DE102007030633A1

DE102007030633A1 - Verfahren zur Temperaturüberwachung und zum thermischen Schutz von elektrischen Maschinen mit einem dynamischen Temperaturmodell

Info

Publication number: DE102007030633A1
Application number: DE200710030633
Authority: DE
Inventors: Dieter Seifert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: DE102007030633B4

Abstract

Zur Temperaturüberwachung von elektrischen Maschinen werden heute Motorschutzschalter bzw. Motorschutzrelais verwendet oder es wird die Temperatur der Ständerwicklung durch Messfühler gemessen oder überwacht. Beide Methoden haben spezifische Nachteile. Ein Nachteil ist, dass man keine Information über die Läufertemperatur erhält. Dadurch ist zum Beispiel vor allem bei größeren Motoren kein Schutz des Läufers vor unzulässiger Erwärmung möglich. In der Erfindung wird ein Schutzkonzept mit einem dynamischen Temperaturmodell angegeben, das den zeitlichen Temperaturverlauf der Ständerwicklung und des Läufers ermittelt. Dadurch lässt sich ein umfassender thermischer Maschinenschutz für Motoren bei Netzbetrieb oder auch bei Frequenzumrichterbetrieb realisieren.

Description

Zum Schutz von elektrischen Maschinen vor unzulässiger Erwärmung werden bisher vor allem Motorschutzschalter, die den Strom überwachen oder Sensoren in den Wicklungen zur direkten Temperaturüberwachung eingesetzt. Beide Methoden haben Grenzen bzw. Nachteile. Diese werden im Folgenden am Beispiel von Käfigläufermotoren dargestellt.
Mit Motorschutzschaltern oder Motorschutzrelais [1] wird die Temperatur nur indirekt über den zulässigen Motorstrom überwacht. Auch bei genauer Einstellung des zulässigen Motorstromes kann es bei geringer Überlast zu einer dauernden unzulässigen Wicklungserwärmung und dadurch zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer der Isolierung kommen. Eine Temperaturerhöhung infolge einer verminderten Kühlung wird von einem Motorschutzschalter ebenfalls nicht erkannt. Weitere Probleme treten bei wechselnder Belastung auf, also wenn die Betriebsart vom Dauerbetrieb S1 abweicht, oder wenn ein Motor an einem Frequenzumrichter betrieben werden soll.
Der thermische Motorschutz (TMS) durch direkte Temperaturüberwachung mit in die Ständerwicklung des Motors eingebauten Sensoren, wie z. B. Kaltleitern oder Widerstandsthermometern PT 100, vermeidet man die Nachteile des Motorschutzschalters. Die Ständerwicklung kann durch TMS zuverlässig gegen unzulässige Erwärmung geschützt werden. Dies gilt z. B. auch bei Betrieb am Netz mit blockiertem Läufer.
Bei kleinen Motoren (bis ca. Baugröße 250) kann man mit TMS auch den Läuferkäfig in jedem Betriebszustand vor unzulässiger Erwärmung schützen [2]. Bei größeren Motoren ist dies nicht mehr möglich, da sich z. B. bei Netzbetrieb mit blockiertem Läufer der Läuferkäfig schneller auf unzulässige Temperatur erwärmt als die Ständerwicklung.
Weder Motorschutzschalter noch Temperatursensoren liefern eine Information über die Läufertemperatur, weshalb ein umfassender Motorschutz bei größeren Motoren nicht möglich ist.
Ein weiteres Problem tritt bei der Drehzahlsteuerung von Motoren mit Frequenzumrichtern auf. Bei den meist verwendeten Motoren mit auf der Welle mitlaufendem Eigenlüfter sinkt die Kühlwirkung mit abnehmender Drehzahl. Damit die zulässigen Temperaturen nicht überschritten werden, dürfen die Motoren bei kleiner Drehzahl dann nur mit verringertem Strom betrieben werden.
Als Lösung dieses Problems wird in [3] ein Temperaturmodell vorgeschlagen, das mit einem drehzahlabhängigen Wärmeübergangswiderstand arbeitet. Je nach Drehzahl und entsprechendem Wärmeübergangswiderstand wird mit der zulässigen Erwärmung der zulässige Strom ermittelt.
Das vorgeschlagene Temperaturmodell beinhaltet neben der im Motor auftretenden Verlustleistung nur Wärmewiderstände. Der Nachteil dieses Modells ist, dass man damit nur den stationären Zustand beschreibt. Das Zeitverhalten wird nicht berücksichtigt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Verfahren zur Überwachung der Temperaturen von elektrischen Maschinen entwickelt, das auch das dynamische Temperaturverhalten berücksichtigt. Dies gelingt dadurch, dass neben den wärmebildenden Verlustleistungen und den Wärmeübergangs- oder Wärmeleitungswiderständen auch die Wärmespeicherfähigkeit berücksichtigt wird. Temperaturmodelle, die auch dieses Verhalten nachbilden, werden bisher zur theoretischen Berechnung der Motortemperaturen auf PCs verwendet [4]. Eine Verwendung zum praktischen Schutz von elektrischen Maschinen ist bisher unterblieben.
