RU2037247C1

RU2037247C1 - Device for protection of low-capacity three-phase electric motor against emergency conditions

Info

Publication number: RU2037247C1
Authority: RU
Inventors: В.П. Тибушкин; В.В. Божко
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Экран"
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has current pickups built on transistor optrons, resistors and stabilizer diodes, phase-sensitive unit built on thyristor optrons, variable resistors and integrating circuits, voltage divider, diodes assembly, voltage comparators, logic OR gate and final-control element. Salient feature of invention lies in use of transistor optocouplers in the capacity of current pickup and in couplings with other elements of circuit. EFFECT: reduced mass and size characteristics, expanded functional capabilities of device. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей трехфазного тока для защиты электродвигателей от токовой перегрузки, неправильного чередования фаз и обрыва одной из фаз. The invention relates to electrical engineering and can be used in power supply systems of consumers of three-phase current to protect electric motors from current overload, improper phase rotation and the breakdown of one of the phases.

Известно устройство для защиты маломощной трехфазной цепи от перегрузки по току, содержащее датчики тока, пороговые элементы, выпрямитель, оптоэлектронный коммутатор, триггер и исполнительный элемент [1]
К недостаткам известного устройства можно отнести низкую точность срабатывания защиты, обусловленную разбросом параметров датчиков тока и пороговых элементов, а также отсутствие защиты от неправильного чередования фаз.A device for protecting a low-power three-phase circuit from overcurrent containing current sensors, threshold elements, a rectifier, an optoelectronic switch, a trigger and an actuator [1]
The disadvantages of the known device include the low accuracy of the protection due to the dispersion of the parameters of the current sensors and threshold elements, as well as the lack of protection against improper phase rotation.

Наиболее близким является устройство для защиты трехфазного электродвигателя от неполнофазного режима и обратного чередования фаз, содержащее первый и второй трансформаторы тока, фазочувствительный орган, выполненный на тиристорном оптроне исполнительный орган и функционально связанные с ними стабилитроны и резисторы [2]
Данное устройство благодаря трансформаторам тока имеет большие габариты и массу, кроме того, оно не обеспечивает защиту электродвигателя от перегрузки по току.The closest is a device for protecting a three-phase electric motor from an out-of-phase mode and reverse phase rotation, containing the first and second current transformers, a phase-sensitive organ, an actuator made on a thyristor optocoupler, and zener diodes and resistors functionally connected with them [2]
This device, thanks to current transformers, has large dimensions and mass, in addition, it does not protect the motor from overcurrent.

