DE102007030633A1 - Method for protecting stator winding and rotor winding or rotor cage of electrical machines against undue heating, involves electronically identifying time characteristics of temperature in stator winding and rotor winding and rotor cage - Google Patents
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Abstract
Description
Zum Schutz von elektrischen Maschinen vor unzulässiger Erwärmung werden bisher vor allem Motorschutzschalter, die den Strom überwachen oder Sensoren in den Wicklungen zur direkten Temperaturüberwachung eingesetzt. Beide Methoden haben Grenzen bzw. Nachteile. Diese werden im Folgenden am Beispiel von Käfigläufermotoren dargestellt.To the Protection of electrical machines against inadmissible heating So far, especially motor protection switches that monitor the power or Sensors in the windings for direct temperature monitoring used. Both methods have limitations or disadvantages. These will in the following example squirrel cage motors shown.
Mit Motorschutzschaltern oder Motorschutzrelais [1] wird die Temperatur nur indirekt über den zulässigen Motorstrom überwacht. Auch bei genauer Einstellung des zulässigen Motorstromes kann es bei geringer Überlast zu einer dauernden unzulässigen Wicklungserwärmung und dadurch zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer der Isolierung kommen. Eine Temperaturerhöhung infolge einer verminderten Kühlung wird von einem Motorschutzschalter ebenfalls nicht erkannt. Weitere Probleme treten bei wechselnder Belastung auf, also wenn die Betriebsart vom Dauerbetrieb S1 abweicht, oder wenn ein Motor an einem Frequenzumrichter betrieben werden soll.With Motor-protective circuit-breakers or motor protection relays [1] becomes the temperature only indirectly monitored via the permissible motor current. Even with exact setting of the permissible motor current it can lead to a permanent inadmissible winding heating at low overload and thereby to a drastic shortening of the service life the insulation come. A temperature increase due A reduced cooling is provided by a motor protection switch also not recognized. Other problems occur with changing Load, ie if the operating mode deviates from continuous operation S1, or when a motor is operated on a frequency converter should.
Der thermische Motorschutz (TMS) durch direkte Temperaturüberwachung mit in die Ständerwicklung des Motors eingebauten Sensoren, wie z. B. Kaltleitern oder Widerstandsthermometern PT 100, vermeidet man die Nachteile des Motorschutzschalters. Die Ständerwicklung kann durch TMS zuverlässig gegen unzulässige Erwärmung geschützt werden. Dies gilt z. B. auch bei Betrieb am Netz mit blockiertem Läufer.Of the Thermal motor protection (TMS) by direct temperature monitoring with sensors built into the stator winding of the motor, such as As PTC thermistors or resistance thermometers PT 100 avoids one the disadvantages of the motor protection switch. The stator winding can be reliably protected against undue heating by TMS to be protected. This applies z. B. also when operating on the grid with blocked runner.
Bei kleinen Motoren (bis ca. Baugröße 250) kann man mit TMS auch den Läuferkäfig in jedem Betriebszustand vor unzulässiger Erwärmung schützen [2]. Bei größeren Motoren ist dies nicht mehr möglich, da sich z. B. bei Netzbetrieb mit blockiertem Läufer der Läuferkäfig schneller auf unzulässige Temperatur erwärmt als die Ständerwicklung.at small motors (up to approx. size 250) you can with TMS also the rotor cage in every operating condition protect against excessive heating [2]. For larger engines, this is no longer possible, because z. B. in network operation with blocked runners of Runner cage faster to inadmissible temperature heated as the stator winding.
Weder Motorschutzschalter noch Temperatursensoren liefern eine Information über die Läufertemperatur, weshalb ein umfassender Motorschutz bei größeren Motoren nicht möglich ist.Neither Motor protection switch still temperature sensors provide information about the rotor temperature, which is why a comprehensive motor protection at larger engines is not possible.
