ES2252820T3 - Dispositivo de proteccion de un motor con funcion de señal de defecto termico antes de la maniobra. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN CIRCUITO DE PROTECCION DE UN MOTOR QUE CONSTA DE UN PRIMER CIRCUITO DE PROCESO (14, 10) QUE EMITE UNA SEÑAL DE DESCONEXION (D1) DE UN DISYUNTOR CUANDO LA CORRIENTE DE ALIMENTACION DEL MOTOR SUPERA UN UMBRAL DE DESCONEXION PREDETERMINADO (S LR ) DE ACUERDO CON UNA CURVA DE D ESCONEXION TIEMPO/CORRIENTE PREFIJADA. INCLUYE UN SEGUNDO CIRCUITO DE PROCESO (15, 16) QUE EMITE CON ANTERIORIDAD UNA SEÑAL DE APERTURA (A2) DE UN CONTACTOR CONECTADO EN SERIE CON EL DISYUNTOR. EL INTERVALO QUE SEPARA LA SEÑAL DE APERTURA (A2) DEL CONTACTOR DE LA SEÑAL DE DESCONEXION (D1) TIENE UN VALOR PREDETERMINADO. EL SEGUNDO CIRCUITO DE PROCESO CALCULA UNA MAGNITUD ( ZE 3) A PARTIR DEL CUADRADO DE LA CORRIENTE MEDIDA (LEFF SUP,2 ) Y DE UNA MAGNITUD ( ZE 2) REPRESENTATIVA DEL ESTADO TERMICO DEL MOTOR CALCULADA (14) POR EL PRIMER CIRCUITO DE PROCESO. LA SEÑAL (A2) DE APERTURA DEL CONTACTOR SE PRODUCE CUANDO LA TERCERA MAGNITUD ( ZE 3) REBASA EL UMBRAL DE DESCONEXION (S SUB,LR ).

Description

Dispositivo de protección de un motor con función de señal de defecto térmico antes de la maniobra.

La invención se refiere a un dispositivo de protección de un motor alimentado por una red eléctrica por medio de un disyuntor en serie con un contactor, dispositivo que comporta unos medios de medida de la corriente de alimentación del motor, un disparador conectado a los medios de medida y que comporta unos primeros medios para producir, en caso de sobrecarga, una señal de abertura del contactor y unos segundos medios para producir seguidamente, si la sobrecarga permanece durante un periodo predeterminado tras la señal de abertura del contactor, una señal de disparo para la abertura del disyuntor.

En la protección de los motores, se prevé por lo general un disyuntor en serie con un contactor. El disyuntor asegura la protección contra las sobrecargas y los cortocircuitos. El contactor está concebido de forma que permite el control, manual o a distancia, del motor. Los contactos de un disyuntor están previstos para un número de aberturas muy inferior al de un contactor. Para limitar el desgaste del disyuntor y permitir un intento de rearranque automático del motor en el momento de la detección de una sobrecarga en la alimentación del motor, se conoce la posibilidad de prever una función llamada función de señal de defecto térmico antes de la maniobra, o función SDTAM. Esta función SDTAM consiste, en el momento en que se detecta una sobrecarga, que representa un defecto térmico, en abrir en primer lugar el contactor, 500 ms antes del momento previsto para el disparo correspondiente. Al interrumpirse la alimentación del motor por la abertura del contactor, la sobrecarga desaparece y pasa a ser inútil abrir el disyuntor. Por el contrario, si la corriente de alimentación no es interrumpida por el contactor, la sobrecarga continúa detectándose y se produce una señal de disparo.

En los dispositivos conocidos, que se explicitarán con mayor detalle en relación con las figuras 1 a 3, la curva de disparo que controla la abertura del disyuntor en caso de sobrecarga es modificada por la función SDTAM.

El objeto de la invención es un dispositivo de protección de un motor en el que la función de protección contra las sobrecargas no se ve modificada por la añadidura de la función SDTAM.

