CN101029915A - 交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机的绕组温度测量和过热保护方法。属电工技术领域，包括下列步骤：采用电动机起动或堵转时的电流和电压来计算电动机的绕组电阻值，由电阻值和温度系数计算出电动机绕组的实际温度，并作为初始温度；在电动机转动后采用计及绕组电阻温度系数的方法利用定子电流推算电动机的温升，加上初始温度计算出电动机的实际温度；采用电动机的铭牌参数推算得到计算电动机温度升高时所用的参数；根据电动机当前和即将的运行模式和既往的运行经验数据预测温升过程和可能达到的最高温度，并用测量计算到的实际温度和(或)预测的温度来发出警告和(或)控制电动机的运转。采用本发明的方法，解决了既有方法存在的问题。

Description

交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法

技术领域

本发明属电工技术领域，更准确地说本发明涉及一种电动机的绕组温度测量和过热保护方法。

背景技术

电动机内所产生的各种损耗最终都转化为热能使电动机各部分的温度升高，过高的工作温度会缩短电动机内绝缘材料的工作寿命。电动机因起动困难、电源电压低、过载、冷却系统故障等原因会造成内部温度过高。因此必须测量运行状态中的电动机绕组的温度和对电动机实行过热保护。

对于交流感应电动机，内部的最大热源是电流在定子绕组电阻上的发热，电动机的定子绕组一般是用铜、铝等金属导线制成的，这些导线的电阻率有正的温度系数，绕组的电阻值会随着温度的升高而对应增大，因此测出电动机绕组的电阻就能推算出电动机的实际温度。但在电动机绕组上通着电时是不能采用欧姆表等一般工具和方法测量绕组电阻的。测量通电状态中的电动机的绕组电阻和推算电动机温度的方法主要有外加直流电源的方法和利用电动机自身定子绕组电流的方法。

文献一《数字式电动机热保护方法》(中国专利申请号200320105161)披露了一种采用外加直流电源的方法，该方法是在电动机定子绕组上外加一个直流电源，测量流过定子绕组的直流电流，用直流电压和直流电流计算出绕组的电阻值，再用这个电阻值和电阻的温度系数推算出电动机的温度。该方法存在的问题主是必须采用附加的直流电源和扼流圈，电阻的测量精度受到电动机本身流过的交流电流的影响。另外该方法因难以满足绝缘和耐压方面的要求不适合用于高压电动机。

文献二《基于参数辨识的异步电动机温度在线检测方法》(华北电力大学学报2002年4月号第29卷第2期第13页)披露了一种根据电机模型采用定子电压、定子电流辨识定子、转子的电阻的方法。该方法存在的主要问题是：必须在电动机稳态运行时才有效，实际电动机的严重发热很多是在起动、堵转、缺相等非稳态情况下产生的；要解多元微分方程组或进行重积分计算，电流、电压、频率、转速等外在参数的变化将导致计算出的电阻值产生离散；在进行转速估计时，要赋值和训练有三十多个参数的权矩阵，这在实际应用中是难以得到和验证这些参数的。

文献三《电动机温度推定装置和电动机控制装置》(中国专利申请号03808478)披露了一种用定子电流推定电动机体部分温度和绕组温度的方法，该方法考虑了电动机在停止状态和转动状态不同的散热特性对温度的影响。该方法存在的主要问题是：初始温度采用了环境温度，实际推定的是测量时间内定子电流引起的绕组温度升高值和电动机体的温度升高值，因而该方法仅适用于冷态启动的电动机。该方法未考虑不同的温度下绕组的电阻值是不同的，即使是相同的定子电流，其发热也有很大的差异。该方法用来推定电动机温度升高的参数值不容易得到，因而其实际应用受到限制。另外该方法只能推定已发生的温度升高，不能预测尚未发生而即将发生的温度升高。

发明内容：

本发明的发明目的是：

1、怎么能不采用外加直流电源而利用电动机本身的定子电流测量电动机绕组的电阻值从而推算出电动机的实际温度，特别是在电动机起动、堵转等产生严重发热的时候；

2、在用定子电流推算温度升高时采用绕组导体的温度系数进行校正，并且能容易地得到推算温度升高时要用到的参数；

3、怎样预测电动机可能发生的温度升高，从而对电动机进行控制，防止电动机发生过热。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，包括下列步骤：