Mit der heute verfügbaren leistungsfähigen Elektronik, z. B. mit Mikrokontrollern ist aber auch die Realisierung des thermischen Motorschutzes unter Verwendung eines dynamischen Temperaturmodells möglich. Der Temperaturschutz mit vorliegender Erfindung lässt sich durchaus einfach und kostengünstig realisieren, da das Temperaturmodell die elektrische Maschine nicht bis in die kleinsten Detail nachbilden muss. Wie am folgenden Beispiel eines Käfigläufermotors gezeigt wird, lässt sich das Temperaturmodell auf wenige Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten beschränken.
Zweckmäßig wird das Temperaturmodell mit einem weiteren Modell (Elektrisches Modell) kombiniert. Dieses ermittelt aus dem Messwert des Ständerstromes die wärmebildenden Verlustleistungen, die Wärmequellen, im Motor. Das elektrische Modell kann unterschiedliche Eingangsgrößen haben. Für Netzbetrieb reicht der Messwert des Stromes aus. Für Frequenzumrichterbetrieb können weitere Messgrößen, wie z. B. die Motorspannung und die Frequenz erforderlich sein. Damit kann dann auch eine Fehlfunktionen des Frequenzumrichters, wie z. B. falsche Zuordnung von Spannung, Frequenz und Drehzahl erkannt werden.
Mit diesem einfachen Modell kann ein umfassender Motorschutz mit Überwachung der Ständer- und der Läufertemperatur auch für große netzgespeiste Motoren und für Betriebsarten mit geplanter Überlast (z. B. S2 oder S3) realisiert werden. Die erforderlichen Motorparameter können durch Standardmessungen oder durch Berechnungen ermittelt werden.
Eine Ausprägung der Erfindung besteht darin, dass die Wärmekapazitäten bei Erwärmung und Abkühlung unterschiedlich gewählt werden können. Bei Erwärmung rechnet das Temperaturmodell mit kleineren Wärmekapazitäten. Dadurch erwärmen sich im Modell die Motorteile schneller als im realen Motor. Bei Abkühlung rechnet das Temperaturmodell mit größeren Wärmekapazitäten. Dadurch kühlen sich im Modell die Motorteile langsamer ab als im realen Motor. Auf dies Weise erreicht man, dass die zeitlichen Temperaturverläufe im Modell höher liegen als im realen Motor. Der Motor wird dadurch sicher geschützt und die Parameterempfindlichkeit des Schutzes ist gering. Auf den stationären Dauerbetrieb hat diese Modifikation dagegen keinen Einfluss.
Beispiel
Bild 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung am Beispiel eines Asynchronmotors mit Käfigläufer (1), der von einem Frequenzumrichter (2) gespeist wird. Das Verfahren verwendet das Elektrische Modell (3) und das Temperaturmodell (4). Vom Frequenzumrichter (2) wird das Elektrischen Modell (3) mit den Messwerten (6) für Spannung U1, Strom I1 und Frequenz f gespeist. Das Elektrische Modell (3) berechnet daraus mit den vorgegebenen Maschinenparametern für die Widerstände und Induktivitäten die Elektromodell-Ausgangsgrößen (7). Dies sind die Verluste V1, V2, V3, welche Wärmequellen darstellen, sowie die Drehzahl n. Mit diesen Größen berechnet das Temperaturmodell (4) die Erwärmungstemperaturen (8) der Ständerwicklung ΔT1 und der Läuferwicklung ΔT2. Diese Größen werden zusammen mit dem Messwert der Kühlmitteltemperatur TK (10) und den Werten für die zulässigen Temperaturen (11) für die Ständerwicklung T1zul und für den Läufer T2zul dem Bewertungs- und Freigabe-Baustein (5) zugeführt. Dieser berechnet die resultierenden Temperaturen der Ständerwicklung T1 (T1 = TK + ΔT1) und des Läufers T2 (T2 = TK + ΔT2) und vergleicht diese mit den zulässigen Temperaturen.
Überschreitet T1 die zulässige Temperatur T1zul, oder überschreitet T2 die zulässige Temperatur T2zul, dann führt das über die Freigabeleitung (9) zu einer Abschaltung des Frequenzumrichters (2) und schützt damit den gesamten Motor vor unzulässiger Erwärmung.
Bild 2 zeigt ein Beispiel für ein Elektrisches Modell (3). Mit den Eingangsgrößen der Motorspannung U1, des Motorstromes I1 und der Frequenz f, sowie den vorgegebenen Motorparametern für die ohmschen Widerstände und Recktanzen können der Schlupf s, bzw. die Drehzahl n und die Verluste V1, V2, V3 berechnet werden. Diese Größen werden dem Temperaturmodell zugeführt.
Bild 3 zeigt ein Beispiel für das Temperaturmodell (4). Als Eingangsgrößen dienen die Verluste V1, V2, V3 und die Drehzahl n, die alle vom Elektrischen Modell (3) ausgegeben werden. Mit der Drehzahl n können die Wärmewiderstände der drehzahlabhängigen Kühlung angepasst werden. Das Temperaturmodell (4) kann damit die Erwärmungen des Motors dynamisch, also zeitabhängig berechnen.
Bild 4 zeigt den Bewertungs- und Freigabe-Baustein, der in Abhängigkeit von den Temperaturen den Frequenzumrichter frei gibt oder sperrt.
Literatur

