BE1024061A9 - Werkwijze voor het beschermen van elektrische motoren van compressoren met een continu capaciteitregelsysteem. - Google Patents

Abstract

Werkwijze voor het beschermen van een elektrische motor van een motorgedreven apparaat uitgerust met een sturing voor het regelen van de capaciteit van het apparaat, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze de volgende stappen omvat: - het bepalen van de thermische staat van de motor; en - het beperken van de capaciteit van het apparaat in functie van de voornoemde bepaalde thermische staat.

Description

(71) Aanvrager(s) :

ATLAS COPCO AIRPOWER naamloze vennotschap

2610, WILRIJK

België (72) Uitvinder(s) :

DE KEYSER Karel 2610 WILRIJK België (54) Werkwijze voor het beschermen van elektrische motoren van compressoren met een continu capaciteitregelsysteem.

(57) Werkwijze voor het beschermen van een elektrische motor van een motorgedreven apparaat uitgerust met een sturing voor het regelen van de capaciteit van het apparaat, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze de volgende stappen omvat: - het bepalen van de thermische Staat van de motor; en het beperken van de capaciteit van het apparaat in functie van de voornoemde bepaalde thermische Staat.

BE2016/5256

Werkwijze voor het beschermen van elektrische motoren van compressoren met een continu capaciteitregelsysteem.

Probleemstelling

Het is bekend dat het vermogensverbruik van luchtcompressoren afhankelijk is van de omgevingscondities. Bijvoorbeeld een koude inlaattemperatuur en een hoge omgevingsdruk zullen de inlaatdensiteit verhogen wat een verhoging van de capaciteit en van het vermogensverbruik met zieh meebrengt. Bijkomend is het eveneens bekend dat het vermogensverbruik kan toenemen over de levensduur, voornamelijk wegens verhoogde verliezen en lekken.

Aangezien de hoofdmotor typisch de (op één na) duurste component is van een compressor, kan geen risico genomen worden bij het ontwerp van de grootte van de componenten. Onzekerheid met betrekking tot de bedrijfscondities en het verouderingsgedrag brengt een significant compromis met zieh mee ten gunste van het overdimensioneren van de motor.

Belangrijke elektrische motordefectmodi zijn thermisch gerelateerd, bijvoorbeeld degraderen van de isolatie van de windingen bij hoge temperaturen en voornamelijk het faien van de anti-wrijvingslagers wegens degeneratie van de smering bij hogere temperaturen. Deze temperaturen worden voornamelijk beïnvloed door de mechanische belasting en de koelingomstandigheden van de motor.

Volgende oplossingen worden heden toegepast om de elektrische motor te beschermen. Deze aanvraag beschrijft

BE2016/5256 een nieuwe beschermingsmethode met bepaalde duidelijke voordelen.

Conservatieve keuze van componenten gebaseerd op een schatting_van_het_Vermögensverbruik_en koelingomstandigheden in het slechtste geval

Tijdens ontwerp, wordt het Vermögensverbruik en de koelingomstandigheden van de motor in het ergste-geval scenario op basis van een het typisch geschat De bepaling van de grootte wordt door de motorleverancier. Deze een vermoeden van de prestatieverminderingsfactor ergste-geval scenario. De werkingscondities en wegens veroudering in condities worden compressorfabrikant. typisch uitgevoerd door de benadering heeft de volgende nadelen:

- Kost: De motor zal worden overgedimensioneerd (typisch met een factor van 20%) voor het grootste deel van de werkingstijd van zijn levensduur. De levenskost van de installatie zal daardoor significant verhogen.

o Noteer dat de overdimensionering zieh voordoet op twee niveaus:

Wegens de schatting van het ergste-geval scenario vermögen door de compressorfabrikant;

Wegens schattingen gepaard gaande met de schatting van de thermische Staat van de motor uitgaande van vermögen en koelingsspecificaties bij de motorleverancier;

BE2016/5256

- Geen bescherming in reële tijd dat de schattingen en veronderstellingen geldig/gerespecteerd zijn tijdens de levensduur van de motor. Een verminderde levensduur van de motor en vroegtijdig, onverwacht falen kan voorkomen.

