DE10053007A1 - Verfahren zur Bestimmung der momentanen Wicklungstemperatur der Statorwicklung eines Drehstrommotors insbesondere eines polumschaltbaren Asynchronmotors - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der momentanen Wicklungstemperatur der Statorwicklung eines Drehstrommotors insbesondere eines polumschaltbaren AsynchronmotorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wicklungstemperatur (TW) der Statorwicklung eines Drehstrommotors, insbesondere eines polumschaltbaren Asynchronmotors. Um für Drehstrommotoren mit einem ungünstigen Verhältnis von Nutz- zur Verlustleistung, die empfindlich auf Temperaturänderungen und Netzspannungsschwankungen reagieren, die Wicklungstemperatur (TW) der Ständerwicklung und damit die elektrische Wärmeverlustleistung (PV) mit geringem Aufwand relativ genau zu bestimmen, wird vorgeschlagen, dass fortlaufend die Referenztemperatur (TG) und der Motorstrom (IM) jeweils gleichzeitig ermittelt werden und daraus jeweils die Wicklungstemperatur berechnet wird, dass die Berechnung der Wicklungstemperatur (TW) dadurch erfolgt, dass schrittweise hintereinander jeweils die Änderung der Wicklungstemperatur (TW) für einen Zeitpunkt (tn) berechnet und zur Wicklungstemperatur (TW) des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts (tn-1) addiert wird, wobei die einem Zeitpunkt (tn) zugeordnete Änderung der Wicklungstemperatur (TW) proportional zu der zu diesem Zeitpunkt (tn) in der Statorwicklung in Wärme umgesetzten elektrischen Wärmeverlustleistung (PV) und zu der Temperaturdifferenz zwischen der Gehäuse-Referenztemperatur (TG) zu diesem Zeitpunkt (tn) und der Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn-1) gesetzt wird, wobei für die Wärmeverlustleistung (PV) ebenfalls die Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn-1) ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen
Wicklungstemperatur der Statorwicklung eines Drehstrommotors, insbesondere eines
polumschaltbaren Asynchronmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 196 14 900 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wicklungstemperatur
von elektrischen Maschinen, insbesondere Asynchronmotoren bekannt. Dabei wird
anhand des Motorstroms und der mittels eines Temperaturfühlers erfassten
Gehäusetemperatur die Wicklungstemperatur errechnet, wozu ein neuronales Netz
eingesetzt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der relativ große Aufwand,
insbesondere um das neuronale Netz anzulernen.
Weiter enthält die DE 196 14 900 A1 Hinweise auf die Berechnung der
Wicklungstemperatur aus der elektrischen Verlustleistung, wobei der Asynchronmotor
als ein System thermisch gekoppelter Körper angesehen wird. Zur Beschreibung des
Temperaturverhaltens der Körper dienen als Parameter die Wärmewiderstände
zwischen den Körpern und die einzelnen Wärmekapazitäten der Körper. Als einzige
Eingangsgröße wird dabei zur Berechnung der Motorstrom verwendet, aus dem sich
die elektrischen Wärmeverluste berechnen lassen, welche die Erwärmung des Motors
bewirken. Eine Erfassung der Gehäusetemperatur ist bei diesen Berechnungen nicht
vorgesehen. Die Berechnungen sind bei diesem Verfahren nachteiligerweise sehr
aufwendig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, für Drehstrommotoren mit einem ungünstigen
Verhältnis von Nutz- zu Verlustleistung, die empfindlich auf auf Temperaturänderungen
und Netzspannungsschwankungen reagieren, ein Verfahren anzugeben, mit dem die
Wicklungstemperatur der Ständerwicklung und damit die Wärmeverlustleistung mit
geringem Aufwand genau bestimmbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gegeben. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2-7 ist das
Verfahren weiterausgestaltet.
