CN109075563A - 用于保护具有含连续容量控制系统的电机驱动用电设备的装置的电动机的方法及这种电机的选择 - Google Patents

用于保护具有含连续容量控制系统的电机驱动用电设备的装置的电动机的方法及这种电机的选择 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于保护电机驱动用电设备的电动机的方法，所述电机驱动用电设备配备有用于控制所述用电设备的容量或功率的控制器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：‑通过在所述电机上直接测量，确定所述电机的热状态；以及‑根据前述确定的热状态，限制所述用电设备的最大容量或者最大功率。

Description

用于保护具有含连续容量控制系统的电机驱动用电设备的装 置的电动机的方法及这种电机的选择
技术领域
本发明涉及含有连续容量控制系统的电机驱动用电设备(motor drivenconsumer)的电动机。
更具体讲但不局限于此，本发明涉及用于压缩气体并由电动机驱动的形式为压缩机的用电设备。
背景技术
在压缩机的情况下，用电设备的容量表示为压缩机可供应的最大压缩气体流，例如，以每时间单位的升数表示，给被吸入的待被压缩的气体强加入口条件。压缩机的最大容量与压缩机的最大功率密切相关，因此功率取决于前述的容量和压缩机输出的压力。
对于压缩机，例如可以通过控制电动机的速度，保持压缩机输出的特定压力，来控制容量。当使用这种控制时，此压力下降，例如原因是被压缩气体的消耗增大，于是用于控制容量的控制器将使电机的速度增大，从而增大所供应的被压缩气体流，因此也增大压缩机下游的压力。
因此在这种情况下，通过控制速度来控制容量。
压缩机的其它类型的容量控制也是已知的，压缩机配备可围绕其纵向轴线旋转的可变入口叶片或可变出口叶片，并以此方式可以影响通过压缩机的气体流。
已知，压缩机的功率取决于环境条件。例如，冷的入口温度和高的环境压力将增大被吸入气体的入口密度，这使得容量和功耗增大。
此外，还已知功率可随使用期限增加而增大，主要是由于损耗和泄露的增大造成。
由于电动机通常是压缩机装置中仅次于最昂贵部件的部件，所以在设计部件的尺寸时不能够冒任何风险。与操作条件和老化行为有关的不确定性导致倾向于使电机超尺寸(overdimensioning)的重大折衷。
重大的电动机缺陷与热有关，例如由于在高温下绕组绝缘的退化造成，以及主要是由于较高温度下润滑剂的退化造成抗摩擦轴承的失效。这些温度主要受机械载荷和电机的冷却条件的影响。
目前应用以下方法来保护电动机。
保护电机的第一种已知方法依赖于根据在假设的最坏情况下对功率和冷却条件的估计，保守选择部件。
在设计中，根据最坏操作条件和由于老化的最差性能降低因素的假设，估计电机的功率和冷却条件。
这些条件通常由压缩机制造商估计，而电动机的所需尺寸的确定通常由电机供应商确定，因此，通常假定一种可能性很低但仍可能的情况。
第一种已知方法的缺点是，在电动机寿命的大多数操作时间保证电动机的尺寸超过通常是20％的因数。装置的寿命成本因此显著增大。
实际上，这种超尺寸在两个层面上出现，即在压缩机制造商的层面，由于对最坏情况功率的过度估计，以及在电机供应商层面，由于与基于最坏功率和冷却规定估计电机的热状态结合的种种估计。
另一个缺点是所述方法并没有实时地提供在电动机的使用期中估计和假设情况保持有效或受到重视的保证。实际上，电机的寿命降低以及不可预料的早期故障是可能发生的要素。
第二种已知方法依赖于根据对电功率和冷却条件进行估计的“过载”保护。
第二种方法通常使用：
-具有连续容量控制系统的压缩机；
-通过例如空气或水之类的冷却剂冷却的电动机；
-测量装置，其测量电动机的一相或所有相中的(平均)电流；以及
-测量仪器，其测量冷却剂的温度。
使用此第二种方法，由控制系统基于目前对电流和温度的测量以及与电压、功率因数和电机损耗有关的假设，估计当前的机械功率。
