CN110224376B - 多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法 - Google Patents

多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法 Download PDF

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Abstract

多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，属于电动机控制技术领域，解决电机固有的保护控制系统的动作值不允许电机在其他负载方式下运行的问题。技术要点：计算电磁转矩，确定电机过载能力；建立电机动态数学模型，计算绕组电流；确定电机内损耗；建立三相感应电动机流体‑温度场三维耦合分析模型；根据三相感应电动机在短时工作制下，驱动不同负载运行时的温升值，确定电机驱动负载过载运行时的短时工作时限；计算电机过载运行时的起动时间及运行电流，根据电流值及电机过载保护、过流保护及短路保护的整定要求确定电机短时过载运行时保护动作的阈值，确定电动机过流保护需躲开的起动时间值。本发明为电机多负载方式的运行提供安全保障。

Description

多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法
技术领域
本发明涉及一种电动机保护系统阈值的确定方法，具体涉及一种三相感应电动机在多种负载工作制下运行时保护系统阈值的确定方法，属于电动机控制技术领域。
背景技术
三相感应电动机的负载工作制分为连续负载(S1)、短时负载(S2)、断续周期负载(S3)和包括起动的断续周期负载(S4)等负载工作制。在实际生产及现实应用中，因工作需求，常需要一台电动机能够在不同负载方式下进行工作，以降低成本并提高生产效率。
连续负载工作制电动机和短时或断续周期工作制电动机可以互相代替，但电机固有的保护控制系统的动作值不允许电机在其他负载方式下运行。例如，一台S1工作制电机，额定功率为10kW，当此台电机在S2短时工作制下运行时，驱动负载容量可能为12kW，但由于此时电机的工作电流可能超过电机保护装置的保护电流动作值，因此保护环节将动作，切断电机的运行，导致电机无法实现多工作制下的运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，根据电机不同工作制下的负载形式，对电机的电流、转矩和温升进行计算，从而合理确定三相感应电动机在多种负载形式下运行时的过载能力及保护系统的动作值。以解决电机固有的保护控制系统的动作值不允许电机在其他负载方式下运行的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：
步骤1：计算电磁转矩，确定电机过载能力；
根据电机负载转矩及负载系统的飞轮转矩计算电机内电磁感应所产生的电磁转矩，采集电磁转矩随运行时间的变化情况，判断电机过载运行时的起动能力；
步骤2：建立电机动态数学模型，计算绕组电流；
根据电机的电阻及电抗参数，以及电机内电磁关系，建立电机动态数学模型，并计算电机绕组起动电流及运行电流，采集电机转速随时间的变化值；
步骤3：确定电机内损耗；
基于电机电阻、电抗参数及绕组内的电流值，获取电机定子绕组及转子导条损耗；根据电机内磁场分布，确定铁心损耗；
步骤4：建立三相感应电动机流体-温度场三维耦合分析模型；
根据电机电磁结构及冷却结构，建立电机流体-温度场耦合分析模型，将步骤3所获取的损耗值作为电机瞬态热源，将所采集的转速值作为电机转子转速边界；对三维耦合分析模型进行求解，得到电机带不同负载运行时的温升值；
步骤5：保护系统阈值的确定；
根据三相感应电动机在短时工作制下，驱动不同负载运行时的温升值，确定电机驱动某一负载过载运行时的短时工作时限；计算电机过载运行时的起动时间及运行电流，根据电流值及电机过载保护、过流保护及短路保护的整定要求确定电机短时过载运行时保护动作的具体阈值，并确定电动机过流保护需要躲开的起动时间值。
进一步地：步骤4中，所述的耦合分析模型中包括定子绕组及铁心、转子导条及铁心和通风沟，通风沟内为冷却气体，由转子的旋转带动冷却气体的流动，实现电机的散热。
进一步地：步骤5中，采用热继电器实现电机的过载保护时，热继电器的整定电流值为电动机工作电流的0.95～1.05倍。
进一步地：步骤5中，电机过流保护需躲过电机的起动时间并留有一定裕度。
进一步地：步骤1中，电机负载转矩及负载系统的飞轮转矩由公式(1)计算电机内电磁感应所产生的电磁转矩；
Figure BDA0002126629120000021
式中：Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩；GD2为系统的飞轮转矩；ns为电机同步转速；ω为转子角速度；PN为电机额定功率。
进一步地：步骤2中，电机动态数学模型形式如公式(2)和(3)所示，结合公式(1)计算电机绕组起动电流及运行电流，采集电机转速随时间的变化值；
Figure BDA0002126629120000031
Te＝Xm(iT1iM2-iM1iT2) (3)
式中：r1、r2分别为定、转子每相电阻；iM1、iT1、iM2、iT2为定、转子两相电流；uM1、uT1为定子两相电压；Xss、Xrr、Xm分别为定、转子自电感和互感；p为微分算子。
本发明所达到的效果为：