Según la invención, este objeto se alcanza gracias a que los segundos medios comportan unos medios de determinación de una primera magnitud que representa el cuadrado de la corriente medida, unos primeros medios de tratamiento conectados a los medios de determinación para determinar una segunda magnitud que representa el estado térmico del motor y unos primeros medios de comparación para comparar la segunda magnitud con un límite de disparo predeterminado, de forma que se realiza una función de protección tiempo / corriente predeterminada, comportando los primeros medios unos segundos medios de tratamiento, conectados a la salida de los medios de determinación de la primera magnitud, y unos primeros medios de tratamiento, para determinar una tercera magnitud, y unos segundos medios de comparación para comparar la tercera magnitud con el límite de disparo y proporcionar la señal de abertura del contactor cuando la tercera magnitud alcanza o sobrepasa dicho límite.

De esta forma, es posible, sin modificar las funciones de disparo de un disyuntor destinado a la protección de un motor, agregarle la función SDTAM.

No obstante, unas eventuales perturbaciones de la corriente de alimentación del motor pueden conducir a una modificación del periodo que separa la señal de abertura del contactor de la señal de disparo asociada.

Según una variante de la invención, el problema adicional debido a dichas perturbaciones se resuelve mediante el hecho de que el dispositivo comporta unos medios de temporización conectados a la salida de los segundos medios de comparación y un circuito OU que comporta una primera entrada conectada a la salida de los primeros medios de comparación y una segunda entrada conectada a la salida de los medios de temporización, proporcionándose la señal de disparo a la salida del circuito OU.

Otras ventajas y características se deducirán con mayor claridad de la descripción siguiente de distintos modos de realización de la invención, dados a modo de ejemplos no limitativos y representados en los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 representa un dispositivo de protección de un motor que comporta una función SDTAM según la técnica anterior.

La figura 2 ilustra las curvas de disparo del dispositivo según la figura 1.

La figura 3 representa con mayor detalle el disparador del dispositivo según la figura 1.

La figura 4 representa con mayor detalle un modo de realización particular de los medios de realización de la función de disparo de largo retardo de un disparador en el que puede aplicarse la invención.

La figura 5 representa un modo de realización particular de los medios de realización de la función SDTAM según la invención.

La figura 6 ilustra las variaciones en función del tiempo de las magnitudes \theta2 y \theta3 de la figura 5.

La figura 7 representa las curvas de disparo del dispositivo según la figura 5.

La figura 8 ilustra una parte de las curvas de la figura 6 cuando las corrientes de alimentación del motor están perturbadas.

La figura 9 representa una variante de realización de la invención que permite superar los problemas debidos a las perturbaciones ilustradas en la figura 8.

En la figura 1, un motor 1 es alimentado por una red eléctrica trifásica, por medio de un disyuntor 2 en serie con un contactor 3. El dispositivo de protección comporta un disparador 4. Éste realiza diversas funciones de protección contra las sobrecargas y los cortocircuitos y, más concretamente, una función de protección de largo retardo destinada a provocar la abertura del disyuntor cuando la corriente de alimentación del motor medido por unos transformadores de corriente 5 sobrepasa un límite de largo retardo predeterminado durante un periodo predeterminado.

El disparador 4 realiza también la función SDTAM y proporciona una señal A de abertura a un circuito 6 de control del contactor. Una señal de disparo que provoca la abertura del disyuntor 2 sólo se produce si la sobrecarga permanece durante un periodo (\DeltaT1) predeterminado tras la señal A de abertura del contactor. En funcionamiento normal, una sobrecarga provoca por lo tanto la abertura del contactor. Si éste se abre, la sobrecarga desaparece y el disparador no provoca la abertura del disyuntor 2. El contactor puede entonces cerrarse, ya sea manualmente o automáticamente para un intento de rearranque del motor.