Die Lösung sieht vor, dass fortlaufend zu vorgegebenen Zeitpunkten die
Referenztemperatur und der Motorstrom jeweils gleichzeitig ermittelt werden und
daraus jeweils die Wicklungstemperatur berechnet wird. Die Berechnung der
Wicklungstemperatur erfolgt dadurch, dass schrittweise hintereinander jeweils die
Wicklungstemperaturänderung für einen Zeitpunkt berechnet und zur
Wicklungstemperatur des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts addiert wird. Dabei
wird die einem Zeitpunkt zugeordnete Erhöhung der Wicklungstemperatur proportional
zu der zu diesem Zeitpunkt in der Statorwicklung in Wärme umgesetzten elektrischen
Wärmeverlustleistung und die Verringerung proportional zu der Temperaturdifferenz
zwischen der Referenztemperatur zu diesem Zeitpunkt und der Wicklungstemperatur
zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt gesetzt. Als Proportionalitätsfaktor wird bei
der Wärmeverlustleistung der Kehrwert der Wärmekapazität und bei der
Temperaturdifferenz der Kehrwert aus dem Wärmewiderstand multipliziert mit der
Wärmekapazität verwendet. Die Wärmeverlustleistung wird aus dem Quadrat des
Effektivwerts des Motorstroms zu diesem Zeitpunkt multipliziert mit dem
temperaturabhängigen elektrischen Wicklungswiderstand der Statorwicklung
berechnet, allerdings unter Verwendung des Wicklungswiderstands für die
Wicklungstemperatur des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts. Auf diese Weise
erhält man ein iteratives Berechnungsverfahren, bei dem sich die Änderung der
Wicklungstemperatur von einem Zeitpunkt zum nächsten mathematisch sehr einfach
berechnen lässt. Dabei wird jeweils die vorher berechnete Wicklungstemperatur, also
die des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts, als die momentane
Wicklungstemperatur eingesetzt. Mit anderen Worten wird die Wicklungstemperatur in
die Berechnung als momentane Wicklungstemperatur rückgekoppelt. Wird der
zeitliche Abstand der fortlaufend aufeinanderfolgenden Zeitpunkte, zu denen der
Motorstrom und die Referenztemperatur erfasst werden, hinreichend klein gewählt, so
berechnet man mit geringem Aufwand eine Wicklungstemperatur, die mit hoher
Genauigkeit mit der wirklichen Wicklungstemperatur übereinstimmt.
Ausgehend von einem nahezu beliebigen Startwert für die Wicklungstemperatur, erhält
man schon nach wenigen Sekunden die momentane Wicklungstemperatur, wenn eine
zeitliche Periodendauer des Motorstroms eine Vielzahl äquidistanter Zeitpunkte
aufweist.
Das Verfahren arbeitet bereits bei 20 äquidistanten Zeitpunkten pro zeitlicher
Periodendauer des Motorstroms genau.
Auf einfache Art und Weise lässt sich die Polumschaltung des Drehstrommotors
berücksichtigen, indem der Wärmewiderstand zum Zeitpunkt der Umschaltung
ausgetauscht wird.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, als Startwert für die Wicklungstemperatur die
Referenztemperatur zu verwenden, die sich aufgrund der wärmetechnischen Kopplung
von Statorwicklung und Gehäuse nicht allzu sehr unterscheiden.
Im einfachsten Falle wird die Änderung der Wicklungstemperatur mittels folgender
Differenzengleichung berechnet:
Die Genauigkeit des Verfahrens lässt sich weiter verbessern, wenn bei
ausgeschaltetem Drehstrommotor unterschiedliche Werte für den Wärmewiderstand
verwendet werden, da in diesem Fall die Kühlleistung des Motorlüfters fehlt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt, die als
schematische Darstellung die zyklische Berechnung der Wicklungstemperatur zeigt.
Das in der Figur schematisch dargestellte Verfahren wird nachfolgend für die
Wicklungstemperaturbestimmung eines polumschaltbaren Asynchronmotors mit den
Polzahlen 2 und 8 beschrieben, der einen in einem Gehäuse angeordneten Stator mit
Statorwicklung aufweist. Das Gehäuse ist über flächige Metallkontakte mit dem Stator
verbunden, d. h. Stator und Gehäuse stehen in einem guten Wärmekontakt
miteinander, so dass sich die Wärme von der Statorwicklung zum Stator und von dort
zum Gehäuse bewegen kann, das insbesondere Kühlrippen aufweisen kann. Am
Gehäuse oder an einem Gehäuseteil, also an einer leicht zugänglichen Stelle, ist ein
Temperatursensor zur Erfassung einer Referenztemperatur TG an einem Messpunkt
befestigt. Der Drehstrommotor wird weiter mit dreiphasigem Drehstrom als Motorstrom
IM betrieben, der aus den drei Motorströmen IM1, IM2, IM3 der drei Phasen besteht.
