CN1010068B - 电机负荷检出和过负荷保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

电机负荷检出和过负荷保护方法和装置是模拟式电机绕组温度检出方法和装置。本方法通过检测电机等效热功率。模拟电机绕组等效动态热阻，按二者之间的等效关系和热的迭加原则，进行模拟检出绕组温度，也即“热功率-等效热阻法法”。本装置输入端检出电机运行电流、运行电压、环境温度、冷却条件，在输出端给出正比例于电机绕组温度的电压，用于电机负荷检出和电机过负荷保护。

Description

电机负荷检出和过负荷保护方法和装置。

本发明属于模拟式电机绕组温度检出方法和装置。用于电机负荷指示和过负荷保护。

通用的模拟式电机绕组温度检出方法是“电流-有限延时法”，它们的代表性装置是电机（变压器、施旋电机）的过负荷检出和过负荷保护装置，这种装置检测电机的运行电流（I），并在运行电流达到规定值时，进行规定的延时动作表达绕组温度上升达到允许值的时间，进一步的有对检测电流进行处理之后延时的，如取电流的平方（I²），过负荷电流与负荷电流比较值，负荷电流与过负荷电流分别检测等。对延时模拟温升增长则为电流平方时间的积分，分段延时，按不同发热部位延时;延时曲线采用指数曲线、直线、二个指数曲线分别动作、修正的指数曲线，以及积分调节器（1/Sι1）与惯性调节器（K/（1+Sι2））的相联模拟电路等。由于电机运行电流并不是导致电机绕组发热升温的唯一因素，又由于绕组温度增长速度是与绕组的热特性和负荷量有关的复杂曲线，因而“电流-有限延时法”及其改进方法有不足之处。

本发明的目的是提高模拟检出电机绕组温度的能力，以跟随电机绕组温度，特别是在电机负荷运行区及过负荷区跟随温度瞬时值的能力，进行电机负荷检出和过负荷保护。

本发明的内容是提出了“热功率-动态热阻法”的电机负荷检出和过负荷保护方法和装置，“热功率-动态热阻法”是通过检测电机的等效热功率，模拟电机绕组的等效动态热阻，按等效热功率与等效动态热阻的等效关系和热作用的迭加原则，进行电机绕组温度模拟检出和过负荷保护的方法，以及按此方法的电机绕组温度模拟检出和过负荷保护装置。

电机绕组平均温度和绕组指定点的温度是不同的，模拟检出应取各自的等效热功率和等效动态热阻，以下统称为电机等效热功率和等效动态热阻。

电机等效热功率的说明：电机等效热功率由三部份组成，即等效铜损耗功率、等效铁损耗功率，等效环境热功率。等效热功率是导致电机绕组发热升温的热源，是电机内外热功率造成绕组发热升温的等效热功率，其中等效铜损耗功率是发生在电机绕组中的损耗热，按照它是电机运行电流I的m次方（I^m）与电机绕组电阻相乘的关系等效，由于电机绕组的电阻是随绕组的温度而变化的，因而等效铜损耗功率不仅随电流的变化而变化，也随电机绕组电阻的变化而变化，等效系数m≥1;等效铁损耗功率发生在电机铁芯中的损耗热，按照它是电机运行电压U的n次方等效（K1·Uⁿ），等效铁损耗功率随电压的变化而变化，等效系数n≥1，K1＞0;等效环境热功率是环境温度对电机绕组温度影响的等效热功率，按照它与环境温度是线性关系等效（K2·T0），等效环境热功率随环境温度变化而变化，等效系数K2＞0。等效热功率通过检测电机的运行电流，运行电压和环境温度取得的。