(1)采用电动机起动或堵转时的电流和电压来计算电动机的绕组电阻值，由电阻值和温度系数计算出电动机绕组的实际温度，并作为初始温度；

(2)在电动机转动后采用计及绕组电阻温度系数的方法利用定子电流推算电动机的温升，加上初始温度计算出电动机的实际温度；

(3)采用电动机的铭牌参数推算得到计算电动机温度升高时所用的参数；

(4)根据电动机当前和即将的运行模式和既往的运行经验数据预测温升过程和可能达到的最高温度，并用测量计算到的实际温度和(或)预测的温度来发出警告和(或)控制电动机的运转。

在本发明中，披露了采用电动机启动时的电流i₁和电压u₁实时计算电动机绕组温度的方法。图1是感应电动机的单相T型等效电路。当转子不动(即转差率S＝1)时，忽略励磁支路后由机端测量到的视在电阻r为：

$r=r_1+{r_2}^{\′}=\mathrm{Re}\left(Z\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{U_1^{\′}}{i_1}\right)---\left(1\right)$

对于不同接线方式的电动机，应同时采用线电压和线电流，或者同时采用相电压和相电流，得到的是对应的视在线电阻值或视在相电阻值。线、相之间的参数换算基于普通的电工学知识。

绕组导线的电阻值随温度变化的关系式为：

r₁＝r₂₀[1+α(t-20)]                                     (2)

上式中t是当前的温度，r₁是在t温度下的电阻值，r₂₀是在20℃下的电阻值，α是温度系数，对于铜导线α取0.00382，对于铝导线α取0.0036。(若定子绕组和转子绕组的材料不相同，则根据铜、铝绕组的等效电阻之比，α取0.00382与0.0036之间的数值，或直接取二者的平均值，因为一般的电动机定子绕组电阻值和转子绕组的等效电阻值相差不大。)

将视在电阻值代入(2)式就能计算出当时的电动机温度值。计算出的视在电阻值中包含了定子绕组的电阻和转子绕组的等效电阻，因此推算出的温度是定子绕组和转子绕组以等效电阻值为权的平均温度。若电动机的产品手册没有给出在20℃下的电阻值参数时，可用停止运行数小时以上的电动机再次启动时的实测视在电阻值和当时的环境温度用(2)式推算出20℃时的电阻值数据。

当运行中的电动机因自身机械原因或负载原因导致堵转时，仍可以用本方法计算温度，而电动机的快速升温严重过热大部分是由于启动失败或堵转造成的，本发明能够较为准确地测量计算出这些情形下的电动机绕组的真实温度，因而具有很高的实用价值。

在本发明中，披露了一种区分电动机转子不转动和转动的方法。因为当在电动机转子不转动时，采用(1)、(2)式计算电动机温度的方法有效。由附图一可知，转子不转动时定子绕组视在阻抗的阻抗角为：

当转子开始转动时，转差率S由1开始下降，而此时

$Z=\frac{U_1^{\′}}{i_1^{\′}}=[r_1+r_2^{\′}+\left(\frac{1-s}{s}\right)r_2^{\′}]+j(x_1+x_2^{\′})---\left(4\right)$

由s＜1，得 $\frac{1-s}{s}>0,$ 因而得到

z′＜z                                                (6)

z′＜z                                            (7)

若符合(6)、(7)判据，则认为电动机转子已经转动，此时将转子转动前计算得到的温度作为电动机的初始温度。

在本发明中，披露了一种在电动机转子转动后计算绕组温度的方法，电动机绕组的温度由下式计算：

T_t＝T₀+ΔT                                            (8)

式中，T_t——当前(t时刻)电动机定子绕组的温度

      T₀——在转子刚转动前(t＝0时刻)计算出的电动机的初始温度

      ΔT——转子转动后定子绕组的温升

由热力学知识知道，对于绝热过程，有

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t\frac{p_{\mathrm{cu}}}{c_0\·w}\mathrm{dt}---\left(9\right)$

式中，p_cu——定子绕组的铜耗

      c₀——定子绕组的比热，对于特定的绕组材料是一常数

      w——定子绕组的重量，对于特定的电动机是一常数

而由电工学知识知道：

$p_u={\∫}_0^t{i}_1^2{r}_1\mathrm{dt}---\left(10\right)$

式中，i_t——通过定子绕组的电流，通过测量得到，

      r_t——定子绕组在t时刻的工频电阻，

通过(2)式和(8)的联立选代可求解出r_t。

由于W等参数很难从电动机的铭牌或产品手册中得到，因而使用上面的公式计算温升在实际工程中是有困难的。

采用(2)式和(10)可将(9)式重写为：

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t\frac{r_0}{c_0\·w}(1+\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{\Σ}}+T_0})i_1^2\mathrm{dt}---\left(11\right)$