Wärmetechnisch weist der Asynchronmotor als Parameter eine zeitkonstante
Wärmekapazität CW und einen von der Statorwicklung über den Stator bis zum
Messpunkt am Gehäuse verlaufenden zeitkonstanten Wärmewiderstand WD auf.
Diese beiden Parameter können in bekannter Weise mittels entsprechender
Messverfahren für jeden Motortyp bestimmt werden. Für jede der beiden Polzahlen 2
und 8 weist der Asynchronmotor jeweils einen unterschiedlich großen
Wärmewiderstand WD2 und WD8 auf.
Eine Abtastelektronik ermöglicht es, zu vorgegebenen äquidistanten Zeitpunkten tn
fortlaufend die Referenztemperatur TG(tn) und den Motorstrom IM(tn) bzw. IM1(tn),
IM2(tn), IM3(tn) im wesentlichen gleichzeitig abzutasten. Selbstverständlich müssen
die Zeitpunkte tn nicht äquidistant beabstandet sein.
Aus den fortlaufenden Werten für den Motorstrom IM(tn) (bzw. IM1(tn), IM2(tn),
IM3(tn)) wird für jeden Zeitpunkt tn ein Effektivwert IMeff(tn) gebildet. Dies erfolgt wie in
der Figur dargestellt, indem für jeden Zeitpunkt tn die Quadrate der drei Motorströme
IM1(tn) . IM1(tn), IM2(tn) . IM2(tn), IM3(tn) . IM3(tn) gebildet und aufsummiert werden.
Anschließend wird jeweils aus den letzten 20 aufsummierten Werten der lineare
Mittelwert berechnet, was IMeff(tn) . IMeff(tn) ergibt, also das Quadrat des Effektivwerts
des Motorstroms IMeff(tn).
Die fortlaufenden Werte für die Referenztemperatur TG(tn) und den Effektivwert des
Motorstroms IMeff(tn) dienen als Eingangsgrößen bzw. unabhängige Variablen für die
Berechnung der Änderung der Wicklungstemperatur (TW(tn) - TW(tn - 1)) mittels der
Differenzengleichung
Dabei wird das Quadrat des Effektivwerts des Motorstroms IMeff(tn) zur Berechnung
der Wärmeverlustleistung PV mit dem temperaturabhängigen elektrischen
Wicklungswiderstand R multipliziert, der proportional zur Wicklungstemperatur TW in
Grad Kelvin ist, d. h. es gilt R = a . TW und damit R = R(tn) = R(TW(tn)) = a . TW(tn). Die
Konstante a ist in bekannter Weise zu ermitteln.
In die Differenzengleichung geht R(TW(tn - 1)) ein, also der Wicklungswiderstand R als
Funktion der Wicklungstemperatur TW zum Zeitpunkt tn - 1, dem unmittelbar
vorhergehende Zeitpunkt von tn.
Mittels der Differenzengleichung wird die Änderung der Wicklungstemperatur für einen
Zeitpunkt tn unter Verwendung der berechneten Wicklungstemperatur TW(tn - 1) des
unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts tn - 1 berechnet und zur Wicklungstemperatur
TW(tn - 1) addiert. Je nachdem, ob die Änderung positiv oder negativ ist, kommt es zu
einer Erhöhung bzw. Verringerung der Wicklungstemperatur TW(tn - 1). Die
Berechnungen erfolgen schrittweise hintereinander, so dass bei der Berechnung
jeweils auf die vorhergehende Wicklungstemperatur TW(tn - 1) zurückgegriffen werden
kann. Dieser Sachverhalt ist in der Figur als Rückkopplung der berechneten
Wicklungstemperatur TW dargestellt.