Расширение функциональных возможностей и снижение габаритов и массы в предлагаемом устройстве обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее первый и второй датчики тока, включенные соответственно в первую и вторую фазы питающей трехфазной сети последовательно с обмотками электродвигателя, фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, и исполнительный элемент, дополнительно вводят делитель напряжения, выполненный на переменном резисторе, диодную сборку, выполненную на двух диодах с объединенными катодами, два компаратора напряжения и логический элемент ИЛИ. При этом датчик тока, выполненный на трех резисторах, стабилитроне и транзисторном оптроне, соединяют следующим образом: первый вывод первого резистора соединяют с первым выводом второго резистора, второй вывод первого резистора соединяют с анодом стабилитрона и катодом светодиода оптрона, второй вывод второго резистора соединяют с катодом стабилитрона и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединяют с анодом светодиода оптрона. Фазочувствительный блок, выполненный на тиристорном оптроне, двух переменных резисторах и трех интегрирующих RC-цепях, соединяют следующим образом: катоды светодиода и фототиристора оптрона соответственно соединяют с первыми выводами первого и второго переменных резисторов, вторые выводы которых соединяют с отрицательной шиной питания, катод фототиристора оптрона соединяют с входом первой RC-цепи, движок второго переменного резистора соединяют с входом второй RC-цепи, движок первого резистора соединяют с входом третьей RC-цепи. Первые выводы первых резисторов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с первым и вторым выводами обмоток электродвигателя, вторые выводы первых резисторов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с первой и второй фазами питающей трехфазной сети, а третью фазу соединяют с третьим выводом обмотки электродвигателя. Коллекторы фототранзисторов оптронов первого и второго датчиков тока соединяют с положительной шиной питания, а эмиттеры фототранзисторов оптронов первого и второго датчиков тока соответственно соединяют с анодами светодиода и фототиристора оптрона фазочувствительного блока. Выход первой RC-цепи фазочувствительного блока соединяют с инвертирующим входом первого компаратора, выходы второй и третьей RC-цепи фазочувствительного блока соответственно соединяют с первым и вторым входами диодной сборки, выход которой соединяют с неинвертирующим входом второго компаратора. Неинвертирующий вход первого и инвертирующий вход второго компаратора соединяют c выходом делителя напряжения, вход которого cоединяют с положительной шиной питания. Выходы компараторов соединяют с входами логического элемента ИЛИ, выход которого соединяют с входом исполнительного элемента. Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого устройства позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что в известном устройстве трансформаторы тока заменены датчиками тока, выполненными на транзисторных оптронах, резисторах и стабилитронах, кроме того, в устройство дополнительно введены делитель напряжения, диодная сборка, два компаратора и логический элемент ИЛИ со связями, обеспечивающими предлагаемому устройству новые свойства, отсутствующие в прототипе, снижение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей. The expansion of functionality and the reduction of dimensions and weight in the proposed device is ensured by the fact that in the known device containing the first and second current sensors included respectively in the first and second phases of the supply three-phase network in series with the motor windings, a phase-sensitive block made on a thyristor optocoupler, and an actuating element, a voltage divider made on a variable resistor is additionally introduced, a diode assembly made on two diodes with combined cathodes , two voltage comparators and an OR gate. In this case, the current sensor, made on three resistors, a zener diode and a transistor optocoupler, is connected as follows: the first terminal of the first resistor is connected to the first terminal of the second resistor, the second terminal of the first resistor is connected to the anode of the zener diode and the cathode of the optocoupler LED, the second terminal of the second resistor is connected to the cathode a zener diode and the first output of the third resistor, the second output of which is connected to the anode of the optocoupler LED. The phase-sensitive block, made on a thyristor optocoupler, two variable resistors and three integrating RC circuits, is connected as follows: the cathodes of the LED and the phototyristor of the optocoupler are respectively connected to the first terminals of the first and second variable resistors, the second terminals of which are connected to the negative power bus, the cathode of the phototyristor of the optocoupler connected to the input of the first RC circuit, the engine of the second variable resistor is connected to the input of the second RC circuit, the engine of the first resistor is connected to the input of the third RC circuit. The first terminals of the first resistors of the first and second current sensors are respectively connected to the first and second terminals of the motor windings, the second terminals of the first resistors of the first and second current sensors are respectively connected to the first and second phases of the supplying three-phase network, and the third phase is connected to the third terminal of the motor winding. The collectors of phototransistors of the optocouplers of the first and second current sensors are connected to the positive power bus, and the emitters of the phototransistors of the optocouplers of the first and second current sensors are respectively connected to the anodes of the LED and the photothyristor of the optocoupler of the phase-sensitive block. The output of the first RC circuit of the phase-sensitive unit is connected to the inverting input of the first comparator, the outputs of the second and third RC circuit of the phase-sensitive unit are respectively connected to the first and second inputs of the diode assembly, the output of which is connected to the non-inverting input of the second comparator. The non-inverting input of the first and the inverting input of the second comparator are connected to the output of the voltage divider, the input of which is connected to the positive power bus. The outputs of the comparators are connected to the inputs of the OR gate, the output of which is connected to the input of the actuating element. A comparative analysis of the prototype and the claimed device allows us to conclude that the claimed device differs from the prototype in that in the known device current transformers are replaced by current sensors made on transistor optocouplers, resistors and zener diodes, in addition, a voltage divider, a diode assembly are additionally introduced into the device, two comparators and an OR logic element with connections providing the proposed device with new properties that are not in the prototype, reducing the overall dimensions and enhanced functionality.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. In FIG. 1 shows a circuit diagram of the proposed device.

