电机保护热模型论文

研究基于电机热模型的电动机智能保护问题，最困难的就在于如何根据电动机的电流、电压计算电动机运行过程中的发热问题以及如何确定不同类型电机的热模型。电动机过载是由外部（负载）施加于电动机的一种运行状态。电动机的热惯性使它具有一种可以承受短暂过载的能力，因此短时超载并不一定需要立即保护，只有热量积累到使电动机绕组的实际温升达到绝缘材料所允许的最高温升时，才要求保护器给予保护[14]。目前电动机保护器大多是根据电流与时间的反时限特性曲线实现对电动机的保护。这种方法比较简单，能满足大多数电动机保护的要求。但是，这种方法在处理电动机冷态过载和热态过载时存在着一定的困难。因此，在电动机负载频繁变化时，这种保护方法存在着一定的局限性。采用电机热模型，实时计算电动机绕组的实际温升，并以此作为电动机的保护依据，可以较好的解决这个问题。早在1996年，MELLOR和TURNER就针对电动机内部温度计算问题提出基于热路方程的电机热模型[15、16]。采用热路方程建立电机热模的优点是可以借助电路理论来分析电动机内部温度问题。热路与电路之间的对应关系见表2.1。表2.1热路和电路的对应关系热路电路热流(W)电流(A)热梯度(K)电压(V)热阻(K/W)电阻(Ω)热容(J/K)电容(F)图2.1MELLOR和TURNER的热路网络模型MELLOR和TURNER的模型不仅考虑了径向和轴向的热流动，而且考虑了包括端盖内部空气在内的复杂的对流热传递，同时由于此模型考虑了电动机中许多对流热交换以及电动机复杂的几何尺寸和内部空气流动，所以，模型中很多参数的计算比较复杂，这就给整个模型的建立提高了难度。MELLOR和TURNER的热模型比较适合于电动机设计中的温度计算，但用于单片机保护器时，由于要求实时计算，模型显得过于复杂，计算时间较长。针对这些情况，很多研究者在保证模型准确性的基础上，在模型化简方面做了许多工作，其中以意大利的Aldo的简化模型最具代表性[17]。Aldo认为：从电动机到周围空气的热传递包括几条不同的热传递通道，然而电动机内部大部分的热流动都是通过电动机中几个重要部件流通的，这样就可以对完整的电机热模型进行简化。他对电动机及电动机的发热过程作了如下假设：电动机的径向和轴向相对于电动机中心是对称的。不考虑由于电动机的风扇装在电动机一侧对电动机内部温度的影响。沿径向热分布是均匀的。内部热源（损耗）均匀分布。电动机中仅仅考虑轴上的轴向热流动，其他地方可以忽略。径向的热阻可以用中空的圆柱体的公式进行计算。这样MELLOR和TURNER的电机热路模型被简化成了考虑电动机定子绕组、定子铁心、转子发热过程的简化热路模型。该热模型由于同时考虑了电动机的定子绕组、定子铁心、转子的发热过程，所以比常用的一阶热模型或二阶热模型精度更高。Aldo的简化模型如图2.2所示。图中每个参数的含义见表2.2。图2.2Aldo的热路网络模型表2.2参数说明表符号说明符号说明Reca外壳和周围的强迫对流热阻Rr,ag转子和空气隙之间的对流热阻R0外壳和周围的自然对流热阻Rsig定子铁心对外壳的传导热阻Ria,ec内部空气和端盖之间的对流热阻Rshf轴的轴向传导热阻Rsy1定子轭低半部的径向传导热阻Ccoil定子绕组热容量Rsy2定子轭高半部的径向传导热阻Crotor转子热容量Rst定子齿的径向传导热阻Cstator定子铁心热容量Rcu,ir定子绕组对定子槽的传导热阻Pjs定子铜耗产生的热量Rew,ec定子绕组的端部绕组和外壳之间的对流热阻Pr.Cu转子铜耗产生的热量Rew,iaPir定子铁耗及机械损耗产生的热量Rs,agAldo等人针对简化的热模型做了相关的实验，验证了简化模型的准确性[17]。Aldo等人根据热传导理论，从热传导的路径上对MELLOR和TURNER的模型作了简化。但是，从热路结构上讲，由于Aldo的简化模型还存在着热阻的串、并联关系，因此，还存在进一步简化的可能。从图2.2可以看出，和可合并为；和可合并为；热阻和可以合并为热阻；，和可以合并为热阻；同理和可以用一个热阻代替。经合并简化处理后的热路如图2.3所示，图中各个符号的说明如表2.3所示。图2.3简化的热模型表2.3参数说明符号说明符号说明Ryoke定子铁心对机座热阻CRcase机座对外部空气热阻CRteech定子齿槽对铁心热阻CRPRPRPR本文针对Jo2-52-4型号10kW电动机进行了热路模型参数计算。表2.4为Jo2-52-4型号10kW电动机的实测尺寸。表2.4Jo2-52-4型号10kW电动机的实测尺寸名称尺寸(mm)名称尺寸(mm)定子铁心长(Ls)50.8转子外径(ror)80.6定子轭外径(roy)60.1转子轭外径(rory)55.2定子轭内径(riy)100.3转子轭内径(riry)27定子内径(ris)81轴长(Lshf)390外壳长(Lec)290气隙长度(δ)0.4根据电机热路参数计算公式[17]，可求得Aldo简化模型的热路参数值如表2.5。表2.5Jo2-52-4型号10kW电动机Aldo简化模型的热路参数符号计算结果（K/W）符号计算结果（K/W）符号计算结果(J/K)Reca0.035Rew,ec4.06C6103R00.039Rew,ia0.35C4117Ria,ec0.182Rs,ag0.17C8916Rsy10.0016Rr,ag0.173Rsy20.0015Rsig0.01285Rst0.0066Rshf0.537Rcu,ir0.012合并后热模型的热路参数值计算结果见表2.6。表2.6Jo2-52-4型号10kW电动机的最终简化模型的热路参数符号计算结果(K/W)符号计算结果(K/W)符号计算结果(J/K)Ryoke0.014350.5376103Rcase0.01840.1724117Rteech0.00820.4789160.012注：详细计算见附录A。霍耳电压传感器LV25-600的额定电压是600V，输出为0～25mA，工作电源是±12V。电压采样电路的工作原理与电流测量电路相同，只是单片机内部放大器的放大倍数固定为1，所以这里就不对电压采样电路进行详细介绍。模块有4种转换启动方式由ADC0CN中的ADC0启动转换方式位AD0CM1，AD0CM0的状态决定。设计中，图5.5所示的网页嵌入到了单片机的ROM中。局域网内的计算机只要在IE浏览器的地址栏内输入嵌入了TCP/IP协议的单片机的IP地址便可察看电动机保护器的工作状态，并控制电动机保护器的工作。图5.5浏览时的主页＝0.01435(K/W) (A1)1600.45W/m·℃；22.5111.464.352W/m·℃。＝0.537(K/W)(A2)1602755.239064.352W/m·℃160100.3122.5111.464.352W/m·℃；式中：——定子铁心长实测尺寸为mm；——，定子轭内径mm，定子轭外径mm；——空气的热传导率；——外壳长mm——取——，其中定子内径mm——，其中外壳厚度取