将(11)式变换为(12)式：

因为电动机铭牌或产品手册中一般都给出了电动机的绝缘等级和启动参数，即知道了规定的环境温度T₀，最大温升限值ΔT、启动电流i_s及最大允许起动时间t_S，因此可以将上述数值代入(12)式，求得T₀时

的具体数值。在电动机起动时计算出初始温度后，再用(2)式对r0进行修正，就得到该初始温度下的

数值。

在本发明中，披露了一种根据电动机的实际起动数据来训练预测下次起动时电动机温升，并用此预测判断电动机起动是否会超温并决定是否闭锁电动机起动的方法。对于一台特定应用的电动机，在供电电压和所带负载特性一定时，其正常起动特性是一定的，每次起动都会测量到温升ΔT，设起动前电动机的初始温度为t₀，电动机正常起动后的温度为T_t，则

T_t＝T₀+ΔT                                  (13)

若T_t取电动机起动结束时允许达到的最高温度T_max，则允许的电动机起动前的初始温度的最高值为：

T_omax＝T_max-ΔT                             (14)

若电动机实际的温度已经大于T_omax，则闭锁电动机的起动回路，禁止其再次起动。

实际使用中的电动机，供电电压和负载都会有一定的变化，例如冬夏和昼夜环境温度的差异会使供电电压和负载特性形成以年和天为周期的变化，因而采用当次起动得到的温升数值来训练用于预测下次起动温升的模型数值。

一个最简单的训练方式是加权平均法，用于实测本次起动的温升为ΔT_k，本次起动的实际温升为ΔT_m，用于预测下次起动的温升为ΔT_K+1，则

ΔT_k+1＝kΔT_m+(1-k)ΔT_K                     (15)

加权系数K取0-1之间的值，与起动电压和负载特性的变化有关，初始给定一个值，其后取得的起动数据用于训练K值，提高起动温升的预测精度。

效果和优点  采用本发明的方法，解决了既有方法存在的问题。不需要外加直流电源，仅利用电动机定子本身的交流电压和电流就能计算出电动机在起动之初的电动机绕组实际温度，并且还能测量计算出电动机起动失败和堵转时的电动机绕组实际温度。计算定子电流的发热时计及了定子电阻本身温度效应对升温的影响，并且采用电动机的铭牌参数推出电流与发热的计算公式。采用了实测的电动机绕组温度而不是环境温度作为初始温度来推算电动机起动后的温度，不仅适用于冷态起动的电动机，也适用于热态起动的电动机。根据电动机的既往起动特性和允许温升预测电动机在当前的运行温度下能否再次起动。总之，采用本发明的方法提高了交流感应电动机绕组温度测量的准确度和过热保护的正确性，并能充分利用电动机的温升裕度优化对电动机运转的控制。

附图说明

图1是三相交流感应电动机的单相T型等效电路图。

图2是用本发明实施的交流感应电动机绕组温度测量和过热保护装置的原理框图。

图3是说明用程序实现本发明的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法的流程图。

具体实施方式：

实施例  下面是本发明的一个优选实施例，包括了采用本发明的方法实现的一个具体的三相交流感应电动机绕组温度测量和过热保护的装置。本发明的其它的特征、目的和优点也可以从实施例的说明和附图中看出。

从附图2中可以看到，电动机的电源电压由电压/电压变换器①变换为小幅值的波形信号后送给模数转换器④，电动机的定子电流由电流/电压变换器②变换为小幅值波形信号后也送给模数转换器④，由温度探头(若电动机已安装)来的温度信号经相应的温度变换器③转换成电压信号同样送给模数转换器④，根据电动机安装的一次电流互感器、电压互感器的相数以及温度探头的个数，变换器①、②、③可以有多个。

模数转换器④接收上述各变换器送来的模拟信号波形，并把每个波形数字化，数字化后的波形信号送给数字处理单元⑤，众所周知，模数转换器的位数和通道数是由信号的大小和多少确定的，进行模/数转换的时刻是由数字处理单元决定的。