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Motorschutzschalter
[2] Fladerer, Th. Elektromotor-Design für spezielle Anforderungen Seifert, D. antriebstechnik 1–2/2007
[3] Lehrmann, Ch. Umrichtergespeiste Antriebe – Messung und Vorhersage der auftretenden Verluste und Erwärmungen unter den Aspekten des Explosionsschutzes www.explosionsschutz.ptb.de/dokumente/0311lehrmann.pdf
[4] MotorCad http://www.motor-design.com

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://de.wikipedia.org/wiki/Motorschutzschalter [0018]
- Fladerer, Th. Elektromotor-Design für spezielle Anforderungen Seifert, D. antriebstechnik 1–2/2007 [0018]
- Lehrmann, Ch. Umrichtergespeiste Antriebe – Messung und Vorhersage der auftretenden Verluste und Erwärmungen unter den Aspekten des Explosionsschutzes [0018]
- www.explosionsschutz.ptb.de/dokumente/0311lehrmann.pdf [0018]
- http://www.motor-design.com [0018]

Claims

Verfahren zum Schutz der Ständerwicklung und der Läuferwicklung oder des Läuferkäfigs von elektrischen Maschinen vor unzulässiger Erwärmung mit einem elektronisch nachgebildeten dynamischen Temperaturmodell, dadurch gekennzeichnet dass das Temperaturmodell aus Wärmequellen, Wärmewiderständen und Wärmespeicherkapazitäten besteht und den zeitlichen Verlauf der Temperaturen in der Ständerwicklung und der Läuferwicklung bzw. dem Läuferkäfig elektronisch ermittelt und bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturgrenze für die Ständerwicklung oder die Läuferwicklung bzw. den Läuferkäfig ein Warnsignal erzeugt, das zur Abschaltung oder zur Reduzierung der Leistung der elektrischen Maschine benutzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmodell mit einem Modell für die elektrischen Größen der Maschine (Elektrisches Modell) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Werte für die Wärmequellen der Messwert des Stromes benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Werte für die Wärmequellen der Messwert der Spannung benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Werte für die Wärmequellen der Messwert der Frequenz benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Wärmewiderstände von der Frequenz der Maschine abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmewiderstände von der Drehzahl der Maschine abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazitäten von der Frequenz der Maschine abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazitäten von der Drehzahl der Maschine abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Warnsignale für unterschiedliche Temperaturen der Ständerwicklung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Warnsignale für unterschiedliche Temperaturen der Läuferwicklung bzw. des Läuferkäfigs erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Elektrischen Modells oder des Temperaturmodells durch Berechnung oder durch Messung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Elektrischen Modells oder des Temperaturmodells durch die ermittelten Temperaturen verändert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazitäten von der Temperaturänderung beinflusst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Elektrischen Modells oder des Temperaturmodells durch die ermittelten Spannungen, Ströme, Frequenzen oder durch den Schlupf oder die Drehzahl verändert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturmodell oder einem nachgeschalteten Baustein die gemessene Umgebungstemperatur oder die Kühlmitteltemperatur verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturmodell oder einem nachgeschalteten Baustein die zulässigen Temperaturen der Ständerwicklung oder der Läuferwicklung, bzw. des Läuferkäfigs verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Elektrisches Modell verwendet wird, das die durch durch unsymmetrische Spannungen auftretenden Ströme und Wärmequellen berechnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Elektrisches Modell verwendet wird, das die durch nichtsinusförmige Ströme und Spannungen erzeugten Wärmequellen berechnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Wärmequellen mehrerer Elektrischen Modelle addiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelle mit analogen oder digitalen Elektronikschaltungen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelle mit analogen und digitalen Elektronikschaltungen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelle durch Mikrokontroller realisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmodell weitere Temperaturen, wie die Temperatur des Ständereisens, des Läufereisens oder der Gehäuseoberfläche ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Synchronmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Gleichstrommaschine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mit einem Stromrichter verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mit einem Gleichstromnetz oder einem Drehstromnetz verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des Elektrischen Modells oder des Temperaturmodells über eine Schnittstelle zur Informationsverarbeitung verfügt.