Die Berechnung gemäß der Differenzengleichung setzt die Änderung der
Wicklungstemperatur TW proportional zur Wärmeverlustleistung PV, die der zum
Zeitpunkt tn pro Zeiteinheit in der Statorwicklung erzeugten Wärme entspricht. Die
damit verbundene Temperaturerhöhung der Statorwicklung wird wiederum durch die
ans Gehäuse abgegebene Wärme verringert, die jeweils proportional zu der
Temperaturdifferenz zwischen der Referenztemperatur TG(tn) und der
Wicklungstemperatur TW(tn) ist.
Eingesetzt wird aber an dieser Stelle in die Differenzengleichung die
Wicklungstemperatur TW(tn - 1) zum unmittelbar vorhergehendem Zeitpunkt tn - 1. Dies
führt trotzdem mit relativ hoher Genauigkeit zur momentanen Wicklungstemperatur
TW(tn).
Ausgehend von einem nahezu beliebigen Startwert für die Wicklungstemperatur
TW(tn - 1) erhält man nach dem Einschalten des Verfahrens schon nach wenigen
Sekunden die momentane Wicklungstemperatur TWVorzugsweise wird allerdings die
Referenztemperatur TG(tn) als Startwert verwendet, da diese sich nicht allzu sehr von
der Wicklungstemperatur TW unterscheidet. Das Verfahren arbeitet bereits bei 20
äquidistanten Zeitpunkten pro zeitlicher Periodendauer des Motorstroms IM sehr
genau. So wird während einer Periodendauer des Motorstroms IM, also innerhalb von
20 Millisekunden, in äquidistanten Zeitabständen von einer Millisekunde die
Berechnung der Wicklungstemperatur TW zyklisch wiederholt, wobei die Berechnung
jeweils innerhalb einer Millisekunde vollständig abgeschlossen ist. Die Berechnung
erfolgt hierbei also in Echtzeit.
Der Wärmewiderstand WD2 wird bei einer Umschaltung der Polzahl von 2 auf 8 in der
Differenzengleichung jeweils durch WD8 ersetzt, und umgekehrt. Analog können auch
die Wärmekapazitäten CW2 und CW8 ausgetauscht werden, die allerdings nur
geringfügig von der Polzahl abhängig sind.
Weiter ist es vorgesehen, dass bei ausgeschaltetem Drehstrommotor unterschiedliche
Werte für den Wärmewiderstand WD verwendet werden, um die fehlende Kühlleistung
des motorbetriebenen Lüfters zu berücksichtigen.
Alle Berechnungen erfolgen in einer Recheneinheit RE, beispielsweise einem
Mikroprozessor.
CW Wärmekapazität
IM (IM1, IM2, IM3) Augenblickswert Motorstrom (3 Phasen)
IMeff Effektivwert des Motorstroms
PV Wärmeverlustleistung
R Wicklungswiderstand
RE Recheneinheit
TG Referenztemperatur
tn Zeitpunkt der Abtastung
tn - 1 vorhergehender Zeitpunkt
TW Wicklungstemperatur
WD Wärmewiderstand
IM (IM1, IM2, IM3) Augenblickswert Motorstrom (3 Phasen)
IMeff Effektivwert des Motorstroms
PV Wärmeverlustleistung
R Wicklungswiderstand
RE Recheneinheit
TG Referenztemperatur
tn Zeitpunkt der Abtastung
tn - 1 vorhergehender Zeitpunkt
TW Wicklungstemperatur
WD Wärmewiderstand
Claims (7)
1. Verfahren zur Bestimmung der momentanen Wicklungstemperatur der
Statorwicklung eines Drehstrommotors, insbesondere eines polumschaltbaren
Asynchronmotors,
anhand des Motorstroms und der an einem Messpunkt des Drehstrommotors
vorhandenen Referenztemperatur, unter Verwendung der Wärmekapazität der
Statorwicklung und des Wärmewiderstands zwischen der Statorwicklung und
dem Messpunkt, der sich am Stator oder an einem mit dem Stator im
Wärmekontakt stehenden Gehäuseteil bzw. Gehäuse befindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass fortlaufend zu vorgegebenen Zeitpunkten (tn) die Referenztemperatur (TG) und der Motorstrom (IM) jeweils gleichzeitig ermittelt werden und daraus jeweils die Wicklungstemperatur (TW) berechnet wird,
dass die Berechnung der Wicklungstemperatur (TW) dadurch erfolgt, dass schrittweise hintereinander jeweils die Änderung der Wicklungstemperatur (TW) für einen Zeitpunkt (tn) berechnet und zur Wicklungstemperatur (TW) des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts (tn - 1) addiert wird,
