RU224495U1 - Устройство защиты электродвигателя от перегрева - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в приводах с электродвигателями для их защиты от перегрева. Технический результат - обеспечение безопасной повторной подачи напряжения питания на двигатель после срабатывания защиты от перегрева. Устройство содержит блок управления, первый вход которого является входом питания, второй вход - входом блокировки работы, третий вход - входом управления, времятоковый преобразователь, задатчик порогового значения, компаратор, выход которого подключен к второму входу блока управления. В устройство дополнительно введены измеритель температуры окружающей среды и сумматор. Первый вход сумматора соединен с первым выходом времятокового преобразователя, второй вход - с выходом измерителя температуры окружающей среды, а выход - с первым входом компаратора. Второй вход компаратора соединен с выходом задатчика порогового значения. Времятоковый преобразователь содержит нагревательный элемент, первый вывод которого является первым входом времятокового преобразователя, подключенным к выходу блока управления, а второй вывод - вторым выходом времятокового преобразователя, выполненным с возможностью подключения к двигателю. Времятоковый преобразователь содержит также измеритель разности температур нагревательного элемента и окружающей среды, выход которого является первым выходом времятокового преобразователя. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в приводах с электродвигателями для их защиты от перегрева с возможностью безопасной повторной подачи напряжения питания на двигатель после срабатывания защиты от перегрева, через любой интервал времени, с максимальным использованием перегрузочных возможностей в широком диапазоне температур окружающей среды.

Объективы оптических приборов, например, тепловизионных приборов (ТВП), устанавливаемых на подвижных объектах, имеют защитные крышки, предохраняющие их от повреждения и загрязнения в то время, когда они находятся в выключенном состоянии - на марше, в дневное (для ТВП) время.

Открываются данные крышки, как правило, автоматически с помощью электродвигателей по команде оператора.

Условия эксплуатации объектов, на которые устанавливаются подобные оптические приборы, как правило жесткие, с широким рабочим температурным диапазоном от -50°С до +60°С и возможным загрязнением или обледенением защитной крышки, загустением смазки механических элементов узла отпирания крышки.

При этом при открывании крышки в таких условиях возможно превышение номинального значения нагрузки (тока) двигателя. Максимальный ток - при блокировке движения ротора ("заклинивании").

Двигатели допускают такой перегрузочный режим работы, но в течение короткого промежутка времени, до достижения критической температуры обмотки ротора двигателя.

Задача устройства защиты двигателя от перегрева (УЗДП) - выключить двигатель при достижении этой температуры и блокировать подачу на него напряжения до охлаждения обмотки ротора электродвигателя до определенного безопасного уровня.

Аналогом является устройство для защиты от перегрева электродвигателя, входящее в состав системы управления электродвигателем постоянного тока с постоянными магнитами, содержащее датчик температуры, встроенный в корпус электродвигателя, причем выход датчика температуры соединен со входом блока защиты (US 5991505, МПК Н02Р7/29, опубликован 23.11.1999).

При перегрузке электродвигателя перегревается обмотка ротора электродвигателя, что приводит со временем к перегреву корпуса (статора) электродвигателя, в результате чего срабатывает блок защиты и выключает электродвигатель.

Недостатком аналога является низкое качество защиты от перегрева электродвигателя при аварийной остановке якоря электродвигателя (например, при "заклинивании" приводного механизма), что связано с большой скоростью нагрева в этом случае обмотки ротора и значительной инерцией нагрева статора электродвигателя от его перегретого ротора (передача тепла осуществляется через сердечник ротора и подшипник) и, следовательно, большим, часто критичным, запаздыванием срабатывания защиты.

Прототипом является устройство времятоковой защиты электродвигателя от перегрева в электроприводе серии ЭПУ1 (см. техническое описание электропривода серии ЭПУ1 ИГФР.654674.001 ТО), который описан в патенте RU 2214665, фиг. 1, МПК Н02Н 5/04, опубликован 20.10.2003.

Устройство времятоковой защиты электродвигателя от перегрева содержит блок управления, первый вход которого является входом питания, второй вход - входом блокировки, третий вход - входом управления, времятоковый преобразователь, выполненный в виде последовательно соединенных датчика тока обмотки ротора электродвигателя и блока интегрирования, задатчик порогового значения (источник сигнала смещения), компаратор (пороговый элемент), выход которого подключен к второму входу блока управления.

В процессе работы блок интегрирования интегрирует сигнал, пропорциональный превышению текущего значения сигнала с датчика тока над его значением при номинальной нагрузке двигателя (над значением напряжения с выхода источника сигнала смещения).

