ES2439633A1

ES2439633A1 - Method and protection system for electric induction motors of increased safety by measuring the speed in the rotor (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2439633A1
Application number: ES201331113A
Authority: ES
Inventors: Ester JIMÉNEZ ONDARO; Emilio Rebollo López; Francisco Rafael BLÁNQUEZ DELGADO; Carlos Antonio Platero Gaona; Francisco Blázquez García
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2014-01-23

Abstract

It is a system that uses the average speed of the shaft to ensure that the temperature of the housing is not higher than the nominal and, therefore, is not likely to be an effective source of ignition. This protection makes sense in motors installed in areas classified as explosion risk and in particular in those that are equipped with the protection mode called "increased safety". (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Objeto de la invención Object of the invention

La presente invención es de aplicación en motores eléctricos para trabajo en entornos con The present invention is applicable in electric motors for work in environments with

10 riesgo de explosión dotados del modo de protección denominado seguridad aumentada. Este tipo de máquina es un motor eléctrico de inducción sobredimensionado, de modo que se evitan los posibles calentamientos que podrían llegar a desencadenar una explosión en presencia de oxígeno y una sustancia inflamable en la proporción adecuada. 10 explosion risk provided with the protection mode called increased safety. This type of machine is an oversized induction electric motor, so that possible warming that could trigger an explosion in the presence of oxygen and a flammable substance in the right proportion is avoided.

15 La protección de la que están dotados este tipo de motores actualmente se basa en una serie de sondas para medida de la temperatura dispuestas en distintos puntos de la carcasa, que detectan los aumentos de temperatura. La protección se encarga de desconectar el motor cuando la temperatura sobrepasa el valor máximo especificado para la carcasa de la máquina. Por lo tanto, en caso de fallo, este sistema no es capaz de desconectar el motor 15 The protection of which these types of motors are currently provided is based on a series of temperature measurement probes arranged at different points of the housing, which detect temperature increases. The protection is responsible for disconnecting the motor when the temperature exceeds the maximum value specified for the machine housing. Therefore, in case of failure, this system is not able to disconnect the motor

20 hasta que no ha pasado un tiempo determinado que permita que la temperatura aumente hasta la máxima especificada. 20 until a certain time has elapsed allowing the temperature to rise to the maximum specified.

Esta invención propone un nuevo sistema, complementario al anterior, que mide la velocidad en el eje de la máquina, y desconecta el motor cuando el deslizamiento supera un This invention proposes a new system, complementary to the previous one, that measures the speed in the axis of the machine, and disconnects the motor when the sliding exceeds a

25 determinado límite ajustable, que se puede considerar de riesgo. De esta forma, la máquina se desconecta antes de que se produzca un calentamiento excesivo de la carcasa, aumentando considerablemente el nivel de protección ante el riesgo de explosión. 25 certain adjustable limit, which can be considered risk. In this way, the machine is switched off before excessive heating of the housing occurs, considerably increasing the level of protection against the risk of explosion.

Antecedentes de la invención Background of the invention

30 Existe un gran número de entornos industriales en los que se trabaja con líquidos o gases inflamables, que pueden mezclarse con el aire de la atmósfera circundante dando lugar a una atmósfera explosiva de tipo gas, vapor o niebla. En ocasiones, el proceso exige que se instale un motor eléctrico en áreas en las que están presentes este tipo de atmósferas, 30 There are a large number of industrial environments in which you work with flammable liquids or gases, which can be mixed with the air in the surrounding atmosphere giving rise to an explosive atmosphere of the gas, vapor or fog type. Occasionally, the process requires that an electric motor be installed in areas where such atmospheres are present,

35 produciéndose un gran riesgo de explosión en caso de no tomar las medidas de protección necesarias. 35 producing a great risk of explosion in case of not taking the necessary protective measures.

En este contexto, existen algunos conceptos importantes que sirven como antecedentes para la presente invención: Para evitar el riesgo de explosión se dota al motor de una serie de medidas de protección adicionales, denominadas modos de protección. Existen distintos modos de protección detallados en diversas patentes, como por ejemplo la JP9155768-A, que hace referencia al modo de protección presurizado, o la EP1121744-A, que hace referencia al modo antideflagrante. El modo de protección al que se aplica la presente invención es el modo seguridad aumentada. In this context, there are some important concepts that serve as background for the present invention: To prevent the risk of explosion, the engine is provided with a series of additional protection measures, called protection modes. There are different protection modes detailed in various patents, such as JP9155768-A, which refers to the pressurized protection mode, or EP1121744-A, which refers to the explosion-proof mode. The protection mode to which the present invention is applied is the enhanced security mode.

