CH658553A5

CH658553A5 - Verfahren zur bestimmung der wicklungs-temperatur eines asynchronmotors.

Info

Publication number: CH658553A5
Application number: CH2011/81A
Authority: CH
Inventors: Anders Per Philip Comstedt; Bo Ake Elfner
Original assignee: Elfi Innovationer
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1986-11-14
Also published as: SE433777B; FI810905L; IT8120738A0; SE8002309L; GB2075291A; DE3111818A1; GB2075291B; NO811005L; IT1136961B; FR2483611A1; JPS5716525A; FR2483611B1; US4413325A; DK137681A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Überwachung, so dass der Motor gegen Überlastung geschützt werden kann.

Die Asynchronmotoren sind zur Zeit die billigsten und strapazierfähigsten Elektromotoren. Mit zunehmender Temperatur in den Wicklungen nimmt jedoch die Lebensdauer der Isolierung in den Wickeln ab, d.h. die Isolierung wird bei höherer Temperatur schneller zerstört. Um eine gewünschte Lebensdauer sicherzustellen, muss deshalb die Wicklungstemperatur überwacht werden, damit sie nicht auf unannehmbare Werte steigen kann.

Es gibt mehrere verschiedene Methoden zur Bestimmung der Wicklungstemperatur des Motors. Die üblichste Methode besteht darin, dass man das Zeitintegral des Unterschieds zwischen Verlustleistung und weggekühlter Leistung berechnet, d.h. das Integral jKi (I2-K2AT)dt, wo angenommen ist, dass die Verlustleistung zum Quadrat des Motorstromwerts I proportional ist, und dass die weggekühlte Leistung zum Unterschied AT zwischen der Temperatur der Motorwicklung und der Umgebungstemperatur proportional ist. Der Wert des Zeitintegrals wird üblicherweise mit Hilfe von Bimetallrelais ermittelt, wo das Bimetall vom Motorstrom erwärmt und von der Umgebungsluft gekühlt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in den unvermeidlichen Unterschieden zwischen dem Motor und den Bimetallrelais bezüglich der Erwärmungs- und Ab-kühlungs-Zeitkonstanten und der Umgebungstemperatur.

Durch Verwendung einer elektronischen Einrichtung, die auf die oben beschriebenen Grundsätze baut, kann man zwar eine bessere Übereinstimmung mit den Parametern des Motors erzielen, aber man muss auch in diesem Falle Annahmen bezüglich beispielsweise der Umgebungstemperatur und des Abkühltaktes machen.

Will man eine genauere Bestimmung der Motortemperatur machen können, so bleibt gegenwärtig nichts anderes übrig, als in den Motor selbst irgendein Thermometer einzubauen. Beispielsweise kann man in der Wicklung Thermistoren anbringen und an ein aussenseitiges Gerät anschliessen, das die Temperatur auf Grundlage der Resistanzveränderungen des Thermistors berechnet. Dieses Verfahren gibt zwar einen richtigen Wert der Motortemperatur, verlangt aber ein separates Kabel zum aus-senseitigen Auswertgerät. Mangelnde Standardisierung von Thermistoren und Anschlussmethoden und auch der Umstand, dass man bei der Herstellung des Motors gezwungen ist, einen Thermistor zu wählen, sind weitere Nachteile.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die keine zusätzlichen Kabel zum Motor benötigen und dennoch ein wahres Bild von der Temperatur im Motor geben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung nutzt somit das bekannte Verhältnis aus,

dass der Motor durch einen äquivalenten Kreis repräsentiert werden kann, dessen Resistanzen sowohl temperaturabhängig als auch drehzahlabhängig sind. Sind die jeweiligen Werte der Resistanz und der Drehzahl des Motors bekannt, ist es also möglich, die Motortemperatur zu bestimmen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das eine grundsätzliche Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung veranschaulicht,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Fliessbild über die erste Ingangsetzung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung, und

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Fig. 4 ein die Arbeitsweise der Vorrichtung im kontinuierlichen Betrieb veranschaulichendes Fliessbild.

