熱保護繼電器的製作方法

2023-06-19 01:41:51 1

專利名稱：熱保護繼電器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於保護電設備的熱保護繼電器，包括測量裝置，用來測量由該設備吸收的電流；一確定裝置，用來根據測量的電流值、前一個熱像值和至少一個預先設定的時間常數，確定代表該設備的熱像(thermalimage)的值；另一確定裝置，用來確定至少一個保護閾值；比較裝置，用來將代表熱像的值與保護閾值進行比較；和發生裝置，當表示熱像的值超出保護閾值時，用來產生報警和/或跳閘信號。
這種繼電器1可以用來保護電機2(

圖1)、變壓器、電力線路或電容器組。如圖1中所示，電流傳感器3向繼電器1提供代表由電機2吸收的電流的信號。根據測得的電流，繼電器1計算代表電機2的熱像的值，即，表示電機發熱。在由於例如過載導致嚴重過熱和分別超出報警閾值Esa或跳閘閾值Esd的情況下，該繼電器1提供報警信號或跳閘信號。跳閘信號使得接觸器4斷開並中斷電機2的供電。
在傳統的方式中，根據下面的公式，計算在時間t的熱像的值EkEk=Ek-1+IeqIb2t-Ek-1t--(1)]]>其中Ek-1是在時間(t-Δt)計算的前一個熱像值。
Ieq是等效電流，表示由電機吸收的電流並且由測量到的電流決定。
Ib是設備的基準電流，即，由在正常工作條件下運行的設備吸收的電流。
τ是需保護的設備的時間常數。通常地，時間常數τ可以採用兩個截然不同的值，當電機運行時的發熱時間常數τ1，和是由製造商提供的，當電機不運行時的冷卻時間常數τ2。
在已知的方式中，根據下面的公式，由測量到的電流計算等效電流IeqIeq2=I2+Iinv2(2)其中I是測量到的在向該設備供電的相導體中流過的有效電流的最大值。
Iinv是測得的反向電流。
K是可調節的係數。
如圖2中所示，因此可以確定該繼電器的冷態和熱態時間/電流跳閘曲線，分別為Cf1和Cc1(圖中的虛線)。
根據下面的公式，冷態跳閘曲線Cf1限定自零發熱的保護繼電器的跳閘時間t=log(IeqIb)2(IeqIb)2-Esd--(3)]]>其中Esd是跳閘閾值。
根據下面的公式，熱態跳閘曲線Cc1根據標準發熱值(level)E=1限定保護繼電器的跳閘時間t=log((IeqIb)2-1(IeqIb)2-Esd)--(4)]]>由於預先設定的電流大於穩態工作條件中的最大電流，需保護的冷狀態的電機的跳閘時間大於從熱狀態電機得到的跳閘時間。
作為一個例子，在圖2中，對於電流Ieq/Ib=2，處於冷態(點A1)時該繼電器的跳閘時間是665秒而處於熱態(點A2)時為70秒。
製造商通常提供該設備的實驗獲得的熱態和冷態下的耐熱曲線(thermalresistance curve)。在圖2中，當電機的熱Cc1m和冷Cf1m曲線(虛線)相對於相關的繼電器的曲線Cc1和Cf1向上移動。因此通過該繼電器可以對相應的電機正確地進行保護。
但是出現了比相關的繼電器曲線(Cc2和Cf2)更接近的電機的熱態和冷態下的耐熱曲線(Cc2m和Cf2m)情況，如圖3中所示。在圖3表示的例子中，對於電流Ieq/Ib=2，繼電器的熱態的耐熱時間(thermal resistance time)是250秒，由於如前所述低於相對應的電機的耐熱時間。但是，繼電器的冷態跳閘時間是620秒(點A4)，大於電機的冷態耐熱時間(點A5)。因此當其自冷狀態經受過載時不能正確地保護，儘管自熱狀態的跳閘保持確保在需要時間內。
通過降低繼電器的發熱時間常數τ1，繼電器的兩個跳閘曲線可以向下移動。因此所得到的新的熱態跳閘曲線Cc3和冷態跳閘曲線Cf3全部位於電機的相關曲線(Cc2m和Cf2m)的下面。於是新的冷態耐熱時間(點A6)低於電機的冷態耐熱時間(點A5)。這一點對於熱態耐熱時間(點A7和A3)是同樣的。
