CN104330663A - 一种电动机绕组温升的在线监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动机绕组温升的在线监测方法和系统，属于电气技术领域，能够降低电动机的生产工艺复杂程度和生产成本。该电动机绕组温升的在线监测方法，包括：获取电动机的运行参数，其中，所述运行参数包括电动机的运行转速、输出转矩、绕组电压和绕组电流；获取电动机运转时长和当前环境温度；根据所述运行参数、所述电动机运转时长和所述当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

Description

一种电动机绕组温升的在线监测方法和系统

技术领域

本发明涉及电气技术领域，具体地说，涉及一种电动机绕组温升的监测方法和系统。

背景技术

由于受到安装空间和重量的限制，牵引电动机通常采用较高的电磁负荷。牵引电动机运行时所产生的损耗较高，发热比较严重，直接影响电动机的绝缘材料寿命和运行可靠性。另外，温升是电动机设计及运行中的一项重要指标，标志着电动机的发热程度，在运行中，如电动机温升突然增大，说明电动机有故障，或冷却系统故障或负荷太重。因此在牵引电动机工作的过程中时，必须实时在线监测其温升或温度，以确保能够及时对其采取过温保护措施，从而保证牵引电动机可长期可靠运行，减少不必要的经济损失。

其中，因电动机绕组为电动机在运行过程中内温升最显著的结构。因此，尤其需要在线监测电动机绕组的温升。

发明人发现，现有的电动机绕组温升的增大了电动机的生产工艺的复杂程度和生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动机绕组温升的在线监测方法和系统，能够降低电动机的生产工艺复杂程度和生产成本。

本发明提供一种电动机绕组温升的在线监测方法，包括：

获取电动机的运行参数，其中，所述运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流；

获取电动机运转时长和当前环境温度；

根据所述运行参数、所述电动机运转时长和所述当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

其中，所述运行参数还包括电动机转速。

其中，上述的方法还包括：确定所述运行参数、所述电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系。

其中，上述的方法还包括：判断所述当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值；

当判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于所述温升阈值，输出报警信号。

本发明带来了以下有益效果：在本发明实施例的技术方案中，提供了一种电动机绕组温升的在线监测方法，该方法通过获取电动机的运行参数、电动机运转时长和当前环境温度等物理量，根据预先设定的这些物理量与电动机绕组温升的对应关系，可得到当前电动机绕组温升。无需在电动机的生产过程中埋置温度传感器，能够在实现对电动机绕组温升的在线监测的同时，降低电动机的生产工艺复杂程度，提高了电动机的生产效率，进而降低电动机的生产成本。

本发明第二方面提供了一种电动机绕组温升的在线监测系统，包括：

第一获取模块，用于获取电动机的运行参数，其中，所述运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流；

第二获取模块，用于获取电动机运转时长和当前环境温度；

处理模块，用于根据所述运行参数、所述电动机运转时长和所述当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

所述运行参数还包括电动机转速。

处理模块还用于判断所述当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值。

报警模块，用于当处理模块判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于预设的所述温升阈值时，输出报警信号。

存储模块，用于存储预设的温升阈值或预设的温度阈值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的电动机绕组温升的在线监测方法的流程示意图一；

图2是本发明实施例提供的电动机绕组温升的在线监测方法的流程示意图二；

图3是本发明实施例提供的电动机绕组温升的在线监测系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

由于电动机在正常运转时，绕组通电后会产生铜损，导致电动机温度升高。因此，本实施例中首先提供了一种电动机绕组温升的在线监测方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S101、获取电动机的运行参数，其中，运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流。

运行参数还包括电动机当前的转速。其中，电动机的各项运行参数均是可实时在线测量得到的。

步骤S102、获取电动机运转时长和当前环境温度。

由于在电动机每天刚开始运转时，经过了一晚上或长时间的冷却，其温度与当时其所在环境的温度相等或接近。在有的地方，一天内的电动机所处的环境温度不会发生大变化。因此，可以考虑将每天电动机开始运转时获取到的电动机温度表征为当前环境温度，此时，可通过获取电动机的绕组的电阻值换算得到当前环境温度。

其中，环境温度指的是电动机的绕组周围的冷却介质的温度。若是利用周围的空气散热，则环境温度指的周围的气温；若是利用水或油等液体散热，则环境温度指的用于散热的液体温度。

