Трехфазные машины индукции широко используются в современной промышленности в связи с их экономической эффективностью, неприхотливостью и простотой в обслуживании. Одно промышленное учреждение может иметь тысячи асинхронных электродвигателей. Как результатом этой скоординированной операции, неисправность асинхронного электродвигателя может понести финансовые потери не только связанные с ремонтом отдельного двигателя или замены, но также потери, связанные с простоями всей сборочной линии и потери продуктивности. По этой причине, надежную работу двигателя во многих важнейших промышленных процессах для обеспечения надежной работы двигателя ставят защиту устройств, таких как тепловые реле, широко используемые в современной промышленности.

В базовой технологии в автомобильных защитных устройствах наблюдается быстрый рост в последние несколько лет. Одной из главных задач индукции мониторингового состояния машин заключается в обеспечении точной и надежной защиты от перегрузки двигателей. 35-40% двигательных неудач связанны с изоляцией обмотки статора и железного ядра [1] - [3]. Эти неудачи в первую очередь обусловлены суровыми условиями эксплуатации, например, циклические перегрузки операций, добыча и нефтехимическая промышленность [4]. Хотя асинхронные двигатели являются прочными и надежными, изоляция обмотки статора становится потенциально разрушительной. Это часто приводит к сгоранию обмотки статора и даже полному двигательному провалу. Защита обмотки статора от пробоя и является основной темой этой работы.

1.1 ПРОБОИ ОБМОТКИ СТАТОРА

Органические материалы, используемые для изоляции обмотки статора асинхронного электродвигателя должны работать ниже определенного предела температуры. Операционная температура выше этого предела, установленного для короткого промежутка времени серьезно не повлияет на работу двигателя, но длительная операция пределы допустимого предела температуры будет производить ускоренное и необратимое ухудшение обмотки статора изоляционным материалом. Такое ухудшение часто ускоряет процесс старение двигателя и в конечном итоге сокращает срок эксплуатации двигателя. Как правило, жизнь двигателя снижается на 50% за каждые 10°C превышающие температурный предел обмотки статора.

Чрезмерная тепловая нагрузка определяется в отраслевой практике в качестве основной причины изоляции обмотки статора деградации, особенно для малых размеров индукционных машин, Национальная Электрическая Ассоциация Производителей (NEMA) создала допустимые пределы температуры обмоток статора индукционной машины на основе ее классов изоляции, чтобы обеспечить его непрерывную и надежную эксплуатацию.

Есть несколько условий, при которых температурный предел может быть превышен: в результате ускорения изоляции обмотки статора деградации, переходных перегрузок, запуска перегрузки и ненормальных условий охлаждения [4] - [6].

Переходные перегрузки и рабочие перегрузки, связанные с двумя областями работы двигателя [6]. Первый регион двигательной операции переходных перегрузок с 250 до 1000% полного тока нагрузки. Эти перегрузки включают запуск двигателя, при котором двигатель ускоряется до 6 раз по сравнению с номинальным током во время ускорения; двигателем кабиной, в которой двигатель не сможет ускорить нагрузки на желаемую скорость в ходе начального этапа и двигательные процессы, в которых двигатель останавливается во время нормальной работы из-за внезапного механического замка.

В каждом из этих сценариев, значительное количество тепла, генерируется большим количеством пускового тока в обмотке статора из-за потери I2R статора. Отсутствие вентиляции, вызванное медленным или даже полностью остановленным движением ротора, делает его трудным для теплорассеивания [7]. Таким образом, переходную перегрузку можно рассматривать как адиабатические процессы с очень быстрым тепловым переходным процессом. Обычно это занимает от 25 до 30 секунд для типичной обмотки статора температурой 140 ° C [6]. В большинстве приложений, общего и специального назначения NEMA Т-кадр Motors может охраняться в переходных перегрузках, когда используется класс NEMA 20 реле перегрузки. Эти реле позволяет в 6 раз увеличить полную нагрузку тока, при этом проходит через двигатель за 20 секунд [8].