Los motores de seguridad aumentada se basan en sobredimensionar el equipo de forma que no aparezcan altas temperaturas que puedan llegar a provocar una explosión, es decir, que el motor no pueda convertirse en la fuente de ignición efectiva que desencadene una explosión debido a altas temperaturas en la carcasa. Existen distintos sistemas que se pueden utilizar para evitar las altas temperaturas en la carcasa del motor, como se muestra por ejemplo en la patente SU1173480-A que describe un sistema de protección para atmósferas explosivas basado en la detección de aumentos de temperatura en el cojinete del motor, o en la RU2094929-C1, que hace referencia a un sistema de refrigeración con aire para motores asíncronos antideflagrantes. Increased safety engines are based on oversizing the equipment so that high temperatures do not appear that can cause an explosion, that is, that the engine cannot become the effective ignition source that triggers an explosion due to high temperatures in the housing There are different systems that can be used to avoid high temperatures in the motor housing, as shown for example in the SU1173480-A patent which describes a protection system for explosive atmospheres based on the detection of temperature increases in the bearing of the motor, or in RU2094929-C1, which refers to an air cooling system for asynchronous explosion-proof motors.

En la actualidad, la seguridad del modo de protección se garantiza habitualmente mediante la instalación de un grupo de sondas para medir temperatura que se instalan en la carcasa. Si se puede asegurar que las sondas no van a trabajar en contacto con la atmósfera explosiva se utilizan sondas convencionales, mientras que si se sitúan en zonas en contacto con la atmósfera explosiva, deben ser sondas específicas para trabajo en zonas clasificadas con riesgo de explosión. At present, the safety of the protection mode is usually guaranteed by installing a group of temperature measuring probes that are installed in the housing. If it can be ensured that the probes are not going to work in contact with the explosive atmosphere, conventional probes are used, while if they are located in areas in contact with the explosive atmosphere, they must be specific probes for work in classified areas with risk of explosion.

Partiendo de estos antecedentes, se propone un nuevo método y sistema de protección para este tipo de motores basado en la medida de la velocidad y posterior cálculo del deslizamiento, de forma que se desconecta de servicio la máquina en caso de mal funcionamiento, antes de alcanzar temperaturas superficiales peligrosas en la carcasa. Based on this background, a new method and protection system for this type of motors is proposed based on the speed measurement and subsequent calculation of the slip, so that the machine is disconnected from service in case of malfunction, before reaching Hazardous surface temperatures in the housing.

Descripción de la invención Description of the invention

La presente invención permite reducir el riesgo de explosión en motores de inducción de seguridad aumentada, introduciendo un nuevo sistema de protección complementario al existente en la actualidad. The present invention allows to reduce the risk of explosion in induction motors of increased safety, by introducing a new protection system complementary to the one currently existing.

Dicha protección consiste en instalar un sistema de medida de velocidad en el eje del motor. Cuando el motor se encuentre accionando una carga que suponga un par superior al asignado, la velocidad en el rotor caerá por debajo de la velocidad asignada, y la intensidad aumentará por encima de la intensidad asignada, con el consiguiente aumento en la temperatura del motor. Cuando la velocidad caiga por debajo de un valor límite especificado para la máquina, la protección desconectará el motor con una temporización ajustable. De este modo, el motor se desconecta antes de que se alcance un calentamiento peligroso en la máquina, incrementando notablemente la seguridad del sistema. Said protection consists in installing a speed measurement system in the motor shaft. When the motor is driving a load that supposes a higher torque than the one assigned, the rotor speed will fall below the assigned speed, and the intensity will increase above the assigned intensity, with the consequent increase in the motor temperature. When the speed falls below a specified limit value for the machine, the protection will disconnect the motor with an adjustable timing. In this way, the motor is switched off before dangerous heating is reached in the machine, significantly increasing the safety of the system.