本发明提出了一种连续工作制电机应用于短时工作制时，电机保护系统阈值的确定方法，根据电机不同工作制下的负载形式，对电机的电流、转矩和温升进行计算，从而合理确定三相感应电动机在多种负载形式下运行时的过载能力及保护系统的动作值，为电机多负载方式的运行提供安全保障，尤其是对价格昂贵的中大型电机，可大大降低生产成本、实现电机多场合的充分利用。同时对电机过载运行时的起动能力进行预测，避免了电机起动时，因起动转矩不足而导致的电机堵转等故障，大大降低了电机多负载方式运行时起动故障发生的几率，减少经济投入。
附图说明
图1为电机驱动额定负载、1.1倍、1.2倍、1.4倍及1.5倍额定负载运行时电机起动电流随运行时间的变化情况曲线图；
图2为电机三维流体-温度场耦合分析模型示意图；
图3为电机驱动额定负载、1.1倍、1.2倍、1.4倍及1.5倍额定负载运行时电机内最高温升随运行时间的变化情况曲线图；
图中：1-定子绝缘；2-定子绕组；3-槽楔；4-气隙；5-转子导条；6-转轴；7-转子通风道；8-转子铁心；9-定子铁心；10-定子通风道。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
实施例1：如图1至图3所示，本实施例所分析电机为中型高压三相感应电动机，S1工作制下额定功率为2500kW。电机定子和转子采用空-空冷却方式。
步骤A、根据电机起动特性的计算结果，确定电机的过载能力。当本实施例中所述电机的负载转矩达到额定负载转矩的1.5倍时，此电机将发生堵转，导致电机绕组中长时间维持较大的起动电流，电机将不能可靠起动。因此，当电机过载运行时首先对电机的过载能力进行计算。根据电机负载转矩及负载系统的飞轮转矩由公式(1)计算电机内电磁感应所产生的电磁转矩，采集电磁转矩随运行时间的变化情况，判断电机过载运行时的起动能力。
Figure BDA0002126629120000041
其中：式中：Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩；GD2为系统的飞轮转矩；ns为电机同步转速；ω为转子角速度；PN为电机额定功率。
步骤B、根据电机的电阻及电抗参数，及电机内电磁关系，建立电机动态数学模型，模型形式如公式(2)和(3)所示，结合公式(1)计算电机绕组起动电流及运行电流，采集电机转速随时间的变化值。
Figure BDA0002126629120000042
Te＝Xm(iT1iM2-iM1iT2) (3)
其中：r1、r2分别为定、转子每相电阻；iM1、iT1、iM2、iT2为定、转子两相电流；uM1、uT1为定子两相电压；Xss、Xrr、Xm分别为定、转子自电感和互感；p为微分算子。
步骤C、根据绕组电流值及绕组电阻计算电机内定子绕组和转子导条损耗(I2R)随时间变化情况，并由电机内磁通计算获取电机铁心损耗。
步骤D、将所述的损耗值作为三维流体-温度场耦合分析模型的边界条件，并求解瞬态流体场及温度场。
步骤E、根据所采集温升确定，本实施例中的连续工作制三相感应电动机驱动1.1倍、1.2倍及1.4倍额定负载时，可允许最长短时过载运行时间分别为：39分钟、58分钟及72分钟。
电机短时运行时过载保护整定值的确定。采用热继电器实现电机的过载保护时，热继电器的整定电流值通常为电动机工作电流的0.95～1.05倍，即与电动机的额定运行电流基本一致。本实施例中的三相感应电动机在连续工作制下的额定电流为282A。由图1计算结果可知，当此台电机驱动1.1倍、1.2倍及1.4倍额定负载短时运行时，电机的额定电流分别为：315A、342.6A和399.3A。因此，本例中连续工作制电机驱动1.1、1.2及1.4倍负载短时运行时，过载保护整定的电流值可分别根据315A、342.6A和399.3A进行设置。
若短时运行时电机过流保护设定为额定电流的1.3倍，则此台电机在1.1、1.2及1.4倍负载短时运行时，过流保护的整定值可分别根据409.5A、445A和519A进行设置。电机过流保护需躲过电机的起动时间并留有一定裕度，若设定躲过时间为实际起动时间的1.2倍，则驱动1.1、1.2及1.4倍运行时，过流保护需留有的起动时间裕度分别为：9秒、12秒及15秒。电机短时运行的短路保护整定值可参考连续工作制下的短路保护进行整定。
实施例2：本实施例与实施例1的不同在于：本实施例中，电机为封闭式三相感应电动机，S1工作制下额定功率为110kW。
根据所采集温升得知本实施例中的连续工作制三相感应电动机驱动1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍及1.5倍额定负载时，可允许最长短时过载运行时间分别为：15分钟、19分钟、25分钟36分钟及60分钟。
本实施例中的三相感应电动机在连续工作制下的额定电流为115A。计算得知，当此台电机驱动1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍及1.5倍额定负载短时运行时，电机的额定电流分别为：128.5A、139A、150.5A、161.8A和173.3A。若过载保护与电机额定运行电流设置一致，则本例中连续工作制电机驱动1.1、1.2、1.3、1.4及1.5倍负载短时运行时，过载保护整定的电流值可分别根据128.5A、139A、150.5A、161.8A和173.3A进行设置。
若短时运行时电机过流保护设定为额定电流的1.3倍，则此台电机在1.1、1.2、1.3、1.4及1.5倍负载短时运行时，过流保护的整定值可分别根据167A、180A、195、210A和260A进行设置。电机过流保护需躲过电机的起动时间并留有一定裕度，此台电机驱动1.5倍负载运行时起动时间约为1.5秒，因此，此台电机驱动1.1-1.5倍运行时，过流保护需留有的起动时间裕度为2秒即可。电机短时运行的短路保护整定值可参考连续工作制下的短路保护进行整定。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (5)

