W silnikach elektrycznych stosuje się RTD, termistory, termopary i sondy światłowodowe zależnie od zadania pomiarowego. Oprócz temperatury uzwojenia mogą być istotne temperatury łożysk, obudowy i innych elementów wewnętrznych. Każde miejsce montażu opisuje inny fragment stanu cieplnego maszyny. Dobór czujnika wymaga zatem określenia mierzonego elementu, warunków elektrycznych i sposobu wykorzystania wyniku w układzie ochrony lub sterowania.
Wybór odpowiedniego czujnika zależy od miejsca pomiaru, zakresu temperatur, środowiska elektrycznego, wymaganej dokładności, reakcji, przestrzeni montażowej i interfejsu monitorowania.
Jakie czujniki temperatury są stosowane w silnikach elektrycznych?
Cztery typy czujników obejmują większość pomiarów temperatury silnika. Czujniki RTD (rezystancyjne czujniki temperatury) wykorzystują zmianę rezystancji elektrycznej wraz z temperaturą. Termistory również wykorzystują zmianę rezystancji, ale w przypadku materiałów półprzewodnikowych i mają inną krzywą odpowiedzi. Termopary wytwarzają małe napięcie zależne od temperatury. Czujniki światłowodowe wykorzystują sygnał optyczny, a w konstrukcjach opartych na fluorescencji temperaturę oblicza się na podstawie zachowania fluorescencji materiału na końcówce czujnika.
Silniki mogą być również wyposażone w czujniki temperatury łożysk oraz czujniki powierzchniowe lub obudowy. Czujniki łożysk i obudów mierzą różne wielkości termiczne z czujników uzwojenia i stojana.
Czujniki RTD do pomiaru temperatury silnika
RTD to rezystancyjny czujnik temperatury. Jego rezystancja zmienia się w stabilny, powtarzalny sposób wraz ze zmianą temperatury, a urządzenie monitorujące przelicza zmierzoną rezystancję na wartość temperatury. Pt100 i PT1000 to popularne oznaczenia, które odnoszą się do rezystancji nominalnej w temperaturze odniesienia.
W silnikach czujniki RTD są zwykle osadzone w uzwojeniu stojana lub umieszczone na łożyskach. Czujnik RTD uzwojenia instaluje się podczas produkcji w wybranym miejscu, często pomiędzy bokami cewki lub w innym położeniu określonym przez konstrukcję silnika. Ponieważ zależność rezystancja-temperatura jest stabilna, czujniki RTD dobrze nadają się do ciągłego monitorowania temperatury, a wiele przekaźników zabezpieczających silniki, sterowników PLC i systemów monitorowania akceptuje bezpośrednio wejścia RTD.
Przy wyborze należy zwrócić uwagę na kilka punktów. Czujnik RTD wymaga przewodów elektrycznych, dlatego należy wziąć pod uwagę okablowanie i izolację przewodów, szczególnie w maszynach wysokiego napięcia. Trasowanie sygnału może również wymagać uwagi w środowiskach wymagających elektrycznie. Konkretne klasy dokładności, tolerancje i zakresy temperatur zależą od typu czujnika RTD i jego producenta i należy je zaczerpnąć z dokumentacji produktu.
Termistory w uzwojeniach silnika
Termistory to rezystory wrażliwe na temperaturę. Typy NTC zmniejszają rezystancję wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy typy PTC generalnie wykazują gwałtowny wzrost rezystancji w pobliżu określonej temperatury.
Termistory PTC są często używane do zabezpieczeń i wykrywania progów. Obwód sterujący monitoruje rezystancję, a nagła zmiana sygnalizuje, że uzwojenie osiągnęło ustawiony stan. Termistory NTC zapewniają rezystancję zależną od temperatury, którą można odczytać jako wartość temperatury, jeśli zastosowany zostanie odpowiedni obwód.
Termistory są przydatne tam, gdzie potrzebne są niewielkie rozmiary, prosta funkcja zabezpieczająca lub szybka zmiana rezystancji. Nie wszystkie należy traktować jako urządzenia do ciągłego, precyzyjnego pomiaru temperatury. Ich zachowanie i cel monitorowania zależą od typu czujnika i obwodu sterującego, do którego jest podłączony. Termistor używany do ochrony odpowiada na inne pytanie niż czujnik używany do ciągłego pomiaru temperatury uzwojenia.
Termopary do pomiaru temperatury silnika
Termopara łączy dwa różne metale, a złącze generuje napięcie zależne od temperatury. Złącze czujnikowe może być małe, a szybkość reakcji zależy od konstrukcji. Termopary są stosowane w wielu zastosowaniach przemysłowych, a także w silnikach i urządzeniach napędzanych.