但是，繼電器的熱態跳閘曲線的降低啟動中可能引起問題。繼電器的熱態跳閘曲線Cc3實際上可以穿過電機啟動曲線，如圖3中所示。在圖3中，表示兩個啟動曲線Cd1和Cd2。在電機的啟動中，每個曲線分別表示對於按照額定電壓Un(Cd1)啟動的和按照電壓0.9Un(Cd2)啟動的電流值相對時間的關係。
熱態跳閘曲線Cc3在點A8穿過啟動曲線Cd1和在點A9穿過啟動曲線Cd2因此，在熱啟動的情況下，電流值使得它立即引起跳閘，因此防止任何熱啟動。
本發明的目的在於克服這些缺點和為處於各種情況下的設備提供良好的熱保護。
根據本發明，通過這樣的事實實現該目的，考慮採用非零初始熱像來決定熱像，從設備的實驗的耐熱曲線確定初始熱像的值。
根據本發明的一個改進，保護閾值是跳閘閾值，通過公式(5)得出繼電器的冷態跳閘時間tt=log((IeqIb)2-Es0)((IeqIb)2-Esd)--(5)]]>其中τ是繼電器的時間常數Ib是設備的基準電流Ieq是表示測量到的電流的等效電流
Es0是初始熱像Esd是跳閘閾值最好根據公式(6)確定初始熱像Es0Es0=(IrIb)2-etr1(IrIb)2Esd--(6)]]>其中Ib是設備的基準電流Ir是預先設定的設定電流tr是與設定電流Ir相關的所需要的冷態跳閘時間τ1是發熱時間常數，由設備的實驗熱態耐熱曲線決定。
此外，該繼電器包括測量裝置，用來測量周圍環境溫度；和校正裝置，用來根據測量到的周圍環境溫度校正代表熱像的值。
根據本發明的另一個改進，在電機的情況下，時間常數、報警和/或跳閘閾值和初始熱像構成繼電器的一組參數，該繼電器包括比較裝置，用來將測量到的電流與表示電機轉子的停止狀態的電流閾值進行比較，和選擇裝置，用來當測量到的電流小於電流閾值時選擇第一組參數，和用來當測量到的電流大於電流閾值時選擇第二組參數。
從下面對本發明的特定實施例的描述中，這些實施例僅僅作為非限定性的例子給出和在附圖中表示的，本發明的其它優點和特點將更清楚，其中圖1以非常簡略的方式表示根據現有技術的其中可以實現本發明的電機的熱保護繼電器。
圖2和3表示根據現有技術的電機的時間/電流耐熱曲線，此外圖3表示電機的啟動曲線。
圖4表示根據本發明的電機的啟動曲線以及電機和繼電器的耐熱曲線。
圖5表示分別根據現有技術和本發明的過載過程中的熱像E變化相對於時間的關係。
圖6和7表示能在根據本發明的繼電器中實現的流程圖的特定實施例。
圖8表示，處於正常工作中和停止轉子時的電機的耐熱曲線，以及電機的啟動曲線。
在圖4表示的本發明的實施例中，電機的耐熱曲線Cf2m和Cc2m，和電機的啟動曲線Cd1和Cd2與圖3中的相同。繼電器的熱態跳閘曲線Cc2同樣保持不變，不相交電機啟動曲線Cd1和Cd2。另一方面繼電器的冷態跳閘曲線Cf變化，從而下降到電機的冷耐熱曲線Cf2m的下面。作為一個例子，對於Ieq/Ib=2，點A3不改變，繼電器的冷態曲線Cf的點A10位於電機的冷態曲線Cf2m的點A5的下面。
當計算代表熱像的值E時，考慮非零初始熱像Es0得到該結果。
改變和通過公式(5)替代給出繼電器的冷態跳閘時間的公式(3)。如果Es0=0，我們得到傳統的冷態跳閘曲線公式(3)。另一方面如果Es0=1，我們得到傳統的熱態跳閘曲線公式(4)。
由設備的實驗耐熱曲線確定初始熱像Es0的值。該值位於0和1之間。
作為一個例子，根據圖3和4的曲線，按以下的方式可以確定初始熱像Es0的值。電機冷卻時間常數τ2已知，我們還可以得到電機的熱態實驗曲線Cc2m和冷態實驗曲線Cf2m和穩態工作狀態下的最大電流Imax。作為一個例子，如果Imax/Ib=1.1因此調節跳閘閾值Esd，使得Esd=(Imax/Ib)2，即Esd=1.2。例如報警閾值Esa可以設定在0.9。為了確定繼電器的發熱時間常數τ1，可以使用對應於繼電器的熱態曲線Cc2的公式(4)，其中等效電流Ieq由預先設定的調節電流Ir代替。因此得到值tc/τ1，其中tc是與調節電流Ir相關的所需要的熱態跳閘時間。在實用中，最好使用包含繼電器的熱態曲線的數位化值的表。例如假設，對於Esd=1.2和Ir/Ib=2，得到tc/τ1=0.069。