电机等效动态热阻的说明：电机等效动态热阻（曲线）是电机绕组在单位等效热功率的作用下，温度随时间变化的速度曲线，它是绕组温度增长规律的实际反映，等效热功率为一瓦时[W]，等效动态热阻曲线为[℃/W-t（s）]，它是一条复杂的曲线，最终达到稳定值（稳定值的定义同于电机温升试验的定义），电机线组的平均等效动态热阻与各指定点的是不相同的，应用相应指定点的或平均的温升试验的温升曲线，按照单位等效热功率作用下，绕组温度随时间增长速度的曲线分别取得等效动态热阻曲线，在模拟等效动态热阻曲线重现这一关系的电路中，根据不同的需要和精度的要求，采用直接模拟这一曲线的方法，以及采用其它的方法模拟，如：按照时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡的曲线;按照在起始时有一个小的阶跃，时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡的曲线，这些模拟方法反映了电机绕组温升速度在不同的时间，有不相同的速度的特性，并都有稳定值，也可按单一指数曲线和直线模拟（直线达到最大值后不再增长）。具 体的电路在电路说明中说明。当电机的冷却条件改变时，例如强制风冷式电机仃风，电机等效动态热阻有很大的改变;自冷式电机空运转降温的等效动态热阻也是有大的差别，通过冷却条件的端子检出并调整模拟等效动态热阻曲线的形状。

本发明的方法按照等效热功率与等效动态热阻的等效关系和热作用的迭加原则求得各参量之间的传递关系。图1是一种鼠笼型电机等效动态热阻曲线，设电机的等效热功率保持不变，电机绕组温度将平行于等效动态热阻曲线上升，最终达到稳定值，当求t1时刻的温度T1时。则要取t1时刻的等效动态热阻Rd（t1），它们的表达关系式是T（t）＝P·Rd（t），式中T是电机绕组温度（℃）;P是等效热功率（W）;Rd（t）是等效动态热阻（℃/W），是时间的函数，但在实际的条件下，电机的等效热功率是变化的，这时就按热作用的迭加原则，即在某一时刻t的温度T（t）是t时刻以前所有热作用于绕组结果的迭加，因而T（t）＝∫^t _oRd（t-x）·dP（x），在拉氏域中表达等效热功率，等效动态热阻，模拟绕组温度的关系就是P（S）→Rd（S）→T（S）。

本发明的优点在于检测了引起电机绕组发热升温的热量;按照实有的升温的规律，也即动态热阻，并以等效关系表达了绕组温度与热量和冷却介质之间的热传导特性和散热能力的复杂关系，以及热作用的积累效果，因而提高绕组温度的模拟检出能力并有跟随效果;作为过负荷保护的动作是以绕组允许温度为基准的，并无规定时限，对于冷态过电流，热态过电流，以及反复频繁过电流都是以绕组温度允许值为动作条件的，也即以过负荷为动作条件，发挥了电机能力并提高了灵敏度。

本发明的方法是针对电器机器中的绕组发热的，因而适用于旋转电机、变压器、以及有线圈的其它电器如电抗器、线路等。对于交直流电器其运行参数检测方法不同（例如交流电流的检出用电流互感器），其它是相同;本装置具有电机热模型的作用。

本发明的方法和装置中对于等效动态热阻的模拟和等效热 功率的变换都是规范化的，其功能也可在微机中进行。

附图的说明：

图1中的Rd（t）是等效动态热阻曲线，当等效热功率为常数时，绕组温度曲线将平行于等效动态热阻曲线。图2是电机负荷检出和过负荷保护装置电路原理图，CT：电流互感器，检出电机运行电流并经I电路成为正比例于运行电流的电压U1;PT：电压互感器，检出电机运行电压并经U电路成为正比例于运行电压的电压U2;AT：环境温度传感器，检出电机环境温度并经T0电路成为正比例于环境温度的电压U3;P电路是等效热功率变换电路，将相应的各输入参数按上述方法变换为等效热功率;Rd电路是等效动态热阻单元电路，按等效动态热阻曲线进行模拟，K是电机冷却条件检出电路，接至Rd电路，以变更等效动态热阻单元的参数;输出端至P电路的连结是根据等效铜损耗是绕组温度的函数关系要求的反馈电路;运行电压也控制等效动态热阻单元的参数的变更。

图3是实施本发明装置的举例电路图。它是按照本发明的方法进行的装置内部电路，装于封闭的外壳内，通过检测端子及输出端子与外部相连接，电路的装置按图3图4及以下的说明：

