基于电流与最高温度检测的异步电动机保护研究.pdf

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第39卷第5期2O11年3月1曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_o1.39NO.5Mar.1,2011基于电流与最高温度检测的异步电动机保护研究杨明发,张培铭(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108)摘要:通过构建异步电动机定子温度分布的测试系统,对典型运行状态下的异步电动机定子绕组的温度分布进行实际测试,在实测温度分布数据的基础上分析了电动机定子温度分布的特点,得出定子绕组最高温度区域位于接线盒区域传动侧绕组端部结论。基于异步电动机热理论建立了定子三维温度场仿真模型,对更多运行状态下的温度分布进行研究,验证了实验确定的定子绕组最高温度区域广泛适用性。提出以定子电流和最高温度区域温度为保护依据的电动机综合保护思路与具体保护方案,可在确保电动机安全的同时最大限度发挥电动机的作用,减少甚至避免生产过程中断带来的损失。关键词:异步电动机;定子电流;温度分布;最高温度;保护Inductionmotorprotectionresearchbasedoncurrentandmaximumtemperaturedetection—YANGMingfa,ZHANGPei-ming(CollegeofElectricalEngineering&Automation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)Abstract:Byestablishingtheinductionmotorsstatortemperaturedistributiontestsystem,temperaturedistributionsofinductionmotorstatorwindingundertypicaloperatingconditionsaretestedinthispaper.Basedonmeasuredtemperaturedistributiondata,characteristicsofmotorstatortemperaturedistributionareanalyzed.Itdrawstheconclusionthatthemaximumtemperatureofstatorwindingislocatedatshaftsideend-windingsatterminalboxside.Basedonthermaltheoryofinductionmotor,inductionmotorstator3Dtemperaturefieldsimulationmodelisestablishedtoresearchtemperaturedistributionsinmoreoperatingstations.Andthe’broadapplicabilityofthestatorwindingsmaximumtemperatureregionwhichisdeterminedbytestisverified.Onthisbasis,integratedmotorprotectionideasandspecificprotectprogrambasedonstatorcurrentandthemaximumtemperatureareproposed.Theschemewillensurethesafetyofmotorandmaximizetheroleoftheelectricmotor.Itcanreduceandevenavoidthelossescausedbyinterruptionoftheproductionprocess.Keywords:inductionmotor;statorcurrent;temperaturedistribution;maximumtemperature;protection中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2011)05.0081050引言在工业企业中,大量的电动机保护器被用于保护电动机以最大限度地减少电动机烧毁以及由此引发的生产事故带来的经济损失。