СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к электромеханике, а именно к устройствам для измерения и индикации электрических величин и может быть использована для оценки теплового состояния асинхронных электродвигателей.
Известно устройство для бесконтактного определения температуры обмотки короткозамкнутого ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя (патент РФ на изобретение №2386114, МПК G01K 13/08 (2006.01), опубл. 10.04.2010), содержащее инвертор, выходы которого соединены с обмотками асинхронного электродвигателя, и вычислительное устройство, входы которого соединены с датчиком тока и датчиком напряжения, датчиком частоты тока статора, датчиком частоты вращения ротора, датчиком величины угла фазного сдвига между напряжением и током фазы статора.
Это устройство не позволяет учитывать несимметричное питание и наличие высших временных гармоник питающего напряжения, а также наличие дефектов стержней ротора для оценки теплового состояния асинхронных электродвигателей на основании потребляемых электрических токов, питающих напряжений и скорости вращения.
Задачей полезной модели является создание устройства для оценки теплового состояния электрических машин на основании потребляемого электрического тока, питающих напряжений и скорости вращения с учетом возможного несимметричного питания, наличия высших временных гармоник питающего напряжения и возможных дефектов в роторной клетке.
Поставленная задача решена за счет того, что система мониторинга теплового состояния асинхронных электродвигателей, так же как и в прототипе, содержит датчики напряжения, датчик тока, датчик частоты вращения ротора, подключенные к асинхронному электродвигателю.
Согласно полезной модели, система мониторинга теплового состояния асинхронных электродвигателей содержит три датчика напряжения, соединенные по схеме «звезда», которые подключены к фазам асинхронного электродвигателя, к которому в разрыв одной из фаз подключен датчик тока. К валу асинхронного электродвигателя подсоединен датчик частоты вращения ротора, а датчики напряжения, датчик тока и датчик частоты вращения ротора подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу микропроцессорного устройства, который связан с монитором.
Предложенная система мониторинга позволяет проводить в режиме реального времени оценку теплового состояния асинхронных электродвигателей на основании возможного несимметричного питания, наличия высших временных гармоник питающего напряжения и на основании возможных дефектов в роторной клетке.
На фиг.1 приведена структурная схема системы мониторинга теплового состояния асинхронных электродвигателей.
Система мониторинга теплового состояния асинхронных электродвигателей содержит блок датчиков напряжения 1 (БДН) подключенный к фазам асинхронного электродвигателя 2 (АД), к которому в разрыв одной из фаз подключен датчик тока 3 (ДТ). Блок датчиков напряжения 1 (БДН) состоит из трех датчиков напряжения, соединенных по схеме «звезда». К валу асинхронного электродвигателя 2 (АД) присоединен датчик частоты вращения ротора 4 (Т). Выходы блока датчиков напряжения 1 (БДН), датчика тока 3 (ДТ) и датчика частоты вращения ротора 4 (Т) подключены к входам аналого-цифрового преобразователя 5 (АЦП), выход которого подключен к входу микропроцессорного устройства 6 (МПС), выход которого связан с монитором 7 (М), входящим в комплект МПС.
Датчики напряжения блока датчиков напряжения 1 (БДН), датчик тока 3 (ДТ) и датчик частоты вращения ротора 4 (Т) могут быть любыми стандартными. В качестве аналого-цифрового преобразователя 5 (АЦП) может быть использован аналого-цифровой цифровой преобразователь серии ADS8361 производства NATIONAL INSTRUMENTS (16 бит) или любой другой стандартный аналого-цифровой преобразователь. В качестве микропроцессорного устройства 6 (МПУ) может быть использован программируемый контроллер серии PXI-8183 производства NATIONAL INSTRUMENTS.
1
С помощью блока датчиков напряжения 1 (ДН) и датчика тока 3 (ДТ) измеряют фазные напряжения и ток в одной из фаз асинхронного электродвигателя 2 (АД). С помощью датчика частоты вращения ротора 4 (Т) измеряют скорость вращения вала электродвигателя 2 (АД). Измеренные величины фазных напряжений, тока в фазе и скорости вращения электродвигателя поступают на входы аналого-цифрового преобразователя 5 (АЦП) и преобразуются из аналоговой формы в цифровую. Обработанные в АЦП сигналы поступают на входы микропроцессорного устройства 6 (МПС) и обрабатываются в нем с помощью передаточных коэффициентов, заложенных в программу МПС. Эти передаточные коэффициенты представляют собой зависимости температур участков электродвигателя от уровня несимметричного и несинусоидального питающего напряжения и от уровня гармоники тока в фазе статора частотой f·(1±s),
1
где f - частота питающего напряжения;
s - скольжение асинхронного электродвигателя, вычисленное на основании измеренной скорости вращения вала.
Эти передаточные коэффициенты рассчитывают следующим образом.
S
r
На первом этапе производят вычисление греющих электрических потерь в электродвигателе соответственно для статора ∑P и ротора ∑P:
1
2n
где R и r - соответственно активные сопротивления фаз статора и ротора;
A
B
C
I, I, I - токи в фазах статора;
rn
I - ток в фазе ротора с индексом n.
Число фаз ротора равно n.
Эти токи вычисляют с помощью следующей математической модели на основании измеренных фазных напряжений электродвигателя:
SA
SB
SC
где U, U, U - действующие значения питающих фазных напряжений статора;
SA
SB
SC
∑SA
∑SB
∑SC
ra
rb
rc
∑ra
∑rb
∑rc
i, i, i, Ψ, Ψ, Ψ (i, i, i, Ψ, Ψ, Ψ) - токи и потокосцепления фаз статора(ротора);
2
M - вращающий момент на валу двигателя;
н
M - момент нагрузки;
2
2
φ и ω - угол поворота и частота вращения ротора;
1
ω - угловая частота питающей сети;
σ1
L - индуктивность от полей рассеяния статора;
σ2
L - индуктивность от полей рассеяния ротора;
m
L - взаимная индуктивность между статором и ротором;
1
R - сопротивление фазы статора;
2
R' - приведенное сопротивление фазы ротора;
t - время;
1
p - число пар полюсов;
nk
α - угол поворота фазы ротора относительно фазы статора;
Sn
rk
i и i - токи фаз статора и ротора;
J - момент инерции ротора.
Вычисление греющих электрических потерь в двигателе производят для различных величин несимметрии и уровня высших временных гармоник питающего напряжения, а также при различном изменении сопротивления фаз ротора.
На втором этапе, используя полученный набор данных греющих электрических потерь, производят преобразование последних в тепловое поле электродвигателя с помощью программной среды ELCUT на персональном компьютере. Эта среда представляет собой программу для моделирования тепловых полей объектов методом конечных элементов на основании тепловых свойств материалов, используемых в данных объектах и на основании удельной теплоты выделения в участках исследуемого объекта. Таким образом, создается база данных коэффициентов, которые позволяют анализировать тепловое состояние асинхронного электродвигателя на основании измеренных фазных напряжений, тока в фазе и скорости вращения вала.
Итоговый результат вычисления в аналого-цифровом преобразователе 5 (АЦП) представляет собой величины температур самых нагретых точек асинхронного электродвигателя, которые поступают на монитор 7 (М) для последующего отображения.