NO159470B - Anordning for varmebeskyttelse av en elektrisk motor. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for varmebeskyttelse av en elektrisk motor av den art som angitt i innledningen til krav 1.

For å sikre varmebeskyttelse av en elektrisk motor er det allerede foreslått å simulere opptreden av varme i motorens kopperdeler ved hjelp av en tidskonstantkrets (av RC-typen), og å kople ut kraftkilden til motoren når temperaturen som er simulert ved hjelp av den nevnte krets når en forhåndsbestemt terskelverdi. Det er også foreslått å innføre ekstra komponenter i beskyttelseskretsen for å kompensere for tap i motorens jerndeler (tap som følge av virvelstrømmer og hysterese) og for varmeoverføring mellom kopper og jern.

Fransk patent nr. 2203195 beskriver en overbelastnings-indikator som anvender en enkel motstand-kondensatoranordning for å stimulere de termiske egenskapene. Denne anordningen nødvendiggjør en strømforsyning som leverer likestrøm som kommer fra en annen elektrisk strømkilde, en første variabel krets tilpasset til å fastholde tidsperioden i løpet av hvilken en første overbelastningsstrøm har blitt tilført, en andre variabel strømkrets tilpasset til å fastholde en andre tidsperiode i løpet av hvilken en andre overbelastningsstrøm over den første verdien er blitt tilført og en anordning tilpasset til å bestemme uavhengig disse tidsperiodene. Ved hjelp av dette franske patentet vil det således ikke være mulig å foreta en variasjon av tidskonstanten uavhengig av hverandre innenfor et bredt område.

En ulempe ved denne type beskyttelseskrets er at den er komplisert og vanskelig å bygge inn på sådan måte at en realistisk simulering av varmeopptreden i motoren kan gjennomføres, idet det må tas hensyn særlig til at det også skjer varmeoverføring fra jern til luft og at Jerntapene er avhengig av spenningen. Videre er det vanskelig å fastsette den temperaturgrense som ikke må overskrides fordi det samtidig må tillates en varm start og det er ønskelig at beskyttelsessystemet tillater en forholdsvis stor, men midlertidig overbelastning, så lenge dette ikke er tilfelle for belastning under den nominelle grense. Ifølge oppfinnelsen foreslås å løse de forskjellige problemer ved hjelp av en beskyttelseskrets som uten å tilstrebe fullstendig simulering av varmeopptreden i motoren, vil ta i betraktning fabrikantens tillatte toleranser i perioder.

Ulempene ved den tidligere kjente anordningen unngås ved hjelp av foreliggende oppfinnelse som en anordning for varmebeskyttelse av den art som angitt i innledningen og hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige kravene.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser et koplingsskjerna for en varmebeskyttelsesanord-ning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser kurver som representerer tillatte overbelast-ningstider for en motor i samsvar med dens opptatte strøm. Utførelsen på fig. 1 viser forsterkere 1,2,3 som danner integreringskretser med motstander 100,101,200,201,300,301 og kondensatorer 102,202,302 som leverer lavstrømsignaler proporsjonale med den deriverte av strømmen i respektive fasekondensatorer som forbinder en asynkronmotor med trefasenett. Utgangssignalet fra hver forsterker er tilført dets inngang som ikke mottar signal gjennom en motstand 103,203,303 med en kondensator 104,204,304 forbundet med Jord via en motstand 105,205,305 med en inngang i en andre forsterker 4,5 resp. 6. Den andre inngang i den andre forsterker er forbundet med Jord via en motstand 400,500,600 og dens utgang med en diode 401,501,601. Utgangssignalene fra den andre forsterker er forbundet med en tredje forsterker 7 via dioder 402,502 resp. 602 hvis anoder er forbundet med den andre inngang i den andre forsterker via en motstand 403,503 resp. 603.

Forsterkerne 1,2,3 leverer på utgangen vekselspenninger som er proporsjonale med de ovenfor nevnte fasestrømmer som likerettes av diodene 401,402,

Forsterkeren 7 muliggjør at den høyeste av disse tre spenninger innstilles til en forhåndsbestemt verdi når motoren arbeider med sin nominelle strøm Ijj.

For dette formål blir den andre inngang forbundet med anoden i dioden 700 i utgangen fra en variabel motstand 701 i serie med en motstand 702. En motstand 703 forbinder den andre inngang med jord og et filter omfatter en motstand 704 forbundet med anoden i dioden 700 i serie med en kondensator 705 til Jord.