En los dispositivos conocidos, el disparador 4 utiliza, para realizar la función SDTAM, una curva de disparo C1 (figura 2) obtenida mediante un simple decalaje de la curva de disparo C2 inicial de la función de largo retardo. La figura 3 representa un disparador conocido que comporta la función SDTAM. El disparador comporta un circuito de tratamiento 7 conectado a los transformadores de corriente 5 y que comporta una primera salida conectada a un relé 8 que provoca la abertura del disyuntor 2 cuando se le aplica una señal D de disparo. El circuito de tratamiento 7 comporta una segunda salida conectada al circuito 6 de control del contactor y que provoca la abertura del contactor cuando se produce una señal A1 de abertura del contactor.

El circuito de tratamiento comporta un circuito 9 que realiza una función térmica y que produce una magnitud \theta1. La magnitud \theta1 es comparada con un límite de largo retardo S_{LR}, correspondiente preferentemente a (1, 125lr)^{2}, por un comparador 10. Éste proporciona a la salida la señal A1 de abertura del contactor cuando \theta1 sobrepasa el límite S_{LR}. La salida del comparador 10 está conectada a la entrada de un contador 11 que introduce una temporización igual al periodo \DeltaT1 entre su entrada y su salida. La salida del comparador 10 también está conectada a una entrada (RAZ) de puesta a cero del contador 11. Cuando \theta1 sobrepasa el límite S_{LR}, se produce una señal A1 no nula que provoca la abertura del contactor 3 y el inicio del recuento por parte del contador 11. La abertura del contactor 3 hace que vuelva a cero la magnitud \theta1 y, en consecuencia, la señal A1. El frente de descenso de A1 pone a cero al contador 11 de forma que no se produce ninguna señal D. Si el contactor no se abre, por ejemplo por pegado o cortocircuito de sus contactos o debido a un defecto en su circuito de control o de un fallo en el enlace entre el disparador 4 y el circuito de control 6 o en el enlace entre el circuito de control 6 y el contactor 3, el recuento continúa si la sobrecarga permanece y se produce una señal D de disparo tras el periodo \DeltaT1.

En los disparadores conocidos, las funciones de los circuitos 9 y 10 pueden realizarse mediante un elemento bimetálico atravesado por una corriente que representa la corriente de alimentación del motor. El circuito 9 puede eventualmente estar constituido por un elemento térmico.

Tal y como se representa en la figura 2, en el dispositivo conocido según la figura 3, la curva C1 obtenida por medio de un elemento bimetálico es del mismo tipo que la curva de disparo inicial C2 del disparador. Siendo lr la corriente de reglaje del disparador, este tipo de curva representa, en coordenadas logarítmicas, las variaciones del tiempo en función de la corriente. Por debajo de un límite de disparo predeterminado, convencionalmente comprendido entre 1,05 lr y 1,2 lr, preferentemente igual a 1,125 lr, se considera que no hay sobrecarga. Las normas actuales preconizan además un tiempo de disparo máximo predeterminado para un valor predeterminado de la corriente igual a 7,2 lr. En la figura 2, el decalaje según el eje de los tiempos entre las curvas C1 y C2 es tal que las curvas están separadas por \lambdan\DeltaT1 para un valor de la corriente de 7,2 lr. Siendo paralelas las curvas C1 y C2 en coordenadas logarítmicas, para un valor determinado de la corriente, sus instantes de disparo sólo están separados de hecho por el periodo DT1 para 7,2 lr. La curva C3 representa la curva de disparo real obtenida a la salida del contador 11 cuando el circuito de cálculo 9 utiliza la curva C1.

La curva C1 puede estar representada por una ecuación de la forma:

(1)t_{dl} = \tau ln\left(\frac{1}{1 - \frac{S_{LR}}{l^{2}}}\right)

en la que \tau1 es una constante de tiempo predeterminada y t_{d1} representa el tiempo de disparo de la función SDTAM.

La curva C3 se obtiene entonces mediante:

(2)t_{d2} = t_{dl} + \Delta T1

donde t_{d2} representa el tiempo de disparo de la función de largo retardo realmente realizada. La señal SDTAM se presenta de forma sistemática \DeltaT1 = 0,5 s antes de la orden de disparo asociada.