Вторая область работы двигателя является перегрузкой работающей с 1 по 2 раза полного тока нагрузки. В этом регионе двигатель работает постоянно, обеспечивая тем самым определенную степень рассеивания тепла для внутренних потерь, и в результате постепенного повышения температуры обмотки статора. В отличие от работы двигателя в переходных процессах, внутреннее тепло передается к двигательным процессам окружающей среды путем проведения и конвекция в процессе приработки перегрузок. Таким образом, тепловая постоянная времени по этому виду работы двигателя гораздо больше, чем при переходных процессах. Эта тепловая постоянная времени определяется целым рядом факторов, таких, как конструкции двигателя, ротор скорости и температуры окружающего воздуха.

Как результат, в то время как определенное реле времени могут быть использованы для защиты двигателя от переходных перегрузок, более сложные схемы, необходимые для защиты двигателя от перегрузок работают. Это определяет сферу исследований, представленные в этой работе.

Ненормальные условия охлаждения - другая возможная причина обмотки статора повышение температуры за ее предела. Обычно способности охлаждения двигателя снижаются из-за дефекта или ошибки в любом из компонентов в системе охлаждения двигателя. Это часто приводит к повышению температуры ненормальным двигателем. Например, когда корпус двигателя забит пылью или другими частицами, передача транспортным внутренним теплом своей окружающей препятствиями, и в результате увеличения температуре двигателя. Другой пример, когда охлаждение двигателя скомпрометирована из-за высокой температуры окружающей среды. Стандартные двигатели предназначены для работы при температуре окружающего воздуха ниже 40 °С, поэтому изоляция жизни значительно уменьшается, как повышается температура окружающей среды. Есть еще более серьезная ситуация охлаждения двигателя, вызванная либо сломанным охлаждающим вентилятором или случайно заблокироваными воздушными клапанами или каналами. Все они уменьшают охлаждающую способность двигателя и могут привести к возможной поломки двигателя.

Для защиты обмотки статора от повреждения изоляции и продления жизни двигателя, обмотки статора, температура должна быть под постоянным контролем. Всякий раз, когда температура обмотки статора превышает допустимый предел, то двигатель должен быть закрытым, чтобы избежать повреждения материалов изоляции его обмотки статора. Многие методики были разработаны для защиты асинхронного двигателя при перегрузке условий, которые гарантируют надежную работу двигателя. Эти методы могут быть разделены на 3 основные категории:

1) Прямые измерения температурыt

2) Тепловые оценки на основе моделей температуры

3) Параметры на основе оценки температуры

Прямые измерения температуры обмотки статора производятся с помощью встроенных термопар, термочувствительных резисторов (термисторы), температура резистивных датчиков (РТД) или инфракрасных камер [9]. Такие тепловые датчики способны обеспечивать надежное измерение температуры на их установленных местах. Однако, поскольку большинство термических напряжений приводит к локализованным крахам обмотки статора, где эти тепловые датчики не установлены, прямые измерения температуры не могут обеспечить полной защиты от перегрузки по всей обмотке статора. Кроме того, прямые измерения температуры рассматриваются только как эффективный метод для больших машин. Установка тепловых датчиков в малых машинах очень сложная и дорогая.

Thermal model-based temperature estimation is the most commonly used technique in motor overload protection. Dual-element time-delay fuses, eutectic alloy overload relays and microprocessor-based motor protective relays are 3 major types of protective devices based on the thermal models of induction machines.

