DE3111818A1

DE3111818A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der temperatur eines asynchronmotors

Info

Publication number: DE3111818A1
Application number: DE19813111818
Authority: DE
Inventors: Anders Per Philip Comstedt; Bo Ake 24021 Löddeköpinge Elfner
Original assignee: ELFI INNOVATIONER
Current assignee: ELFI INNOVATIONER
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1982-04-15
Also published as: IT1136961B; GB2075291A; FR2483611A1; NO811005L; JPS5716525A; US4413325A; CH658553A5; DK137681A; FR2483611B1; SE8002309L; GB2075291B; IT8120738A0; FI810905L; SE433777B

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Motorschutzschalter für Asynchronmotoren. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Ueberwachung, so dass der Motor gegen Ueberlastung 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 be-

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rechnet, d.h. das Integral /K₁(I -K_AT)dt, wo angenommen ist, dass die Verlustleistung zum Quadrat des Motorstromwerts I proportional ist, und dass die weggekühlte Leistung zum Unterschied ΔΤ zwischen der Temperatur der Motorwicklung und der Umgebungstemperatur proportional ist. Der Wert dieses 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 Abkühlungs-Zeitkonstanten und der Umgebungstemperatur.

Durch Verwendung einer elektronischen Einrichtung, die auf die oben beschriebenen Grundsätze baut, kann man zwar eine bessere Uebereinstimmung 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 aussenseitigen 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, einen Motorschutzschalter zu schaffen, der keine zusätzlichen Kabel zum Motor benötigt und dennoch ein wahres Bild von der Temperatur im Motor gibt.

Diese und andere Aufgaben werden erfindungsmässig dadurch erzielt, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der üeberwachung die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale aufweisen.

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

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

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen ersten Geber 1, der ein mit dem Motorstrom übereinstimmendes Signal abgibt, und einen zweiten Geber, 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 vom Obertoninhalt des Motorstroms, welcher Inhalt vom Nachlauf und somit von der Drehzahl abhängig ist. Wie diese Berechnung stattfindet, ist in unserer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung betr. "Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors" näher beschrieben. Ein zweiter Berechnungskreis 4 ist an die Ausgänge der Geber 1 und 2 sowie an den Ausgang des Berechnungskreises 3 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 erfindungsmässigen 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 Wertes des Nachlaufs s.

Ferner umfasst die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung eine 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 Einstellglieder 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 M /M sowie der Starttemperatur Tg. . und der Motorresistanz bei 20⁰C R₃₀ 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. gezeigt. Wie ersichtlich, erfolgt ein üebergang 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 eigentliche Einleitungsprogramm dar. Als

erste Massnahme werden im Block C die Werte der Nenndrehzahl N , des Nennstroms I , des Startmoments/ Nennmoments M /M und der Umgebungstemperatur T_c. . 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 M /M wird zunächst in einen Wert Q umgerechnet, der dem Verhältnis R-i/R? 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 Uebergang zu einem Block E, wo die Werte von den Gebern 1 und 2 in die Berechnungseinheit 15 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 Temperatur ^Tst_art

R = γ— * ^ * ^i"²" k^erecnnen' ^wie auch die entsprechende Resistanz bei 20⁰C (R20) gemäss der Formel:

R = R₂₀ (1 + a(T_start - 20)),

wo α = 0,0039.

Mittels des Potentiometers 13 wird nun der Wert der Motorresistanz bei 20° eingestellt. Dies erfolgt mit Hilfe einer nicht gezeigten lichtemittierenden Diode, welche erlischt, wenn das Potentiometer 13 in die richtige Lage gestellt worden ist. Von dem somit passierten Block F erfolgt ein Uebergang zum Block G. Hätte man im Block C den genannten Schalter nicht zur Anzeige eines ersten Starts eingestellt, so hätte der Uebergang direkt über den Block D zum Block G stattgefunden, d.h. es wäre angenommen, das Potentiometer 13 sei auf den Wert der Motorresistanz bei 20⁰C 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

ν K₁(I² - K₂AT)At

hat, wo K, und K₀ von den thermischen Eigenschaften des Motors, dessen Masse, Material und Kühlung abhängig sind. Moderne Asynchronmotoren weisen bezüglich dieser Einheiten ein gleichartiges Bild auf,und der entscheidendste Faktor ist die Gesamtgrösse des Motors. Ein brauchbares Mass dieser Grosse ist der Nennstrom des Motors, von dem bereits ein Wert in die Berechnungseinheit 15 eingegeben ist. Mit Hilfe dieses Wertes werden ein Wert der Konstante K, 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 Uebergang zur Stufe H erfolgt eine Eingabe des Werts von R__Q 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.

Die Berechnungseinheit 15 geht dann zum eigentlichen Betriebsprogramm über, dessen Fliessbild in Fig. 4 gezeigt ist. In einem ersten Block K des Betriebsprogramms erfolgt eine Eingabe von Daten in derselben Weise wie oben im Zusammenhang mit dem Block E beschrieben 1st. Die Reihenfolge ist jedoch eine andere, indem die Werte des Nachlaufs s sowohl als erster und als letzter Wert zum Vergleich miteinander aufgenommen werden.