Anoden i diodene 402,502,602 er i tillegg forbundet med hverandre med en inngang i en komparator 8 hvis andre inngang via en motstandsbro 901,902 er forbundet med utgangen av komparatoren 9. Den sistnevnte mottar på den ene side spenningen i et punkt A mellom motstanden 704 og kondensatoren 705 og på den annen side en konstant referansespenning levert av en spennlngskilde V+ og motstandsbroen 903, 904. Denne referansespenning svarer f.eks. til spenningen i A for en strøm som flyter i motoren lik 10% av den nominelle strøm Ijjf med andre ord så lenge motoren løper vil komparatoren levere et digitalt nivå "1" (positiv spenning) på utgangen og kan ikke levere nivået "0" (negativ spenning) på utgangen unntagen når motoren er stoppet. Som resultat vil komparatoren 8 når motoren løper bare levere nivået "0" på utgangen når utgangsspennlngen fra forsterkerne 4,5,6 passerer null, med andre ord ved en manglende fase.

I dette tilfellet lades en kondensator 802 en positiv spenning V+ via en motstandsbro 800,801 og utlades når utgangsspenningen fra forsterkerne 4,5,6 passerer null, og etter et visst antall av disse nullgjennomganger vil spenningen på kondensatorens klemmer være tilstrekkelig lav til å trigge en komparator 10 hvis ene inngang mottar spenningen fra klemmene på kondensatoren 802, mens den andre inngang tilføres en referansespenning som bestemmes av referansekilden V+ og en motstandsbro 1000, 1001.

Utgangssignalet fra komparatoren 10 tilføres for det første via en diode 1002 til en av komponentene 1100 i en triggerkrets 1100, 1101 som på utgangen 1102 leverer energisering av et ikke vist relé som gir et kontrollsignal til den vanlige motorbeskyttelseskontaktor, dg for det annet til en komponent 12100 i en triggerkrets 1200, 1201, som trigger en ikke vist lysdiode som er forbundet med utgangen 1202.

Det skal bemerkes at sammenlignet med kretsen for detektering av en manglende fase ifølge fransk patentskrift nr. 79.26102, er foreliggende anordning for detektering av en manglende fase forenklet ved at hjelpemidler for filtrering av tre fasespenninger som danner en avbildning av strømmen i motorens faseledninger, ikke omfatter en induktans i inngangen. Denne forenkling gjør det mulig at Rogowski følere gir tilstrekkelig lav spenning for forsterkerne kan anvendes uten metning. Det er da tilstrekkelig for disse å ha en lav utgangsimpedans for utgangssignalet til å passere null i tilfelle av en manglende fase og som resultat derav kan den anvendes direkte av detektorkretsen for manglende fase.

Signalet i punktet A tilføres via respektive motstander 1300,1400,1500 til inngangen i hver av tre forsterkere 13,14,15 hvis ene inngang er forbundet med jord og utgangen er forbundet med nevnte inngang via dioder 1301, 1401, 1501 med motsatt passeringsretning og motstander 1302,1402,1502. Anodene i hver av disse dioder er forbundet med den nevnte inngang via dioder 1303,1403 resp. 1503. Inngangene i forsterkerne 14 og 15 mottar også en negativ spenning V- via en motstand 1404 resp. 1504. En slik anordning er i og for seg kjent og gir på utgangen en spenning proporsjonal med kvadratet av strømmen som svarer til den høyeste av de tre fasestrømmer.

Punktet B er forbundet via motstander 1600 og 1700 med to brytere 16 og 17 som styres av periodiske pulser som leveres av to monostabile triggerkretser 1900,1901 og 2000,2001. Disse to triggerkretser styres av en hovedoscillator bestående av to Nj-kretser 2100,2101. En tredje monostabil triggerkrets 2200,2201 er også i stand til å styre en bryter 17 i form av en pulsoppdeler som mottar pulser fra triggeren 2000,2001 eller 2200,2201 i samsvar med tilstanden av en logisk krets som er dannet av tre Nj-kretser 2300,2301 og 2302. Kretsen 2301 styres av signalet fra "stopp"-detektoren 9, på sådan måte at triggerkretsen 2200,2201 sluttelig betjener bryteren 17 når motoren løper, mens det er triggerkretsen 2200,2201 som betjener bryteren 17 når motoren er stoppet.

