CN101013834A - 大功率电机通风冷却系统 - Google Patents

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李德祥
王政
熊建军
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Abstract

一种大功率电机通风冷却系统，包括大功率电机和与大功率电机配套的交流变频调速控制通风机，其特征是：在大功率电机和交流变频调速控制通风机之间设有节能控制器，所述的节能控制器包括装于大功率电机绕组上和电机进风口、出风口的温度传感器，A/D转换器，信号分析与处理装置和D/A转换器，温度传感器感知的温度信号经过A/D转换器后送入信号分析与处理装置，经过信号分析与处理装置处理后的信号再经过D/A转换器转换后输出交流变频调速控制通风机运转频率信号，控制通风机输出对应的通风量。

Description

大功率电机通风冷却系统
一、技术领域
本发明涉及一种外部强迫通风冷却的大功率电机通风冷却系统。
二、背景技术
随着科学技术不断进步，大功率电机在各行各业应用越来越广泛。大功率电机(简称大电机)运行时产生定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗等各种损耗，这些损耗转变成热量，使大电机各部件发热、温度升高。大电机中某些部件，特别是大电机的绝缘体，只能在一定的温度范围内可靠工作，温度升高会导致大电机效率降低。大电机安装环境、运行工况各不相同，低转速运行时，转子本身不足以提供大电机冷却通风的压头。为了保证大电机正常运行，需要采取适当的降温措施，将大电机运行产生的热量及时散发出去，使其在允许的温度范围内运行。大电机降温冷却措施多样，国内、外大电机有的选择水冷，有的选用外部强迫通风冷却。
采用外部强迫通风冷却时，在大电机转子两端不再装设风扇，外部自然风经过滤处理，经过通风机驱动，从电机两端进入转子肋空间、转子通风沟、气隙、定子通风沟，由定子铁心背部再排到出风口，以此保证大电机运行时产生的热量能及时带走，确保大电机安全稳定长期有效运行。由于在选择通风机时一般对风量和风压考虑了一定的备用系数，大电机一般都是按最大负荷下能正常工作为条件选取的，但在实际运行中，大电机一般都处于变负载运行，负载变化直接影响大电机的发热，负载越轻，发热量越小，负载越重，发热量越大。以往通风机都采用额定转速运行方式，当大电机轻载或空载运转时，负载较轻，通风机出现“大马拉小车”的现象，此时通风机功率因数小，效率很低。
在大电机通风冷却系统中，通风机功率从几十千瓦到上百千瓦，一般采用全压起动、Y/△起动、自藕变压器起动、软起动器等多种控制方式，通风机起动后额定运行。在不同的工况条件下，为了调节通风机输出风量大小，一般采用安装风门、挡板、进口导流器等方法调节通风量，保证通风机输出风量与大电机需要一致。这种控制方法实质上就是改变风道的阻力，为克服风道阻力势必要消耗大量的能量，电能浪费严重，噪声大，控制方式单一。
目前采用交流变频调速技术控制通风机的技术已经成熟，完全可以将该技术综合运用到采用外部强迫通风冷却的大电机通风冷却系统中。
三、发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，将交流变频调速技术控制通风机的技术综合运用到采用外部强迫通风冷却的大电机通风冷却系统中，以解决通风机出现“大马拉小车”的现象。
本发明的基本思路是：由于电机的冷却通风效果可以通过绕组温度、进出风口温度变化得到及时反映，因此可以充分利用现有工业技术，设计一种大电机通风冷却系统，使通风冷却系统能实时检测大电机绕组温度、进风口温度、出风口温度，根据监测温度的变化情况，实时控制通风机的转动速度，使通风机输出风量满足大电机冷却需要，保证大电机安全、稳定运行。同时达到改善工艺、节能电能的目的。
本发明的具体技术解决方案是：
一种大功率电机通风冷却系统，包括大功率电机和与大功率电机配套的交流变频调速控制通风机，其特征是：在大功率电机和交流变频调速控制通风机之间设有节能控制器，所述的节能控制器包括装于大功率电机绕组上的温度传感器和电机进风口、出风口的温度传感器，A/D转换器，信号分析与处理装置和D/A转换器，温度传感器感知的温度信号经过A/D转换器后送入信号分析与处理装置，在信号分析与处理装置中，按大电机在不同运行工况条件下，分段标定有定子绕组温升与进风口、出风口温升的函数关系，设定有插值运算方法，经过信号分析与处理装置处理后的信号再经过D/A转换器转换后输出交流变频调速控制通风机运转频率信号，控制通风机输出对应的通风量。
进一步的方案是：大功率电机绕组上装有6个温度传感器。对于交流电机而言，可以分别位于三相定子绕组上，每相绕组设置两个温度检测点；对于直流电机而言，可以位于电枢绕组和励磁绕组上。
更进一步的方案是：所述的信号分析与处理装置为可编程逻辑控制器及相应的控制软件，如西门子S7-300系列PLC。
所述的信号分析与处理装置也可以为全数字调节控制器。