Тепловая модель на основе температурной оценки наиболее часто используется в автомобильной технике для защиты от перегрузки. Двойной элемент с запаздыванием предохранителей, эвтектического сплава перегрузки реле и микропроцессорных реле защиты двигателя имеют 3 основных типа защитных устройств на основе тепловых моделей индукционных машин. Двойной элемент с запаздыванием предохранителя является наиболее широко используемым устройством для защиты от перегрузки двигателя из-за его низкой стоимости, состоит из элементов короткого замыкания и перегрузки элементов [8]. Соответствующего размера двойной элемент с запаздыванием предохранителя может обеспечить защиту как от короткого замыкания, так и от перегрузки в рабочих условиях. Тем не менее, каждый раз, когда двигатель перегружен, предохранитель должен быть заменен. Эвтектические реле перегрузки сплава - другой тип двигателя релейной защиты на основе эмуляции тепловых характеристик обмотки статора. При координации с надлежащей защитой от короткого замыкания, этот тип реле от перегрузки предназначена для защиты мотора от перегрева в результате чрезмерной работы. Тем не менее, расхождения между тепловой эвтектического сплава реле от перегрузки и мотора затрудняет процесс охлаждения и обогрева, характеристики двигателя при любых температурных условиях [10]. Среди всех устройств, использующих тепловую модель на основе методов оценки температуры, микропроцессорные реле защиты двигателя представляют современное состояние транспортных защит [6]. Чтобы обеспечить оценку статора двигателя температуры обмотки, микропроцессорных реле защиты от перегрузки первый расчет потерь мощности - измерения тока на клеммах на основе асинхронных двигателей с эквивалентной схемой. На основе модели температурной оценки обеспечиваются точные и надежные оценки температуры по сравнению с предохранителями или эвтектического реле перегрузки сплава, обеспечивая тем самым полную защиту от перегрузки двигателя. Кроме того, она может быть скорректирована легко для различных классов двигатели, имеет высокую гибкость и программные алгоритмы. Однако подобные предохранители и реле перегрузки эвтектического сплава, не могут реагировать на изменения в процессе охлаждения двигателя, часто возникающих из-за засорения корпуса двигателя или сломанного вентилятора.

Параметр техники на основе температурной оценки представляет альтернативный метод для оценки температуры обмотки статора. Так как сопротивление является прямым индикатором температуры, этот метод обеспечивает превосходную производительность по сравнению с тепловой на основе модели температурной оценки. Кроме того, высокая точность связанная с предполагаемой температурой обмотки статора, в этом методе, способна реагировать на изменения в условиях охлаждения двигателя, так как изменение температуры влияет непосредственно на оценку сопротивления статора. По сравнению с прямыми измерениями температуры из термопары или РТД, этот метод не требует температуры детекторов, и, следовательно, свободный от вмешательства в природу и недорогой.

В работе [11] предоставляется детальный метод расчета сопротивления статора, Rs, ротора сопротивления, Rr, с индукционной машины эквивалентной схемы. Однако, как отмечается в [12], непосредственная оценка статора сопротивления при высокой скорости работы является чрезвычайно сложной и восприимчивой к параметрическим ошибкам ротора сопротивления и индуктивности мотора. Чтобы избежать большой ошибки в оценке сопротивления статора, этот метод предполагает фиксированное соотношение между РС и Rr [13]. Rr сильно зависит от частоты ротора из-за скин-эффекта, а Rs не взаимодействует с частотой ротора, статора сопротивление оценки, полученные таким образом, не "истина" сопротивление статора и, следовательно, не является прямым показателем температуры статора. Другие исследователи предлагают метод на постоянном токе инъекции для линии подключенных и мягкого начала индукции машины для параметра основной оценки температуры [14] - [16]. Однако, основная проблема с использованием постоянного инъекций для оценки РС - пульсации крутящего момента и отрицательный момент индуцированных компонентов постоянного тока [15].

В дополнение к вышеупомянутым различным устройствам, используемых для защиты от перегрузок, биметаллические тепловые защиты - популярный тип устройства контроля температуры. Как правило, они используются на малые дробные интегральные лошадиные силы (до 5 л.с.) двигателей переменного тока индукции, обладают встроенной защитой от перегрева. Обнаружение ненормальных условий охлаждения при работе двигателя также является одним из важных аспектов контроля температуры индукционного машины.

В работах [17] - [18], методы обнаружения ненормальных ситуаций охлаждения не предлагается. Путем сравнения разницы температур оценивается тепловая модель, а температура оценки сопротивления, охлаждения двигателя системы находится под контролем. Если разница выходит за рамки заданного порогового значения, сигнал об ошибке подается для указания неисправности в системе охлаждения двигателя. Реализация этой схемы требует полного знания мотора электрической и тепловой модели. Сложные методы обработки сигнала необходимо объединить в две модели для получения достоверной оценки.