'Overbelastings'bescherming gebaseerd op een schatting van het elektrisch vermögen en koelingscondities

Dit beschermingssysteem is typisch samengesteld uit een

- Compressor met een continu capaciteitsregelsysteem;

- Een meettoestel dat de (gemiddelde) stroom meet in één/alie fase(n) van de motor;

- Een meetapparaat dat de temperatuur van de koellucht of het koelwater meet.

Het actueel mechanisch vermögen wordt geschat door het regelsysteem gebaseerd op de huidige meting en veronderstellingen van spanning, vermogensfactor en motorverliezen.

De huidige koelingsconditie van de motor wordt geschat, gebaseerd op de inlaattemperatuur, (impliciete) veronderstelling van de densiteit, hoeveelheid debiet en warmteoverdrachtsprestatie. Deze actuele koelingsconditie wordt geconverteerd naar een actueel maximum toelaatbaar mechanisch vermögen, gebaseerd op conversieregels die door de motorleverancier worden gegeven.

In het geval dat het regelsysteem detecteert dat het actueel mechanisch vermögen het maximum toelaatbaar mechanisch vermögen overschrijdt, wordt de maximum

B E2016/5256 capaciteit van de compressor afgetopt om de motor tegen overbelasting te beschermen. Typisch wordt een PI- of PIDregelkring geactiveerd om het geschatte actueel mechanisch vermögen te Verlagen tot het setpunt van het actueel maximum toelaatbaar mechanisch vermögen. Het regelsysteem laat typisch geleidelijk meer capaciteit toe wanneer het vermögen is afgenomen tot beneden een grenswaarde gedurende een bepaalde tijd.

Alhoewel dit systeem twee voordelen bezit

- de specificaties van de compressorfabrikant kunnen versoepeld worden van hoogst-onwaarschijnlijk-maarmogelijke tot realistisch-ergste-geval scenario condities;

- Zekere vorm van reële tijd-bescherming van de motor.

Het systeem heeft nochtans meerdere nadelen:

- De méthode is indirect in het schatten van de thermische Staat van de motor. In feite worden alle volgende relevante factoren niet juist geëvalueerd en moeten gecompenseerd worden door overdimensionering, wat de kost van de motor doet toenemen:

o Afwijking van het voltage; o Onbalans van de motorfasen; o Lage densiteit van de koellucht; o Onvoldoende koeiwaterdebiet;

o Onvoldoende wateroverdracht over een (interne) warmtewisselaar wegens vervuiling;

o De accuraatheid van de gemeten elektrische stroom;

o etc.

BE2016/5256

De motorleverancier zal conservatief zijn in het specifiëren van de conversieregels aangezien hij nog steeds de thermische Staat van de motor moet schatten enkel aan de hand van twee parameters;

Typisch is het systeem nerveus wegens te korte tijdsconstanten van de elektrische stroom. Korte variaties van de gemeten stroom kunnen onnodige systeemreacties met zieh meebrengen;

Het beschermingssysteem moet tijdelijk worden uitgeschakeld tijdens het opstarten van de motor vermits hoge strömen optreden bij het opstarten; Meetapparaten voor het meten van elektrische stroom zijn duur;

Het systeem moet per motorgrootte en -installatie worden geconfigureerd;

Voor grotere motoren wordt het meetapparaat voor elektrische stroom typisch voorzien op klantniveau, wat het procès bij indienststelling compliceert:

o Een fysische verbinding moet worden gemaakt met het compressorregelsysteem;

o De 10 van het extern gekalibreerd moeten indienststelling, wat bijna nooit wordt gedaan aangezien het te omslachtig is;

o De precisie van het meetapparaat voor elektrische stroom is niet gekend tijdens het ontwerp van de motor. De waarde in het ergste-geval scenario moet worden aangenomen, welke impliciet aanleiding geeft tot een bijkörnende overdimensionering.