Оно содержит первый датчик 1 тока, выполненный на резисторах 2, 3 и 5, стабилитроне 4 и оптроне 6, второй датчик 7 тока, выполненный на резисторах 8, 9 и 11, стабилитроне 10 и оптроне 12, фазочувствительный блок 13, выполненный на оптроне 14, переменных резисторах 15 и 16, интегрирующих RC-цепях 17-22, делитель 23 напряжения, диодная сборка 24, компараторы 25 и 26 напряжения, логический элемент ИЛИ 27 и исполнительный элемент 28. It contains a first current sensor 1 made on resistors 2, 3 and 5, a zener diode 4 and an optocoupler 6, a second current sensor 7 made on a resistors 8, 9 and 11, a zener diode 10 and an optocoupler 12, a phase-sensitive block 13 made on an optocoupler 14 , variable resistors 15 and 16, integrating RC circuits 17-22, voltage divider 23, diode assembly 24, voltage comparators 25 and 26, OR gate 27 and actuator 28.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При наличии напряжения на всех трех фазах, правильном их чередовании и номинальном токе нагрузки электродвигателя на резисторах 2 и 8 датчиков 1 и 7 тока развиваются напряжения, пропорциональные току нагрузки и сдвинутые по фазе на треть периода. Под воздействием этих напряжений через светодиоды оптронов 6 и 12 протекают токи, возбуждающие через оптическую связь коллекторные токи фототранзисторов, на эмиттерах которых устанавливаются однополупериодные напряжения, пропорциональные токам нагрузки в обмотках электродвигателя. If there is voltage in all three phases, their alternation and the rated load current of the electric motor, voltage develops on resistors 2 and 8 of the current sensors 1 and 7, proportional to the load current and phase shifted by a third of the period. Under the influence of these voltages, currents flow through the LEDs of the optocouplers 6 and 12, exciting the collector currents of the phototransistors through optical coupling, on the emitters of which one-half-voltage is established, which are proportional to the load currents in the motor windings.