El esquema lógico de la protección se basa en comparar la velocidad medida con la velocidad nominal y desconectar el motor si esta diferencia se mantiene un tiempo determinado que debe ser mayor que el tiempo de arranque del motor. De este modo la protección no actúa durante el arranque de la máquina. Un esquema alternativo es el esquema simplificado. En este esquema el disparo o desconexión del motor se produce de forma inmediata cuando la velocidad cae por debajo de la nominal. Esta protección deberá permanecer inactiva durante el arranque si se opta por el esquema simplificado. En un esquema alternativo se desconecta la protección cuando el interruptor del motor se encuentre abierto, de esta forma se evita que se indique un disparo cuando la velocidad disminuya debido a la propia apertura del interruptor. The logical scheme of protection is based on comparing the measured speed with the nominal speed and disconnecting the motor if this difference is maintained for a certain time that must be greater than the engine start time. In this way the protection does not act during machine start-up. An alternative scheme is the simplified scheme. In this scheme the trip or disconnection of the motor occurs immediately when the speed falls below the nominal. This protection must remain inactive during startup if the simplified scheme is chosen. In an alternative scheme, the protection is disconnected when the motor switch is open, thus preventing a trip from being indicated when the speed decreases due to the opening of the switch itself.

El equipo medidor de velocidad debe estar dotado de las medidas de protección necesarias para trabajar en entornos con riesgo de explosión, ya que de lo contrario podría actuar como fuente de ignición y llegar a desencadenar una explosión. El objeto de la patente es reivindicar el sistema y método de protección para motores de seguridad aumentada basado en la medida de la velocidad en el eje del motor. The speed measuring equipment must be equipped with the necessary protective measures to work in explosive environments, since otherwise it could act as a source of ignition and trigger an explosion. The object of the patent is to claim the protection system and method for increased safety motors based on the speed measurement on the motor shaft.

Breve descripción de las figuras Brief description of the figures

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompañan unas figuras en las que se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, some figures are attached in which the following has been represented:

Figura 1: Muestra la solución descrita en la invención. Las partes que se muestran en la figura son: Figure 1: Shows the solution described in the invention. The parts shown in the figure are:

(1)(one): Motor de seguridad aumentada. Increased safety engine.

(2)(2): Sistema de medida de velocidad en el eje. 4 Speed measurement system on the shaft. 4

Figura 2: Muestra el esquema lógico de la solución preferente. Las partes que se muestran en la figura son: Figure 2: Shows the logical scheme of the preferred solution. The parts shown in the figure are:

(3) Velocidad medida n. 5 (4) Velocidad nominal nn. (3) Measured speed n. 5 (4) Nominal speed nn.

(5)(5): Señal de salida de la etapa lógica, de valor positivo cuando (3)lt;(4). Output signal of the logic stage, of positive value when (3) <; (4).

(6)(6): Disparo del motor si el valor positivo se mantiene un tiempo predeterminado. Motor trip if the positive value is maintained for a predetermined time.

Figura 3 Muestra el esquema lógico de la solución simplificada. Las partes que se muestran 10 en la figura son: Figure 3 Shows the logical scheme of the simplified solution. The parts shown in the figure are:

(3)(3): Velocidad medida n. Measured speed n.

(4)(4): Velocidad nominal nn. Nominal speed nn.

(5)(5): Disparo del motor cuando (3)lt;(4). Motor trip when (3) <; (4).

15 Figura 4: Muestra el esquema lógico de la protección con desconexión cuando el interruptor del motor se encuentra abierto. Las partes que se muestran en la figura son: 15 Figure 4: Shows the logic scheme of the disconnected protection when the motor switch is open. The parts shown in the figure are:

(3)(3): Velocidad medida n. Measured speed n.

(4)(4): Velocidad nominal nn. Nominal speed nn.

(7) Velocidad de activación nact. 20 (8) Disparo del motor cuando (3)lt;(4) temporizado, y además, (3)gt;(7). (7) Activation speed nact. 20 (8) Motor trip when (3) <; timed (4) and also (3)> (7).

(9) Estado del interruptor. En caso de encontrarse abierto el interruptor desconecta la protección. (9) Switch status. If it is open, the switch disconnects the protection.

Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention

25 El modo de realización que se ha considerado preferente para la invención consiste en incorporar al eje del motor de seguridad aumentada un elemento medidor de la velocidad. Se ha considerado que el modo de protección más adecuado para el elemento medidor de la velocidad es el modo de seguridad intrínseca, ya que se trata de un equipo capaz de The embodiment that has been considered preferred for the invention consists in incorporating a speed measuring element into the axis of the increased safety motor. It has been considered that the most appropriate protection mode for the speed measuring element is the intrinsic safety mode, since it is a device capable of

30 operar con potencias lo suficientemente bajas como para no presentar ningún riesgo de explosión. 30 operate with powers low enough not to present any risk of explosion.

La protección deberá ser capaz de desconectar el motor cuando se detecte una caída de velocidad por debajo del valor especificado para la máquina. La medida de velocidad se 35 deberá llevar al CCM (centro de control de motores) correspondiente al motor, donde se The protection must be able to disconnect the motor when a speed drop is detected below the value specified for the machine. The speed measurement should be taken to the CCM (motor control center) corresponding to the motor, where

efectuarán las comparaciones oportunas, y si procede disparará la protección y desconectará el motor abriendo el interruptor de la máquina. En el esquema lógico de la protección se compara la velocidad medida n con la velocidad nominal nn, en caso de que nlt;nn durante un tiempo determinado, la protección dispara they will carry out the appropriate comparisons, and if appropriate, they will trip the protection and disconnect the motor by opening the machine switch. In the logic scheme of the protection the measured speed n is compared with the nominal speed nn, in case nlt; nn for a certain time, the protection trips

5 desconectando el motor. 5 disconnecting the engine.

En el esquema lógico de la solución simplificada se compara la velocidad medida n con la velocidad nominal nn, en caso de que nlt;nn la protección dispara desconectando el motor de forma instantánea. In the simplified solution logic scheme, the measured speed n is compared with the nominal speed nn, in case nlt; nn the protection trips by disconnecting the motor instantaneously.

10 En el esquema lógico de la protección con desconexión cuando el interruptor del motor se encuentra abierto se compara, por un lado, la velocidad medida n con la velocidad nominal nn. Por otro lado, se compara la velocidad medida n con una velocidad de activación nact, de forma que la protección se active a partir de una velocidad en torno a la asignada. De esta 10 In the logic diagram of the protection with disconnection when the motor switch is open, the measured speed n is compared with the nominal speed nn. On the other hand, the measured speed n is compared with a nact activation speed, so that the protection is activated from a speed around that assigned. This

15 forma la protección no actúa durante el arranque. En caso de que nlt;nn durante un tiempo determinado y ngt;nact, la protección dispara desconectando el motor de forma instantánea. Si el interruptor del motor se encuentra abierto la protección se desconecta. 15 way the protection does not act during startup. In case of nlt; nn for a certain time and ngt; nact, the protection trips by disconnecting the motor instantaneously. If the motor switch is open the protection is disconnected.

Claims

1.- Method for the protection of asynchronous motors characterized in that it comprises the

following stages:

--: Medida de la velocidad en el eje. Speed measurement on the axis.

--: Comparación de la velocidad medida con la velocidad nominal. Comparison of the measured speed with the nominal speed.

--: Desconexión del motor cuando la velocidad medida es menor a la velocidad nominal. Engine shutdown when the measured speed is less than the nominal speed.

2. Method according to claim 1, characterized in that the motor is switched off instantaneously when the speed is lower than that assigned.

3. Method according to claim 1, characterized in that the motor is switched off in a timed manner when the speed is lower than that assigned, that is, when the speed is lower than that assigned for a time greater than an adjustable threshold.

4. Method according to claim 1, characterized in that the motor is switched off in a timed manner when the speed is lower than that assigned, that is, when the speed is lower than that assigned for a time greater than an adjustable threshold.

5. Method according to claim 1, characterized in that it is provided with a logic that inhibits protection when the motor switch is open.

6. System according to any of the preceding claims comprising the

following parts:

--: Dispositivo de medida de la velocidad del eje. Shaft speed measuring device.

--: Dispositivo que compara la velocidad del eje con la velocidad ajustada como valor límite y desconecta el motor en caso de que la velocidad medida sea menor a la velocidad ajustable. Device that compares the speed of the axis with the speed set as the limit value and disconnects the motor in case the measured speed is less than the adjustable speed.

7. System according to any of the preceding claims characterized in that it inhibits the disconnection of the motor at start-up by means of a timed comparison.