Die in Fig.l gezeigte Vorrichtung umfasst einen ersten Geber 1, der ein mit dem Motorstrom übereinstimmendes Signal abgibt, und einen zweiten Geber 2, der ein mit der Motorspannung übereinstimmendes Signal abgibt. Ein erster Berechnungskreis 3 ist an den Ausgang des Gebers 1 angeschlossen und berechnet die Motordrehzahl auf Grundlage der Oberwellen des Motorstroms, welcher Inhalt vom Schlupf und somit von der Drehzahl abhängig ist. Die Signale der Geber 1 und 2 sind an einer Phasenbestimmungseinheit 8 angelegt, welche ein den Phasenwinkel repräsentierendes Signal abgibt. Ein zweiter Be-Technungskreis 4 ist an die Ausgänge der Geber 1 und 2 sowie an den Ausgang des Berechnungskreises 3 und der Einheit 8 zur Berechnung des jeweiligen Werts der Motorresistanz auf Grundlage der Eingangssignale von diesen Einheiten angeschlossen. In einem dem Berechnungskreis 4 nachgeschalteten Komparator 5 werden die im Berechnungskreis 4 erfassten Werte mit Referenzwerten verglichen, die von einem Speicher 6 erhalten werden. Falls die berechneten Istwerte die Referenzwerte überschreiten, wird ein Alarmkreis 7 aktiviert.

Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt und umfasst dieselben Geber 1 und 2 wie die Vorrichtung gemäss Fig. 1, und auch eine Berechnungseinheit 3 zur Ermittlung des repräsentierten Werts des Nachlaufs s.

Ferner umfasst die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung die Phasenbestimmungseinheit 8, die die Ausgangssignale von den Gebern 1 und 2 empfängt und einen Wert abgibt, der der Phasenverschiebung zwischen dem Motorstrom und der Motorspannung entspricht. Die Ausgänge der Einheiten 1, 2, 3 und 8 sind an Eingänge zu einem Multiplexer 9 mit mehreren weiteren Eingängen angeschlossen, die an Einsteilglieder 10-13 in Form von Potentiometern zur manuellen Einstellung von Werten der Nenndrehzahl N„ des Motors, des Nennstroms I„ des Motors, des Verhältnisses Startmoment/Nennmoment Ms/Mn sowie der Starttemperatur Tstart und der Motorresistanz bei 20°C R20 angeschlossen sind. Der Ausgang des Multiplexers 9 ist über einen Analog-Digitalwandler 14 an den Eingang einer Berechnungseinheit 15 angeschlossen, die einen Mikroprozessor umfasst. Die Berechnungseinheit 15 hat als Ausgangskreis einen Alarmkreis 7, wie die Vorrichtung gemäss Fig. 1.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung kann in zwei Verläufe aufgeteilt werden, und zwar einen Ingangsetzungsverlauf und einen normalen Betriebsverlauf.

Ein Fliessbild über den Ingangsetzungsverlauf ist in Fig. 3 gezeigt. Wie ersichtlich, erfolgt ein Übergang vom eigentlichen Startblock A zu einem Einleitungsblock B. Letzterer dient nur dazu, die Berechnungseinheit 15 vorzubereiten, indem gewissen Zellen die zur Durchführung der nachfolgenden Programme erforderlichen Werte erteilt werden. Die Blöcke B-I stellen das eigentlicher Einleitungsprogramm dar. Als erste Massnahme werden in Block C die Werte der Nenndrehzahl Nn, des Nennstroms In, des Startmoments/Nennmoments Ms/Mn und der Umgebungstemperatur Tstart eingestellt. Ferner wird mittels eines Schalters markiert, dass es sich um einen ersten Start handelt. Die eingestellten Werte werden über den analogen Multiplexer 9 und den Analog-Digitalwandler 14 an die Berechnungseinheit 15 angeschlossen, wo sie in geeigneten Speicherzellen gespeichert werden. Der Wert Ms/M„ wird zunächst in einen Wert Q umgerechnet, der dem Verhältnis R1/R2 zwischen der Ständerresistanz und der Läuferresistanz entspricht. In einem Entscheidungsblock D wird festgestellt, ob es sich um einen ersten Start handelt. Ist dies der Fall, erfolgt ein Übergang zu einem Block E, wo die Werte von den Gebern 1 und 2 in die Berechnungseinheit 16 eingegeben werden, wie auch die Werte von den Einheiten 3, 8 und 13. Mit diesen Werten kann die Berechnungseinheit die äquivalente Resistanz des Motors bei der Tem-

U 1 + s peratur Tstart als R = • Q • berechnen, wie auch

I -cosij) s die entsprechende Resistanz bei 20°C (R20) gemäss der Formel:

5 R = R20 [1 + a (Tstart - 20)],

wo a = 0,0039.