Bryterne 16 og 17 lader to kondensatorer 24 resp. 25 hvis spenning tilføres via motstander 2600 resp. 2700 en forsterker 26 og to respektive forsterkere 27,28. Forsterkerne 26 til 28 består av felteffekttransistorer og har derfor meget høy InngangsImpedans.

Utgangen fra forsterkeren 26 er forbundet med en inngang i en forsterker 29 hvis andre inngang tilføres en positiv spenning V+ via en motstandsbro 2900, 2901. Utgangen fra forsterkeren 29 er via en diode 2902 forbundet med komponenten 1100 i triggeren 1100,1101. På samme måte er utgangen fra forsterkeren 28 forbundet med inngangen i en forsterker 30 hvis andre inngang via en motstandsbro 3000,3001 er tilført en spenning V+, og dens utgang er via en diode 3002 forbundet med komponenten 1100.

Utgangen fra forsterkeren 27 er forbundet med et felles punkt mellom en motstand 600 og kondensatoren 24 ved hjelp av en diode 2701 av den art som har en lekkasjestrøm i størrel-sesorden pA, etterfulgt av en motstand 2702. Da en diode av denne art ikke har noen reverseringsstrøm, er det ingen mulighet for at kondensatoren 24 skal lades ut gjennom denne.

Forsterkeren 27 hindrer til enhver tid at spenningen på klemmene av kondensatoren 24 blir mindre enn spenningen på klemmene av kondensatoren 25, og hvis dette skulle opptre vil utladningsstrømmen fra kondensatoren 25 gjennom forsterkeren 27, dioden 2701 og motstanden 2702 lade kondensatoren 24 inntil spenningene på kondensatorenes klemmer er like.

Utgangen fra forsterkeren 28 er forbundet med en inngang I en forsterker 31 hvis andre inngang tilføres en spenning V-gjennom en motstandsbro 3100, 3101. Utgangen fra forsterkeren 31 er forbundet for det første med den andre inngang via en motstand 3102 etterfulgt av en diode 3103, og for det andre med styreelektroden for en bryter 32 som er forbundet mellom jord og forbindelsespunktet mellom bryteren 17 og kondensatoren 25.

Utgangsspenningene fra forsterkerne 29 og 30 er via respektive dioder 2903, 3003 tilført komponenten 3300 i en triggerkrets 3300,3301 som trigger en ikke vist lysdiode som er forbundet med klemmen 3302.

Hvis motorstrømmen går mot null, vil kondensatorene 24 og 25 bli utladet til Jord som følge av spredningskapasitet i kretsen. Når spenningen på disse kondensatorer har nådd null, har de en tendens til å lade seg igjen negativt. Hvis dette hender, blir den negative spenning på kondensatoren 25 tilført en inngang i forsterkeren 31 via en motstand 2700 og forsterkeren 28 vil da bli sammenlignet med den negative spenning som tilføres den andre inngang i forsterkeren 31, anordnet som en komparator med det resultat at et brytesignal tilføres bryteren 32, hvilken virkning ville være å bevirke en hurtig utladning av kondensatoren 25 til null. Som forklart ovenfor vil spenningen på kondensatoren 24 følge spenningen på kondensatoren 25 og vil derfor også hurtig bli bragt til null. Viktigheten av dette skal forklares nedenfor.

Kretsen som består av en bryter for ladning av en kondensator under periodiske intervaller når den er sluttet, til en spenning som representerer en avbildning av strømmen som produserer overdreven varme i en belastning, er i og for seg vel kjent og det er kjent at dette muliggjør simulering av oppvarming eller kjøling av belastningen uten at det behøver foretas temperaturmåling, og dette er særlig nyttig når oppvarmingstidskonstanten for belastningen er stor slik tilfellet er for en elektrisk motor.

Tidskonstanten som bestemmes av en krets av denne art er øyensynlig avhengig av verdien av komponentene og av varigheten av styrepulsene for bryterne.