Główne kwestie dotyczą elektryki. Sygnałem jest napięcie o niskim poziomie przenoszone przez przewody, a pomiar wymaga układu złącza odniesienia w przyrządzie. W środowiskach wymagających prądu, uziemienie, ekranowanie i prowadzenie sygnału mogą mieć wpływ na wynik. Nie uniemożliwia to stosowania termopar w silnikach. Oznacza to, że w niektórych środowiskach należy poświęcić więcej uwagi okablowaniu niż w przypadku wykrywania optycznego.
Światłowodowe czujniki temperatury do uzwojeń silnika
Technologia INNO to punktowy, światłowodowy czujnik temperatury oparty na fluorescencji. Sonda posiada końcówkę czujnikową, na której mierzona jest temperatura. Światłowód przenosi światło wzbudzenia do końcówki, a sygnał powrotny z powrotem do kompatybilnego instrumentu, który przekształca je na wartość temperatury.
Każda sonda mierzy jedną określoną lokalizację fizyczną. Światłowód pomiędzy końcówką czujnika a przyrządem przenosi sygnał, ale nie mierzy temperatury na swojej długości. Jest to wykrywanie punktowe, a nie rozproszone i sonda nie znajduje automatycznie nieznanego gorącego punktu. Miejsce pomiaru należy wybrać wcześniej.
W przypadku uzwojeń, światłowodowa sonda temperatury uzwojenia silnika jest instalowana z końcówką pomiarową w wybranym miejscu uzwojenia. Ogólną budowę i zakres typów sond opisano na stronie poświęconej światłowodowym czujnikom temperatury .
Charakterystyki istotne dla zastosowań silnikowych obejmują:
- Izolacja galwaniczna toru wykrywania optycznego
- Wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
- Przydatność w wybranych środowiskach wysokiego napięcia lub silnego pola elektromagnetycznego
- Mała geometria sondy, która może pomóc w przypadku ograniczonej przestrzeni instalacyjnej
- Monitoring wielopunktowy przy użyciu wielu niezależnych sond
Są to cechy metody wykrywania, a nie gwarancja dla każdej instalacji. To, czy sonda światłowodowa pasuje do konkretnego silnika, zależy od miejsca pomiaru, konstrukcji uzwojenia i sposobu wyprowadzenia światłowodu z maszyny.
Czujnik RTD vs termistor vs termopara vs czujnik światłowodowy
Poniższa tabela porównuje cztery typy pod względem sposobu działania i miejsc, w których są powszechnie brane pod uwagę. Jest to porównanie neutralne, a nie ranking, a każdy wiersz odzwierciedla ogólne cechy, które różnią się w zależności od konkretnego produktu.
| Typ czujnika | Zasada pomiaru | Typowe zastosowanie silnika | Sygnał elektryczny w punkcie pomiarowym | Ciągły pomiar temperatury | Główne kwestie związane z wyborem |
|---|---|---|---|---|---|
| Czujnik rezystancyjny | Zmiany rezystancji wraz z temperaturą | Wbudowane monitorowanie uzwojenia, stojana i łożyska | Tak, przewody elektryczne biegną do elementu czujnikowego | Tak | Okablowanie, izolacja i prowadzenie sygnałów w środowisku elektrycznym |
| Termistor | Rezystancja półprzewodników zmienia się wraz z temperaturą | Ochrona uzwojenia i wykrywanie progów, a w niektórych konstrukcjach odczyt temperatury | Tak, przewody elektryczne biegną do elementu czujnikowego | Zależy od typu czujnika i obwodu sterującego | Czy celem jest ochrona czy ciągłość danych |
| Termopara | Napięcie termoelektryczne na złączu różnych metali | Ogólne pomiary przemysłowe, w tym niektóre lokalizacje silników i sprzętu | Tak, sygnał niskiego napięcia na przewodach | Tak | Złącze referencyjne, uziemienie i ekranowanie |
| Czujnik światłowodowy | Sygnał optyczny z końcówki czujnika, np. zachowanie fluorescencji | Bezpośredni pomiar w wybranych punktach uzwojenia, w tym w środowiskach wymagających elektrycznie | Nie, tor sygnału w punkcie pomiarowym jest optyczny | Tak | Rozmieszczenie punktów, prowadzenie światłowodów i kompatybilne kanały przyrządów |
Gdzie instaluje się czujniki temperatury w silniku elektrycznym?
Miejsce pomiaru często zawęża wybór czujnika, zanim weźmie się pod uwagę jakikolwiek inny czynnik, ponieważ różne lokalizacje mają różne cele.