在这种情况下，基于测量的冷却剂的入口温度、冷却剂的密度的(隐式)假设、冷却流和热传递性能估计电机的当前冷却条件。此当前实际的冷却条件接着基于由电机供应商提供的转换规则被转换成当前最大可允许机械功率。
如果控制系统检测到估计的当前机械功率超过最大可允许机械功率，则压缩机的最大容量被封顶即被限制，保护电动机不过载。通常，激活PI或PID控制电路，将估计的当前机械功率降低到当前最大可允许机械功率的设定点。当功率已经在特定时间下降到低于阈值时，控制系统通常逐渐使得有更多的容量。
用于保护电机的此第二种方法提供两个优点，即：
-可以将压缩机制造商的规定从可能性非常低但仍可能发生的条件放宽到真实的最坏条件
-对电机有特定形式的实时保护。
然而，第二种方法具有许多缺点，更具体有：
-此方法对电机的热状态的估计是间接的，因此实际上，下面的所有相关的因素没有被正确地评估，结果必须由超尺寸来补偿，这增大了电机的成本价格：
o电压的偏差；
o电机相位的不平衡；
o冷却剂的低密度；
o冷却剂的不充分流动；
o由于这种最后提到的情况的污垢，(内部)换热器上不充分的热传递；
o测量的电流的准确度；
o等等；
-电机供应商在规定转换规则时是保守的，原因是其仍然只基于两个参数来评估电机的热状态；
-通常，由于电流的时间常数太短，系统是跳跃的。测量的电流的短时间的变化可能招致控制系统的不必要的反应；
-在起动电机时，由于高电流可能在起动过程中出现，所以保护电机的方法必须被暂时关闭；
-用于测量电流的测量仪器是昂贵的；
-必须针对每个电机尺寸和安装配置所述系统；
-对于较大电机，用于电流的测量仪器通常必须根据客户层面提供，这使试运行过程变得复杂化，原因是：
o必须建立与压缩机控制系统的物理连接；
o外部电流信号的输入/输出接口在试运行中必须被校准，但由于太费力，此工作基本上没有进行；
o用于电流的测量仪器的精度在电机的设计过程中是未知的，使得必须假设在更坏情况的值，这隐含地导致附加的超尺寸；
-系统取决于两个输入信号，即不能相互比较的电流和温度，使得不能够执行自诊断/评估。
发明内容
本发明的目的是提供前述缺点的一个或多个和其它缺点的解决方案。
为此目的，本发明涉及一种用于保护电机驱动用电设备的电动机的方法，所述电机驱动用电设备配备有用于控制用电设备的容量或功率的控制器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-通过在所述电机上直接测量，确定所述电机的热状态；以及
-根据前述确定的热状态，限制所述用电设备的最大容量或者最大功率。
以此方式，提出一种新型控制方法，其根据直接测量电动机的热状态，例如通过直接测量一个或多个电绕组(U-V-W)的温度和/或一个或多个轴承的温度来限制压缩机的容量。
在这样的情况下，电动机配备有用于测量绕组和/或轴承的温度并直接连接至控制器的传感器，所述控制器用于控制用电设备的容量。当达到或超过热限制之一时，即当所测量温度中的一个达到或超过温度的预设最大值时，所述控制器将限制压缩机的流动容量，并限制功率，由此，对于每个传感器，或者对于传感器中的至少一些，规定对应的最高温度。
电机的热状态的评估可取决于由电机设计者使用的以下测量温度的一种或每种可能的组合：
-一个或多个绕组的绝对温度，其在沿绕组的一个或多个位置测量；
-电机绕组和冷却剂的入口温度之间的温差，‘增量T’；
-一个或多个轴承的绝对温度，该一个或多个轴承分别是在电机的驱动端上的一个或多个轴承(DE)和/或在电机的非驱动端上的一个或多个轴承(NDE)。
根据本发明的方法的直接方式消除了如上面描述的所有类型的估计和假设的必要。这提供这样的优点：可防止超尺寸，将由此以较低成本产生较小的电机。实际上，压缩机制造商的规定可从发生可能性非常低但仍可能的条件放宽到现实的最坏情况条件，而对于电机供应商，与电机的热状态的估计有关的所有假设可以被消除。
另一优点是用于测量温度的传感器比用于测量电流的测量仪器要便宜很多，这进一步降低了电机驱动用电设备的设计成本，或者用相同成本可采用许多个传感器，更准确地评估电机的热状态，并保护电机不受到由热状态引起的破坏。
另一优点是温度限制通常是通用的，与电机尺寸无关，使得需要较少的配置。