Резисторы 3, 5 и 9, 12 обеспечивают режим линейной передачи тока транзисторных оптронов, а стабилитроны 4 и 10 защиту оптронов от обратного напряжения и от токовой перегрузки по входу. Таким образом, на анодах светодиода и фототиристора тиристорного оптрона 14 фазочувствительного блока 13 формируются однополупериодные напряжения положительной полярности, сдвинутые по фазе на треть периода, причем на аноде светодиода напряжение опережает по фазе напряжение на аноде фототирстора, а амплитуды напряжений пропорциональны токам нагрузки электродвигателя. Поскольку напряжение на аноде светодиода опережает напряжение на аноде фототиристора, то фототиристор начинает облучаться светодиодом с момента начала формирования напряжения на аноде фототиристора, что приводит к отпиранию фототиристора в начальный момент времени, и далее в течение всего полупериода тиристор находится в открытом состоянии, пока на его аноде присутствует напряжение. Таким образом на переменных резисторах 15 и 16 формируются напряжения, которые после фильтрации RC-цепями 17-22 поступают на входы компараторов 25 и 26. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора 25 и инвертирующем входе компаратора 26 является опорным и его значение устанавливается движком переменного резистора, на котором выполнен делитель 23 напряжения. Уровень опорного напряжения выбирается таким, чтобы напряжение на инвертирующем входе компаратора 25 было бы несколько большим, чем напряжение опоры. В этом случае при правильном чередовании фаз и полнофазном режиме на выходе компаратора 25 установится низкий уровень напряжения, который не окажет воздействия на исполнительный элемент 28. При номинальном значении тока нагрузки в любой обмотке электродвигателя движки переменных резисторов 15 и 16 устанавливают в положения, в которых напряжение на неинвертирующем входе компаратора 26 было бы несколько меньшим, чем опорное. В этом случае (при номинальных значениях токов в обмотках электродвигателя) на выходе компаратора 26 установится низкий уровень напряжения, который также не оказывает воздействия на исполнительный элемент. В том случае, если ток нагрузки в любой фазе превысит номинальное значение, на резисторах 2 или 8 датчиков тока увеличится напряжение настолько, что токи коллекторов фототранзисторов оптронов 6 или 12 также увеличатся, что приведет в конечном итоге к превышению уровня напряжения на неинвертирующем входе компаратора 26 над опорным. Это превышение напряжения заставит сработать компаратор 26, т.е. на его выходе установится высокий уровень напряжения, который через логический элемент ИЛИ 27 воздействует на исполнительный элемент 28, который отключит напряжение, питающее электродвигатель. Диодная сборка 24 выполняет функцию сумматора, объединяющего сигналы, информирующие о максимальном значении тока в обмотках электродвигателя. RC-цепи 17-22, кроме фильтрующего действия, исключают ложные срабатывания защиты при кратковременных нестабильностях токов нагрузки и при воздействии помех. При нарушении чередования фаз (например при перемене первой и второй фазы) напряжение на аноде светодиода отстает от напряжения на аноде фототиристора оптрона 14 фазочувствительного блока 13. Это приведет к тому, что фототиристор откроется лишь в течение времени, когда напряжения на анодах светодиода и фототиристора присутствуют одновременно, а это (при неправильном чередовании фаз) по времени составит гораздо меньше половины периода. В этом случае напряжение на переменном резисторе 16 уменьшится настолько, что на инвертирующем входе компаратора 25 уровень напряжения снизится до значения меньшего, чем на неинвертирующем входе, что приведет к срабатыванию компаратора 25 и отключению напряжения, питающего электродвигатель, исполнительным устройством 28. При обрыве любой из фаз (например, первой или второй) прекращается протекание тока через светодиод или фототиристор оптрона 14, что приведет к снижению уровня напряжения на инвертирующем входе компаратора 25 до нуля и срабатыванию исполнительного элемента 28, отключающего питающее напряжение от электродвигателя. При обрыве третьей фазы напряжения на анодах светодиода и фототиристора оптрона 14 будут сдвинуты по фазе на половину периода, т.е. окажутся в противофазе, что приведет к отсутствию тока фототиристора и, следовательно, к снижению напряжения на инвертирующем входе компаратора до нуля и срабатыванию исполнительного элемента 28, отключающее напряжение питания электродвигателя. Экспериментальная проверка макета устройства и его лабораторные испытания подтвердили работоспособность устройства и достижение целей изобретения. Resistors 3, 5 and 9, 12 provide a linear mode of current transmission of transistor optocouplers, and zener diodes 4 and 10 protect the optocouplers from reverse voltage and from current overload at the input. Thus, at the anodes of the LED and the thyristor of the thyristor optocoupler 14 of the phase-sensitive block 13, half-wave voltages of positive polarity are formed, phase-shifted by a third of the period, and the voltage at the anode of the LED is ahead of the phase voltage of the photothyristor anode, and the voltage amplitudes are proportional to the load currents of the electric motor. Since the voltage at the anode of the LED is ahead of the voltage at the anode of the photo thyristor, the photo thyristor begins to be irradiated with an LED from the moment the voltage at the anode of the photo thyristor starts to form, which unlocks the photo thyristor at the initial moment of time, and then the thyristor is in the open state for the whole half-time, while there is voltage in the anode. Thus, voltages are formed on the variable resistors 15 and 16, which, after filtering by RC circuits 17-22, are supplied to the inputs of the comparators 25 and 26. The voltage at the non-inverting input of the comparator 25 and the inverting input of the comparator 26 is reference and its value is set by the variable resistor slider, which made the voltage divider 23. The level of the reference voltage is selected so that the voltage at the inverting input of the comparator 25 is somewhat larger than the voltage of the reference. In this case, with the correct phase rotation and full-phase mode, the output of the comparator 25 will establish a low voltage level that will not affect the actuator 28. At a nominal value of the load current in any motor winding, the variable resistor motors 15 and 16 are set to positions in which the voltage at the non-inverting input of the comparator 26 would be slightly smaller than the reference. In this case (at rated currents in the motor windings), a low voltage level will be established at the output of the comparator 26, which also does not affect the actuator. In the event that the load current in any phase exceeds the nominal value, the voltage on the resistors 2 or 8 of the current sensors increases so that the collector currents of the phototransistors of the optocouplers 6 or 12 also increase, which will ultimately lead to an excess of the voltage level at the non-inverting input of the comparator 26 above the reference. This excess voltage will cause the comparator 26 to work, i.e. at its output, a high voltage level will be established, which, through the OR gate 27, acts on the actuator 28, which disconnects the voltage supplying the electric motor. The diode assembly 24 performs the function of an adder combining signals informing about the maximum current value in the motor windings. RC circuits 17-22, in addition to the filtering action, exclude false protection trips during short-term instabilities of load currents and when exposed to interference. If phase rotation is disturbed (for example, when the first and second phases are changed), the voltage at the anode of the LED lags behind the voltage at the anode of the photothyristor of the optocoupler 14 of the phase-sensitive unit 13. This will cause the photothyristor to open only during the time when voltages at the anodes of the LED and photo thyristor are present at the same time, and this (with incorrect phase rotation) in time will be much less than half the period. In this case, the voltage across the variable resistor 16 will decrease so much that the voltage level at the inverting input of the comparator 25 will drop to a value lower than that at the non-inverting input, which will cause the comparator 25 to turn off and the voltage supplying the electric motor to be turned off by the actuator 28. If any of the phases (for example, the first or second), the flow of current through the LED or photo-thyristor of the optocoupler 14 is stopped, which will lead to a decrease in the voltage level at the inverting input of the comparator 25 to zero and triggered the actuation element 28, disconnecting the supply voltage from the electric motor. When the third phase is disconnected, the voltages at the anodes of the LED and the photothyristor of the optocoupler 14 will be phase shifted by half the period, i.e. will be in antiphase, which will lead to the absence of the photothyristor current and, therefore, to reduce the voltage at the inverting input of the comparator to zero and the actuation of the actuating element 28, disconnecting the voltage of the electric motor. Experimental verification of the layout of the device and its laboratory tests confirmed the operability of the device and the achievement of the objectives of the invention.

