EP1019741A1

EP1019741A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen der betriebstemperatur von motoren

Info

Publication number: EP1019741A1
Application number: EP98954208A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Maier; Paul FRÖHLICH
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2000-07-19
Also published as: WO1999017127A1; US6504358B1; DE19743046C1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, zwecks sensorloser Erfassung der Motortemperatur während des Betriebes des Motors die Motortemperatur beim Einschalten des Motors zu bestimmen, wozu Strom und Spannung zum Zeitpunkt des Einschaltens des Motors gemessen werden. Durch Ermittlung des Wirkanteils der Motorimpedanz aus den Strom- und Spannungssignalen und Vergleich der Werte bei stehendem Motor und Werten, die bei einer bekannten Temperatur gewonnen wurden, lässt sich die Motortemperatur ermitteln. Die Ermittlung kann analog oder digital erfolgen, wozu in letzterem Fall ein Rechner verwendet wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen der Betriebstemperatur von Motoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von Motoren, bei der in einer Lernphase zu definierten Zeitpunkten die Motortemperatur und zugehörige elektrische Parameter als Eichwerte erfaßt werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung.

Zum Schutz von Motoren werden üblicherweise Überlastrelais verwendet. Solche Überlastrelais sind entweder mit Bimetall- streifen oder analogen bzw. digitalen Auswerteschaltungen zur Feststellung des Überlastschalles ausgestattet. Damit wird zwar den durch die einschlägigen Vorschriften gegebenen Anforderungen Genüge getan; allerdings wird der Motor nicht hinreichend genau geschützt. Für eine Ertüchtigung müssen weitere Parameter, insbesondere auch die Betriebstemperatur des Motors erfaßt werden, deren Bestimmung nach den gängigen Methoden vergleichsweise aufwendig ist.

Vom Stand der Technik sind verschiedene Einrichtungen und Schaltungen zur Erfassung der Betriebstemperatur von Motoren bekannt. Im einzelnen wird in der DE 16 13 879 Bl eine Meßanordnung zur Bestimmung der Wicklungstemperatur bei elektrischen Geräten beschrieben, bei der aus der Widerstandsänderung durch Überlagerung eines Gleichstroms bei den mit Wech- selstrom betriebenen Geräten zur Trennung von Gleich- und Wechselstrom ein Wandler benutzt wird, in dessen Eisenkreis sich ein Hall-Generator befindet und der Wechselfluß des Wandlers durch einen weiteren Wandler, der sich im gleichen Stromkreis befindet kompensiert wird. Daneben ist aus der DE 25 49 850 C2 eine thermische Überlastschutzeinrichtung für eine elektrische Maschine bekannt, bei welcher ein der Maschine zugeordnetes Überlastrelais in der Lage ist, anhand des gemessenen Ständerstroms ein genaues, thermisches Abbild des Motors im Normalbetrieb zu liefern. Weiterhin ist aus der EP 0 332 568 Bl ein Betriebsverfahren und eine zugehörige Steuerschaltung zur Anlaufüberwachung für elektrische Hoch- spannungsmotoren mit asynchronem Anlauf bekannt, bei dem

Läuferdrehzahl und zugehörige Leistung erfaßt werden und bei dem Erwärmungswerte, die den relativen Erwärmungszustand des Motors darstellen, wenn dieser bei unterschiedlichen Drehzahlen und Belastungszuständen betrieben wird, gespeichert sind. Schließlich ist aus der EP 0 414 052 Bl eine Anordnung dieser Art bekannt, bei der dem die elektrische Maschine versorgenden Netz in einer oder mehreren Phasen jeweils eine oder mehrere Meßwechselspannungsquellen in Serie geschaltet werden, so daß zur Netzspannung eine oder mehrere nicht netz- frequente, bekannte Spannungskomponenten addiert werden. Dadurch wird ein Strom mit diesen Frequenzen durch die Wicklung der Maschine gesteuert, der - mittels Stromwandler gemessen - ein Maß für den Leitwert der Wicklung und somit ein Maß für ihre Temperatur ist.