另外，一般说来，在不考虑散热的前提下，当电动机为达到热平衡时，电动机运转时长越长，电动机绕组的温升越高。因此，要在线监测电动机绕组温升，也应当将电动机运转时长考虑进去。

步骤S103、根据运行参数、电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

由于电动机的使用场所与其所处环境温度的不同，常采用“温升”来表明电动机绝缘材料实际耐热程度的强弱。所谓温升，是指电气设备(包括电动机)高出环境的温度。电动机的额定温升，是指在设计规定的环境温度下，电动机绕组的最高允许温升，它取决于绕组的绝缘等级。每种绝缘材料只能承受一定的温升，超过自身允许的温升限度，就会加速绝缘的老化，缩短电动机使用寿命，而且还可能因绝缘损坏引发各种事故。因此，电动机过热故障的检查、检测和防护，对于降低事故率和减少事故损失及提高企业的经济效益是非常重要的。

在本发明实施例中，在获取到运行参数、电动机运转时长和当前环境温度之后，即可根据预设的各物理量与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

而现有技术中，通常采用在绕组内埋置温度传感器的方法，通过采集温度传感器的监测数据获得电动机当前温度，并将温度信号送入自动测量仪表，来实现对绕组的温升的在线监测。但温度传感器的埋置和固定需要在电动机的生产过程中进行，如此增加了电动机的生产工艺复杂程度和电动机的生产成本。

在本发明实施例的技术方案中，提供了一种电动机绕组温升的在线监测方法，该方法通过获取电动机的运行参数、电动机运转时长和当前环境温度等物理量，根据预先设定的这些物理量与电动机绕组温升的对应关系，可得到当前电动机绕组温升。无需在电动机的生产过程中埋置温度传感器，能够在实现对电动机绕组温升的在线监测的同时，降低电动机的生产工艺复杂程度，提高了电动机的生产效率，进而降低电动机的生产成本。

一般的，电动机可根据其散热方式分为风冷电动机、水冷电动机、油冷电动机等。其中，风冷电动机又包括强制风冷电动机、自扇风冷电动机和自然冷却电动机。强制风冷电动机即通过设置一风机等冷却装置，利用驱动该冷却装置产生的冷却气流，通过电动机内部的冷却风道对电动机进行冷却；自扇风冷电动机即为将用于散热的风扇与电动机的转子同轴设置，在电动机正常运行的过程中风扇旋转，将电动机外部空气吸入或抽入电动机内部为电动机散热；自然冷却电动机则仅依靠车辆行驶过程中产生的走行风，或利用空气密度随温度变化而产生的流体循环过程，将电动机产生的热量带走。由此可知，对于自扇风冷电动机而言，电动机转速对其散热效果是至关重要的。因此，在本发明实施例中，运行参数还包括电动机转速。即还需要通过电动机转速和电动机绕组温升的对应关系，得到电动机绕组温升。

需要说明的是，虽然电动机转速对于自扇风冷电动机的散热效果是至关重要的，但是电动机转速不同时，对电动机内部流体的搅动不同，因而各个部分的表面散热系数也会略有不同，因此电动机转速也同样影响着别的种类的电动机的散热效果。因此，对于水冷电动机、油冷电动机等其他种类的电动机，在利用本发明实施例所提供的方法监测电动机绕组温升时，也应当将电动机转速考虑进去，以便得到更理想、更精确的电动机绕组温升。

为了在线获得电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流、电动机转速等物理量，可分别通过设置在电动机内的扭矩测量装置、电压传感器、电流传感器、速度或位移传感器等装置测得，也可通过其他别的方式测得，本发明实施例对此不进行限制。

显然，本发明实施例所提供的方法需要建立在已经确定运行参数、电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系的基础上。

为了确定运行参数、电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，在本发明实施例中，可通过采取“控制变量法”的方式来确定运行参数、电动机运转时长和当前环境温度等物理量对电动机绕组温升的影响，根据各物理量对电动机绕组温升的影响，绘制温升曲线、冷却曲线等，进而根据这些曲线推导各物理量与电动机绕组温升的对应关系。

具体的，以确定运转参量中的电动机转速为例对“控制变量法”进行详细说明：在某一当前环境温度下，保持某一电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流等物理量的值固定不变。在同一电动机运转时长下，调整电动机转速的大小，得到每一电动机转速的大小对应的电动机绕组温升情况，基于该情况描点、绘制对应的温升曲线。得到电动机转速对应的温升曲线后，可根据该温升曲线利用数学工具构建电动机转速与电动机绕组温升的对应关系。