1.多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1：计算电磁转矩，确定电机过载能力；
根据电机负载转矩及负载系统的飞轮转矩计算电机内电磁感应所产生的电磁转矩，采集电磁转矩随运行时间的变化情况，判断电机过载运行时的起动能力；
步骤2：建立电机动态数学模型，计算绕组电流；
根据电机的电阻及电抗参数，以及电机内电磁关系，建立电机动态数学模型，并计算电机绕组起动电流及运行电流，采集电机转速随时间的变化值；
步骤3：确定电机内损耗；
基于电机电阻、电抗参数及绕组内的电流值，获取电机定子绕组及转子导条损耗；根据电机内磁场分布，确定铁心损耗；
步骤4：建立三相感应电动机流体-温度场三维耦合分析模型；
根据电机电磁结构及冷却结构，建立电机流体-温度场耦合分析模型，将步骤3所获取的损耗值作为电机瞬态热源，将所采集的转速值作为电机转子转速边界；对三维耦合分析模型进行求解，得到电机带不同负载运行时的温升值；
步骤5：保护系统阈值的确定；
根据三相感应电动机在短时工作制下，驱动不同负载运行时的温升值，确定电机驱动某一负载过载运行时的短时工作时限；计算电机过载运行时的起动时间及运行电流，根据电流值及电机过载保护、过流保护及短路保护的整定要求确定电机短时过载运行时保护动作的具体阈值，并确定电动机过流保护需要躲开的起动时间值；
步骤5中，电机过流保护需躲过电机的起动时间并留有一定裕度。
2.根据权利要求1所述的多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，其特征在于：步骤4中，所述的耦合分析模型中包括定子绕组及铁心、转子导条及铁心和通风沟，通风沟内为冷却气体，由转子的旋转带动冷却气体的流动，实现电机的散热。
3.根据权利要求1所述的多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，其特征在于：步骤5中，采用热继电器实现电机的过载保护时，热继电器的整定电流值为电动机工作电流的0.95～1.05倍。
4.根据权利要求1所述的多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，其特征在于：步骤1中，电机负载转矩及负载系统的飞轮转矩由公式(1)计算电机内电磁感应所产生的电磁转矩；
Figure FDA0002952183730000021
式中：Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩；GD2为系统的飞轮转矩；ns为电机同步转速；ω为转子角速度；PN为电机额定功率。
5.根据权利要求4所述的多工作制三相感应电动机保护系统阈值的确定方法，其特征在于：步骤2中，电机动态数学模型形式如公式(2)和(3)所示，结合公式(1)计算电机绕组起动电流及运行电流，采集电机转速随时间的变化值；
Figure FDA0002952183730000022
Te＝Xm(iT1iM2-iM1iT2) (3)
式中：r1、r2分别为定、转子每相电阻；iM1、iT1、iM2、iT2为定、转子两相电流；uM1、uT1为定子两相电压；Xss、Xrr、Xm分别为定、转子自电感和互感；p为微分算子。
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