Ein weiteres Problem tritt bei der Drehzahlsteuerung von Motoren mit Frequenzumrichtern auf. Bei den meist verwendeten Motoren mit auf der Welle mitlaufendem Eigenlüfter sinkt die Kühlwirkung mit abnehmender Drehzahl. Damit die zulässigen Temperaturen nicht überschritten werden, dürfen die Motoren bei kleiner Drehzahl dann nur mit verringertem Strom betrieben werden.One Another problem with the speed control of motors with Frequency converters. On the most used engines with on the shaft running self-ventilator decreases the cooling effect with decreasing speed. Thus the permissible temperatures not exceeded, the motors are allowed At low speed then only be operated with reduced power.
Als Lösung dieses Problems wird in [3] ein Temperaturmodell vorgeschlagen, das mit einem drehzahlabhängigen Wärmeübergangswiderstand arbeitet. Je nach Drehzahl und entsprechendem Wärmeübergangswiderstand wird mit der zulässigen Erwärmung der zulässige Strom ermittelt.When The solution to this problem becomes a temperature model in [3] proposed that works with a speed-dependent heat transfer resistance. Depending on the speed and corresponding heat transfer resistance becomes admissible with admissible heating Electricity determined.
Das vorgeschlagene Temperaturmodell beinhaltet neben der im Motor auftretenden Verlustleistung nur Wärmewiderstände. Der Nachteil dieses Modells ist, dass man damit nur den stationären Zustand beschreibt. Das Zeitverhalten wird nicht berücksichtigt.The proposed temperature model includes besides occurring in the engine Power loss only thermal resistance. The disadvantage This model is that you only use the stationary one State describes. The time behavior is not taken into account.
Mit der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Verfahren zur Überwachung der Temperaturen von elektrischen Maschinen entwickelt, das auch das dynamische Temperaturverhalten berücksichtigt. Dies gelingt dadurch, dass neben den wärmebildenden Verlustleistungen und den Wärmeübergangs- oder Wärmeleitungswiderständen auch die Wärmespeicherfähigkeit berücksichtigt wird. Temperaturmodelle, die auch dieses Verhalten nachbilden, werden bisher zur theoretischen Berechnung der Motortemperaturen auf PCs verwendet [4]. Eine Verwendung zum praktischen Schutz von elektrischen Maschinen ist bisher unterblieben.With The present invention therefore provides a method of monitoring the temperatures developed by electric machines, too takes into account the dynamic temperature behavior. This succeeds in that in addition to the heat-generating power losses and the heat transfer or heat pipe resistances also considered the heat storage capacity becomes. Temperature models, which also simulate this behavior, are so far used for the theoretical calculation of motor temperatures on PCs [4]. A use for the practical protection of electrical machines is previously omitted.
Mit der heute verfügbaren leistungsfähigen Elektronik, z. B. mit Mikrokontrollern ist aber auch die Realisierung des thermischen Motorschutzes unter Verwendung eines dynamischen Temperaturmodells möglich. Der Temperaturschutz mit vorliegender Erfindung lässt sich durchaus einfach und kostengünstig realisieren, da das Temperaturmodell die elektrische Maschine nicht bis in die kleinsten Detail nachbilden muss. Wie am folgenden Beispiel eines Käfigläufermotors gezeigt wird, lässt sich das Temperaturmodell auf wenige Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten beschränken.With the high-performance electronics available today, z. B. with microcontrollers but is also the realization of the thermal Motor protection possible using a dynamic temperature model. The temperature protection with the present invention can be quite simple and inexpensive to realize, because the Temperature model, the electric machine is not down to the smallest Detail must reproduce. As in the following example of a squirrel-cage motor is shown, the temperature model can be on a few Thermal resistance and heat capacity restrict.
Zweckmäßig wird das Temperaturmodell mit einem weiteren Modell (Elektrisches Modell) kombiniert. Dieses ermittelt aus dem Messwert des Ständerstromes die wärmebildenden Verlustleistungen, die Wärmequellen, im Motor. Das elektrische Modell kann unterschiedliche Eingangsgrößen haben. Für Netzbetrieb reicht der Messwert des Stromes aus. Für Frequenzumrichterbetrieb können weitere Messgrößen, wie z. B. die Motorspannung und die Frequenz erforderlich sein. Damit kann dann auch eine Fehlfunktionen des Frequenzumrichters, wie z. B. falsche Zuordnung von Spannung, Frequenz und Drehzahl erkannt werden.expedient is the temperature model with another model (Electric Model). This is determined from the measured value of the stator current the heat-generating power losses, the heat sources, in the engine. The electrical model can have different input variables to have. For mains operation, the measured value of the current is sufficient out. For frequency converter operation can more Measured variables, such. B. the motor voltage and the Frequency required. This can also cause a malfunction of the frequency converter, such as. B. wrong assignment of voltage, Frequency and speed are detected.