而且，电机供应商通常提供预安装的温度传感器作为一种选择，这对于压缩机制造商在集成和部署方面提供优点。
另一优点是装置可以由压缩机制造商完全制备好并进行检查，可以消除在试运行过程中例如连接、校准、验证的动作以及类似动作。
另一优点是装置的热时间响应慢得多，这优先使控制系统的动态过程的跳跃要少得多。
另一额外的优点是应用根据本发明的方法，不需要在起动期间切断控制系统，从而防止由于电流尖峰造成电机关机。在起动时使电机过热所需的时间比起动时间更长。
优选地，对三相电机，测量三个绕组的温度。于是可实施自诊断系统，检测传感器中的一个的故障，因此防止电机和驱动用电设备的不期望的过早的立即关闭。从传感器的自诊断的观点看，所述方法例如可配置成将来自三个传感器的每个信号与另外两个比较，以便能够在相差太大时检测有缺陷的传感器，接着在检查或进行其它操作后，忽视来自此有缺陷的传感器的信号。
许多个独立传感器的优点是从统计观点看，相比在单个(电流)测量仪器的情况，准确率明显更高。
所述用于保护电动机的方法还可以应用到其它类型的驱动用电设备，例如扩张器、泵、通风机、冷却器和配备有连续容量控制系统的类似装置，连续容量控制系统适于例如通过调节速度、通过控制入口导叶和/或出口导叶、节流阀或类似装置来控制流量，从而截断功率。
具体讲，所述方法适合应用到具有可变入口导叶(IGV)的离心压缩机。
本发明还涉及用于保护电机驱动用电设备的电机的装置，所述电机驱动用电设备配备有用于控制所述用电设备的容量或功率的控制器，由此，所述装置设置有用于通过在所述电机上直接测量确定所述电机的热状态的传感器，并设置有根据前述确定的热状态限制所述用电设备的最大容量或者最大功率的装置。
优选地，在装置的设计中，选择电机，使得其在额定操作条件下所述装置预期的最大容量等于或者小于与在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率对应的用电设备的功率，或者优选比所述用电设备的功率大最多5％。
本发明还涉及在此装置的设计中针对额定操作条件选择电动机的方法，其特征在于，选择具有的功率等于或稍微大于所述用电设备的功率的电机，所述用电设备的功率对应于在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率。
本发明还涉及在设计中针对装置的额定操作条件根据本发明选择电动机、驱动用电设备的方法，所述用电设备配备有用于控制所述用电设备的容量或功率的控制器，其特征在于，选择具有的功率等于或稍微大于所述用电设备的功率的电机，所述用电设备的功率对应于在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率。
此方法的一个优点是可选择具有适合功率的电机，而不必考虑不充分冷却及类似情况的严重的超尺寸和破坏情形。
附图说明
本发明更好地展示了本发明的特征，在本文后面通过实例参照附图不加任何限制性质，描述根据本发明的用于保护用电设备的电机的方法和装置的几个优选应用，附图中：
图1示意性示出根据本发明的装置；
图2示出图1装置的含有对电机的额外冷却的一种变形；
图3示出图1装置的另一种变形。
具体实施方式
作为实例，在图1中示出装置1，装置1具有形式为压缩机元件3的用电设备2，压缩机元件3由具有三个绕组5(更具体讲每相一个绕组)的三相电动机4机械驱动。
电机4包括通过轴承可旋转附接在外壳内的转子，所述轴承相应地是电机4的驱动端(DE)上的一个或多个轴承12，以及电机4的非驱动端(NDE)上的一个或多个轴承13。
压缩机元件3设置有用于供应待被压缩的气体的入口6和用于将压缩后气体供应至用于压缩后气体的分配网络8的出口7。
压缩机元件3还设置有限制压缩机元件3的容量(换言之限制其流量或功率)的装置9，因此，在这种情况下，这些装置9由节流阀10或者替代性地由入口6中的入口导叶形成。
在这种情况下，装置9被控制器11根据源于传感器14和/或传感器15的信号控制，传感器14用于直接测量一个或多个前述的绕组5的温度，传感器15用于直接测量一个或多个轴承12和/或13的温度，因此在这种情况下，这些信号通过电线16反馈回控制器11。