Über obigen Stand der Technik hinaus ist aus der DE 31 11 818 AI ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Asynchronmotors bekannt, bei denen ein die jeweilige Motorresistenz repräsentierender Wert auf der Grundlage der Amplitude der dem Motor aufgeprägten Spannung, der Amplitude des Motorstroms, des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom und des aus Oberschwingungen des in den Motorzuleitungen fließenden Stromes hergeleiteten Nachlaufs abgeleitet wird. Dabei werden in einer Lernphase zu definierten Zeitpunkten bei laufendem Motor die Motortemperatur und zugehörige elektrische Parameter als Eichwerte erfaßt. Durch Anwendung von empirischen Beziehungen soll der sogenannte äquivalente Resistenzwert in einen entsprechenden Temperaturwert umgewandelt und zur Überwachung des Motors in bezug auf eine unzulässig hohe Erwärmung verwendet werden können. Ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren für eine sensorlose Motortemperaturerfassung anzugeben, mit dem insbeson dere auch eine einfache Überlastbestimmung von Motoren mög- lieh ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Motortemperatur beim Einschalten des Motors bestimmt wird, wozu Strom und Spannung zum Zeitpunkt des Einschalten des Motors gemessen werden, und daß die Motortemperatur durch Ermittlung des Wirkanteils der Motorimpedanz und Vergleich der Werte von stehendem Motor und Werten, die bei einer bekannten Temperatur gemessen wurden, bestimmt wird. Vorzugsweise wird der Wirkanteil der Motorimpedanz aus dem durch analoge Multiplikation von Strom und Spannungssignalen gebildeten Leistungssignal ermittelt. Durch Tiefpaßfilterung läßt sich daraus in einfacher Weise der Wirkanteil ermitteln, der zur Bestimmung der Temperatur benötigt wird.

Zur Bestimmung des Wirkanteils der Motorimpedanz können auch Strom- und Spannungsamplituden sowie deren Phasenverschiebung gemessen werden. Wenn die Amplitude der Spannung konstant ist, kann vorteilhafterweise auf deren Messung verzichtet werden.

Neben der analogen Multiplikation der Meßgrößen ist es ebensogut auch möglich, die Ermittlung der Größen digital vorzunehmen. Dafür kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein entsprechender Rechner vorgesehen sein.

Mit der Erfindung sind die eingangs dargestellten Probleme in einfachster Weise gelöst, da die Motortemperatur beim Einschalten sensorlos, d.h. ohne Leitungen od. dgl . innerhalb des Motors erfolgen kann. Da die Abhängigkeit des ohm' sehen Widerstandes, d.h. des Wirkanteils der Impedanz für die beim Motor benutzten Materialien, beispielsweise Aluminium und Kupfer, von der Temperatur bekannt ist, kann durch einmalige Messung des stehenden Motors bei höherer Temperatur ein Eichwert bestimmt werden. Durch Vergleich mit diesen Werten läßt sich dann aus dem Wirkanteil der Motorimpedanz bei laufendem Motor dessen Temperatur bestimmen.

Mit der Erfindung ist es möglich, daß bei Uberlastbestimmun- gen die einzelnen Messungen nach der bekannten Methode, bei der z.B. das Verhalten eines Bimetalls in einem Prozessor nachgebildet wird, zu Beginn des Motorlaufes mit der wahren Motortemperatur korrigiert werden. Auch während des weiteren Motorlaufes kann immer wieder eine Korrektur erfolgen.

Aufgrund der Tatsache, daß nunmehr die Temperaturmessung bei noch stehendem Rotor des Motors erfolgt, ergeben sich be- trächtliche Vereinfachungen. In diesem Fall ist das Ersatzschaltbild des Motors sehr einfach da der Sekundärkreis kurzgeschlossen ist und damit die Hauptinduktivität und die Eisenverluste nicht mehr mitgemessen werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs- beispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt ein Ersatzschaltbild für einen Motor bei stehendem Rotor.