Mit diesem einfachen Modell kann ein umfassender Motorschutz mit Überwachung der Ständer- und der Läufertemperatur auch für große netzgespeiste Motoren und für Betriebsarten mit geplanter Überlast (z. B. S2 oder S3) realisiert werden. Die erforderlichen Motorparameter können durch Standardmessungen oder durch Berechnungen ermittelt werden.With this simple model, comprehensive motor protection with stator and rotor temperature monitoring can also be implemented for large mains-powered motors and for modes with planned overload (eg S2 or S3). The required motor parameters can be determined by standard measurements or by calculations become.
Eine Ausprägung der Erfindung besteht darin, dass die Wärmekapazitäten bei Erwärmung und Abkühlung unterschiedlich gewählt werden können. Bei Erwärmung rechnet das Temperaturmodell mit kleineren Wärmekapazitäten. Dadurch erwärmen sich im Modell die Motorteile schneller als im realen Motor. Bei Abkühlung rechnet das Temperaturmodell mit größeren Wärmekapazitäten. Dadurch kühlen sich im Modell die Motorteile langsamer ab als im realen Motor. Auf dies Weise erreicht man, dass die zeitlichen Temperaturverläufe im Modell höher liegen als im realen Motor. Der Motor wird dadurch sicher geschützt und die Parameterempfindlichkeit des Schutzes ist gering. Auf den stationären Dauerbetrieb hat diese Modifikation dagegen keinen Einfluss.A Characteristic of the invention is that the heat capacities chosen differently for heating and cooling can be. When heated, the temperature model calculates with smaller heat capacities. This warms you up in the model the engine parts faster than in the real engine. When cooled calculates the temperature model with larger heat capacity. As a result, cool the engine parts in the model slower than in the real engine. In this way one achieves that the temporal Temperature gradients in the model are higher than in the real engine. The motor is thus safely protected and the parameter sensitivity of the protection is low. On the stationary continuous operation has this modification against no influence.
Beispielexample
Bild
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung am Beispiel
eines Asynchronmotors mit Käfigläufer (
Überschreitet
T1 die zulässige Temperatur T1zul, oder überschreitet
T2 die zulässige Temperatur T2zul, dann führt
das über die Freigabeleitung (
Bild
2 zeigt ein Beispiel für ein Elektrisches Modell (
Bild
3 zeigt ein Beispiel für das Temperaturmodell (
Bild 4 zeigt den Bewertungs- und Freigabe-Baustein, der in Abhängigkeit von den Temperaturen den Frequenzumrichter frei gibt oder sperrt.image 4 shows the evaluation and release module, which depends on of the temperatures frees the frequency converter or blocks.
Literaturliterature
-
[1]
http://de.wikipedia.org/wiki/Motorschutzschalter http://de.wikipedia.org/wiki/Motorschutzschalter -
[2]
Fladerer, Th. Elektromotor-Design für spezielle Anforderungen Seifert, D. antriebstechnik 1–2/2007 Fladerer, Th. Electric motor design for special requirements Seifert, D. antriebstechnik 1-2 / 2007 -
[3]
Lehrmann, Ch. Umrichtergespeiste Antriebe – Messung und Vorhersage der auftretenden Verluste und Erwärmungen unter den Aspekten des Explosionsschutzes www.explosionsschutz.ptb.de/dokumente/0311lehrmann.pdf Lehrmann, Ch. Inverter-fed drives - Measurement and prediction of occurring losses and heating under the aspects of explosion protection www.explosionsschutz.ptb.de/dokumente/0311lehrmann.pdf -
[4] MotorCad
http://www.motor-design.com http://www.motor-design.com
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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