2 In einem Block L wird die Teilsumme K,(I -Κ»·ΔΤ) berechnet

ίο

und zu der bereits erfassten, die Temperatur der Motor-

2 wicklung repräsentierenden Summe Σ K,(I -K-AT)At addiert.

Damit der auf Grundlage der Motorresistanz ermittelte Wicklungstemperaturwert auch sinnvoll wird, muss der Wachlaufwert s auch wirklich der richtige sein, und ausserdem müssen die Betriebsbedingungen während der kurzen Zeit, in der die Dateneingabe erfolgt, statisch gewesen sein, dah. der Nachlauf s muss vor und nach der Dateneingabe derselbe sein. Eine weitere Voraussetzung für die Richtigkeit des eingegebenen Wertes des Nachlaufs s ist, dass der Motorstrom den Nennstrom um nicht mehr als etwa 50% übersteigt. Im Block M wird kontrolliert, ob diese beiden Bedingungen erfüllt sind. Sind sie dies, erfolgt ein Uebergang zu einem Block N, in dem dieselbe Resistanzberechnung ttfie im obengenannten Block E erfolgt. Um die Einwirkung ev. falscher Werte und auch von Abrundungsfehlern zu reduzieren, wird eine Mittelwertberechnung gemäss der Formel

*n = it Vl ⁺ Ϊ6 ^R

vorgenommen, wo R den zuletzt errechneten Resistanzwert darstellt. Der Wert R wird dann in einen Temperaturwert 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 üebergang zu einem Entscheidungsblock R.

Falls die im Block M geprüften Bedingungen nicht erfüllt sind, erfolgt ein üebergang zum Block R direkt über einen

Il

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 Temperaturwert mit einer Alarmtemperatur ^T _Ai_arm verglichen. Falls der jeweilige Temperaturwert die Alarmtemperatur nicht übersteigt, wird der Alarmkreis 7 nicht aktiviert. T_Ä, wird auf z.B. 140⁰C gesetzt, und während der darauffolgenden Ausführung wird der dem laufenden Motor entsprechende Wert von K_ benutzt. Ist die jeweilige Temperatur höher als die Alarmtemperatur, erfolgt ein Uebergang vom Block R zu einem Block T, in dem der Alarmkreis 7 aktiviert wird, auf z.B. 100⁰C 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 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.

Die gemäss der Erfindung vorgenommene Bestimmung der Wicklungstemperatur des Asynchronmotors erfolgt also durch wiederholte Ermittlung des Wertes des obengenannten Integrals oder Summe und durch Aktualisierung des somit erhaltenen Temperaturwertes mittels eines auf eine Be-Stimmung des jeweiligen Resistanzwertes des Motors gegründeten Wicklungstemperaturwerts.

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

/ 1.) Verfahren zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Ueberwachung, dadurch gekennzeichnet, dass allein auf Grundlage der dem Motor aufgedrückten Spannung und des in den Zuleitungen des Motors fliessenden Stromes ein die jeweilige Motorresistanz repräsentierender Wert berechnet wird, mit dessen Hilfe ein entsprechender Wicklungstemperaturwert ermittelt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung auf Grundlage der Spannungs- und Stromamplituden, des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom, und des aus Obertönen im Motorstrom

hergeleiteten Nachlaufs des Motors vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e nn· zeichnet, 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.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Berechnung des 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.
5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e -

kennzeichnet, dass die parallel vorgenommene Berechnung benutzt wird, wenn der Motorstrom den Nennstrom um zumindest 50% übersteigt und/oder wenn der Nachlauf ausserhalb des Bereichs 0,01-0,1 liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Wickiungs-

temperaturwerts mitteLs des berechneten Resistanzwerts auf Grundlage eines für einen gegebenen Temperaturwert festgestellten Resistanzwerts erfolgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Wicklungstemperatur eines Asynchronmotors zum Zwecke der Ueberwachung, gekennzeichnet durch Geber (1, 2) für Motorstrom und Motorspannung und eine Berechnungseinrichtung (3, 8-15) zur Ermittlung von erstens einem den Phasenunterschied zwischen Motorstrom und Motorspannung repräsentierenden Signal, zweitens einem den Nachlauf des Motors repräsentierenden Signal aus dem Motorstrom, drittens einem den jeweiligen Resistanzwert des Motors repräsentierenden Signal und viertens einem den Temperaturwert der Motorwicklung repräsentierenden Signal aus dem Resistanzwert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (9) zur sukzessiven Eingabe des Eingangssignals in die Berechnungseinrichtung.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mehrere Potentiometer (10-13) zur Eingabe motorabhängiger Konstanten in die Berechnungseinrichtung über den Multiplexer (9) .