Sin embargo, la ecuación (2) puede escribirse:

(3)t_{d2} = \tau 1\left(\ell n \frac{1}{1 - \frac{S_{LR}}{l^{2}}} \right) + \Delta T1

Este tipo de función no puede representar el modelo térmico del motor debido a la presencia de la constante \DeltaT1.

Así, como se deduce también de la figura 2, la curva C3 es distinta de la curva C2 inicialmente prevista, que es del tipo:

(4)t_{d2} = \tau 2\ell n\left(\frac{1}{1 - \frac{S_{LR}}{l^{2}}}\right)

con \tau2\neq\tau1

Esta modificación introducida por la función SDATM no es deseable y el objeto de la invención es evitar este inconveniente.

La figura 4 ilustra un modo de realización particular del circuito de tratamiento de un disparador de largo retardo en relación con el que se describirá posteriormente la invención. El modo de realización particular de la figura 4 se describió en la solicitud de patente francesa nº 9616152 de la solicitante, presentada el 23/12/1996, que está incorporada como referencia en la presente solicitud. Éste comporta un circuito 12 de toma de muestras y de elevación al cuadrado que recibe las señales de corriente de los transformadores de medida 5. Los cuadrados l_{k}{}^{2} de las muestras de corriente se aplican a la entrada de un filtro numérico 13 de respuesta finita al impulso, o filtro FIR. Las señales de salida del filtro FIR 13 representan el cuadrado leff^{2} del valor eficaz de la corriente de alimentación del motor. Un filtro numérico 14 de respuesta infinita al impulso, o filtro IIR, está conectado en serie con el filtro FIR. El filtro IIR 14 recibe a la entrada las señales leff^{2} y proporciona a la salida una magnitud \theta2 que representa el estado térmico del motor. Esta magnitud \theta2 es comparada con el límite S_{LR} por el comparador 10 que proporciona una señal de disparo D1 cuando \theta2 es superior o igual al límite S_{LR}.

Según la invención, la función SDTAM se agrega sin modificar la determinación de la magnitud \theta2 y, en consecuencia, la producción de la señal de disparo D1, conforme a una curva de disparo predeterminada C2. En la figura 5 sólo se han representado las partes necesarias para la comprensión.

En el modo de realización de la figura 5, el cuadrado leff^{2} del valor eficaz de la corriente se aplica, como antes, a la entrada del filtro IIR 14 y la magnitud \theta2 de salida del filtro 14 es comparada por el comparador 10 con el límite S_{LR} para proporcionar una señal de disparo conforme a la curva C2 de disparo. El disparador comporta, además, un circuito 15 de cálculo de una magnitud \theta3. El circuito 15 recibe a la entrada las señales leff^{2} y \theta2. La magnitud \theta3 es comparada seguidamente con el límite S_{LR} por un comparador 16 que proporciona una señal A2 de control de abertura del contactor.

En el modo particular de realización representado, la magnitud \theta2, función del tiempo y de la corriente, se obtiene conforme a una ecuación de la forma:

(5)\theta 2 = leff^{2}(1 - e^{-t/\tau})

en la que t representa el tiempo y \theta una constante de tiempo predeterminada que representa la función de protección correspondiente a la curva de disparo C2 de las figuras 2 y 7. La curva C2 responde a la ecuación (4) anterior, con \tau=\tau2. Las variaciones de \theta2 en función del tiempo para una corriente leff predeterminada se ilustran en la
figura 6.

La magnitud \theta3 se calcula de forma que corresponda en cada instante a una señal anticipada a \DeltaT1 con respecto a \theta2, es decir, que responda a una ecuación de la forma:

(6)\theta 3 = leff^{2} (1 - e^{-(t+\Delta T1)/\tau)})

La curva que representa las variaciones de \theta3 en función del tiempo t para una corriente eficaz leff predeterminada se ilustra en la figura 6. La ecuación (6) puede escribirse con la forma:

(7)\theta 3 = leff^{2} - (leff^{2} - \theta 2)e^{-(\Delta T1/\tau)}

siendo \DeltaT1 y \tau constantes predeterminadas, pudiendo efectuarse el cálculo de \theta3 muy rápidamente a partir de los valores de leff^{2} y \theta2, que ya están disponibles, eliminando la variable tiempo. Hay que tener en cuenta que en el dispositivo conocido (fig. 3), la utilización del circuito 9 no permitía disponer del valor eficacia de la corriente.