При достижении сигналом на выходе блока интегрирования порога срабатывания компаратора (порогового элемента) сигнал на выходе компаратора изменяется и блокирует блок управления. Двигатель обесточивается. При нагрузке двигателя, не превышающей номинальной, сигнал на выходе блока интегрирования всегда меньше порога срабатывания компаратора. При нагрузке больше номинальной, сигнал на выходе блока интегрирования достигает порога срабатывания компаратора через время, обратно пропорциональное превышению текущего тока двигателя над номинальным. То есть, чем больше превышение нагрузки на двигатель относительно номинального, тем быстрее обмотка электродвигателя нагревается, тем раньше срабатывает защита, и двигатель обесточивается.

В случае работы такого устройства, например, с защитной крышкой объектива оптического прибора, возможна ситуация, когда при отсутствии изображения ТВП, причиной которого может быть или "зависание" программы, или "заклинившая" защитная крышка, оператор может осуществить перезапуск ТВП, выключением и последующим включением питания, при этом выключится - включится и питание УЗДП, и, следовательно, и двигателя.

Если причиной отсутствия изображения является "заклинивание" крышки, то значит, двигатель работал в перегруженном режиме, через обмотку протекал ток I_П, превышающий номинальный, и УЗДП выключило, вероятнее всего, двигатель еще до выключения оператором питания ТВП, через время t_B после включения, за которое температура обмотки возросла от значения Т_окр до предельно допустимого значения Т_предел. После выключения двигатель постепенно остывает, стремясь к температуре Т_окр, которая будет достигнута через время t_остыв., составляющее обычно величину порядка 10-15 минут.

Если оператор выключит ТВП, и через время от срабатывания УЗДП, меньшее t_остыв., вновь включит ТВП, то в момент включения температура обмотки двигателя будет выше Т_окр, и, если крышка при этом будет оставаться "заклинившей", то ток через обмотку двигателя будет равен 1_п и за время до срабатывания УЗДП (отключения двигателя), равное t_B, температура его обмотки превысит значение Т_{предел.}, и обмотка двигателя выйдет из строя.

Кроме того, УЗДП не учитывает температуру окружающей среды Т_окр.

Реально при низкой Т_окр критическое значение температуры обмотки двигателя Т_предел. при равных условиях (при одинаковом токе "через обмотку двигателя) наступит по времени позже, при высокой - раньше.

Если настроить УЗДП с максимальным использованием перегрузочных возможностей при верхней рабочей Т_окр (с выключением двигателя при достижении Т_{предел.}), будут не полностью использованы перегрузочные возможности двигателя на низких температурах.

Если настроить УЗДП с максимальным использованием перегрузочных возможностей при нижней рабочей Т_окр (с выключением двигателя при достижении Т_{предел.}) - двигатель в критической ситуации перегреется и выйдет из строя при верхнем значении рабочего диапазона температур.

Таким образом, основным недостатком прототипа является невозможность безопасной повторной подачи напряжения на двигатель после срабатывания защиты от перегрева через любой интервал времени, а также невозможность осуществить защиту двигателя от перегрева с максимальным использованием его перегрузочных возможностей в широком диапазоне Т_окр.

Техническим результатом полезной модели является возможность безопасной повторной подачи напряжения питания на двигатель после срабатывания защиты от перегрева через любой интервал времени с максимальным использованием перегрузочных возможностей в широком диапазоне температуры окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что в устройство защиты электродвигателя от перегрева, содержащее блок управления, первый вход которого является входом питания, второй вход - входом блокировки работы, третий вход - входом управления, времятоковый преобразователь, задатчик порогового значения, компаратор, выход которого подключен к второму входу блока управления, согласно настоящей полезной модели, дополнительно введены измеритель температуры окружающей среды и сумматор, первый вход которого соединен с первым выходом времятокового преобразователя, второй вход - с выходом измерителя температуры окружающей среды, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом задатчика порогового значения, причем времятоковый преобразователь содержит нагревательный элемент, первый вывод которого является первым входом времятокового преобразователя, подключенным к выходу блока управления, а второй вывод - вторым выходом времятокового преобразователя, выполненным с возможностью подключения к двигателю, а также измеритель разности температур нагревательного элемента и окружающей среды, выход которого является первым выходом времятокового преобразователя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства защиты электродвигателя от перегрева.

Предлагаемое УЗДП содержит блок 1 управления, первый вход I которого является входом литания, второй вход II - входом блокировки, третий вход III - входом управления, времятоковый преобразователь 2, задатчик 3 порогового значения, компаратор 4, выход которого подключен к входу II блокировки блока 1 управления.

Отличием УЗДП является то, что в него дополнительно введены измеритель 5 температуры окружающей среды и сумматор 6.

Первый вход I сумматора 6 соединен с первым выходом I времятокового преобразователя 2, а второй вход II - с выходом измерителя 5 температуры окружающей среды.