wobei die einem Zeitpunkt (tn) zugeordnete Änderung proportional zu der zu diesem Zeitpunkt (tn) in der Statorwicklung in Wärme umgesetzten elektrischen Wärmeverlustleistung (PV) und zu der Temperaturdifferenz zwischen der Referenztemperatur (TG) zu diesem Zeitpunkt (tn) und der Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn - 1) gesetzt wird,
wobei als Proportionalitätsfaktor bei der Wärmeverlustleistung (PV) der Kehrwert der Wärmekapazität (CW) und bei der Temperaturdifferenz der Kehrwert aus dem Wärmewiderstand (WD) multipliziert mit der Wärmekapazität (CW) verwendet wird und
wobei die Wärmeverlustleistung (PV) aus dem Quadrat des Effektivwerts (IMeff) des Motorstroms (IM) zu diesem Zeitpunkt (tn) multipliziert mit dem temperaturabhängigen elektrischen Wicklungswiderstand (R) der Statorwicklung berechnet wird, unter Verwendung des Wicklungswiderstands (R) für die Wicklungstemperatur (TW) des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts (tn - 1).
dass fortlaufend zu vorgegebenen Zeitpunkten (tn) die Referenztemperatur (TG) und der Motorstrom (IM) jeweils gleichzeitig ermittelt werden und daraus jeweils die Wicklungstemperatur (TW) berechnet wird,
dass die Berechnung der Wicklungstemperatur (TW) dadurch erfolgt, dass schrittweise hintereinander jeweils die Änderung der Wicklungstemperatur (TW) für einen Zeitpunkt (tn) berechnet und zur Wicklungstemperatur (TW) des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts (tn - 1) addiert wird,
wobei die einem Zeitpunkt (tn) zugeordnete Änderung proportional zu der zu diesem Zeitpunkt (tn) in der Statorwicklung in Wärme umgesetzten elektrischen Wärmeverlustleistung (PV) und zu der Temperaturdifferenz zwischen der Referenztemperatur (TG) zu diesem Zeitpunkt (tn) und der Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn - 1) gesetzt wird,
wobei als Proportionalitätsfaktor bei der Wärmeverlustleistung (PV) der Kehrwert der Wärmekapazität (CW) und bei der Temperaturdifferenz der Kehrwert aus dem Wärmewiderstand (WD) multipliziert mit der Wärmekapazität (CW) verwendet wird und
wobei die Wärmeverlustleistung (PV) aus dem Quadrat des Effektivwerts (IMeff) des Motorstroms (IM) zu diesem Zeitpunkt (tn) multipliziert mit dem temperaturabhängigen elektrischen Wicklungswiderstand (R) der Statorwicklung berechnet wird, unter Verwendung des Wicklungswiderstands (R) für die Wicklungstemperatur (TW) des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts (tn - 1).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zeitlichen Periodendauer des Motorstroms (IM) eine Vielzahl
äquidistanter Zeitpunkte (tn) aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Periodendauer mindestens zwanzig äquidistante Zeitpunkte (tn)
aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Polumschaltung des Drehstrommotors dadurch berücksichtigt wird,
dass der Wärmewiderstand (WD) ausgetauscht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der ersten Berechnung der Wicklungstemperatur (TW) die
Referenztemperatur (TG) als Startwert für die Wicklungstemperatur (TW)
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Änderung durch Lösung der Differenzengleichung
berechnet wird, in die als Wicklungstemperatur (TW) jeweils die Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn - 1) eingesetzt ist.
berechnet wird, in die als Wicklungstemperatur (TW) jeweils die Wicklungstemperatur (TW) zum unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkt (tn - 1) eingesetzt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei ausgeschaltetem Drehstrommotor unterschiedliche Werte für den
Wärmewiderstand (WD) verwendet werden.
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10053007A1 true DE10053007A1 (de) | 2001-05-31 |
Family
ID=26055353
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Owner name: DEMAG CRANES & COMPONENTS GMBH, 58300 WETTER, DE |
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