СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ УСТРОЙСТВА С ПОТРЕБИТЕЛЕМ, ИМЕЮЩИМ ПРИВОД ОТ ДВИГАТЕЛЯ, С СИСТЕМОЙ НЕПРЕРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ И ВЫБОРА ТАКОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR PROTECTION OF ELECTRIC MOTOR OF DEVICE WITH CONSUMER HAVING DRIVE FROM ENGINE, WITH SYSTEM FOR CONTINUOUS CONTROL OF EFFICIENCY AND SELECTION OF SUCH ENGINE

Настоящее изобретение относится к электрическому двигателю потребителя, имеющего привод от двигателя, с системой непрерывного управления производительностью.
Более конкретно, но без ограничения этим, настоящее изобретение относится к потребителю в виде компрессора для сжатия газа и приводимому в действие электрическим двигателем.
В случае компрессора производительность потребителя выражается как максимальный поток сжатого газа, который может подать компрессор, например, выраженный в литрах за единицу времени с заданными условиями на входе втягиваемого газа, подлежащего сжатию. Максимальная производительность компрессора тесно зависит от максимальной мощности компрессора, при этом мощность зависит от вышеупомянутой производительности и давления на выходе компрессора.
В случае компрессоров производительностью можно управлять, например, посредством управления скоростью электрического двигателя для поддержания определенного давления на выходе компрессора. Когда при таком управлении это давление падает, например, вследствие увеличения потребления сжатого газа, то устройство управления, предназначенное для управления производительностью, увеличивает скорость двигателя, чтобы таким образом увеличить поток подаваемого сжатого газа и таким образом также увеличить давление ниже по потоку относительно компрессора.
Таким образом, в этом случае производительностью управляют посредством управления скоростью.
Известны и другие типы управления производительностью компрессоров, которые оборудованы регулируемыми входными лопатками или регулируемыми выходными лопатками, которые выполнены с возможностью поворота вокруг своей продольной оси и, таким образом, с возможностью воздействия на поток газа через компрессор.
Известно, что мощность компрессоров зависит от условий окружающей среды. Например, низкая входная температура и высокое давление окружающей среды увеличивают плотность на входе втягиваемого газа, что приводит к увеличению производительности и потребления энергии.
Кроме того, также известно, что потребление энергии может увеличиваться в течение срока эксплуатации, в основном за счет повышения потерь и утечек.
Поскольку электрический двигатель, как правило, является вторым по дороговизне компонентом устройства компрессора, нельзя рисковать при расчете размера компонентов. Неопределенность, связанная с рабочими условиями и характеристиками при износе, приводит к существенному уступку в пользу избыточного увеличения размеров двигателя.
Существенные неполадки электрического двигателя связаны с тепловыми условиями, например, вызваны ухудшением изоляции обмоток при высоких температурах и в первую очередь с выходом из строя антифрикционных подшипников по причине ухудшения свойств смазки при более высоких температурах. Эти температуры в первую очередь зависят от механической нагрузки и условий охлаждения двигателя.
Для защиты электрического двигателя сегодня применяют следующие способы.
Первый известный способ защиты двигателя основан на консервативном выборе компонентов на основе оценки мощности и условий охлаждения в гипотетическом наихудшем сценарии.
Во время проектирования условия мощности и охлаждения двигателя оценивают на основе предположения наихудших рабочих условий и самого неблагоприятного коэффициента ухудшения рабочих характеристик в результате износа.
Условия, как правило, оцениваются производителем компрессора, тогда как определение требующегося размера электрического двигателя, как правило, выполняется поставщиком двигателя, при этом обычно допускают крайне маловероятную, но возможную ситуацию.
Недостаток первого известного способа состоит в том, что он гарантирует избыточное увеличение размеров электрического двигателя, как правило на 20%, для основной части рабочего времени его срока эксплуатации. Из-за этого затраты на эксплуатацию устройства в течение всего срока значительно увеличиваются.