Выход сумматора 6 соединен с первым входом I компаратора 4, второй вход II которого соединен с выходом задатчика 3 порогового значения.

Времятоковый преобразователь 2 содержит нагревательный элемент 7 и измеритель 8 разности температур между нагревательным элементом 7 и окружающей средой.

Первый вывод I нагревательного элемента 7 является первым входом I времятокового преобразователя 2, подключенным к выходу блока 1 управления.

Второй вывод II является вторым выходом II времятокового преобразователя 2, обеспечивающим подключение к двигателю 9.

Выход измерителя 8 разности температур между нагревательным элементом 7 и окружающей средой является первым выходом I времятокового преобразователя 2.

Работает УЗДП следующим образом.

При поступлении команды "ВКЛЮЧЕНИЕ" на вход III блока 1 управления, напряжение питания с его первого входа I проходит на его выход, что обуславливает протекание тока через нагревательный элемент 7 и двигатель 9.

Через нагревательный элемент 7 и обмотку ротора (на фиг. 1 не показаны) двигателя 9 протекает один и тот же ток, и их нагрев будет пропорционален величине этого тока и времени его протекания.

Нагрев нагревательного элемента 7, в качестве которого может быть использован, например, резистор, будет также зависеть от его сопротивления, номинальной мощности, условий теплоотвода.

С целью экономии энергии может быть выбран нагревательный элемент с малым сопротивлением.

В этом случае, при протекании тока он будет нагреваться меньше обмотки ротора двигателя 9.

Соотношение между изменением во времени нагрева относительно окружающей среды обмотки ротора двигателя 9 (ΔТ₉) и нагревательного элемента 7 (ΔТ₇), то есть ΔТ₉≈К_9-7⋅ΔТ₇, где K_9-7 - практически постоянная величина и ее значение может быть получено либо расчетным путем, либо эмпирически.

При этом при настройке и контроле работы УЗДП температура обмотки ротора двигателя 9 может быть определена по его сопротивлению, зависящему от температуры (см. статью «Как определить температуру обмоток электродвигателей переменного тока по их сопротивлению», https://electricalschool.info/main/naladka/163-kak-opredelit-temperaturu-obmotok.html).

Измеритель 8 разности температур измеряет нагрев нагревательного элемента 7 относительно окружающей среды и выдает его на первый вход I сумматора 6 в виде напряжения Ug:

U₈=S₈⋅АТ₇,

где S₈ - крутизна выходной характеристики измерителя 8 разности температур, Вольт/°С.

Измеритель 5 температуры окружающей среды измеряет Т_окр и выдает его на второй вход II сумматора 6 в виде напряжения U₅:

U5=S₅⋅Т_окр.,

где S₅ - крутизна выходной характеристики измерителя 5 температуры окружающей среды, Вольт/°С.

Для того, чтобы приращение напряжения U₈ на выходе измерителя 8 разности температур при приращении разности температур ΔТ₉, например, величиной в один °С, совпадало с величиной приращения напряжения U⁵, соответствующей приращению в один °С Т_окр на выходе измерителя 5 температуры окружающей среды, крутизна характеристики S₈ измерителя 8 и крутизна характеристики измерителя 5 устанавливаются такими, чтобы выполнялось условие Sg=К _9-7⋅S₅.

В рассматриваемом примере плюсовое напряжение питания поступает на первый вход двигателя 9, при этом на второй вход (на фиг. 1 не показан) двигателя 9 подается минусовое напряжение питания.

При протекании тока через нагревательный элемент 7 и двигатель 9, происходит нагрев нагревательного элемента 7 и двигателя 9 относительно Т_окр пропорционально протекающему току и времени его протекания.

Скорость и конечное значение нагрева увеличиваются с увеличением нагрузки на двигатель 9 и максимальны при его "заклинивании" (блокировки вращения ротора).

Разность температур между нагревательным элементом 7 и окружающей средой (ΔТ₇) замеряется измерителем 8 разности температур и в виде напряжения U₈, пропорционального ΔТ₉, с его выхода поступает на первый вход I сумматора 6, на второй вход II которого подается напряжение U₅, пропорциональное Т_окр с выхода измерителя 5 температуры окружающей среды.

С выхода сумматора 6 напряжение U₆, пропорциональное температуре Т₉ обмотки ротора двигателя 9, подается на первый вход I компаратора 4, на второй вход II которого поступает постоянное напряжение U3 с выхода задатчика 3 порогового значения.

Напряжение U3 соответствует напряжению U6 при предельно допустимой для обмотки ротора двигателя 9 температуре, то есть, когда Т₉=Т_предел, выше которой начинается ее разрушение.

Например, для часто используемых для приводов двигателей DC motor Type FAULHABER 3257G024 Т_предел=155°C.