各种故障对电动机的损害最终都体现为绕组温度超过允许值导致绝缘快速老化甚至击穿而引发电动机烧毁等事故,电动机保护器的任务归根到底是保护电动机不因温度过高而烧毁。电动机保护器应该根据故障的危害程度采取不同的保护措施。对于短路、堵转以及接地等危害性大的故障,故障发生后应快速采取保护措施,避免基金项目:福建省科技厅重点项目(2007H0021)危害扩大:对于过载、三相不平衡(包括断相)、过电压、欠电压等温度变化较缓慢、危害性较小的故障,为了最大限度发挥电动机的作用,减少生产过程中断带来的损失,故障后不应该立即切断电源,可以先给出报警信号,只有绕组温度超过允许值才采取保护措施。由于缺乏对电动机温度分布的了解,同时考虑到温度测量的困难,设计者在设计电动机保护器时大都不是以电动机的温度为保护依据,而是以定子电流为保护依据【JJ,原因是大部分故障都会导致定子电流的异常,而定子电流数量有限且易于测量。考虑到电动机热特性的复杂性,以定子电流为动作依据的电动机保护器虽然能够辨别大部分的故障,电力系统保护与控制但是无法实现准确的超温保护。对于不会引起电流异常的故障,以定子电流为动作依据的电动机保护器则无法实现保护。比如,对于外置风扇强制冷却电动机,风扇损坏或风扇罩壳脱落并不会导致电流的异常,但是机座表面的冷却效果将大大下降,导致绕组温度上升,烧毁电动机。显然,电动机热保护的实质是定子绕组运行最高温度部位的超温保护。如果以定子绕组的平均温度作为热保护的判据,即使其平均温度的检测是准确且未超温,但是最高温度可能已经超温或者说定子绕组局部可能已经超温,从而造成定子绕组局部绝缘损坏,导致整台电动机损坏。本文以型号为YIOOL2.4的异步电动机为对象,通过实际测量和仿真分析的方法,得出定子绕组温度分布规律。根据温度分布的规律,提出易于实现的以定子电流和电动机的最高温度为保护依据的电动机综合保护方案,实现准确可靠的超温保护,在确保电动机安全的同时最大限度发挥电动机的作用,减少甚至避免生产过程中断带来的损失。1定子三维温度分布规律1.1温度分布测试方案Y系列异步电动机的机座结构如图1所示。与其他区域不同的是,接线盒所在区域机座表面没有散热筋,该区域机座内表面散热条件不如分布有散热筋的区域。冷却风扇位于机座非传动侧(以下称为风扇侧),电动机工作时,冷却气流从风扇侧吹向传动侧。图1测温点分布示意图Fig.1Schematicdiagramoftemperaturemeasurementpointdistribution为了准确掌握电动机内部温度分布的规律,在被试电动机不同位置埋置了61个测温点。测温点的分布见图l。用于测量定子绕组温度的54个测温点分为A~I共9组,每组6个点沿轴向分布,其中l号点位于传动侧端部,2~5号点位于槽内并将整个槽5等分,6号点位于风扇侧端部。J、K、L共3组测温点位于机座表面,每组2个点,分别位于机座两端。M组测温点只有一个点,位于机座顶部吊环孔内的铁芯表面。此外还有一个测温点用于测量环境温度。除了测量温度,实验过程还实时采集了三相绕组的电流值。测试系统的温度传感器采用台湾兴勤电子股份有限公司生产的型号为DHTOB104F4001NY,精度±1%的负温度系数热敏电阻。测试系统信号采集与处理电路原理框图如图2所示。温度和电流信号经过信号变换及A/【)转换后进入CPU进行处理,得到的温度数据和电流数据通过RS232通信接口传递到上位机进行保存和再处理。图2测试系统信号采集与处理电路原理框图Fig.2Blockdiagramofsignalacquisitionandprocessingcircuitoftestsystem1.2温度分布测量结果实测结果表明,电动机运行时的绕组温度高于铁芯温度和机座温度。各种运行状态下的绕组温度分布如表1~3所示。其中表1为三相平衡时的温度分布,三相电流均为6.8A(额定电流),环温31.4℃;表2为B相断相时的温度分布,A、C相电流℃为7.5A,环温31.4;表3为低压堵转时的温度℃分布,三相电流均为4.7A,环温23.1;表4为端部冷却风扇罩壳脱落时的温度分布,三相电流均℃为6.5A,环温18.9。