则，可利用类似的方法，分别确定电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流、电动机运转时长和当前环境温度等物理量与电动机绕组温升的对应关系。将这些对应关系进行叠加，可得到各对应关系的集合的表达形式为：Δθ＝f(t,n,T,U,I,τ)。其中，Δθ表征电动机绕组温升，t表征电动机运转时长，n表征电动机转速，T表征电动机的输出转矩，U表征电动机的绕组电压，I表征电动机的绕组电流，τ表征电动机的当前环境温度。

另外，可令电动机到达某一电动机绕组温升后，中断该电动机的工作，则可获取到在某一环境温度、某一电动机转速等情况下，电动机绕组温升随着时间的推移而降低的冷却曲线。该冷却曲线也有利于构建较为精准的各物理量与电动机绕组温升的对应关系。

在构建好各物理量与电动机绕组温升的对应关系之后，为了检验所获得的对应关系是否符合实际情况，需要将该对应关系实际运用于某一电动机上。并且该电动机的绕组内设置温度传感器，相关工作人员需要比对从该温度传感器获取到的电动机绕组温升和根据对应关系计算得到的电动机绕组温升之间的差距，进而根据差距调整各对应关系中的参数，以保证根据对应关系计算得到的电动机绕组温升符合实际情况。

由于不同规格的电动机的温升曲线、冷却曲线等表征电动机发热、散热情况的曲线可能不一样。因此，需要针对每一不同规则的电动机研究其的温升关系式Δθ＝f(t,n,T,U,I,τ)，之后将研究出来并得到实际检验的对应关系导入电动机中，以便于在线监测该电动机的绕组温升。

一般的，电动机绕组过热故障的原因可能有如下几个：(1)电动机过载运行。如：定、转子之间摩擦(俗称扫膛)、装配不合格、被驱动的机械部分有摩擦或犯卡等过载故障。(2)电动机缺相运行。(3)三相电压及三相电流的不平衡程度超出规定的允许范围。(4)电源电压过高或过低，超出电动机额定电压的允许变动范围(即±10％)。(5)电动机绕组接线错误。如：定子绕组某相端接头接反。(6)电动机绕组存在故障。如：绕组匝间或层间短路、绕组接地。(7)定子铁芯硅钢片之间绝缘损坏，以致定子铁芯短路，引起定子铁芯涡流增大，造成电动机过热。(8)启动频繁。(9)电动机周围环境温度过高，散热不良、冷却效果差。

综上所述，及时准确地检测和诊断电动机过热故障，对于迅速排除因过热引起的故障是非常重要的。因此，在电动机的日常运转中，必须密切监测电动机的温升，特别是绕组的温升，以期减少事故损失，保证生产正常进行。

因此，在本发明实施例中，如图2所示，该方法还包括：

步骤S201、判断当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值。

步骤S202、当判断到当前电动机绕组温升大于或等于温升阈值，输出报警信号。

其中，可以响铃、指示灯亮起等方式向工作人员输出报警信号，以使得工作人员可以及时注意到绕组的温升过高，工作人员可根据报警信号及时调整控制策略，例如通过调节电动机转速、电动机的绕组电压和绕组电流等方法降低绕组的温升，排除险情，保证电动机的正常运转和列车的正常运行。

则本发明实施例所提供的方法基于对电动机实时运行参数的监测和获取，通过大量试验构建出电动机绕组温升模型，可实时获得电动机当前绕组温升并进行监测，以防止工作人员无法及时了解到当前电动机绕组温升仍然满足预设的温升阈值、而当前电动机绕组温度已经过高的情况，从而可保证电动机的正常运转。

进一步的，本实施例还提供了一种电动机绕组温升的在线监测系统，该电动机绕组温升的在线监测系统为基于前文的电动机绕组温升的在线监测方法构建的，如图3所示，该系统包括：

第一获取模块，用于获取电动机的运行参数，其中，运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流。

第二获取模块，用于获取电动机运转时长和当前环境温度。

处理模块，用于根据运行参数、电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

对于自扇风冷电动机而言，电动机转速对其散热效果是至关重要的。进一步的，第一获取模块所获取到的运行参数还包括电动机转速。即处理模块还需要结合电动机转速和电动机绕组温升的对应关系，得到电动机绕组温升。

