СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТКИ КОРОТКОЗАМКНУТОГО РОТОРА ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF WINDINGS OF SHORT-CIRCUITED ROTOR OF VARIABLE-FREQUENCY ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к технике определения температуры короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя под нагрузкой и может быть использовано при испытаниях асинхронных двигателей и регулировании их вращающего момента и частоты вращения в эксплуатации.
Известен способ для контроля температуры вращающихся элементов, в котором используют прибор для контроля температуры вращающихся роторов электродвигателей, в котором сигнал вращающегося датчика температуры передают индуктивным способом через вращающийся элемент связи на неподвижный элемент связи, причем элементы связи представляют собой индуктивные катушки, и обрабатывают вычислительным устройством, которое подключено непосредственно к неподвижному элементу связи - катушке - и установлено в узле, выполняющем функции датчика предельного значения температуры, а последний посылает переключающие импульсы низкой частоты и на подключенные электрические аппараты (Патент ФРГ №3007705, МКИ G01K 13/08, 1981).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе сигнал вращающегося датчика температуры передается индуктивным способом через вращающийся элемент связи, выполненный в виде индуктивной катушки, на неподвижный элемент связи, выполненный также в виде индуктивной катушки, которая установлена в узле датчика температуры, который посылает переключающие импульсы на подключенные аппараты, что значительно усложняет и удорожает конструкцию электрической машины и измерительных устройств. Поэтому этот способ не получил широкого применения в асинхронном электроприводе.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ, включающий определение вычислительным устройством температуры короткозамкнутой обмотки ротора, используемой в качестве термодатчика, частоты тока статора, частоты вращения ротора, силы тока и напряжения фазы обмотки статора, подаваемого от инвертора, угла фазового сдвига между напряжением и током фазы обмотки статора с использованием источника постоянного тока с последовательно подключенным резистором и блоков измерения величин постоянного тока и падения напряжения от него на термодатчике, и включения параллельно этой цепи шунтирующего резистора, причем величины омических сопротивлений резисторов учитывают в определенном математическом соотношении (Авторское свидетельство СССР №1108337, кл. Н02К 3/00; Н02Н 5/04, 1981).
К принципиальным недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе необходимо к обмотке электрической машины подключать последовательно источник постоянного тока и резистор, параллельно которым подключен шунтирующий резистор, и блоки измерения величин постоянного тока и падения напряжения от него на термодатчике (обмотке), что значительно усложняет и удорожает конструкцию электрической машины. Поэтому и этот способ не получил достаточно широкого применения, особенно для асинхронных двигателей, имеющих обмотку на роторе, выполненную в виде короткозамкнутой беличьей клетки.
Задачей предлагаемого способа является определение температуры нагрева обмотки вращающегося ротора по изменению электромагнитной постоянной времени обмотки ротора при ее нагреве и изменению взаимной индуктивности намагничивающей цепи с целью обеспечения непрерывного контроля температуры обмотки ротора в процессе работы без идентификационных моделей, удешевления его схемы и упрощения управления.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения температуры обмотки короткозамкнутого ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя, включающем определение вычислительным устройством температуры короткозамкнутой обмотки ротора, используемой в качестве термодатчика, частоты тока статора, подаваемого от инвертора, частоты вращения ротора, силы тока и напряжения фазы обмотки статора, подаваемого от инвертора, угла фазового сдвига между напряжением и током фазы обмотки статора, введены отличия, заключающиеся в том, что температуру обмотки ротора в вычислительном устройстве определяют по изменению ее омического сопротивления, зависящего от температуры, и взаимной индуктивности намагничивающей цепи, которые связаны с электромагнитной постоянной времени обмотки ротора соотношением:
2
m
где R - омическое сопротивление обмотки ротора; L - взаимная индуктивность цепи намагничивания; Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, определяемая по формуле:
0
1
1
ск
2
0
где |Z| - модуль полного электрического сопротивления фазы обмотки статора; ω - угловая частота тока статора; R - активное сопротивление фазы обмотки статора; ω - угловая частота скольжения ротора; σ - коэффициент рассеяния магнитного поля ротора; φ - фазовый угол сдвига между током и напряжением фазы обмотки статора, при этом превышение температуры Δt обмотки ротора относительно его известной температуры t определяется вычислительным устройством по соотношению:
0
0
где Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, измеренная в процессе штатной работы двигателя; Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, измеренная при известной эталонной температуре обмотки ротора t, α - температурный коэффициент электрического сопротивления материала обмотки ротора (для меди он равен α=0,004), а текущее значение t температуры обмотки ротора определяется также в вычислительном устройстве по зависимости:
0
t=t+Δt.