Het systeem hangt af van het ingangssignaal, een zelfdiagnose-evaluatie kan niet worden geïmplementeerd stroomsignaal zou worden tijdens

BE2016/5256

Beschrijving van de uitvinding: Beschermingswerkwijze gebaseerd op de directe meting van de thermische Staat van de elektrische motor

Een nieuwe regelmethode wordt voorgesteld, die de capaciteit van de compressor aftopt op basis van directe metingen van de thermische Staat van de motor, bijvoorbeeld temperaturen van de windingen (U-V-W) en/of de temperaturen van de lagers (DE en NDE).

De motor is uitgerust met sensoren voor de temperatuur van de windingen en/of de lagers welke direct verbonden zijn met de IO van de regelsystemen. Het regelsysteem zal de debietcapaciteit van de compressor en het vermögen aftoppen wanneer één van de thermische limieten overschreden wordt.

Evaluatie van de thermische Staat van de motor kan afhangen van één van of elke mogelijke combinatie van de volgende eigenschappen gebruikt door de motorontwerpers:

- De absolute temperatuur van één of alle winding(en);

o Op een of meerdere posities längs de windingen.

- Het temperatuursverschil tussen de motorwinding en de inlaattemperatuur van de koellucht en/of -water, de zogenaamde delta T;

- De absolute temperatuur van de lager (s) (DE) aan het gedreven uiteinde en van de lager (s) (NDE) aan het niet gedreven uiteinde.

Het systeem heeft de volgende voordelen:

- De directe aanpak elimineert de nood voor schattingen en vermoedens van alle soorten hierboven beschreven.

BE2016/5256

Overdimensionering kan vermeden worden en een kleinere motor zal resulteren in een lagere kost.

o De specificaties van de compressorfabrikant kunnen versoepeld worden van de hoogstonwaarschijnlijke-maar-mogelijke condities naar realistische-ergste-geval condities;

o Voor wat betreft de motorleverancier kunnen aile veronderstellingen met betrekking tot een schatting van het thermisch systeem worden geëlimineerd.

- Meetapparaten voor het meten van de temperatuur zijn veel goedkoper dan meetapparaten voor elektrische stroom wat de kost van de installatie verder verlaagt.

- Temperatuurslimieten zijn meestal universeel en onafhankelijk van de motorgrootte, waardoor minder configuratie vereist is.

- Motorleveranciers bieden typisch voorgeïnstalleerde temperatuursensoren aan als een optie wat een voordeel biedt in termen van integratie en logistiek voor de compressorfabrikant.

- Het systeem kan volledig voorbereid en gecontroleerd worden aan de zijde van compressorfabrikant o Handelingen bij in dienst Stelling kan worden geëlimineerd (aansluiting, kalibratie, validatie, etc. )

- De tijdsrespons van het thermisch systeem is veel träger, wat de dynamica van het systeem veel minder nerveus maakt (wat de voorkeur geniet).

- Typisch zal de temperatuur van de drie fasen gemeten worden. Een zelfdiagnosesysteem kan worden geimplementeerd om faling van één van de meetapparaten

BE2016/5256 te detecteren, om de nood tot een onmiddellijke uitschakeling van de compressor te voorkomen o Het systeem zou, bijvoorbeeld, elk signaal kunnen vergelijken met de twee anderen om vast te stellen dat één van hen aan het afwijken is.

- Statistisch gezien is de nauwkeurigheid van meerdere onafhankelijke (temperatuurs)meetapparaten significant hoger dan één enkel (elektrische stroom-) meetapparaat.

- Geen noodzaak om het systeem gedurende het opstarten uit te schakelen, aangezien de tijd om de motor op te warmen langer is dan de opstarttijd.

Bijkörnende potentiële toepassingen

Het beschermingssysteem is toepasbaar op alle machines

1. aangedreven door een elektrische motor (compressoren, pompen, ventilators, koelers, etc.)

2. uitgerust met een continu capaciteitsregelsysteem dat geschikt is om het vermögen af te toppen (inlaat leischoepen, uitlaat leischoepen, smoorkleppen, variabele toerentalaandrijvingen, etc.)

3. In het bijzonder geschikt voor centrifugale compressoren met variabele inlaat leischoepen (IGV).

BE2016/5256

Claims (10)

Conclusies.