Действительно, это избыточное увеличение размеров происходит на двух уровнях, т.е. на уровне изготовителя компрессора, вследствие завышения мощности для худшего случая, и на уровне поставщика двигателя, за счет оценок, связанных с оценкой теплового состояния двигателя на основе наихудших параметров мощности и охлаждения.
Другой недостаток состоит в том, что способ не дает гарантии в реальном времени того, что оценки и предположения останутся действительными или будут соблюдаться во время срока эксплуатации электрического двигателя. Действительно, уменьшенный срок эксплуатации двигателя и неожиданный преждевременный выход из строя являются теми событиями, которые могут произойти.
Второй известный способ основан на «избыточной» защите на основе оценки электрической мощности и условий охлаждения.
В этом втором способе, как правило, применяются:
- компрессор с системой непрерывного управления производительностью;
- электрический двигатель, охлаждаемый с помощью хладагента, например, воздуха или воды;
- измерительное устройство, которое измеряет (средний) ток на одной фазе или на всех фазах электрического двигателя; и
- измерительный инструмент, который измеряет температуру хладагента.
При таком втором способе текущая механическая мощность оценивается системой управления на основе имеющегося измерения тока и температуры, и предположений в отношении напряжения, коэффициента мощности и потерь двигателя.
В этом случае текущее состояние охлаждения двигателя оценивают на основе измеренной входной температуры хладагента, (неявного) допущения о плотности хладагента, охлаждающего потока и характеристик теплопередачи. Это текущее фактическое состояние охлаждения затем преобразуют в текущую максимально допустимую механическую мощность, на основе правил преобразования, предоставляемых поставщиком двигателя.
Если система управления обнаруживает, что оценочная текущая механическая мощность превышает максимально допустимую механическую мощность, то максимальную производительность компрессора ограничивают, т.е. устанавливают предел, чтобы защитить электрический двигатель от перегрузки. Как правило, для уменьшения оценочной текущей механической мощности до заданного значения текущей максимально допустимой механической мощности активируют ПИ (пропорционально-интегральную) или ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальную) схему управления. Система управления, как правило, постепенно обеспечивает все большую производительность, когда мощность упала ниже порогового значения на определенное время.
Этот второй способ защиты двигателя обеспечивает два преимущества, а именно:
- параметры от изготовителя компрессора можно ослабить с крайне маловероятных, но возможных, до реалистичных худших условий;
- имеется определенная форма защиты двигателя в реальном времени.
Тем не менее, второй способ имеет ряд недостатков, а именно:
- способ является непрямым для оценки теплового состояния двигателя, из-за чего фактически все соответствующие параметры ниже некорректно оцениваются и, следовательно, должны быть компенсированы посредством избыточного увеличения, что поднимает себестоимость двигателя:
○ отклонение напряжения;
○ асимметрия фаз двигателя;
○ низкая плотность хладагента;
○ недостаточный поток хладагента;
○ недостаточная теплопередача на (внутреннем) теплообменнике из-за неполадок с этими вышеупомянутыми параметрами;
○ точность измеренного электрического тока;
○ и т.п.;
- поставщик двигателя является консервативным в определении правил преобразования, поскольку ему все еще приходится оценивать тепловое состояние двигателя только на основе двух параметров;
- как правило, система является неустойчивой за счет временных констант электрического тока, которые являются слишком короткими. Короткие изменения измеренного тока могут приводить к нежелательным реакциям системы управления;
- процесс защиты двигателя необходимо временно останавливать при запуске двигателя, поскольку во время запуска могут возникать сильные токи;
- измерительные инструменты для измерения электрического тока являются дорогими;
- система должна быть настроена в отношении каждого размера и установки двигателя;
- для более крупных двигателей измерительный инструмент для электрического тока, как правило, должен быть предоставлен на уровне потребителя, что усложняет процесс ввода в эксплуатацию, поскольку:
○ необходимо реализовать физическое соединение с системой управления компрессора;
○ интерфейс ввода/вывода сигнала внешнего тока следует откалибровать во время ввода в эксплуатацию, что практически никогда не выполняется, поскольку это слишком трудоемко;
○ точность измерительного инструмента для электрического тока не известна во время проектирования двигателя, таким образом значение необходимо допускать для наихудшего сценария, что косвенно приводит к дополнительному избыточному увеличению размеров;
- система зависит от двух сигналов входного сигнала, т.е. тока и температуры, которые нельзя сравнить друг с другом, таким образом самостоятельную диагностику/оценку реализовать нельзя.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устранение одного или более из вышеупомянутых и других недостатков.
