₇、R₂₈组成滞回比较器1，和集成运放IC6（LM324）和R₂₅、R₂₆组成的滞回比较器2，比较器1设定的参考电压对应于绕组温度85℃左右，比较器2设定的参考电压 对应于绕组温度90℃左右，当电机温度超过85℃时比较器1输出高电平，驱动由四与非门集成电路IC18－IC21（4011×4）组成的声光报警电路报警，置于面板上的报警指示灯L₂及扬声器PL动作。当电机温度超过90℃时比较器2输出高电平使集成RS触发器IC7置位为高电平，使T4（9013）导通继电器J吸合，串在交流接触器线圈K电路中的常闭触点J断开，电动机断电停机，同时设于面板上的过载指示发光二极管L₁显示。

本监护器不单独设电源开关，只要总闸刀合上，监护器9V，12V即供电工作，即无论电机开启或关断，本监护器始终正常工作，若此时电机尚未开启，则绕组温度显示器显示电机周围的环境温度，例如若0至20℃之间的两个发光二极管发光则表示环境温度在20℃－30℃之间。电机启动以后，发光的发光二极管由左至右逐个增加，若负载环境温度和电压均不变，则增加到某个值之后即自然停止，反映此时电机的发热和散热已达平衡。例如显示温度停留在60℃－80℃之间某处不动，则说明电机的负载合适，运转正常。若发生过载、堵转、电压过低等情况，均能造成电机电流增大，此时显示的温度和电枢实际温度一样地上升、若没有引起值班人员的注意则超过85℃时监护器即发出预报警，发光二极管L2闪光，喇叭PL发出短促间歇的鸣响，操作人员还来得及减轻负载或采取其它排除故障的措施，以避免不必要的停机（这对于某些必须连续的生产场合是十分重要的），若仍未能引起注意或无法在不停机的情况下排除故障，温度继续上升，至90℃时电路即自动强制停机。停机以后，除报警部份继续工作以外，过载指示灯L1发光，向值班人员提示停机原因。此时温度指示显示的温度和绕组实际温度一样地缓慢下降，若排除故障花的时间很短，按动设于面板上的手工复位（RESET）以后立即开机，绕组温度还比较高，则开机后电机承受过载的能力较低，若温度再度超限，监护器会再次动作。

本实用新型对电机绕组温度实现精确仿真的条件是：1、本监护器的环境温度传感器要和电动机处于同一环境温度中；2、电动机应处于正常散热条件下。本实用新型的外观结构如图3，图4所示，可将采集，执行和电源系统制成一体，显示及监控制成另一体，二者均设有15P插座，通过缆线连接前者与三相电源、电机就近安装，后者可安装在电气柜或操作台上，这种分离形式尤其适合于电机远距离监控或多台电机集中监控，此时后一部份就可集中装在监控室中。

利用本实用新型对JO2型4千瓦电动机进行了实验，在不同负载条件下，无论是电路仿真还是微机仿真取得的结果，均与用电阻法测得的绕组温度一致，相差不超过±3℃。

本实用新型的优点是：1、本监护器上可以用电压表，发光二级管显示器或液晶显示器来显示电机绕组的实际温度，操作人员可以从温度显示上得知电动机是处于轻负载、满载或过载状态。与其它只显示电机电流监示装置或只从电机电流判定是否采取保护动作的保护器不同，本监护器是直接从电机的热承受能力上告知操作人员电机对当前负载是否适应，若发生过载到接近绕组能承受的最高温度则自动停机，平时操作人员可以根据显示的温度情况及时调整负载，最合理地使用电机。

2、停机以后，本监护器仍继续进行绕组温度仿真，不断显示绕组温度下降的实际情况。若温度未降到环境温度前再度开机，由于绕组起始温度较高，电机承受启动电流或再次过载的能力就下降，本监护器可如实地反映这种情况，并按绕组的实际温度自动判断是否需要再次采取保护动作。实际经验证明，连续反复启动和停车的电动机容易烧坏，而采用限流关断或加反时限电路的保护器（一般都另设启动限流或启动反时限电路）不考虑电机的历史状况和初始温度，对此都无法保护。

3、本监护器采集电机周围的环境温度，从而获得电机绕组各个时刻的实际温度，这与一般操作规范中只考虑电机的“温升”大不相同，相同的温升，在夏天和冬天，电机的承受能力大不一样。实际经验证明，电机在夏天烧坏的几率最高，其它类型的电子式电动机综合保护器对不同的环境温度不加区别，因而无法对不同环境自动调整保护限额。

Claims (4)

1、一种通过对电机电枢绕组温度变化的数学关系θ=θ_e+I²r/(cmλ)+(θ_o-θ_e-I²r/cmλ)exp(-λt)，进行仿真模拟计算，通过其结果实现电机保护的交流电机综合监护器，其特征是它由采集取样单元、仿真单元，比较判断单元、控制执行单元、报警显示单元以及直流供电及外壳组成，采集取样单元分别由一个电流传感器采集电枢电流I并线性转换成电压量V₁，一个环境温度传感器采集电机环境温度θ_e并线转换成电压量V₂，V₁，V₂输出分别接平方及比例运算电路和比例放大电路，二个输出再依次接加法运算电路、RC电路和电压跟随电路完成仿真过程，仿真单元将反映电机绕组温度的电压送至由集成运放构成的比较器进行比较判断，判断结果驱动控制执行电路、报警电路和面板显示。

2、根据权利要求1所述的监护器，其特征是仿真单元是一个由电子模拟开关，A／D转换器，单片微机、计时电路及存贮器组成的计算机仿真电路，通过软件程序实现模拟计算。

3、根据权利要求1或2所述的监护器，其特征是仿真单元的输出除送至比较器外，还接有一个包括十个电压比较器和十个发光二极管组成的温度显示电路。

4、根据权利要求3所述的监护器，其特征是外壳体为二部分，一个是采集执行及电源体，另一个是显示监控体，二者之间用电缆连接，显示监控体面板上设有温度显示、过载显示、报警喇叭及手工复位按钮。

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