在图1的实例中，每个绕组5和每个轴承12、13设置有这种传感器14或传感器15。
对于有关的每个传感器14和/或传感器15，给控制器11设置绕组5和轴承12的温度的预设最大值，超过此值，压缩机元件的最大容量必须被限制，防止此温度的进一步升高，保护电机不过热。
为此，连续地或者以特定的频率将用传感器14和/或传感器15测量的温度与对应的每个传感器14和/或传感器15的预输入最大值比较。
所测量的温度中有一个一达到或超过对应值，则控制器被编制成使得例如通过以设置值转动节流阀10或者入口导叶使其关闭，设置值例如在节流阀10或者入口导叶的整个范围的共计5％到10％的角度，限制压缩机元件3的最大容量和/或最大功率。
如果在降低最大容量的时间过去之后，所有的测量温度已经下降到低于每个传感器的设置较低阈值，则控制器11被配置成在设置时间跨度或其它之后，再次将最大可允许容量提高到例如装置1设计成具有的初始最大值，或者通过再次将节流阀10打开小的递增档，直到所测量的温度已经达到设置的较低阈值，使得在该时间，压缩机供应其在该时间可能的、没有在给定的操作条件下造成损坏的风险的最大容量。
每个传感器的温度的设置最大值和温度的设置较低阈值可以相同或者不同。
可以可选地给控制器11提供算法，所述算法通过将由三个传感器14测量的所关心温度进行相互比较，自诊断绕组5上传感器14的条件，由此，当由此传感器14测量的温度与由另外两个传感器14测量的温度相差超过特定的设置值时，可认为此传感器有缺陷。在这种情况下，控制器11可以忽略由有缺陷的传感器14的测量，和/或给操作员指示，使得传感器可以被校验和/或如果需要则被替换。
图2的装置不同于图1的装置之处在于在这种情况下提供冷却16，在这种情况下由风扇17形成冷却16，风扇17吹电机4周围作为冷却剂18的周围空气，不同之处还在于提供附加传感器19，测量冷却器18的入口温度。
对于每个传感器14、15或者对于其至少一部分，在这种情况下，有关传感器14或传感器15的测量温度和由温度19测量的冷却剂的入口温度之间的温差的最大值被事先输入在控制器11中。
在这种情况下，根据本发明的方法包括以下替代性或附加步骤：
-对于至少一个传感器14或传感器15，确定冷却剂18的前述入口温度和有关传感器14或传感器15的测量温度之间的温差；
-连续地或者在各时间间隔，将此温差与有关传感器14或传感器15的温差的对应预输入最大值进行比较；
-当至少一个传感器的温差已经达到或超过对应的最大值时，通过将节流阀10转动预设角度，限制压缩机元件3的容量和/或功率。
基于测量的绝对温度或者基于温差，限制压缩机元件3的容量可以被单独地或者结合应用。
图3示出根据本发明的例如图1的装置的替代性装置，但不同之处是用于控制压缩机元件3的容量或功率的装置9现在由电机4的(因此也是压缩机元件3的)变速控制器20形成，替代图1的节流阀10或入口导叶。
在这种情况下，保护电机4不过热可以通过如同在图1装置的情况下的类似算法进行，但不同之处是在这种情况下，由控制器11通过将速度降低特定值来对容量进行限制。
与图1的实施例的另外的不同是后一实施例并不给每个绕组5和每个轴承12、13设置传感器14或传感器15，且在有关绕组5的长度上在一个绕组5中设置许多个传感器14。
用于控制用电设备2的容量的装置9不局限于上面描述的节流阀10、入口导叶或变速控制器20，而是可以以其它方式实现，例如以可变扩散器叶片或类似装置的形式实现。装置9的许多类型的组合也形成各种可能性的一部分。
本发明不局限于应用到作为用电设备2的压缩机元件3，而是例如还可应用到扩张器、泵、通风机、冷却器等类似装置。
要强调的是，根据本发明的方法不使用电流测量值或估计的参数，而是只基于直接温度测量值。
本发明决不局限于作为实例描述并在图中示出的实施例，而是在不偏离本发明的范围下可根据不同的变形实现这种方法和装置。

Claims (24)