Для этого настоящее изобретение относится к способу защиты электрического двигателя потребителя, имеющего привод от двигателя, оборудованного устройством управления, предназначенным для управления производительностью или мощностью потребителя, характеризующемуся тем, что включает следующие этапы:
- определение теплового состояния двигателя посредством прямого измерения на двигателе;
- ограничение максимальной производительности или максимальной мощности потребителя в зависимости от вышеупомянутого определенного теплового состояния; и при этом
- электрический двигатель оснащен одной или более электрическими обмотками и одним или более подшипниками, и при этом средства для определения теплового состояния двигателя образованы одним или более датчиками для измерения температуры одной или более обмоток и/или одним или более датчиками для измерения температуры одного или более подшипников.
В таком случае электрический двигатель оснащают датчиками для температуры обмоток и/или подшипников, непосредственно соединенными с устройством управления, предназначенным для управления производительностью потребителя. Устройство управления будет ограничивать мощность потока компрессора и ограничивать мощность при достижении или превышении одного из тепловых пределов, т.е. когда одна из измеренных температур достигает или превышает предварительно установленное максимальное значение температуры, с применением которого для каждого из датчиков или для по меньшей мере некоторых из них задают соответствующую максимальную температуру.
Оценка теплового состояния двигателя может зависеть от одной или каждой возможной комбинации следующих измеренных температур, которые используются проектировщиками двигателя:
- абсолютной температуры одной или более обмоток и температуры, измеренной в одном или более положениях вдоль обмоток;
- разности температур между обмоткой двигателя и входной температурой хладагента, «дельта T»;
- абсолютной температуры одного или более подшипников, соответственно одного или более подшипников (DE) на приводном конце двигателя и/или одного или более подшипников (NDE) на неприводном конце двигателя.
Прямой подход способа согласно настоящему изобретению устраняет потребность в оценках и допущениях всех типов, которые описаны выше. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что избыточное увеличение размеров можно предотвратить, и результатом этого является меньший двигатель с более низкой стоимостью. Действительно, параметры от изготовителя компрессора можно ослабить с крайне маловероятного, но возможного условия до условий реалистичного наихудшего случая, тогда как для поставщика двигателя все допущения, относящиеся к оценке теплового состояния двигателя, можно устранить.
Другое преимущество заключается в том, что датчики для измерения температуры являются гораздо более дешевыми, чем измерительные инструменты для измерения электрического тока, что дополнительно снижает стоимость разработки потребителя, имеющего привод от двигателя, или что позволяет применять ряд датчиков за ту же стоимость для более точной оценки теплового состояния двигателя и защиты двигателя, обеспечиваемой при этом.
Другое преимущество заключается в том, что пределы температуры являются в целом универсальными и независимыми от размера двигателя, таким образом требуется меньше настройки.
Кроме того, поставщики двигателей, как правило, предлагают предварительно установленные датчики температуры по желанию, что обеспечивает преимущество в плане интеграции и логистики для изготовителя компрессоров.
Другое преимущество заключается в том, что устройство может быть полностью подготовлено и проверено изготовителем компрессора, и в том, что такие действия как подключение, калибровка, проверка и подобное во время ввода в эксплуатацию можно устранить.