杨明发,等基于电流与最高温度检测的异步电动机保护研究一83一表1三相平衡时的温度分布表4风扇罩壳脱落时的温度分布Tab.1Temperaturedistributionofwinding(ratedload)Tab.4Temperaturedistributionofwinding(coolingfailure)表2B相断相时的温度分布Tab.2Temperaturedistributionofwinding(1ossofB-phase)表3低压堵转时的温度分布Tab.3Temperaturedistributionofwinding(1owvoltagelockedrotor)注:由于工艺的原,部分非最局温厦区域的测温兀件在生产过程损坏。1.3温度分布规律及其成因分析从实测温度分布可以看出,不同运行状态下,同一绕组的端部温度均高于槽内温度,原因在于槽内绕组产生的热量直接经由槽绝缘传递到定子铁芯,再传递到机座,并从机座表面散发到周围环境中;而端部绕组产生的大部分热量需要经由槽内绕组再传到铁芯L8J,其温度必然高于槽内绕组。在正常运行、过载、三相不平衡(包括断相)、过电压、欠电压等机座表面有风扇冷却的情况下,绕组温度分布是不对称的。比较传动侧和风扇侧绕组端部温度可以发现,对于同一绕组,传动侧的端部绕组温度总是高于风扇侧的端部绕组温度,原因在于冷却气流从风扇侧向传动侧流动过程中,吸收机座表面的热量使得温度逐渐升高。同时,由于摩擦和扩散等因素的影响,冷却空气相对机座表面的速度逐渐下降。两方面的因素都使得风扇侧散热效…果好,传动侧散热效果差【J。对传动侧绕组端部而言,不同位置的温度也有较大的差异,温度分布规律为接线盒区域温度明显高于其他区域。原因在于分布有散热筋的机座表面为强制对流散热,而接线盒所在区域机座表面主要为自然对流散热,其散热条件比其他区域差。堵转时机座表面均没有风扇冷却,此时传动侧和风扇侧绕组端部的温度差异较小,接线盒区域的温度与其他区域的差异也很小。接线盒区域传动侧绕组端部依然是电动机内部温度最高的区域之一。2定子温度分布的有限元仿真异步电动机的运行状态随负载的变化及故障的一84.电力系统保护与控制不同而不同,单纯依靠实验测量的方法研究各种运行状态下的绕组温度分布规律是很困难的。温度场仿真模型可以方便地仿真不同运行状态下的电动机温度分布,为此本文建立了异步电动机定子全域三维有限元仿真模型,对绕组温度分布规律,特别是最高温度区域进行更广泛的研究。2.1有限元分析的理论基础对于各向异性介质,直角坐标下的三维导热偏“微分方程为【J:oaT)+o(OT)+()+qv=pc(1)式中,为物体的温度;f为时间;、、也分别为、Y、z方向的导热系数;P为材料的密度;为材料的比热;q为热源的发热密度。对于稳态温度场,温度不随时间f变化,式(1)中aa户0,考虑到边界条件,对导热微分方程的求解可以归为一个边值问题。 ̄x(k-aT)+(0【OTTIsl=To(2)一_3T2:q一0TIs3=o ̄(T一)式中:1为第一类边界条件的物体边界;死为已知边界面的温度;也为第二类边界条件垂直于界面的热传导率;口为通过界面的热流密度;如为第三类边界条件垂直于界面岛的热传导率;乃为在∞界面与物体接触的冷却介质的温度;6c为在界面与物体接触的冷却介质的换热系数。对应于式(2)的等价变换为式(3)。c=[c+,c+c]d~ ̄qvdv-:g+,(一2)【I州=T式中:表示求解域。当泛函取极值,即a0时,可得单元矩阵方程式(4)。=F(4)式中:为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵;和F分别为总体系数矩阵和总体右端列矢量。再将边界条件代入式(4)修改,获得一个线性方程组,解此方程组即可得到各个节点的温度值。2.2仿真结果及分析本文根据所用电动机的结构尺寸采用ANSYS有限元分析软件建立了异步电动机定子三维有限元仿真模型,根据负载情况和散热条件施加载荷并进行仿真分析,额定负载时的绕组温度分布如图3所示。93.566,1.e21{i.,07i0.1t110.307图3额定负载时的绕组温度分布图Fig.3Temperaturedistributionofwindingsatratedload从仿真结果可以看出,定子绕组温度分布规律与实测结果是相符的,即绕组最高温度区域位于接线盒区域的传动侧绕组端部。应用该模型仿真其他各种负载及不同故障状态下的绕组温度分布,仿真结果表明,接线盒区域传动侧绕组端部始终是绕组的最高温度区域。3电动机综合保护器的设计3.1硬件电路设计方案从以上实测及仿真结果可以看出,不同运行状态下,接线盒区域传动侧绕组端部均为电动机内部温度最高的区域。