Como norma general, \DeltaT1 = 0,5 s y \tau es muy elevado, del orden de 100 a 200 s, frente a \DeltaT1. El coeficiente e^{-}^{\Delta T1/}^{\tau} es por lo tanto muy reducido y puede asimilarse a 1-\DeltaT1/\tau. La ecuación (7) puede en ese caso simplificarse y reemplazarse por una ecuación de la forma:

(8)\theta 3 = \theta 2 + \Delta T1(leff^{2} - \theta 2)/\tau

Las curvas de disparo C2 y C4 respectivamente obtenidas con las señales D1 y A2 de la figura 5 se representan en la figura 7. La curva de disparo C2 es la curva deseada y, tal y como se representa en la figura 6, la señal \theta3 sigue produciéndose antes de \DeltaT1 con respecto a la señal \theta3, de forma que la señal A2 alcanza el límite S_{LR} con una anticipación de \DeltaT1 con respecto a D1, sea cual sea el valor de la corriente.

En un modo de realización preferente, el disparador es un disparador de corriente limpia, es decir, alimentado por los captadores de corriente. En tal caso, la interrupción de la corriente por abertura del contactor 3 provoca la interrupción de la alimentación del disparador y, automáticamente, la puesta a cero de la señal D1.

Si la corriente de alimentación del motor se ve perturbada, puede haber una oscilación de la señal \theta3, principalmente en la zona de la curva de disparo cercana al límite de disparo S_{LR}, en la que el tiempo de disparo es muy elevado. Este tipo de oscilaciones cuando \theta3 alcanza el límite de disparo alteran el periodo que separa a las señales A2 y D1. Esta alteración está ilustrada en la figura 8, en la que la curva \theta3 oscila alrededor de la curva teórica \theta4 que debería tomar conforme a la figura 6. Así, si un periodo DT1 separa efectivamente los instantes t1, en el que \theta2 alcanza el límite S_{LR}, y t2, en el que \theta4 debería haberlo alcanzado, la curva \theta3 alcanza en realidad este límite en un instante t3, que en la figura está situado antes de t2. El periodo \DeltaT2 que separa la emisión de la señal A2, en t3, de la emisión eventual de la señal de disparo D2, en t1, es entonces superior al periodo \DeltaT1 deseado.

Según el modo de realización preferente de la invención representado en la figura 9, un contador 17 está conectado a la salida del comparador 16 de la figura 5. El contador 17 introduce la temporización \DeltaT1 y produce en respuesta a una señal A2 una señal D2 tras la temporización \DeltaT1. Las señales D1 y D2 se aplican a unas entradas respectivas de un circuito lógico OU 18, cuya salida proporciona la señal de disparo D aplicada al relé 8 y abertura del disyuntor 2.

Así, si las señales de corriente no se ven perturbadas, la señal de disparo D corresponde a la señal D1 que corresponde exactamente a la curva de disparo C2 predeterminada deseada. Por el contrario, en la zona de la curva de disparo que está cerca del límite de disparo, una perturbación eventual de las corrientes provoca una alteración de la curva de disparo C2 para asegurar el mantenimiento del periodo \DeltaT1 entre las señales A2 y D.

Como antes, las señales D1, D2 y D sólo se producen en realidad si la señal A2 no provoca la abertura del contactor y la interrupción de la alimentación del motor. En caso contrario, esta interrupción provoca la interrupción de la alimentación, de corriente limpia, del disparador y, en particular, del contador 17 y del circuito OU 18.