Дополнительное преимущество заключается в том, что изменение температуры по времени устройства является намного более медленным, что предпочтительно делает динамические свойства системы управления гораздо менее неустойчивыми.
Еще одно дополнительное преимущество заключается в том, что с применением способа согласно настоящему изобретению нет необходимости отключать систему управления во время запуска, чтобы предотвращать отключение двигателя в результате пиков тока. Время, которое требуется для перегрева двигателя во время запуска, длиннее, чем время запуска.
Предпочтительно для трехфазного двигателя измеряют температуры трех обмоток. Тогда можно реализовать систему самодиагностики для обнаружения поломки одного из датчиков и, таким образом, предотвратить нежелательное преждевременное мгновенное отключение двигателя и потребителя, имеющего привод от двигателя. С точки зрения самодиагностики датчиков способ может, например, быть приспособлен сравнивать каждый сигнал с трех датчиков с другими двумя, чтобы иметь возможность обнаруживать неисправный датчик, когда разность является слишком большой, и тогда игнорировать сигнал с этого неисправного датчика, после проверки или при других обстоятельствах.
Преимущество набора независимых датчиков состоит в том, что со статистической точки зрения точность существенно выше, чем в случае одного измерительного инструмента (для электрического тока).
Способ защиты электрического двигателя может также применяться для других типов потребителей, имеющих привод от двигателя, таких как расширительные устройства, насосы, вентиляторы, охладительные устройства и подобное, которые оборудованы системой непрерывного управления производительностью, применимой для срезания уровня мощности, например, посредством регулирования скорости, управления входными направляющими лопатками и/или выходными направляющими лопатками, дроссельными регуляторами или подобными для управления потоком.
В частности, способ подходит для применения к центробежным компрессорам с регулируемыми входными направляющими лопатками (IGV).
Настоящее изобретение также относится к устройству для защиты электрического двигателя потребителя, имеющего привод от двигателя, оборудованного устройством управления, предназначенным для управления производительностью или мощностью потребителя, при этом устройство оснащено датчиками для определения теплового состояния двигателя посредством прямого измерения на двигателе и оснащено средствами для ограничения максимальной производительности или максимальной мощности потребителя в зависимости от вышеупомянутого определенного теплового состояния, и при этом электрический двигатель оснащен одной или более электрическими обмотками и одним или более подшипниками, и при этом средства для определения теплового состояния двигателя образованы одним или более датчиками для измерения температуры одной или более обмоток и/или одним или более датчиками для измерения температуры одного или более подшипников.
Предпочтительно во время проектирования устройства выбирают такой двигатель, чтобы его максимальная производительность в обычных рабочих условиях, для которых предназначено устройство, была равной мощности потребителя, соответствующей максимальной производительности или максимальной мощности потребителя в рассматриваемых обычных рабочих условиях, или предпочтительно превышала ее максимум на 5% или менее.
Настоящее изобретение также относится к способу выбора электрического двигателя во время проектирования такого устройства для обычных рабочих условий, характеризующемуся тем, что двигатель выбирают с мощностью, равной мощности потребителя, соответствующей максимальной производительности или максимальной мощности потребителя в рассматриваемых обычных рабочих условиях, или несколько превышающей её.
Настоящее изобретение также относится к способу выбора электрического двигателя во время проектирования для обычных рабочих условий устройства согласно настоящему изобретению для приведения в действие потребителя, оборудованного устройством управления, предназначенным для управления производительностью или мощностью потребителя, характеризующемуся тем, что двигатель выбирают с мощностью, равной мощности потребителя, соответствующей максимальной производительности или максимальной мощности потребителя в рассматриваемых обычных рабочих условиях, или несколько превышающей ее.
Преимущество этого способа состоит в том, что двигатель можно выбрать с подходящей мощностью без необходимости учета сильного избыточного увеличения размеров и роковых сценариев недостаточного охлаждения и подобного.