1.一种用于保护电机驱动用电设备的电动机的方法，所述电机驱动用电设备配备有用于控制所述用电设备的容量或功率的控制器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-通过在所述电机上直接测量，确定所述电机的热状态；以及
-根据前述确定的热状态，限制所述用电设备的最大容量或者最大功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机设置有一个或多个电绕组，并设置有一个或多个轴承，由此，对于确定所述电机的热状态，所述方法包括步骤：测量一个或多个绕组和/或一个或多个轴承的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于温度的测量，使用一个或多个传感器，所述一个或多个传感器的信号直接反馈回前述的控制器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述电机的至少一个绕组，沿所述绕组的长度设置两个或更多个传感器。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，其特征在于，对于前述传感器的至少一部分的每一个，事先在所述控制器中输入温度的最大值，所述方法包括以下步骤：
-对于至少一个传感器，连续地或者以特定的时间间隔，将所测量的温度与事先输入的对应的最大值比较；
-当所述传感器测量的温度已经达到或超过所述对应的最大值时，以预设值限制所述用电设备的最大容量和/或最大功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述传感器的温度已经下降到低于所述对应的最大值时，再次增大所述用电设备的最大容量或者最大功率，直到达到有关的最大值。
7.根据权利要求3到权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，所述电机设置有两个或更多个用于测量温度的传感器，所述方法包括步骤：对于这些传感器中的至少一个，当所测量的温度已经达到或超过对应的最大值时，限制所述用电设备的最大容量或最大功率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电机设置有三个或更多个用于测量绕组的温度的传感器，所述方法包括步骤：通过将由所述传感器测量的温度进行相互比较，执行所述传感器的自诊断，并且当由一个传感器测量的温度与由其它传感器测量的温度相差超过特定的设置值时，认为所述一个传感器有缺陷。
9.根据权利要求3到权利要求8中任一项所述的方法，其特征在于，使用冷却剂提供对所述电机的冷却，对于前述传感器的至少一部分中的每一个，有关传感器的测量温度和所述冷却剂的入口温度之间的温差的最大值事先被输入到所述控制器中，因此，所述方法包括以下步骤：
-确定在冷却输入处的冷却剂的入口温度；
-对于至少一个传感器，确定所述冷却剂的前述入口温度和有关传感器的测量温度之间的温差；
-连续地或者以时间间隔将此温差与有关传感器的事先输入的温差的对应最大值比较；
-当所述传感器的至少一个的温差已经达到或超过所述对应的最大值时，以预设值限制所述用电设备的容量和/或功率。
10.根据权利要求5和/或权利要求9所述的方法，其特征在于，在设置时间间隔过去或者其它方式之后，在对于每个传感器的测量的温度和/或温差已经下降到低于设置值之后，将所述用电设备的最大容量或最大功率再次设置得更高。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述电机的热状态取决于以下特征中的一个或者这些特征的任何组合：
-在所述绕组的一个点或者在所述绕组的长度上的许多点，所述至少一个绕组或所有绕组的绝对温度；
-至少一个绕组和所述冷却剂的入口温度之间的温差；
-至少一个轴承的绝对温度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述用电设备是来自以下非详尽列表中的一个：
-压缩机；
-扩张器；
-泵；
-通风机；