m
µ
Исходные данные для указанных расчетов вводят в вычислительное устройство в виде сигналов от штатных приборов, датчиков системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом: частоты тока статора, частоты вращения ротора, силы тока и напряжения фазы обмотки статора, подаваемого от инвертора, угла фазового сдвига между напряжением и током фазы обмотки статора. Изменение взаимной индуктивности цепи намагничивания L или коэффициента ее насыщения k при насыщении магнитной цепи учитывают путем введения в программу обработки результатов измерения в их зависимости от тока статора. Полученные результаты используют для корректировки алгоритмов управления двигателем.
Описанный способ обеспечивает непрерывный контроль температуры обмотки ротора асинхронного двигателя в процессе работы без идентификационных моделей, удешевление его схемы и упрощение управления.
Предлагаемый способ измерения температуры обмотки короткозамкнутого ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя в процессе его работы реализуют структурной схемой, представленной на чертеже.
1
1
2
При этом используют имеющуюся текущую информацию о режимах работы частотно-регулируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: фазный ток, фазное напряжение, угол сдвига фазного тока относительно фазного напряжения, частота вращения ротора, частота тока статора и конструктивные параметры двигателя - индуктивность цепи намагничивания, омическое сопротивление фазной обмотки R и коэффициенты рассеяния магнитных полей статора σ и ротора σ.
Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж).
з
c
1
р
1
1
1
2
0
Задание на требуемый вращающий момент М подают в инвертор 1, который подключен к сети с напряжением U и питает электроэнергией обмотки статора 2. Штатные датчики: 3 - частоты тока статора ω; 4 - частоты вращения ротора ω; 5 - силы тока фазы статора; 6 - напряжения обмотки статора U; 7 - величины угла фазового сдвига между напряжением и током фазы статора φ, подают информацию в вычислительное устройство температуры обмотки ротора 8, в которое также подают сигналы о величине сопротивления фазной обмотки R, величине индуктивности цепи намагничивания статора σ и поля ротора σ и величине эталонной электромагнитной постоянной времени обмотки ротора Т.
При этом вычислительным устройством определяют температуру короткозамкнутой обмотки ротора, используемой в качестве термодатчика, частоту тока статора, частоту вращения ротора, силу тока и напряжения фазы обмотки статора, подаваемого от инвертора, угла фазового сдвига между напряжением и током фазы обмотки статора, а температуру обмотки ротора в вычислительном устройстве определяют по изменению ее омического сопротивления, зависящего от температуры, и взаимной индуктивности намагничивающей цепи, которые связаны с электромагнитной постоянной времени ротора соотношением:
2
m
где R - омическое сопротивление обмотки ротора; L - взаимная индуктивность цепи намагничивания; Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, определяемая по формуле:
0
1
1
ск
2
где |Z| - модуль полного электрического сопротивления фазы обмотки статора; ω - угловая частота тока статора; R - активное сопротивление фазы обмотки статора; ω - угловая частота скольжения ротора; σ - коэффициент рассеяния магнитного поля ротора; φ - фазовый угол сдвига между током и напряжением фазы обмотки статора.
0
Превышение температуры обмотки ротора относительно известной температуры t определяют вычислительным устройством по соотношению:
0
где Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, измеренная в процессе штатной работы двигателя; Т - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, измеренная при известной температуре; α - температурный коэффициент электрического сопротивления материала обмотки ротора (для меди он равен α=0,004). При этом текущее значение температуры обмотки ротора определяется по формуле:
0
t=t+Δt.
Предлагаемый способ использует имеющиеся в схеме управления частотно-регулируемого асинхронного двигателя датчики и блоки и требует установки дополнительно только невращающегося вычислительного устройства температуры обмотки ротора 8, что значительно упрощает конструкцию. При этом обеспечивается простота средств и алгоритма реализации способа, а также необходимая точность измерения температуры t обмотки ротора.
Функции вычислителя могут быть реализованы программно, если блок управления преобразователем выполнен на базе микропроцессоров, в виде программного блока, входящего в общее программное обеспечение.
Полученные результаты используют для корректировки алгоритмов управления двигателем. Предложенный способ обеспечивает непрерывный контроль температуры обмотки ротора асинхронного двигателя в процессе работы без идентификационных моделей, удешевление его схемы и упрощение управления.