Макет устройства, предназначенный для защиты электровентилятора типа ЭВ-2-3660, выполнен на следующих элементах: резисторы 2 и 8 С5-16Т8 ВТ10 Ом± 1% резисторы 3, 5, 9 и 11 С2-23В 0,5 Вт 510 Ом ±5% стабилитроны 4 и 10 Д814В; оптопары транзисторные 6 и 12 30Т127А; оптопара тиристорная 14 30У103В; переменные резисторы 15 и 16 СП5-3 4,7 кОм ±5% резисторы 17, 19 и 21 С2-23ВО, 25 Вт 100 кОм± 5% конденсаторы 18, 20 и 22 К50-29-47 мкФ 63 В; диодная сборка 24, выполнена на двух диодах 2Д102А; делитель напряжения 23 выполнен на переменном резисторе СП5-3-22 кОм±5% компараторы напряжения 25 и 26 521СА3; логический элемент ИЛИ 27 выполнен по схеме монтажной ИЛИ; исполнительный элемент 28 выполнен на контакторе КНЕ120, транзисторе 2Т630Б и на двух кнопочных выключателях КМ1-1. Краткие технические данные устройства приведены ниже. The device layout designed to protect the EV-2-3660 electric fan is based on the following elements: resistors 2 and 8 C5-16T8 VT10 Ohm ± 1% resistors 3, 5, 9 and 11 C2-23V 0.5 W 510 Ohm ± 5 % Zener diodes 4 and 10 D814V; transistor optocouplers 6 and 12 30T127A; thyristor optocoupler 14 30U103V; variable resistors 15 and 16 SP5-3 4.7 kOhm ± 5% resistors 17, 19 and 21 C2-23VO, 25 W 100 kOhm ± 5% capacitors 18, 20 and 22 K50-29-47 uF 63 V; diode assembly 24, made on two diodes 2D102A; the voltage divider 23 is made on a variable resistor SP5-3-22 kOhm ± 5% voltage comparators 25 and 26 521CA3; logical element OR 27 is made according to the circuit OR; the actuating element 28 is made on the contactor KNE120, transistor 2T630B and on two push-button switches KM1-1. Brief technical data of the device are given below.