-冷却器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述用电设备设置有限制功率的装置，由此，这些装置由前述的控制器控制容量。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，用于限制容量或功率的装置由来自以下非详尽列表的一个或多个装置形成：
-可变入口叶片(IGV或入口导叶)；
-可变扩散器叶片；
-节流阀；
-可变速度。
15.根据权利要求12和权利要求14所述的方法，其特征在于，所述用电设备是具有受控可变入口叶片的离心压缩机，所述受控可变入口叶片能够在从最大打开到最大闭合的范围内旋转，由此，当达到或超过所测量的温度或所述温差的前述最大值时，为了限制所述用电设备的容量或功率，所述入口叶片在从打开到闭合的旋转方向上旋转前述范围的5％到10％。
16.根据权利要求12和权利要求14所述的方法，其特征在于，所述用电设备是含有电机速度控制的压缩机，由此，当达到或超过所测量的温度或所述温差的前述最大值时，为了限制所述用电设备的容量或功率，所述速度向下调节5％到10％。
17.根据前述权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，所述方法仅基于温度测量。
18.一种用于保护电机驱动用电设备的电机的装置，所述电机驱动用电设备配备有用于控制所述用电设备的容量或功率的控制器，其特征在于，所述装置设置有用于通过在所述电机上直接测量确定所述电机的热状态的传感器，并设置有根据前述确定的热状态限制所述用电设备的最大容量或者最大功率的装置。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述电动机设置有一个或多个电绕组，并设置有一个或多个轴承，用于确定所述电机的热状态的装置由用于测量一个或多个绕组的温度的一个或多个传感器和/或用于测量一个或多个轴承的温度的一个或多个传感器形成，由此，对所述传感器的至少一部分的每一个设置最大温度值，且由此，所述控制器使得当所测量的温度达到或超过对应的设置最大值时，所述控制器将降低所述用电设备的最大容量或者最大功率。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的装置，其特征在于，使用冷却剂提供对所述电动机的冷却，且所述电动机设置有用于测量冷却输入处冷却剂的入口温度的传感器，由此，对于前述传感器的至少一部分中的每一个，设置有关传感器的测量温度和所述冷却剂的入口温度之间的温差的最大值，并且由此，所述控制器使得当所述温差达到或超过对应的设置最大值时，所述控制器将降低所述用电设备的最大容量或最大功率。
21.根据权利要求18到权利要求20中任一项所述的装置，其特征在于，对于所述控制器，仅使用用于温度的前述传感器。
22.根据权利要求18到权利要求21中任一项所述的装置，其特征在于，在设计中，针对额定操作条件选择所述电动机，使得其最大功率等于或稍微大于与在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率对应的用电设备的功率。
23.根据权利要求18到权利要求22中任一项所述的装置，其特征在于，在设计中，针对额定操作条件选择所述电动机，使得其最大功率比对应于在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率的用电设备的功率大最多5％，优选大最多2％，甚至更优选大最多1％，或优选等于所述用电设备的功率。
24.一种选择电动机的方法，用于在根据权利要求18到权利要求21中任一项所述的装置的设计中，针对额定操作条件选择电动机，以驱动配备有用于控制用电设备的容量或功率的控制器的用电设备，其特征在于，选择具有的功率等于或稍微大于所述用电设备的功率的电机，所述用电设备的功率对应于在有关额定操作条件下所述用电设备的最大容量或最大功率。
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