Для того, чтобы лучше показать характерные признаки настоящего изобретения, несколько предпочтительных вариантов применения способа и устройства согласно настоящему изобретению для защиты двигателя потребителя описаны далее в данном документе с помощью примера, без какого-либо ограничения, со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:
на фиг. 1 схематически показано устройство согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показан вариант устройства, представленного на фиг. 1, но с дополнительным охлаждением двигателя;
на фиг. 3 показан другой вариант устройства, представленного на фиг. 1.
В качестве примера, устройство 1 показано на фиг. 1 с потребителем 2 в виде компрессорного элемента 3, механически приводимого в действие трехфазным электрическим двигателем 4 с тремя обмотками 5, а именно с одной обмоткой на фазу.
Двигатель 4 содержит ротор, который с возможностью вращения закреплен в корпусе посредством подшипников, соответственно одного или более подшипников 12 на приводном конце (DE) двигателя 4 и одного или более подшипников 13 на неприводном конце (NDE) двигателя 4.
Компрессорный элемент 3 предусмотрен с впускным каналом 6 для подачи газа, подлежащего сжатию, и выходным каналом 7 для подачи сжатого газа в распределительную сеть 8 для сжатого газа.
Компрессорный элемент 3 дополнительно оснащен средствами 9 ограничения производительности, другими словами потока или мощности, компрессорного элемента 3, при этом в данном случае эти средства 9 образованы дроссельным клапаном 10 или, альтернативно, входными направляющими лопатками во входном канале 6.
В этом случае средства 9 находятся под управлением устройства 11 управления в зависимости от сигналов, которые приходят с датчиков 14 для прямого измерения температуры одной или более вышеупомянутых обмоток 5 и/или датчиков 15 для прямого измерения температуры одного или более подшипников 12 и/или 13, причем в этом случае эти сигналы подаются обратно на устройство 11 управления по электрической проводке 16.
В примере, представленном на фиг. 1, каждая обмотка 5 и каждый подшипник 12 и 13 оснащены таким датчиком 14 или 15.
Для каждого рассматриваемого датчика 14 и/или 15 устройство 11 управления обеспечено предварительно установленным максимальным значением температуры обмоток 5 и подшипников 12, выше которого максимальная производительность компрессорного элемента должна быть ограничена для предотвращения дальнейшего увеличения этой температуры и для защиты двигателя от перегрева.
С этой целью температуры, измеряемые датчиками 14 и/или 15, сравнивают с соответствующими предварительно введенными максимальными значениями для каждого датчика 14 и/или 15, непрерывно или с определенной частотой.
Как только одна из измеренных температур достигает или превышает соответствующее значение, устройство управления запрограммировано так, что максимальная производительность и/или максимальная мощность компрессорного элемента 3 ограничивается, например, посредством поворота дроссельного клапана 10 или входных направляющих лопаток на установленную величину в сторону закрытия, например, на угол, который составляет от 5 до 10% всего диапазона дроссельного клапана 10 или входных направляющих лопаток.
Если по прошествии времени при сокращенной максимальной производительности все измеренные температуры упали ниже установленного нижнего порогового значения для каждого датчика, устройство 11 управления приспособлено увеличивать максимально допустимую производительность снова, после установленного промежутка времени или при других обстоятельствах, например, до первоначального максимального значения, для которого устройство 1 было спроектировано, или посредством открытия дроссельного клапана 10 снова с малыми последовательно увеличивающимися шагами, пока измеренные температуры не достигнут установленного нижнего порогового значения, таким образом в этот момент времени компрессор обеспечивает свою максимальную производительность, которая возможна в это время без риска повреждения в данных рабочих условиях.
Установленные максимальные значения температур и установленные нижние пороговые значения температур каждого датчика могут быть одинаковыми или разными.