Mittels des Potentiometers 13 wird nun der Wert der Motorresistanz bei 20°C eingestellt. Dies erfolgt mit Hilfe einer nicht 10 gezeigten lichtemittierenden Diode, welche erlischt, wenn das Potentiometer 13 in die richtige Lage gestellt worden ist. Von dem somit passierten Block F erfolgt ein Übergang zum Block G. Hätte man im Block C den genannten Schalter nicht zur Anzeige eines ersten Starts eingestellt, so hätte der Übergang di-15 rekt über den Block D zum Block G stattgefunden, d.h. es wäre angenommen, das Potentiometer 13 sei auf den Wert der Motorresistanz bei 20°C eingestellt. Im Block G erfolgt eine Berechnung von Ausgangskoeffizienten für das eingangs erwähnte Integral, das genauer gesagt in diesem Falle durch Digitalisierung die Form einer Summe

E Ki (I2-K2AT)At hat, wo Ki und K2 von den thermischen Eigenschaften des Motors, dessen Masse, Material und Kühlung abhängig sind. Mo-25 derne Asynchronmotoren weisen bezüglich dieser Einheiten ein gleichartiges Bild auf, und der entscheidendste Faktor ist die Gesamtgrösse des Motors. Ein brauchbares Mass dieser Grösse ist der Nennstrom des Motors, von dem bereits ein Wert in die Berechnungseinheit 15 eingegeben ist. Mit Hilfe dieses Wertes 30 werden ein Wert der Konstante Ki und zwei Werte der Konstante K2 ermittelt, d.h. ein Wert für den laufenden Motor und ein Wert für den stillstehenden Motor, da die Kühlung in den beiden Fällen unterschiedlich ist.

Nach dem Übergang zur Stufe H erfolgt eine Eingabe des 35 Werts von R20 vom Potentiometer 13 über den Multiplexer 9 und den Analog-Digitalwandler 14 zur Berechnungseinheit 15. Dieser Wert wird in einer geeigneten Speicherzelle in der Berechnungseinheit 15 gespeichert, wonach der Einleitungsverlauf beendet ist.

40 Die Berechnungseinheit 15 geht dann zum eigentlichen Betriebsprogramm über, dessen Fliessbild in Fig. 4 gezeigt ist. In einem ersten Block K des Betriegsprogramms erfolgt eine Eingabe von Daten in derselben Weise wie oben im Zusammenhang mit dem Block E beschrieben ist. Die Reihenfolge ist je-45 doch eine andere, indem die Werte des Nachlaufs s sowohl als erster und als letzter Wert zum Vergleich miteinander aufgenommen werden.

In einem Block L wird die Teilsumme Ki (I2-Ki • AT) berechnet und zu der bereits erfassten, die Temperatur der Motor-50 wicklung repräsentierenden Summe £ Ki (I2-K2AT)At addiert.

Damit der auf Grundlage der Motorresistanz ermittelte Wicklungstemperaturwert auch sinnvoll wird, muss der Nachlaufwert s auch wirklich der richtige sein, und ausserdem müssen die Betriebsbedingungen während der kurzen Zeit, in der 55 die Dateneingabe erfolgt, statisch gewesen sein, d.h. der Nachlauf s muss vor und nach der Dateneingabe derselbe sein. Eine weitere Voraussetzung für die Richtigkeit des eingegebenen Werts des Nachlaufs s ist, dass der Motorstrom den Nennstrom um nicht mehr als etwa 50% übersteigt. Im Block M wird kon-60 trolliert, ob diese beiden Bedingungen erfüllt sind. Sind sie dies, erfolgt ein Übergang zu einem Block N, in dem dieselbe Resistanzberechnung wie im obengenannten Block E erfolgt. Um die Einwirkung evtl. falscher Werte und auch von Abrundungs-fehlern zu reduzieren, wird eine Mittelwertberechnung gemäss 65 der Formel

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vorgenommen, wo R den zuletzt errechneten Resistanzwert darstellt. Der Wert Rn wird dann in einen Temperatur wert in derselben Weise wie im obengenannten Block E umgewandelt.

In einem Block O wird der im Block N berechnete Temperaturwert mit dem im Block L durch Summieren erfassten Wert verglichen. Der durch das Summieren erfasste Wert wird aktualisiert, so dass er dem durch die Resistanzbestimmung erfassten Wert gleich ist. Auch der «Abkühlungskoeffizient» K2 kann aktualisiert werden. Dann erfolgt ein Übergang zu einem Entscheidungsblock R.

Falls die im Block M geprüften Bedingungen nicht erfüllt sind, erfolgt ein Übergang zum Block R direkt über einen Block P, welcher eine Verzögerungszeit zur Bewirkung einer konstanten Durchlaufzeit unabhängig vom Ausfall der Entscheidung im Block M einführt.