Как было показано в предыдущих разделах, контроль температуры обмотки статора имеет решающее значение для защиты не только отдельных моторов, но и всего промышленного процесса. Эта работа сосредоточена на разработке и внедрении быстрого, эффективного и надежного алгоритма для оценки температуры обмотки статора, онлайн только напряжение и ток измерений терминалов малых и средних размеров машин сети подпитки индукции. Кроме того, охлаждение двигателя мониторинга состояния системы также изучается для полной защиты обмотки статора. Конечной целью этой работы является обеспечить всеобъемлющий набор алгоритмов для защиты от перегрузки двигателя следующего поколения микропроцессорной релейной защиты.

Развития теплового инструмента контроля начинается с тщательного расследования современного состояния методов оценки температуры статора. Тепловая модель техники на основе оценки температуры, хоть и проста и надежна, страдает неточностями в тепловых параметрах модели. Эти неточности часто приводят к консервативной оценки температуры обмотки статора, в результате ложных работ и ненужных перерыв всего процесса производства. С другой стороны, параметр техники на основе оценки температуры, хотя точный, очень чувствительный к ошибкам в индукционной машины электрических параметров.

Теоретически, оценка Rs использования отрицательной или нулевой последовательности модели нечувствительна к ошибкам параметра мотора, однако, постоянный контроль Rs на практике практически невозможен, так как небольшие отрицательные последовательности или ток нулевой последовательности часто вызывают проблемы в обработки сигналов. Если отрицательные или нулевые токи обратной последовательности преднамеренно вводили в машину, чтобы получить оценку R, присущие асимметрии двигателя на разных этапах, также могут вызывать значительные ошибки в оценке Rs. Другие проблемы, связанные с нынешним методом инъекции, ухудшение двигательной активности из-за крутящего момента двигателя, пульсации и внутреннего обогрева. Например, метод постоянной инъекций, предложенные в работах [15] - [16], как правило представляет нежелательные пульсации крутящего момента и ухудшение двигательной активности.

На основании анализа преимуществ и недостатков обеих основных тепловых моделей температуры методов оценки параметров на основе методов был предложен новый метод. Во-первых, гибридная тепловая модель (HTM) предлагает сопоставить температуры статора с температурой ротора. Эта модель объясняет также различия в тепловых условиях работы для различных двигателей такими же характеристиками. Тогда температура ротора, полученные от оценки сопротивления ротора, рассматривается в качестве индикатора тепловых характеристик двигателя. Температура ротора используется для тонкой настройки параметров в HTM, чтобы отобразить возможности охлаждения конкретных двигателя. Наконец HTM запускается самостоятельно после настройки процесса для обеспечения точной и надежной оценки температуры обмотки статора.

Ненормальные условия охлаждения в работе двигателя, такие, как загрязненный корпус двигателя или сломанный вентилятор также рассматривается в этой работе. Весь алгоритм быстрый, эффективный и надежный, что делает его пригодным для реализации в реальном времени для защиты.

Краткий обзор результатов предыдущих исследований, связанных с температурной оценкой обмотки статора содержится в 2 главе. Глава 3 - Анализ индукционной машины с помощью термического поведения сети, состоящей из резисторов и тепловых конденсаторов. Гибридная тепловая модель предлагается также в этой главе на основе анализа проектных и термических поведений малых и средних размеров машин сети подпиткой индукции. В качестве первого шага в реализации температуры обмотки статора схема оценки с помощью гибридной тепловой модели. Глава 4 содержит подробные процедуры для получения сопротивления ротора индукционной машины только от измерений тока и напряжения. Детальный анализ алгоритма требования работы двигателей точки также описано в этой главе. Глава 5 зависимость температуры ротора от предполагаемого сопротивления ротора, а также общие правила для настройки тепловых параметров в тепловой гибридной модели, так что истинные возможности охлаждения двигателя отражаются настроенной тепловой модели. Для проверки предлагаемой температуры обмотки статора схемы оценки, глава 6, показывает подробные экспериментальные установки, в том числе аппаратная платформа и программное обеспечение для сбора данных. Экспериментальные результаты для онлайн индукционной машины теплового контроля состояния, приведены в главе 7. Глава 8 рассказывает кратко эту работу с соответствующими выводами и взносов. Рекомендации в отношении будущей работы в области алгоритмов адаптивной онлайн температуры обмотки статора, оценки описаны также для обеспечения более точной и достоверной оценки температуры обмотки статора для малых и средних размеров машин сети с подпиткой индукции.