数字处理单元⑤至少应含有微处理器，其接收模数转换器④送来的数字信号，按程序对数字信号进行处理，包括运算、判别、存贮等，并将处理结果送至输出单元⑥，众所周知，微处理器的位数、运算速度等并非本发明的技术关键，只需满足本实施例中对数据处理的要求，包括使用通用计算机系统。

输出单元⑥根据数字处理单元⑤的要求，将温度测量和过热保护的结果以需要的方式输出，这些方式包括：数据显示，不限定数字显示方式、或指针式表计指示方式，或其它的显示方式；状态指示，可以是灯光指示或声音指示，或其它的指示方式；控制命令输出，可以是继电器动作后接点的状态或其它方式实现的电路的通断或电位的高低等。输出的信息供操作人员观看或提醒操作人员或对电动机的运转状态进行控制，例如停机或禁止起动等。

附图3是要由微处理器执行的计算机程序的流程图。在每个定时中断处理程序中，微处理器获取模/数转换器提供的波形数据①，并对这些数据进行运算处理②，以便得到真实有效的信号数值，减小或消除可能的坏数据的影响。数据处理包括对电流、电压的波形数据进行全波傅立叶变换，以得到电流、电压信号的工频分量的向量值，还包括剔除从温度探头得到的异常数据和求取一定间隔内的温度平均值。

比较器③比较电动机定子绕组电流是否大于电动机允许的最大连续运行电流，该最大连续运行电流是由电动机的产品手册或技术条件规定的，可以通过人工设定方式输入给微处理器，输入方法可以是就地通过人机接口输入，也可以通过数字处理单元配带的通讯接口输入。

若比较器③的结果是否定的，表明电动机的实际电流不会导致温度的持续升高，因而采用散热方程计算电动机的温度下降④，得到电动机的实际温度。根据电动机冷却方式的不同可选择不同的散热时间常数。从事电动机测控的普通技术人员都能理解，自扇冷方式的电动机在运转或停转状态其散热效率是有明显差异时，因而可用判断定子电流的方式确定电动机的运转状态选用合适的散热时间常数。

若比较器③的结果是肯定的，说明当前电动机电流引起的发热已起过了电动机在运转状态下的散热，会引起电动机温度升高，因而必须对温度进行测量和计算。首先用电流、电压的向量值计算出视在阻抗，并继续计算出视在电阻，阻抗角以及阻抗角的变化量。

比较器⑥是用阻抗角及其变化量判断转子是否已经转动。若比较器⑥的结果是否定的，则说明电动机尚在起动起始阶段或在运行中发生了堵转，此时视在电阻与绕组平均温度的对应关系成立，就用视在电阻计算出绕组温度⑦。若比较器的结果是肯定的，则对应关系不再成立，改用发热方程来计算电动机的温升和实际温度⑧。

从上述三种计算方法④、⑦、⑧得到电动机的实际温度后，由比较器⑨来判断是否超过电动机的最高允许温度，该实际温度也用来显示。

若比较器⑨的结果是肯定的，则通过输出⑩给出警告或停止电动机的运转。比较器⑨可以有两级或更多级，分别用来判定实际温度是否超过报警温度或必须停转的温度等不同的限定值。

若比较器⑨的结果是否定的，表明当前温度未超过限定值，则根据当前温度和既往的起动温升来预测电动机再次起动可能达到的温度(11)。

比较器(12)用来判断再次起动是否会超过电动机起动时允许的最高温度。若结果是肯定的，则通过输出(13)给出警告或闭锁电动机的起动回路，禁止电动机再次起动。

比较器(14)用来判断电动机的状态变化和测量计算到的数据是否满足相应的需要校正或学习的参数的训练条件。若结果是肯定的，则进行相应的训练，对参数进行校正。这些需要和可以通过训练来校正的参数包括电动机的绕组等效电阻在某一温度下的基准值、运转和停转状态下的散热——降温时间常数，发热——升温时间常数等。众所周知，比较器(14)和训练器(15)可以采用多个级联，用来分别训练不同的参数。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，包括下列步骤：

(1)采用电动机起动或堵转时的电流和电压来计算电动机的绕组电阻值，由电阻值和温度系数计算出电动机绕组的实际温度，并作为初始温度；

(2)在电动机转动后采用计及绕组电阻温度系数的方法利用定子电流推算电动机的温升，加上初始温度计算出电动机的实际温度；

(3)采用电动机的铭牌参数推算得到计算电动机温度升高时所用的参数；

(4)根据电动机当前和即将的运行模式和既往的运行经验数据预测温升过程和可能达到的最高温度，并用测量计算到的实际温度和(或)预测的温度来发出警告和(或)控制电动机的运转。