由于最高温度区域位于绕组端部,在该区域安装温度传感器是很方便的,其成本也是很低廉的。为此,本文提出了直接在电动机最高温度区域埋置温度传感器,实时在线监测电动机温度的电动机超温保护方案。由于电动机超温保护依据的是实时测量的电动机最高温度,而不是目前常用的电流值或整个电动机的平均温度,其可靠性得以大幅度提高,可以大大减少电动机烧毁带来的直接经济损失和保护器误动作带来的间接经济损失。电动机综合保护器的硬件电路原理框图如图4所示。其中3个热敏电阻分别埋置于接线盒区域传动侧的A、B、C三相绕组端部,温度信号经热敏电阻转换为电阻信号以后通过R/V变换电路转换为电压信号,再通过A/D转换电路转化为数字量进入CPU进行处理。同时,电流互感器出来的电流信号也经过信号处理以后进入CPU。电流和温度信号经CPU处理以后,若判定电动机出现故障可根据故障杨明发,等基于电流与最高温度检测的异步电动机保护研究-85一类型输出信号控制接触器切断电源或只给出报警信号。按键输入模块用于用户根据实际需要设置各类阈值,状态指示模块用于指示各相电流值和各测量点的温度。罄CPU图4电动机综合保护器硬件框图Fig.4Hardwareblockdiagramofintegratedmotorprotector3.2软件设计方案综合保护器的软件流程如图5所示。控制器采集电流信号以后判断是否发生故障,如果有故障则根据故障类型给出报警信号。若属于堵转故障,则直接切断电源,避免危害扩大;若属于过载、三相不平衡(包括断相)、过电压、欠电压等故障则暂时不采取保护措施,转而判定温度是否超限,如温度没有超过允许值,则只给出报警信号而不切断电源,以最大程度地发挥电动机的作用,减少甚至避免生产过程中断带来的经济损失。一旦最高温度超温,保护器立即切断电动机电源。图5电动机综合保护器软件框图Fig.5Softwareblockdiagramofintegratedmotorprotector4结论由于电动机发热与散热过程的复杂性,现有电动机保护器不仅无法将电动机电流量准确地反映为温度量,而且这些保护器均以整个定子的平均温度而不是以最高温度作为保护的依据,因此在电动机保护研究与应用领域存在严重的误区,使得现有电动机保护器无法实现准确的超温保护。电动机热保护的实质是定子绕组运行最高温度部位的超温保护。因此首先应该确定其最高温度区域,并对该区域运行温度进行实时监测与保护控制。以电流和最高温度作为保护判据是实现准确的电动机保护的基础,以此判据为基础研发的电动机综合保护器,既可以快速保护电动机又可以充分发挥电动机的作用,可以有效减少甚至避免生产过程中断带来的经济损失。Y系列中小型电动机的结构型式相近,各种规格电动机的散热条件也是相近的,而散热条件是决定绕组温度分布的主要因素,所以,根据本文实验样机测量得出的温度分布规律也适用于同系列其他型号电动机。以电流和最高温度作为保护判据的电动机保护思路对其他系列电动机的保护也有借鉴价值。参考文献[1]张清枝,李新雷.基于电动机热模型的微机反时限保护方法研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(14):86.89.—ZHANGQing-zhi,LIXin-lei.Studyoninversetimeprotectionmethodbasedonthermalmodelofinductionmotor[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(14):86.89.[2]戴光武,都洪基,贾磊,等.基于P89LPC952单片机的电动机保护装置研究[J】.电力系统保护与控制,—2009,37(2):7375,79.—DAIGuangwu,DUHong-ji,JIALei,eta1.MotorprotectionequipmentresearchbasedonP89LPC952microcontroller[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(2):73-75,79.[3]卢庆港,解中秀.异步电动机热模型保护应用[J].电力系统保护与控制,2009,37(8):107.109,113.—LUQing-gang,XIEZhongxiu.Applic 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