需要说明的是，虽然电动机转速对于自扇风冷电动机的散热效果是至关重要的，但是电动机转速不同时，对电动机内部流体的搅动不同，因而各个部分的表面散热系数也会略有不同，因此电动机转速也同样影响着别的种类的电动机的散热效果。因此，对于水冷电动机、油冷电动机等其他种类的电动机，在利用本发明实施例所提供的方法监测电动机绕组温升时，也应当将电动机转速考虑进去，以便得到更理想、更精确的电动机绕组温升。

其中，第一获取模块可包括转矩传感器、电压传感器、电流传感器和转速传感器，以使得第一获取模块可及时获取到电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流、电动机转速等运行参数。显然，第一获取模块还可包括其他可用于获取上述运行参数的硬件设备，例如电动机转速也可通过位置传感器获得，本发明实施例对此不进行限制。

具体的，第一获取模块中的转矩传感器、电压传感器、电流传感器和转速传感器输出的信号均为模拟信号。而处理模块的输入输出接口通常为二进制接口，即只能识别二进制信号。因此，为了保证第一获取模块和处理模块之间的正常通信，一般的，第一获取模块中还包括模拟/数字转换器(Analog-to-Digital Converter，简称ADC)，可将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

在温度变化不大的地方，当前环境温度可通过电动机低速起动时能够监测到的电动机绕组电阻值进行换算，并将该当前环境温度存储在该系统的第二获取模块内。当电动机停转足够长的时间时，即电动机各部分温度与周围环境温度相同或接近时，此时获取的电动机绕组电阻值有效。

进一步的，在本发明实施例中，处理模块还用于判断当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值。

当当前电动机绕组温升大于或等于预设的所述温升阈值时，为了使得工作人员能够注意到这一情况，本发明实施例提供的系统中，还包括报警模块，用于当处理模块判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于预设的所述温升阈值时，输出报警信号。以便于工作人员根据报警信号及时调整控制策略，例如通过调节电动机转速、电动机的绕组电压和绕组电流等方法降低绕组的温升，排除险情，保证电动机的正常运转和列车的正常运行。

其中，报警模块可为与处理模块相连的响铃、指示灯等可供提供报警信号以引起工作人员注意的设备，受控于处理模块。例如，当处理模块用于当处理模块判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于预设的所述温升阈值时，向报警模块输出指示信号，指示报警模块输出报警信号。

存储模块，用于存储预设的温升阈值，同时该存储模块还用于存储运行参数、电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系。工作人员在电动机运行之前，将根据电动机的属性、种类研究得到的对应关系存储入该监测系统的存储模块中，当电动机运行时，处理模块可调用位于存储模块内的对应关系，进而根据在线监测各运算参数实现在线监测电动机绕组的温升或温度。

具体的，处理模块可为具有较强运算能力的微型计算机，例如可为单片机(Single-Chip Microcomputer)、可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，简称PLC)等。其中，存储模块可位于处理模块内部，也可位于处理模块外部，为与处理模块相连的存储设备。本发明实施例对此不进行限定。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电动机绕组温升的在线监测方法，其特征在于，包括：

获取电动机的运行参数，其中，所述运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流；

获取电动机运转时长和当前环境温度；

根据所述运行参数、所述电动机运转时长和所述当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述运行参数还包括电动机转速。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

确定所述运行参数、所述电动机运转时长和当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：

判断所述当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值；

当判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于所述温升阈值，输出报警信号。

5.一种电动机绕组温升的在线监测系统，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取电动机的运行参数，其中，所述运行参数包括电动机的输出转矩、绕组电压、绕组电流；

第二获取模块，用于获取电动机运转时长和当前环境温度；

处理模块，用于根据所述运行参数、所述电动机运转时长和所述当前环境温度与电动机绕组温升的对应关系，得到当前电动机绕组温升。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述运行参数还包括电动机转速。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

处理模块还用于判断所述当前电动机绕组温升是否满足预设的温升阈值。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

报警模块，用于当处理模块判断到所述当前电动机绕组温升大于或等于预设的所述温升阈值时，输出报警信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

存储模块，用于存储预设的温升阈值或预设的温度阈值。