2、根据权利要求1所述的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，其特征在于电动机初始温度计算为：当转子不动(即转差率S＝1)时，忽略励磁支路后由机端测量到的视在电阻r为：

$r=r_1+{r_2}^{\′}=\mathrm{Re}\left(Z\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{U_1^{\′}}{i_1}\right)---\left(1\right)$

对于不同接线方式的电动机，应同时采用线电压和线电流，或者同时采用相电压和相电流，得到的是对应的视在线电阻值或视在相电阻值；

绕组导线的电阻值随温度变化的关系式为：

r₁＝r₂₀[1+α(t-20)]                       (2)

上式中t是当前的温度，r₁是在t温度下的电阻值，r₂₀是在20℃下的电阻值，α是温度系数，对于铜导线α取0.00382，对于铝导线α取0.0036；

将视在电阻值代入(2)式就能计算出当时的电动机温度值。

3、根据权利要求2所述的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，其特征在于电动机转子转动和不转动时分别采用以下方法：当在电动机转子不转动时，采用(1)、(2)式计算电动机温度；转子不转动时定子绕组视在阻抗的阻抗角为：

当转子开始转动时，转差率S由1开始下降，而此时

$Z^{\′}=\frac{U_1^{\′}}{i_1^{\′}}=[r_1+r_2^{\′}+\left(\frac{1-s}{s}\right)r_2^{\′}]+j(x_1+x_2^{\′})---\left(4\right)$

由s＜1，得 $\frac{1-s}{s}>0,$ 因而得到

z′＜z                                  (6)

z′＜z                              (7)

若符合(6)、(7)判据，则认为电动机转子已经转动，此时将转子转动前计算得到的温度作为电动机的初始温度。

4、根据权利要求1所述的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，其特征在于当电动机转子转动时，电动机绕组的温度由下式计算：

T_t＝T₀+ΔT                           (8)

式中，T_t--当前(t时刻)电动机定子绕组的温度

T₀--在转子刚转动前(t＝0时刻)计算出的电动机的初始温度

ΔT--转子转动后定子绕组的温升

由热力学知识知道，对于绝热过程，有

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t\frac{p_{\mathrm{cu}}}{c_{0\·}w}\mathrm{dt}---\left(9\right)$

式中，p_cu--定子绕组的铜耗

      c₀--定子绕组的比热，对于特定的绕组材料是一常数

      w--定子绕组的重量，对于特定的电动机是一常数

而由电工学知识知道：

$p_u={\∫}_0^t{i}_t^2{r}_t\mathrm{dt}---\left(10\right)$

式中，i_t--通过定子绕组的电流，通过测量得到，

      r_t--定子绕组在t时刻的工频电阻，

通过(2)式和(8)的联立选代可求解出r_t。

5、根据权利要求4所述的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，其特征在于采用(2)式和(10)可将(9)式重写为：

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t\frac{r_0}{c_{0\·}w}(1+\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{\Σ}}+T_0})i_t^2\mathrm{dt}---\left(11\right)$

将(11)式变换为(12)式：

根据电动机铭牌或产品手册中一般给出的电动机的绝缘等级和启动参数，即环境温度T₀，最大温升限值ΔT、启动电流i_s及最大允许起动时间t_S，因此可以将上述数值代入(12)式，求得T₀时

的具体数值。

6、根据权利要求1所述的交流感应电动机的绕组温度测量和过热保护方法，其特征在于根据电动机的实际起动数据来训练预测下次起动时电动机温升，并用此预测判断电动机起动是否会超温并决定是否闭锁电动机起动的方法为：对于一台特定应用的电动机，在供电电压和所带负载特性一定时，其正常起动特性是一定的，每次起动都会测量到温升ΔT，设起动前电动机的初始温度为t₀，电动机正常起动后的温度为T_t，则

T_t＝T₀+ΔT                                     (13)

若T取电动机起动结束时允许达到的最高温度T_max，则允许的电动机起动前的初始温度的最高值为：

T_omax＝T_max-ΔT                                  (14)

若电动机实际的温度已经大于T_omax，则闭锁电动机的起动回路，禁止其再次起动。

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