在圖4的實施例中，由於跳閘在Ir/Ib=2和tc=250秒的A3點處發生，與電機的熱態耐熱曲線(Cc2m)相一致，因此時間常數τ1可以設定為29分鐘，對應於圖4的曲線Cc2。
利用公式(3)按照τ=τ1=29分鐘，Ieq/Ib=Ir/Ib=2和Esd=1.2，或者對應於繼電器的冷態曲線Cf2的表，得到對應的冷態跳閘時間tf∶tf/τ1=0.3567，即，對於τ1=29分鐘，tf=620秒，對應於圖3的曲線Cf2的點A4.在之一特定情況下，點A4位於對應於電機的實驗冷態曲線Cf2m的點A5的上面，後者不能保證實現正確保護電機。
由於這一點，引入初始熱像Es0來改善繼電器的冷態曲線，使得所需要的與調節電流Ir相關的冷態跳閘時間tr低於與電機的冷態曲線Cf2m的點A5相關的跳閘時間。作為一個例子tr=500秒，對於Ir/Ib=2，對應於位於點A5上方的點A10(圖4)。
由從公式(5)推導出的公式(6)進行Es0的計算，其中t=tr,τ=τ1和Ieq=Ir。在上面提到的例子中，利用tr=500秒，I1/Ib=2,τ1=29分鐘和Esd=1.2，得到Es0=0.27。因此繼電器的冷態曲線Cf2(圖3)向下移動，給出與電機的熱阻一致的冷態曲線Cf(圖4)，反之繼電器的熱態曲線Cc2』其本身與電機的耐熱性一致，不改變。
在圖5中，根據設備例如電機2過載過程中的公式(1)，提供熱像E對於時間的變化。應當注意到在設備的正常工作的情況下，沒有過載，熱像限定在它的標稱值1。在根據現有技術的繼電器中，熱像的變化由曲線c1表示，如果設備從1開始為熱啟動，和由曲線c2表示，如果設備從0開始為冷啟動。分別是熱態和冷態的對應跳閘時間表示為t1和t2。初始熱像Es0的引入改變了由冷狀態獲得的曲線，將成為曲線c3。然後冷態跳閘時間變成時間t3，低於時間t2，而熱態跳閘時間t1不改變。
保護繼電器1最好是微處理器為基礎的繼電器，其中通過以下參照圖6和7描述的流程圖可以實現本發明。
在第一次初始化步驟F1中，係數k設定為1並且前一個熱像Ek-1的值選取為值Es0，如上面給出的設備的實驗跳閘曲線指示的已經預先確定了值Es0。然後，在步驟F2中，測量電流I和Iinv。然後根據公式(2)計算等效電流Ieq(步驟F3)。在電機的情況下，將該等效電流與代表電機轉子的停止狀態的電流閾值Is相比較。如果等效電流Ieq不大於Is(F4的結果是「否」)，繼電器選擇(步驟F5)第一組參數τ1,τ2，報警閾值Esa和跳閘閾值Esd，和初始熱像Es0，如上所述是考慮電機的冷態Cf2m和熱態Cc2m耐熱曲線所確定的。如果等效電流Ieq大於Is(F4的結果是「是」)，電機轉子由該繼電器認定為處於停止並且繼電器選擇第二組參數(步驟F6)。
當電機的轉子停止時，它的熱效應實際上非常不同於其處於額定負載的效應。在這些狀態中，電機可能由於轉子或者定子的過熱而損壞。對於高功率的電機，通常是轉子構成限制因素。對於電機的正常工作選擇的參數(第一組參數)不再有效。有時製造商可以提供當轉子停止時電機的冷態Cf3m和熱態Cc3m曲線(圖8)。在圖8中表示分別對應於不同的電機啟動電壓Un,0.8Un和0.65Un的每個曲線。通過在Un的啟動曲線Cd1,在0.8Un的Cd3和在0.65Un的Cd4,在圖8中表示對應的啟動電流中的變化。考慮曲線Cc3m和Cf3m，以與第一組同樣的方式，可以決定第二組參數。因此得到在圖6的流程圖中的步驟F6中要採用的不同參數(τ1,τ2,Esa,Esd,和Es0)的第二組值。閾值電流Is的值最好等於啟動電流的80％。
在步驟F5或F6之後，繼電器進行到步驟F7，在其中等效電流Ieq與另一個非常低的電流閾值例如0.1Ib相比較。如果等效電流大於或等於該另一個電流閾值(F7的結果是「是」)，將電機認定為正在運轉，並且在步驟F8中，前面選擇的發熱時間常數τ1賦值給時間常數τ。另一方面如果等效電流Ieq小於該另一個電流閾值(F7的結果是「否」)，將該電流認定為零值並且電機認定為沒有運轉。然後使用冷卻時間常數τ2作為時間常數τ(步驟F9)。然後在步驟F10中，根據公式(1)，計算熱像的新值Ek。然後，在步驟F11(圖7)中，Ek的值由更高的值Ek和Es0代替。因此值Ek可以不再低於初始圖像Es0，即使電機長時間停機之後。