该节能控制器适合于大功率直流电动机、交流电动机以及同步电动机组，控制器可以独立设计，也可以与大电机控制系统集成，成为大电机控制系统的一部分。
四、附图说明
图1是大功率电机通风冷却系统原理框图。
图2是大功率电机通风冷却系统的控制原理图。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明做详尽描述。
如图1和图2，一种大功率电机通风冷却系统，包括大功率电机和与大功率电机配套的交流变频调速控制通风机，其特征是：在大功率电机和交流变频调速控制通风机之间设有节能控制器，所述的节能控制器包括装于大功率电机定子绕组上的温度传感器和电机进风口、出风口的温度传感器，其中，定子绕组上装有6个温度传感器，分别位于U、V、W三相定子绕组上，每相绕组设置两个温度检测点，A/D转换器，信号分析与处理装置S7-300系列PLC和D/A转换器，温度传感器感知的温度信号经过A/D转换器后送入信号分析与处理装置，在信号分析与处理装置中，按大电机在不同运行工况条件下，分段标定有定子绕组温升与进风口、出风口温升的函数关系，设定有插值运算方法，经过信号分析与处理装置处理后的信号再经过D/A转换器转换后输出交流变频调速控制通风机运转频率信号，并通过通风控制变频器控制通风机输出对应的通风量。
本说明书以1800kW大功率交流立式电机的通风冷却系统为例，进一步介绍大电机通风冷却系统及其节能控制器的工作原理。
为了实时监测大电机绕组温度变化情况，本系统在电机设计制造阶段就在大电机的三相定子绕组对称设置了温度传感器-Pt100，每相绕组设置两个温度检测点，同时在电机进风口、出风口设置了温度传感器-Pt100，所有温度监测信号线缆送至大电机辅助接线盒。8路温度信号经A/D转换器后送入S7-300系列PLC的模拟量输入端，经过信号分析与处理，在大电机不同运行工况条件下，分段标定定子绕组温升与进出风口温升函数关系，节能控制器按照插值运算方法，根据绕组、进出风口不同的温度变化，再经过D/A转换器转换后节能控制器输出通风机运转频率信号，由通风控制变频器控制离心式通风机输出对应的通风量，满足大电机冷却需要。
采用该节能控制器的节能分析：
以本说明书论述的系统为例，大电机每天满负荷运转3小时，其余时间停车，每年运转300个工作日；辅机系统采用22kW通风机，每天通风机工作10小时(模型更换及数据处理期间通风机不停车)。如果采用传统控制方案，不考虑大电机负载变化，通风机满负载运转，每天通风机耗电220度，按照现行收费标准0.7元/度，每天通风机仅电费开支154元；每年运行300个工作日，每年需要运行费用46200.00元。如果采用通风节能控制器，大电机满负荷运转时通风机额定频率运行，及时带走大电机运转产生的热量；大电机停车期间，通风机以额定频率的10％运行，带走大电机的余热，又不用频繁起停通风机。每年需要运行费用电费开支13860.00，考虑通风机低频运行的耗电、变频器损耗等因数，通风机节能控制器每年至少节约3万度电能，节约2万元运行费用。
采用该节能控制器的综合效益分析：
(1)提高了通风机自动化控制水平：通风机根据大电机不同运行工况，综合考虑大电机额定负载、轻负载、空载、停车等不同情况，实时监测绕组温度、进出风口温度变化情况，自动调节通风机输出风量。节能控制器输出的频率信号既可以硬线直接传输至通风机控制变频器的模拟输入端子，也可以通过工业网络传输到通风机控制变频器，自动化程度高。
(2)改善了通风机的起动条件：以往通风机采用全压启动、Y/△启动、自藕变压器起动等，冲击电流大，对驱动皮带的磨损较大。通风机采用交流变频调速控制系统，降低了通风机起动电流，改善了通风机的起动条件，延长了设备寿命。
(3)降噪效果明显：通风机额定频率运转时，周边5米范围内噪声达到85db，采用该节能控制器，在大电机停车后，通风机低频运行时环境噪声降到55db以下。

Claims (4)

1、一种大功率电机通风冷却系统，包括大功率电机和与大功率电机配套的交流变频调速控制通风机，其特征是：在大功率电机和交流变频调速控制通风机之间设有节能控制器，所述的节能控制器包括装于大功率电机绕组上的温度传感器和电机进风口、出风口的温度传感器，A/D转换器，信号分析与处理装置和D/A转换器，温度传感器感知的温度信号经过A/D转换器后送入信号分析与处理装置，在信号分析与处理装置中，按大电机在不同运行工况条件下，分段标定有定子绕组温升与进风口、出风口温升的函数关系，设定有插值运算方法，经过信号分析与处理装置处理后的信号再经过D/A转换器转换后输出交流变频调速控制通风机运转频率信号，控制通风机输出对应的通风量。
2、根据权利要求1所述的大功率电机通风冷却系统，其特征是：大功率电机定子绕组上装有6个温度传感器，分别位于电机绕组上。
3、根据权利要求1所述的大功率电机通风冷却系统，其特征是：所述的信号分析与处理装置为可编程逻辑控制器及相应的控制软件。
4、根据权利要求1所述的大功率电机通风冷却系统，其特征是：所述的信号分析与处理装置为全数字调节控制器。
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