Im Block R wird der jeweilige Temperatur wert mit einer Alarmtemperatur TAiarm verglichen. Falls der jeweilige Temperaturwert die Alarmtemperatur nicht übersteigt, wird der Alarmkreis 7 nicht aktiviert. TAiarm wird auf z.B. 140°C gesetzt,

und während der darauffolgenden Ausführung wird der dem laufenden Motor entsprechende Wert von K2 benutzt. Ist die jeweilige Temperatur höher als die Alarmtemperatur, erfolgt ein Übergang vom Block R zu einem Block T, in dem der Alarm-5 kreis 7 aktiviert wird, TAiarm auf z.B. 100°C gesetzt wird und der dem stillstehenden Motor entsprechende Wert von K2 während der darauffolgenden Ausführung benutzt wird. Durch die Aktivierung des Alarmkreises 7 wird der Motor stillgesetzt. Steht der Motor still, wird die Resistanzberechnung nicht zur 10 Ermittlung der Motortemperatur benutzt werden können. Statt dessen wird der durch die Summenberechnung im Block L erhaltene Temperaturwert ausgenutzt. Von den Blöcken S und T erfolgt ein Rückgang zum Block K, wonach das Betriebsprogramm wiederholt wird.

15 Die beschriebene Bestimmung der Wicklungstemperatur des Asynchronmotors erfolgt also durch wiederholte Ermittlung des Werts des obengenannten Integrals oder Summe und durch Aktualisierung des somit erhaltenen Temperaturwerts mittels eines auf eine Bestimmung des jeweiligen Resistanzwerts des Motors 20 gegründeten Wicklungstemperaturwerts.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Überwachung, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Motor aufgedrückte Spannung und der in den Zuleitungen des Motors fliessende Strom abgefühlt werden, um die Amplituden der Spannung und des Stroms repäsentierende Signale sowie ein den Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom repräsentierendes Signal zu ermitteln, dass Oberwellenkomponenten im Motorstrom abgefühlt werden, um ein den Schlupf des Motors und somit dessen Drehzahl repräsentierendes Signal zu ermitteln, dass der jeweilige Wert der Motorresistanz aus den Signalwerten der Spannungsamplitude, der Stromamplitude, des Phas'enwinkels und des Schlupfes berechnet wird, und dass der jeweilige Wicklungstemperaturwert des Motors mit Hilfe des jeweiligen Werts der Motorresistanz und deren Wert bei einem Referenztemperaturwert bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des die jeweilige Motorresistanz repräsentierenden Werts mit vorbestimmten Intervallen wiederholt wird, und dass die dadurch nacheinander berechneten Werte gewichtet werden, um einen zur Ermittlung des Wicklungstemperaturwerts benutzten Wert zu erhalten.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Berechnung eines die jeweilige Motorresistanz repräsentierenden Werts kontrolliert wird, ob die zur Berechnung verwendeten Parameter vorbestimmte Bedingungen erfüllen, und dass — wenn dies nicht der Fall ist — eine parallel auf Grundlage des Unterschieds zwischen Verlustleistung und weggekühlter Leistung ausgeführte Berechnung benutzt wird, um einen Wicklungstemperaturwert zu ermitteln.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des berechneten Resistanzwerts ermittelte Wicklungstemperaturwert zur Aktualisierung desjenigen Wicklungstemperaturwerts benutzt wird, der auf Grundlage des Unterschieds zwischen der Verlustleistung und der weggekühlten Leistung berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel vorgenommene Berechnung benutzt wird, wenn der Motorstrom den Nennstrom um zumindest 50% übersteigt und/oder wenn der Schlupf ausserhalb des Bereichs 0,01-0,1 liegt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Überwachung, gekennzeichnet durch Geber (1, 2) für Motorstrom und Motorspannung, eine an die beiden Geber angeschlossene Kreiseinrichtung (8) zur Erzeugung eines den Phasenunterschied zwischen Motorspannung und Motorstrom repräsentierenden Signals, eine an den Geber (1) für den Motorstrom angeschlossene Kreiseinrichtung (3) zur Erzeugung eines den Schlupf des Motors und somit dessen Drehzahl repräsentierenden Signals aus Oberwellenkomponenten im Motorstrom, und eine an die Geber (1, 2) und die Kreiseinrichtungen (8, 3) angeschlossene Berechnungseinrich-tung (15) zur Ermittlung von erstens einem den jeweiligen Resistanzwert des Motors repräsentierenden Signal mit Hilfe der Signalwerte der Spannungsamplitude, der Stromamplitude, des Phasenwinkels und des Schlupfes und zweitens einem die jeweilige Wicklungstemperatur des Motors repräsentierenden Signal mit Hilfe des jeweiligen Werts der Motorresistanz und deren Wert bei einer Referenztemperatur.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (9) zur sukzessiven Eingabe von Eingangssignalen in die Berechnungseinrichtung (15).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mehrere Potentiometer (10-13) zur Eingabe motorabhängiger Konstanten in die Berechnungseinrichtung (15) über den Multiplexer (9).