Ved den beskrevne anordning er det anordnet en krets av denne art (triggerkretsen 2000,2001, bryteren 17 og kondensatoren 25) som I det påfølgende er kalt den andre tidskonstantkrets for å utlede en andre tidskonstant Øl som representerer varmeegenskapene for motoren når den arbeider ved en midlere temperatur. Denne andre tidskonstant er tidskonstanten for vanlig kjøling av motoren angitt av fabrikanten, f.eks. Øl = 950 sekunder. Kretsens varmebeskyttelse av motoren når den arbeider mellom små overbelastninger på følgende måte: En konstant referansespenning leveres av motstandsbroen 3000,3001 til inngangen i forsterkeren 30, valgt slik at den tilsvarer en overbelastning på noen få prosent, f.eks. 7 til 8%, dvs. forsterkeren 30 som er anordnet som en komparator, vil mate triggerkretsen 1100, 1101 med et signal for å kople ut motor strømmen I når den er 7- 8% større enn den nominelle verdi IN. En slik verdi ble valgt på grunnlag av den opptrukne kurve på fig. 2 som representerer tillatt overbelastningstid ts angitt av fabrikanten i sekunder som funksjon av forholdet I/Ijj, n^r motoren er varm. Hvis denne kurve antas å være asymptotisk til en rett linje parallelt med den vertikale akse gjennom abscissen 1,07 eller 1,08, er det klart at ved beregning av virketidene gitt av systemet for forskjellige verdier av I/Ifl (simulering) slik at de i praksis vil falle sammen med de tillatte tider angitt av fabrikanten.

En tredje krets frembringer en tredje tidskonstant og består av den monostabile triggerkrets 2200, 2201, bryteren 17 og kondensatoren 25. Kretsen er beregnet for tidskonstanten Øla lik 5 Øl. Når motoren er stoppet, kjøles den av meget mindre hurtig enn når den løper. Hvis motoren startes på nytt, er det viktig at kondensatoren 25 til å begynne med lades til en spenning som representerer en avbildning av temperaturen den hadde når den stoppet, en temperatur som øyensynlig er avhengig av den tid motoren forblir stoppet.

En første krets frembringer en første tidskonstant og består av den monostabile triggerkrets 1900,1901, bryteren 16 og kondensatoren 24. Tidskonstanten Qq som bestemmes av denne krets representerer starttiden for motoren, f.eks. 175 sekunder for en kaldstarttid på 10 sekunder med en strøm 6 Ijj. Det kan antas at denne verdi for starttiden vil være egnet for å bestemme Qq ved simulering fordi for en synkron-motor ligger startstrømmen i størrelsesorden 6 Ijj, og hensikten er å beskytte motoren mot for langs og for ofte start og særlig mot stor overbelastning. Ikke desto mindre står brukeren av kretsen hvis starttiden er gitt for en motor med annen startstrøm enn 6 Ijj, det valg å korrigere verdien for Qq slik at den svarer til starttiden ved b 1$. Qq kan f.eks. justeres ved å endre verdien av motstanden 1600.

De to deler av den strekprlkkede kurve på fig. 2 representerer tillatt overbelastningstid når motoren er kald som funksjon av I/In- Et antall punkter på disse kurver er basert på data angitt av fabrikanten. For å bringe disse punkter til en tilnærmet eksponensiell simulering svarende til ladningen av en kondensator i tidskonstantkretsen, må det utledes to verdier av tidskonstantkretsen, dvs. en kort verdi Qq som svarer til stor overbelastning og en lang verdi Øl. som svarer til liten overbelastning. Asymptoten av den del av kurven som svarer til Qq bestemmer en referansespenning som vil være den konstante spenningen som leveres av motstandsbroen 2900,2901 ved et inngangs signal på forsterkeren 29 som er to ganger referansespenningen som tilføres inngangen i forsterkeren 30 og som indikerer antagelsen at motoren er varm hvis den er stoppet og deretter startet påny, slik at temperaturen av kopperet kan nå en verdi som er dobbelt så stor som det normale for motoren uten at motorkappen overskrider den tillatte temperatur. Varmeoverføringen fra kopperet til jern finner hurtig sted og overoppvarming av kopperet er derfor av kort varighet og kan tåles av motoren.

Som nevnt ovenfor anordnes kretsen slik at spenningen på kondensatoren 24 aldri kan være mindre enn spenningen på kondensatoren 25. Denne betingelse betyr at i motoren kan kopperet aldri være kaldere enn jernet. Som forklart kan spenningen på kondensatorene 24 og 25 aldri bli negative. Dette betyr at kretsen aldri må simulere kopper- eller jerntemperatur under temperaturen til omgivelsene.