在一個優選實施例中，根據周圍環境溫度執行熱像的校正(步驟F12至F14)。由於這一點，該繼電器包括溫度測量傳感器提供表示周圍環境溫度的值θa(步驟F12)。已知需保護的設備的導體最大溫度值θmax，計算校正係數fcor(步驟F13)，使得 和fcor≥1然後校正係數作用給熱像的值Ek，來提供校正後的熱像Ec(步驟F14)，使得Ec=Ekfcor。因此步驟F12至F14對應於根據環境溫度進行的熱像值的校正。作為一個例子，最大溫度值θmax可以是160℃。如果環境溫度θa是50℃，校正係數fc0r=120/110，大於1。因此當環境溫度超出預定的溫度極限時，在所給出的例子中是40℃，校正係數增發熱像的值，只要環境溫度保持低於該溫度極限不改變它。
然後將校正後的熱像的值Ec與報警閾值Esa相比較(步驟F15)。如果Ec大於報警閾值Esa(步驟F15的結果是「是」)，起動報警(步驟F16)，然後將Ec的值與跳閘閾值Esd相比較(步驟F17)。如果跳閘閾值超出(步驟F17的結果是「是」)，產生跳閘信號，從而中斷向設備的供電。當沒有超出報警或跳閘閾值時(F15或F17的結果是「否」)，並且同樣在跳閘步驟F18之後，繼電器進行到步驟F19，其中在返回到步驟F2之前將係數k加1(k=k+1)，用於考慮存儲在存儲器中的前面計算出來的值Ek-1來計算熱像的新值。
權利要求
1．一種用於保護電設備(2)的熱保護繼電器(1)，包括測量裝置(3)，用來測量由該裝置吸收的電流；一確定裝置，用來根據測量的電流值(Ieq)、前一個熱像值(Ek-1)和至少一個預先設定的時間常數(τ1,τ2)，確定代表該設備的熱像的值；另一確定裝置(F5,F6)，用來確定至少一個保護閾值(Esa,Esd)；比較裝置(F15,F17)，用來將代表熱像的值(Ek)與保護閾值進行比較；和發生裝置(F16,F18)，當表示熱像的值超出保護閾值時，用來產生報警和/或跳閘信號，該繼電器的特徵在於考慮採用非零初始熱像(Es0)來決定熱像，從設備的實驗的耐熱曲線(Cf2m,Cc2m；Cf3m,Cc3m)確定初始熱像的值。
2．根據權利要求1所述的繼電器，特徵在於保護閾值是跳閘閾值，通過如下公式得出繼電器的冷態跳閘時間tt=log((IeqIb)2-Es0)((IeqIb)2-Esd)]]>其中τ是繼電器的時間常數Ib是設備的基準電流Ieq是表示測量電流的等效電流Es0是初始熱像Esd是跳閘閾值
3．根據權利要求2所述的繼電器，特徵在於根據如下公式確定初始熱像Es0Es0=(IrIb)2-etr1(IrIb)2-Esd]]>其中Ib是設備的基準電流Ir是預先設定的設定電流tr是與設定電流Ir相關的所需要的冷態跳閘時間τ1，是發熱時間常數，由設備的實驗熱態耐熱曲線決定。
4．根據權利要求1至3中任何一個所述的繼電器，特徵在於其包括測量裝置(F12)，用來測量周圍環境溫度(θa)；和校正裝置(F13,F14)，用來根據測量到的周圍環境溫度校正代表熱像的值(Ek)。
5．根據權利要求1至3中任何一個所述的繼電器，特徵在於，該設備由電機構成，時間常數(τ1,τ2)、報警閾值(Esa)和/或跳閘閾值(Esd)和初始熱像(Es0)構成繼電器的一組參數，該繼電器包括比較裝置(F4)，用來將測量到的電流(Ieq)與表示電機轉子的停止狀態的電流閾值(Is)進行比較；和選擇裝置(F5,F6)，用來當測量到的電流(Ieq)小於電流閾值(Is)時選擇第一組參數，和用來當測量到的電流(Ieq)大於電流閾值(Is)時選擇第二組參數。
全文摘要
該熱保護繼電器根據測量的電流值、前一個熱像值和預先設定的發熱時間常數(て
文檔編號H02H6/00GK1299146SQ0013448
公開日2001年6月13日 申請日期2000年12月4日 優先權日1999年12月6日
發明者伯恩哈德·戈特齊格 申請人:施耐德電器工業公司