Устройство 11 управления может необязательно быть предусмотрено с алгоритмом для самодиагностики состояния датчиков 14 на обмотках 5 посредством взаимного сравнения температур, измеряемых тремя рассматриваемыми датчиками 14, при этом датчик считают неисправным, когда температура, измеренная этим датчиком 14, отличается от температур, измеренных другими двумя датчиками 14, более чем на определенное установленное значение. В таком случае устройство 11 управления может игнорировать измерение с неисправного датчика 14 и/или давать указание оператору так, чтобы датчик можно было проверить и/или заменить при необходимости.
Устройство, представленное на фиг. 2, отличается от представленного на фиг. 1 тем, что в этом случае предусмотрено охлаждение 16, обеспечиваемое в этом случае вентилятором 17, который гонит окружающий воздух как хладагент 18 вокруг двигателя 4, и тем, что дополнительный датчик 19 предусмотрен для измерения входной температуры хладагента 18.
Для каждого датчика 14 и 15 или для по меньшей мере их части в этом случае максимальное значение вводят в устройство 11 управления заблаговременно в отношении разности температур между измеренной температурой рассматриваемого датчика 14 или 15 и входной температурой хладагента, измеренной датчиком 19 температуры.
В этом случае способ согласно настоящему изобретению включает следующие альтернативные или дополнительные этапы:
- для по меньшей мере одного датчика 14 или 15 определение разности температур между вышеупомянутой входной температурой хладагента 18 и измеренной температурой рассматриваемого датчика 14 или 15;
- сравнение этой разности температур с соответствующим предварительно введенным максимальным значением разности температур для рассматриваемого датчика 14 или 15, осуществляемое непрерывно или через интервалы времени;
- ограничение производительности и/или мощности компрессорного элемента 3 посредством поворота дроссельного клапана 10 на предварительно установленный угол, когда разность температур по меньшей мере одного из датчиков достигает или превышает соответствующее максимальное значение.
Ограничение производительности компрессорного элемента 3 на основе измеренных абсолютных температур или на основе разностей температур может применяться отдельно или в комбинации.
На фиг. 3 показано альтернативное устройство согласно настоящему изобретению, такое как представлено на фиг. 1, но с тем отличием, что средства 9 управления производительностью или мощностью компрессорного элемента 3 теперь образованы устройством 20 управления переменной скоростью двигателя 4, а значит и компрессорного элемента 3, для замены дроссельного клапана 10 или входных направляющих лопаток, представленных на фиг. 1.
В этом случае защита двигателя 4 от перегрева может быть выполнена аналоговым алгоритмом, как в случае устройства, представленного на фиг. 1, но с тем отличием, что в этом случае производительность ограничивается устройством 11 управления посредством уменьшения скорости на определенное значение.
Дополнительное отличие от варианта осуществления, представленного на фиг. 1, состоит в том, что в последнем варианте осуществления не каждая обмотка 5 и не каждый подшипник 12, 13 оснащены датчиком 14 или 15, и что некоторое количество датчиков 14 предусмотрено на одной обмотке 5 по длине рассматриваемой обмотки 5.
Средства 9 управления производительностью потребителя 2 ограничены дроссельным клапаном 10, входными направляющими лопатками или устройством 20 управления переменной скоростью, которые описаны выше, но могут быть реализованы другими способами, например, в форме регулируемых лопаток диффузора или подобным образом. Комбинация ряда типов средств 9 также образует часть возможных вариантов осуществления.
Настоящее изобретение не ограничено применением к компрессорному элементу 3 в качестве потребителя 2, но, например, может также применяться к расширительным устройствам, насосам, вентиляторам, охладительным устройствам и подобному.
Необходимо подчеркнуть, что в способе согласно настоящему изобретению не применяются измерения или оценочные параметры тока, и он основан только на прямых измерениях температуры.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вариантами осуществления, описанными в качестве примера и показанными на графических материалах, но такие способ и устройство могут быть реализованы согласно разным вариантам, не выходя за пределы объема настоящего изобретения.