Claims (7)

1. Anordning for varmebeskyttelse av en elektrisk motor med en termisk tidskonstant, idet tidskonstantene simuleres elektrisk, en nominell strøm og en tillatelig starttid (stalling time) når kald, idet systemet innbefatter første (1900, 1901, 16, 24) og andre (2000, 2001, 17, 25) tidskonstante kretser som hver innbefatter en kondensator (24, 25), idet den første og andre tidskonstante kretsen er forbundet henholdsvis med første (29) og andre (30) komparator til hvilken tilføres respektive første og andre referansespenninger, første styreinnretning forbundet med den første og andre kompara- .toren (29, 30) for utkobling av krafttilførselen til motoren alltid når spenningen ved terminalen til kondensatoren til en av tidskonstantkretsene overskrider referansespenningen tilført respektive komparatorer (29, 30), karakterisert ved at den første (1900, 1901, 16, 24) og andre (2000, 2001, 17, 25) tidskonstante kretsen tilføres en samme spenning som er proporsjonal med strømmens kvadrat absorbert av motoren, at tidskonstanten (8l) til den andre kretsen (2000, 2001, 17, 25) er valgt til å være lik den termiske tidskonstanten til motoren og den andre referansespenningen er valgt slik at den korresponderer med en overbelastning på noen få prosent i forhold til motorens nominelle strøm (In)f at tidskonstanten (6c) til den første kretsen (1900, 1901, 16, 24) er valgt slik at den korresponderer med tillatelig starttid for motoren når den er kald for en strøm lik seks ganger nominal strømmen (l}j) og den første referansespenningen har en verdi to ganger den til den andre og at systemet innbefatter en andre styreinnretning (2700, 27, 2701, 2702) for ensrettet styring av spenningen ved terminalene til den første tidskonstantkretsens (1900, 1901, 16) kondensator (24) fra spenningen til terminalene til den andre kretsens (2000, 2001, 17) kondensator (25) når sistnevnte har en tendens til å overskride førstnevnte spenning.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved en tredje tidskonstantkrets (2200, 2201, 17, 25) som mater den andre komparator (30) og har en tidskonstant fem ganger tidskonstanten for den andre tidskonstantkrets, og en innretning (9, 903, 904, 2301, 2302) for frembringelse av et signal som Indikerer at motoren er løpende eller stoppet og for kobling av den andre og tredje tidskonstantkrets som funksjon av dette signal.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver tidskonstantkrets omfatter en bryter (16, 17) som er styrt av periodiske pulser.

4 . Anordning ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at den andre styreinnretningen omfatter en forsterker (27) hvis ene inngang tilføres spenningen over kondensatorklemmene (25) til den andre tidskonstantkretsen, hvis andre Inngang er forbundet med kondensatorklemmene (24) til den første tidskonstantkrets via en motstand (2702), og hvis utgang er forbundet med kondensatorklemmene (24) til den første tidskonstantkrets via en diode (2701) med lekkasje-strøm av størrelsesorden pA, i serie med en motstand (2702).

5. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at innretningen for frembringelse av et signal som indikerer om motoren er løpende eller stoppet, omfatter en komparator (9) for sammenligning av spenningen, proporsjonal med strømmens kvadrat absorbert av motoren, med en ytterligere referansespenning som er lik noen få prosent av den nominelle strømmen.

6. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved en komparator (31) som tilføres utgangsspenningen fra kondensatoren (24, 25) i en av tidskonstantkretsene og en negativ referansespenning via en ekstra bryter (32) som styres av utgangsspenningen fra komparatoren, og en innretning for å hindre negativ ladning av kondensatoren (24, 25).

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at spenningen proporsjonal med strømmens kvadrat absorbert av motoren tilføres en lavstrømssignal-detektor forbundet med forsterkere (1, 2, 3), og etter likeretning og filtrering tilføres en komparator (8) som også tilføres en positiv referansespenning fra en innretning (9) som indikerer om motoren er løpende eller stoppet, og bevirker gradvis ladning av en kondensator (802) i tilfelle en fase faller ut, og spenningen over kondensatorklemmene (802) tilføres en komparator (10) som leverer et signal som kobler ut strømforsyningen.