En determinadas aplicaciones, la señal A2 puede utilizarse para proporcionar una alarma o para indicar que el defecto es un defecto de tipo térmico, es decir, debido a una sobrecarga.

Un microprocesador puede realizar, en su totalidad o en parte, las funciones de los filtros 13 y 14, de los circuitos de elevación al cuadrado, de cálculo (15) y de los comparadores (10, 16).

Claims (8)

1. Dispositivo de protección de un motor (1) alimentado por una red eléctrica por medio de un disyuntor (2) en serie con un contactor (3), dispositivo que comporta unos medios (5) de medida de la corriente de alimentación del motor, un disparador (4) conectado a los medios de medida y que comporta unos primeros medios para producir, en caso de sobrecarga, una señal (A, A1, A2) de abertura del contactor (3) y unos segundos medios para producir seguidamente, si la sobrecarga permanece durante un periodo predeterminado (\DeltaT1) tras la señal de abertura del contactor, una señal (D, D1) de disparo para la abertura del disyuntor, dispositivo caracterizado porque los segundos medios comportan unos medios (12, 13) de determinación de una primera magnitud (leff^{2}) que representa el cuadrado de la corriente medida, unos primeros medios de tratamiento (14) conectados a los medios de determinación (12, 13) para determinar una segunda magnitud (\theta2) que representa el estado térmico del motor (1) y unos primeros medios (10) de comparación para comparar la segunda magnitud (\theta2) con un límite de disparo (S_{LR}) predeterminado, de forma que se realiza una función de protección tiempo / corriente (C2) predeterminada, comportando los primeros medios unos segundos medios de tratamiento (15) conectados a la salida de los medios de determinación de la primera magnitud (leff^{2}) y a la salida de los primeros medios de tratamiento (14), para determinar una tercera magnitud (\theta3), y unos segundos medios (16) de comparación para comparar la tercera magnitud (\theta3) con el límite de disparo (S_{LR}) y proporcionar la señal (A2) de abertura del contactor cuando la tercera magnitud (\theta3) alcanza o sobrepasa dicho límite.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque los primeros medios de tratamiento (14) determinan la segunda magnitud (\theta2) conforme a una primera ecuación de la forma:

\theta 2 = leff^{2}(1 - e^{-t/\tau})

en la que leff^{2} constituye la primera magnitud, que representa el cuadrado del valor eficaz de la corriente medida, t el tiempo y \tau una constante de tiempo predeterminado que representa la función de protección (C2).

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque los segundos medios de tratamiento (15) determinan la tercera magnitud (\theta3) conforme a una segunda ecuación de la forma:

\theta 3 = leff^{2} - (leff^{2} - \theta 2)e^{-AT1/\tau}

en la que \DeltaT1 es dicho periodo predeterminado que separa una señal (A, A1, A2) de abertura del contactor de una eventual señal de disparo (D) asociada.

4. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque, siendo la constante de tiempo \tau elevada, los segundos medios de tratamiento (15) determinan la tercera magnitud (\theta3) conforme a una tercera ecuación de la forma:

\theta 3 = \theta 2 + \Delta T1(leff^{2} - \theta 2)/\tau

en la que \DeltaT1 es dicho periodo predeterminado que separa una señal (A, A1, A2) de abertura del contactor de una eventual señal de disparo (D) asociada.

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de determinación de la primera magnitud comportan unos medios (12) de toma de muestras y de elevación al cuadrado de las señales de corriente proporcionadas por los medios (5) de medida de la corriente, y un filtro de respuesta finita al impulso (13).

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque los primeros medios de tratamiento (14) comportan un filtro de respuesta infinita al impulso.

7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comporta unos medios de temporización (17) conectados a la salida de los segundos medios (16) de comparación y un circuito OU (18) que comporta una primera entrada conectada a la salida de los primeros medios (10) de comparación y una segunda entrada conectada a la salida de los medios de temporización (17), proporcionándose la señal de disparo (D) a la salida del circuito OU (18).

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de temporización (17) están constituidos por un contador.