In der Figur ist eine Spannungsquelle 1 für eine Wechselspannung U vorgesehen. Damit wird ein Elektromotor aus Stator und Rotor betrieben, wobei zum Zeitpunkt des Einschaltens des Motors das Ersatzschaltbild einfach ist. Im einzelnen besteht es aus hintereinander geschalteten Widerständen , d.h. R = R]__σ + R' 2σ _> ^und Induktivitäten, d.h. = L]__σ + L' 2_σ • Dabei bedeuten R_lσ und L_ισ ohm' scher Widerstand bzw. Induktivität des Stators und R' _2σ bzw. L'_2σ ohm' scher Widerstand bzw. Induktivität des Rotors, transponiert auf den Stator. Für den eingeschalteten Motor ist damit das Ersatzschaltbild hinrei- chen beschrieben, während für den Motorbetrieb die transformatorische Ankopplung hinzukommt. Da die ohm' sehen Widerstände durch ein lineares Temperaturverhalten beschrieben werden können, genügt eine Eichung bei einer einzigen, gegenüber Raumtemperatur höheren Temperatur. Wenn zum Zeitpunkt des Einschaltens Strom und Spannung gemessen wird, ergibt sich die Möglichkeit, aus der Ermittlung des Wirkanteils der Motorimpedanz durch Vergleich des „Kaltwertes" mit dem „Warmwert" die Motortemperatur zu bestimmen. Es muß dann lediglich der Wirkanteil R = R]__σ + R' 2σ bestimmt werden.

Der Wirkanteil R wird in einfacher Weise dadurch ermittelt, daß das vorliegende Strom- und Spannungssignal miteinander multipliziert werden. Dies kann beispielsweise analog erfolgen. Es entsteht somit ein Leistungssignal, das einerseits aus einem Gleichanteil und andererseits aus einem Wechselanteil besteht, wobei der Wechselanteil doppelte Netzfrequenz hat. Aus dem komplexen Leistungssignal erhält man durch Tiefpaßfilterung das Gleichsignal P. Da für den Motor zum Einschaltzeitpunkt Lι__σ + L'2σ bekannt ist, läßt sich aus dem Gleichsignal P der oben definierte Wirkanteil R ermitteln. Es gilt:

wobei U = Scheitelwert der Spannung; ω = 2τA bedeuten,

In einem abgewandelten Verfahren werden der fließende Strom und zugehörige Spannung gemessen und die Phasenverschiebung bestimmt. Wenn die Amplitude der von der Spannugsquelle gelieferten Wechselspannung konstant ist, kann auf deren Messung verzichtet werden. Für R ergibt sich in diesem Fall:

Ü

R = — C0S^3 , wobei U , I jeweils die Scheitelwerte und φ die Phase bedeuten. Anstatt der analogen Multiplikationen ist es auch möglich, für die vorstehend im einzelnen abgehandelte Bestimmung des Wirkanteils der Motorimpedanz digitale Rechenmethoden zu verwenden. Dafür ist ein üblicher Rechner geeignet.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erfassen der Betriebstemperatur von Motoren, bei dem in einer Lernphase zu definierten Zeitpunkten bei laufendem Motor die Motortemperatur und zugehörige elektrische Parameter als Eichwerte bestimmt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Arbeitsphase die Motortemperatur beim Einschalten des Motors bestimmt wird,

- wozu Strom und Spannung zum Zeitpunkt des Einschaltens des Motors gemessen werden und

- die Motortemperatur durch Ermittlung des Wirkanteiles (R) der Motorimpedanz und Vergleich der Werte von stehendem Motor und Werten, die bei einer bekannten Temperatur gewonnen wurden, bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wirkanteil (R) , der Motorimpedanz aus dem durch analoge Multiplikation von Strom- und Spannungssignalen gebildeten Leistungssignal ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Leistungssignal einerseits aus einem Gleichanteil (P) und andererseits aus einem Wechselanteil doppelter Netzfrequenz besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gleichsignal (P) aus dem Leistungssignal durch Tiefpaßfilterung erhalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wirkanteil der Motorimpedanz aus der Beziehung

bestimmt wird, wobei U den Scheitelwert der Spannung bedeutet und gilt: ω = 2πf

^{L = L}lσ ^{+ L}'2σ-

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wirkanteil der Motorimpedanz aus der Beziehung

R = — cos > ,

bestimmt wird, wobei U,I die Scheitelwerte von Strom und Spannung und φ deren Phasenverschiebung bedeuten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsamplitude konstant vorgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bestimmung des Wirkanteils (R) der Motorimpedanz durch digitale Berechnung erfolgt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Rechner zur Auswertung und Berechnung des Wirkanteils der Motorimpedanz aus den Strom- und Spannungssignalen.