第1电路的1-A是电机运行电流检测电路及电平调节电路，电流互感器CT检出电机运行电流，经整流滤波及电平调节单元A1，在1-1点给出正比例于电机运行电流的电压U1，电平调节单元是为了把不同输入的电压调至一个电路要求的电平，也可用其它方式的电平调节电路，第1电路的1-B电路是等效铜损耗功率变换电路;当1-1点为正比例于电机运行电流的电压U1，在1-4点的输出电压（U4）将正比例于等效铜损耗功率。电路各组件的功能已注在图中：B-1的m次方函类发生器的输入输出等效系数m，根据等效铜损耗功率特性调整;B-3是电机绕组电阻发生器，它在输出端给出正比例于绕组电阻的模拟电Ur，由于Ur是电机绕组温度的函数，通过1-5点与输出电路5相连接，B-2为乘法器，其输出电压 即为等效铜损耗电压，表达了等效铜损耗功率是I^m与电机绕组电阻相乘的关系。

第2电路是电机运行电压检测并变换为等效铁损耗功率变换电路，电压互感器PT检出电机运行电压，在2-1点给出正比例于电机运行电压的电压U2，U2经过n次方函数发生器变换为K1·Uⁿ ₂，也即变换为正例于等效铁损耗功率的电压U5，等效系数n，K1根据等效铁损耗功率特性调整。

第3电路是电机环境温度检测并变换为等效环境热功率的电路和冷却条件检测电路。环境温度传感器AT检出电机环境温度并经电平调整电路D-1线性放大，在3-1点给出正比例于等效环境热功率的电压U6;当环境温度波动不大时，也可不用AT，而接用模拟电压U6，D-2开关电路受控于冷却条件改变，例如冷却风仃风将对电机参数产生很大的改变，借助D-2调整参数。

第4电路是等效动态热阻单元电路，由它连接等效热功率变换电路并经输出电路5内的求和电路A，输出正比例于电机绕组温度的电压。等效动态热阻曲线反映了电机绕组温升的特性，例如当给以负荷时，绕组升温速度很快，以后减慢并达到稳态。本发明中对热阻曲线的模拟方法已如上述。第4电路中的具体等效动态热阻模拟单元如上述的电机等效动态热阻的说明中，当其中需要采用的是按照在起始时有一个小的阶跃，时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡曲线，和按照时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡的曲线和第4图中的4-1和4-2;可根据不同要求采用;图4-1由一个一阶惯性环节调节器（传递函数为（1/S）×[Rd1/（S+τ1）]）与另一个带有惯性的比例微分调节器（1/S）×｛[（S+τ3）/（S+τ2）]×Rd2｝及时间常数调节装置所组成，其间的关系（1/S）×[[Rd1/（S+τ1）]+[Rd2×（S+τ3）/（S+τ2）]]功能曲线注于图内，图中的时间常数τ1，τ2，τ3，以及Rd1，Rd2根据要求确定和调整，图4-2由二个一阶惯性调节器及其时间常数调节装置所组成，其关系的组成是（1/S）×[[Rd1/（S+ τ1）]+[Rd2/（S+τ2）]]。在图4-1，4-2的电路除了作为本发明的等效动态热阻曲线单元电路使用外，由于反映了具有不同增长速度的关系和一般的延时跟随要求，也适用于一般的温升、负荷等延时电路，例如过负荷继电保护的延时电路，电流-时间原则的延时电路的设计。

由以上电路及附属电路（供电电路、求和电路等）组成了电机绕组温度检出电路，即电机负荷检出和过负荷保护电路的装置。

Claims (9)

1、一种模拟电机绕组温度的电机负荷检出和过负荷保护方法，其特征在于通过检测电机的等效热功率，模拟电机的等效动态热阻，按等效热功率与等效动态热阻的等效关系和热作用的选加原则，即“热功率-动态热阻法”来实现。