Напряжение питания
электровентиля- тора, В 220 ±11
Частота напряжения питания, Гц 400 ±20
Количество фаз питаю- щего напряжения 3
Напряжение питания устройства, В 27± 1 Номинальный ток на- грузки электровентиля- тора, А не более 0,37
Ток срабатывания защиты, А 0,4 ±0,01
Климатические условия работоспособности устройства соответствуют диапазонам:
температур окружающей среды, ^оС 5-40 атмосферного давления, мм рт.ст. 400-760
относительной
влажности при 25^оС, Не более 98.Supply voltage
electric fan, V 220 ± 11
Supply voltage frequency, Hz 400 ± 20
Number of phases of supply voltage 3
Supply voltage of the device, V 27 ± 1 Rated load current of the electric fan, A, not more than 0.37
Protection operation current, A 0.4 ± 0.01
The climatic conditions of the device’s performance correspond to the ranges
ambient temperatures, ^about 5-40 atmospheric pressure, mm Hg 400-760
relative
humidity at ²⁵ ° C, not more than 98.

Преимущества предлагаемого устройства перед известными состоят в снижении массогабаритных показателей, повышенной точности срабатывания защиты и в расширенных функциональных возможностях. The advantages of the proposed device over the known ones are in reducing the overall dimensions, increased accuracy of the protection response and in expanded functionality.

Claims

DEVICE FOR PROTECTING A LOW-POWER THREE-PHASE ELECTRIC MOTOR FROM EMERGENCY OPERATION MODES, containing the first and second current sensors included respectively in the first and second phases of the three-phase supply network in series with the motor windings, one terminal of each of which is connected to the limiting resistor, and the other is connected to the anode , the cathode of each of which is connected to the other terminal of the limiting resistor, a phase-sensitive block made on a thyristor optocoupler, and an actuator an element characterized in that two transistor optocouplers, two resistors, a voltage divider made on a variable resistor, a diode assembly made on two diodes with integrated cathodes, two voltage comparators and an OR logic element are additionally introduced into the device, with each current sensor being made on the resistor, the output of the first limiting resistor is connected to the first output of the second resistor, the other output of which is connected to the anode of the zener diode through the anode-cathode of the LED of the additional optocoupler Namely, the collectors of the phototransistors of the first and second additional optocouplers are connected to the positive power bus, the emitters of the phototransistors of these optocouplers are respectively connected to the anodes of the LED and the phototyristor of the optocoupler of the phase-sensitive unit, which additionally contains two variable resistors and three integrating RC circuits, which are connected as follows: LED cathodes and an optocoupler thyristor, respectively, are connected to the first terminals of the first and second variable resistors, the second terminals of which are connected with a negative power bus, the cathode of the optocoupler thyristor is connected to the input of the first RC circuit, the engine of the second variable resistor is connected to the input of the second RC circuit, the engine of the first variable resistor is connected to the input of the third RC circuit, the output of the first RC circuit of the phase-sensitive unit is connected to the inverting the input of the first comparator, the outputs of the second and third RC circuits of the phase-sensitive block are respectively connected to the first and second inputs of the diode assembly, the output of which is connected to the non-inverting input of the second comparator, non-inverting s input and the first inverting input of the second comparator connected to the output of a voltage divider having an input connected to the positive supply bus, the outputs of the comparators are connected to inputs of the OR gate, whose output is connected to an input of the actuator.