1. - Werkwijze voor het beschermen van een elektrische motor van een motorgedreven apparaat uitgerust met een sturIng voor het regelen van de capaciteit van het apparaat, daardoor gekenmerkt dar de werkwijze de volgende stappen omvat .·

- het bepalen van de thermische Staat van de motor; en

- het beperken van de capaciteit van het apparaat in functie van de voornoemde bepaalde thermische Staat.

2. “ Werkwijze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de elektrische motor is voorzien van één of raeer elektrische windingen en van één of meer lagers, waarbij voor het bepalen van de thermische Staat de werkwijze de stap omvat van het bepalen van de temperatuur van één of meer windingen en van één of meer lagers.

3. - Werkwijze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat voor het bepalen van de temperatuur gebruik wordt gemaakt van één of meer sensoren waarvan het signaal rechtstreeks aan de voornoemde sturing teruggekoppeld wordt.

4. - Werkwijze volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat voor elk van minstens een deel van de voornoemde sensoren vooraf een maximumwaarde van de temperatuur is ingegeven in de sturing en dat de werkwijze de volgende stappen omvat:

het continu of met bepaalde tijdsIntervallen vergelijken van de temperatuur bepaald met de sensoren en de overeenstemmende vooraf ingegeven maximumwaarde;

BE2016/5256 het beperken van de capaciteit en/of van het vermögen wanneer de temperatuur van minstens één van de sensoren de overeenstemmende maximumwaarde heeft bereikt of overstijgt.

5 Werkwijze voor het beschermen van een elektrische motor van een motorgedreven apparaat uitgerust met een sturing voor het regelen van de capaciteit van het apparaat, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze de volgende stappen omvat:

- het bepalen van de thermische Staat van de motor; en

5. - Werkwijze volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de motor voorzien is van een koeling met. behulp van een koelmedium en dat de werkwijze de volgende stappen omvat:

- het bepalen van de inlaattemperatuur van het medium aan de ingang van de koeling;

- voor minstens één winding en/of minstens één lager het bepalen van het temperatuursverschil tussen de voornoemde inlaattemperatuur van het medium en de temperatuur van de betreffende winding of van het betreffend lager;

- het continu of met tijdsintervallen vergelijken van dit temperatuursverschil met de overeenstemmende vooraf ingegeven maximumwaarde;

het beperken van de capaciteit en/of van het vermögen wanneer het temperatuurverschil van minstens één van de windingen en/of lagers de overeenstemmende maximumwaarde heeft bereikt of overstijgt.

6. - Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het bepalen van de thermische Staat van de motor afhankelijk is van één van de volgende kenmerken of van om het even welke combinatie van deze kenmerken:

- de absolute temperatuur van minstens één van of van alls windingen, in één enkel punt van de winding of in meerdere punten over de lengte van de winding;

BE2016/5256

- het temperatuursverschil tussen minstens één winding en de inlaattemperatuur van het koelmedium;

- de absolute temperatuur van minstens één lager.

7.- Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het motorgedreven apparaat één is uit de volgende niet limitatieve lijst:

- een compressor;

- een expander;

- een pomp;

- een ventilator;

- een koeier.

8.~ Werkwijze volgens één van daardoor gekenmerkt dat het de voorgaande conclusies, apparaat voorzien is van middelen om het gsstuurd worden capaciteit.

vermögen doer de te beperken, welke voorncemde staring middelen van de

9.- Werkwijze volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat de middelen om het vermögen te beperken worden gevormd door één of meer van de middelen uit de volgende lijst:

- variabele inlaatschoepen (IGV of Inlet Guide Vanes);

- variabel diffuser schoepen;

- een smoorklep;

- variabel toerental.

10.- Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het apparaat een centrifugale compressor is met gestuurde inlaatkleppen.

BE2016/5256 mech, connectie elektrische ccnnectie signed © motor

Τ'#

13 BE2016/5256

Methode voor het beschermen van een elektrische motor van een compressor met continue capaciteitsregelsysteem.

10 - het beperken van de capaciteit van het apparaat in functie van de voornoemde bepaalde thermische Staat.