2、一种专用于权利要求1的电机负荷检出和过负荷保护装置，其特征在于装置的内部装有用“热功率-动态热阻法”设计制作的检出模拟电路板，装置有三个检测与电机等效热功率有关运行参数的输入端子，即有检测运行电流的端子、检测运行电压的端子、检测环境温度的端子，有一个输出正比例于电机绕组温度电压的输出端子。

3、按照权利要求1所述检测电机等效热功率，其特征在于通过等效热功率检出变换电路，按下述方法检出并变换，即检出电机的运行电流I，按照等效铜损耗功率是运行电流I的m次方（I^m）与电机绕组电阻r相乘的关系变换为等效铜损耗功率Pcu（电机绕组的电阻随电机绕组温度变化，m≥1），检出电机运行电压U，按照等效铁损耗功率是运行电压的n次方（K1·Uⁿ）的关系变换为等效铁损耗功率Pfe，检出电机环境温度T0，按照等效环境热功率是与环境温度成正比例的关系（K2·T0）变换为等效环境热功率PT0（K1＞0，K2＞0，n≥1），电机等效热功率是以上三种等效热功率组成。

4、按照权利要求1模拟电机的等效动态热阻Rd，其特征是把在单位等效热功率作用下，绕组温度随时间变化的曲线作为该电机的等效动态热阻曲线（单位等效热功率取W，等效动态热阻曲线为℃/W-t（s），电机线组的平均动态热阻与各指定点的是不相同的），对于这样的等效动态热阻曲线根据需要按照六种曲线进行模拟，即（1）直接模拟等效动态热阻曲线，（2）按照时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡的曲线，（3）按照在起始时有一个小的阶跃，时间常数由一个小的数值向一个大的数值连续过渡的曲线，（4）按照修正的指数曲线，（5）按照有一个时间常数的指数曲线，（6）线性增长的曲线，以上六种曲线沿时间增长都最终达到稳定值，应用等效动态热阻单元电路模拟，当其中需要采用的是（2）和（3）二种曲线模拟时，采用如下的二种电路，第一种电路由二个一阶惯性环节调节器、并与时间常数调节装置相联结的电路所组成，其传递关系是（1/S）×[[Rd1/（S+τ1）]+[Rd2/（S+τ2）]]，调整范围是根据所采用的模拟等效动态热阻曲线而定，第二种电路由一个一阶惯性环节调节器与一个带有惯性的比例微分调节器二个电路，并与时间常数调节装置相联接的电路所组成，二个调节器所组成的这一电路的输入输出传递关系（1/S）×[[Rd1/（S+τ1）]+[Rd2×（S+τ3）/（S+τ2）]]，第二种电路的各参数分别调整，其调整范围是根据所采用的模拟等效动态热阻曲线而定。

5、按照权利要求1所述的通过检测电机的等效热功率，模拟电机的等效动态热阻，按等效热功率与等效动态热阻的等效关系和热作用的选加原则，其特征是等效热功率P，等效动态热阻Rd，模拟检出温度T之间的传递关系按照P（S）→Rd（S）→T（S）。

6、按照权利要求2所述的装置，其特征是在装置内部装有用“热功率-动态热阻法”设计制作的检出模拟电路版，电路由四个电路部份及其附属电路组成的，第一电路是检测电机运行电流并变换为等效铜损耗功率的电路，第二电路是检测电机运行电压并变换为等效铁损耗功率的电路，第三电路是检测电机环境温度并变换为等效环境热功率的电路，第四电路是等效动态热阻单元电路，把等效热功率检出变换电路的输出端与等效动态热阻单元电路的输入端相连接，由以上电路和附属电路（冷却条件变化检出电路、求和电路等）组成。

7、按照权利要求2所述的装置，其特征是在装置的输入输出端子之间连接微机及其附属电路，微机的运算按照P（S）→Rd（S）→T（S）的传递关系进行。

8、按照权利要求1所述的方法，其特征在于电机为广义的电机，它包括变压器和有绕组的电器设备（例如电抗器）以及线路和电机热模型。

9、按照权利要求1所述的过负荷保护方法，其特征在于采用的是权利要求4中所提出的第一种电路和第二种电路，作为过负荷继电保护的延时电路，电流-时间原则的延时电路。