Figure 1

(7)

(9)

(8)

(4)

Figure 4

SPANISH OFFICE OF THE PATENTS AND BRAND

Application no .: 201331113

SPAIN

Date of submission of the application: 07/23/2013

Priority Date:

REPORT ON THE STATE OF THE TECHNIQUE

51 Int. Cl.: H02P23 / 00 (2006.01)

RELEVANT DOCUMENTS

Categoría Category: 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected

X X: WO 2012136211 A2 (DANFOSS DRIVES AS et al.) 11.10.2012, descripción; figura 4. 1-6 WO 2012136211 A2 (DANFOSS DRIVES AS et al.) 11.10.2012, description; figure 4. 1-6

X X: US 4521894 A (MOFFAT RICHARD P) 04.06.1985, descripción. 1-6 US 4521894 A (MOFFAT RICHARD P) 04.06.1985, description. 1-6

A TO: US 2011279074 A1 (YEH CHIA-CHOU et al.) 17.11.2011, descripción; figura 6. 1-6 US 2011279074 A1 (YEH CHIA-CHOU et al.) 17.11.2011, description; figure 6. 1-6

X X: US 7040443 B1 (ROTH DAVID et al.) 09.05.2006, columna 8, líneas 35-64. 1-6 US 7040443 B1 (ROTH DAVID et al.) 09.05.2006, column 8, lines 35-64. 1-6

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:

Fecha de realización del informe 15.01.2014 Date of realization of the report 15.01.2014: Examinador M. P. López Sabater Página 1/4 Examiner M. P. López Sabater Page 1/4

REPORT OF THE STATE OF THE TECHNIQUE

Application number: 201331113

Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols) H02P Electronic databases consulted during the search (name of the database and, if possible, terms of

search used) INVENES, EPODOC

State of the Art Report Page 2/4

WRITTEN OPINION

Application number: 201331113

Date of the Written Opinion: 15.01.2014

Statement

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 5,6 SI NO Claims Claims 1-4 5.6 IF NOT

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO Claims Claims 1-6 IF NOT

The application is considered to comply with the industrial application requirement. This requirement was evaluated during the formal and technical examination phase of the application (Article 31.2 Law 11/1986).

Opinion Base.-

This opinion has been made on the basis of the patent application as published.

State of the Art Report Page 3/4

WRITTEN OPINION

Application number: 201331113

1. Documents considered.-

The documents belonging to the state of the art taken into consideration for the realization of this opinion are listed below.

Documento Document: Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date

D01 D01: WO 2012136211 A2 (DANFOSS DRIVES AS et al.) 11.10.2012 WO 2012136211 A2 (DANFOSS DRIVES AS et al.) 11.10.2012

2. Statement motivated according to articles 29.6 and 29.7 of the Regulations for the execution of Law 11/1986, of March 20, on Patents on novelty and inventive activity; quotes and explanations in support of this statement

Claim 1:

Document D01 can be considered the prior art document closest to the motor protection method to be protected in this claim. (Asynchronous motors are included in its page 3, lines 25 to 28) The method includes, among others, the steps of measuring the speed on the axis, comparing the measured speed with a threshold speed and disconnecting the motor when the measured speed is less than the threshold speed used. (Page 6, lines 18 to 20) The reference speed values used in the method described in D01 can be changed according to the circumstances of use of the motor being monitored. (Page 12, lines 19 to 23) Thus, for the start-up process described as an example in D01, percentage values of the nominal speed are chosen as reference values, but one skilled in the art can consider that one hundred percent The nominal speed is more interesting as a limit value for different reasons. (For example, that this speed is associated with a maximum permissible operating temperature) In view of the above, D01 cancels the inventive activity of this claim according to article 8 of Patent Law 11/86.

Claim 2:

Among the safety measures proposed by D01 when it is detected that the speed is lower than the one assigned is, as mentioned above, the disconnection of the motor. Therefore, this second claim, dependent on the first, also has no inventive activity.

Claim 3:

D01 also cancels the inventive activity of this first dependent claim.

Claim 4:

In the method of D01, in order to ensure that the decision to be made is correct, subsequent checks may be made, which are those that the person skilled in the art deems appropriate. Making sure that the engine speed reduction is intentional because it is desired that the machine stop working can be one of the checks included in the method without the person skilled in the art having to exercise any inventive activity when incorporating it.

Claims 5 and 6:

These method claims are not new because they are anticipated by D01.

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