При номинальной нагрузке на двигатель 9 температура обмотки двигателя Т₉ будет повышаться, пока не наступит температурное равновесие обмотки (пока количество отдаваемого ею тепла не сравняется с количеством получаемого ею тепла за счет протекающего тока) и ее температура не стабилизируется.

Величина нагрева обмотки относительно Т_окр в режиме стабилизации при номинальной нагрузке будет небольшой, порядка 20…30°С, и ее температура будет всегда ниже Т_предел, а значит и напряжение U₆ всегда будет меньше U₃. Сигнала блокировки на вход блока 1 управления с выхода компаратора 4 не поступит.

При значительной нагрузке на двигатель 9 температура обмотки будет быстро повышаться и через короткое время (обычно порядка 10…20 секунд при "заклинивании") достигнет значения Т_предел еще до того, как наступит температурное равновесие обмотки, соответствующее данной значительной нагрузке двигателя (данной значительной мощности, рассеиваемой на обмотке).

Это время (t_B) будет тем меньше, чем больше нагрузка на двигатель 9 (чем больше будет ток, протекающий через обмотку двигателя 9) и, чем больше Т_окр (напряжение U₅ на выходе измерителя 5 температуры окружающей среды).

При выполнении условия U₆>U₃, произойдет срабатывание компаратора 4.

Сигнал с его выхода (сигнал блокировки работы) выключит блок 1 управления даже при поступлении на его третий вход III включающего сигнала.

Компаратор 4 для большей четкости работы может быть выполнен с гистерезисом. В этом случае выключающий сигнал на его выходе пропадет при напряжении U6≤(U₃-U_г), где U_г - напряжение гистерезиса компаратора 4.

После выдачи компаратором 4 сигнала блокировки нагревательный элемент 7 и обмотка ротора двигателя 9 будут остывать до снятия сигнала выключения (пропадания сигнала блокировки на выходе компаратора 4), то есть до остывания обмотки двигателя до температуры, при которой будет выполняться условие U₆=U₃-U_г.

Затем двигатель по сигналу с компаратора 4 вновь автоматически включится. И так он будет циклически включаться и выключаться.

В случае, когда двигатель 9 открывает защитную крышку объектива ТВП при наличии значительного сопротивления ее движению, может получиться, что он будет открывать ее в несколько этапов с перерывами на свое остывание до уровня, обусловленного гистерезисом компаратора 4, с полным использованием допустимого перегрузочного режима.

Если во время выключения питания ТВП двигатель 9 был перегрет до Т_предел, а значит и нагревательный элемент 7 был нагрет относительно Т_окр на определенную величину, и компаратор 4 выдавал сигнал блокировки включения на блок 1 управления, то, если повторное включение питания последовало через короткое время после выключения (например, сразу после выключения) и критический перегрев нагревательного элемента 7 (а значит и двигателя 9) сохранился, то компаратор 4 будет выдавать на блок 1 управления сигнал блокировки, и перегретый двигатель 9 не включится до тех пор, пока нагревательный элемент 7 (а значит и двигатель 9) не остынут до допустимого уровня, и, следовательно, двигатель 9 в такой ситуации не выйдет из строя.

В случае, если к моменту повторной подачи на двигатель 9 напряжения питания температура обмотки двигателя 9 (нагревательного элемента 7) опустилась ниже значения, при котором U₆<U₃-U_г, но превышает Т_окр, то компаратор 4 разрешит включение двигателя 9, даже, если тот находится в "заклинившем" состоянии, но на короткое время - до достижения нагревательным элементом 7 (обмоткой двигателя 9) температуры, при которой U₆ станет равным U₃, что не даст двигателю 9 выйти из строя.

Таким образом, предлагаемое УЗДП обеспечивает возможность безопасной повторной подачи напряжения питания на двигатель 9 после срабатывания защиты от перегрева через любой интервал времени и позволяет эксплуатировать электродвигатели с максимальным использованием их перегрузочных ресурсов в широком диапазоне Т_окр.

Claims (1)

1. Устройство защиты электродвигателя от перегрева, содержащее блок управления, первый вход которого является входом питания, второй вход - входом блокировки работы, третий вход - входом управления, времятоковый преобразователь, задатчик порогового значения, компаратор, выход которого подключен к второму входу блока управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены измеритель температуры окружающей среды и сумматор, первый вход которого соединен с первым выходом времятокового преобразователя, второй вход - с выходом измерителя температуры окружающей среды, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом задатчика порогового значения, причем времятоковый преобразователь содержит нагревательный элемент, первый вывод которого является первым входом времятокового преобразователя, подключенным к выходу блока управления, а второй вывод - вторым выходом времятокового преобразователя, выполненным с возможностью подключения к двигателю, а также измеритель разности температур нагревательного элемента и окружающей среды, выход которого является первым выходом времятокового преобразователя.

Images