Uzwojenia stojana
Uzwojenie stojana jest głównym miejscem monitorowania temperatury silnika. Czujniki są osadzone lub umieszczone w wybranych miejscach uzwojenia, zwykle podczas produkcji. Czujnik temperatury stojana dowolnego typu mierzy tylko miejsce, w którym jest zainstalowany, więc położenie względem uzwojenia ma takie samo znaczenie jak typ czujnika.
Łożyska
Monitorowanie temperatury łożysk ma inny cel niż monitorowanie uzwojenia. Dotyczy smarowania i stanu mechanicznego, a czujniki RTD są tam powszechnie stosowane. Generalnie w przypadku łożysk nie jest wymagane wykrywanie światłowodami, a wybór zależy od tych samych czynników, co gdzie indziej: lokalizacji, środowiska i systemu monitorowania.
Obudowa silnika
Temperatura obudowy lub powierzchni jest łatwiejsza do uzyskania, ale nie jest bezpośrednio równa temperaturze wewnętrznego uzwojenia. Różnica zależy od konstrukcji silnika, obciążenia i chłodzenia. Pomiary obudowy mogą być przydatne do innych celów, ale nie zastępują czujnika na uzwojeniu.
Inne lokalizacje wewnętrzne
W zależności od konstrukcji silnika, interesujące mogą być inne lokalizacje wewnętrzne, takie jak szczeliny, uzwojenia końcowe lub inne lokalizacje termiczne. To, które z nich są dostępne do umieszczenia czujnika, zależy od konstrukcji i nie ma ogólnej zasady obowiązującej dla każdego silnika.
Dlaczego temperatura uzwojenia ma znaczenie
Temperatura uzwojenia odzwierciedla łączny wpływ prądu, strat, obciążenia, chłodzenia, warunków otoczenia i przepływu powietrza. Gdy prąd obciążenia wzrasta, straty uzwojenia na ogół rosną, podobnie jak wytwarzanie ciepła. Jeśli chłodzenie lub przepływ powietrza są ograniczone, to samo obciążenie może spowodować wyższą temperaturę uzwojenia. Czujnik na uzwojeniu rejestruje wyniki wszystkich tych działań, czego nie są w stanie wykonać pomiary powierzchniowe.
Dopuszczalne wartości temperatur zależą od konstrukcji silnika, systemu izolacji i obowiązującej specyfikacji, dlatego należy je brać z dokumentacji silnika, a nie z ogólnych danych. Same metody pomiaru, w tym rezystancja uzwojeń i techniki powierzchniowe, zostały omówione w naszym artykule na temat sposobu pomiaru temperatury uzwojenia silnika .
Monitorowanie wielu punktów temperatury silnika
Czujnik jednopunktowy podaje jedną wartość temperatury w jednym miejscu. Tam, gdzie liczy się kilka lokalizacji, każda z nich potrzebuje własnego czujnika. W przypadku światłowodowego wykrywania punktów jeden zdefiniowany punkt odpowiada jednej sondzie i jednemu kompatybilnemu aktywnemu kanałowi na instrumencie.
Jako przykład konfiguracji monitorowanie trzech niezależnych lokalizacji uzwojeń normalnie wymagałoby trzech sond i co najmniej trzech kompatybilnych aktywnych kanałów. To tylko przykład. Liczba punktów pomiarowych zależy od konstrukcji silnika i celu monitorowania i nie każdy silnik potrzebuje trzech.
Wiele sond daje wiele niezależnych pomiarów punktowych, a nie rozproszony profil temperatury. Przyrządy wielokanałowe opisano na stronie poświęconej światłowodowym systemom monitorowania temperatury , a szerszy kontekst zastosowań opisano w monitorowaniu temperatury silnika i generatora .
Jak wybrać czujnik temperatury silnika elektrycznego
Wykonaj poniższe punkty w podanej kolejności. Każdy z nich zawęża możliwości.
- Miejsce pomiaru: uzwojenie, stojan, łożysko, obudowa lub inny punkt wewnętrzny.
- Oczekiwany zakres temperatur: potwierdzić z dokumentacją czujnika.
- Wymagane zachowanie reakcji: jak szybko odczyt musi nadążać za zmianami.
- Wymagana dokładność pomiaru: podana w specyfikacji i potwierdzona dla wybranego czujnika.
- Wymóg izolacji elektrycznej: , czy dopuszczalne jest okablowanie przewodzące w punkcie pomiarowym.
- Środowisko elektromagnetyczne: wysokie napięcie, silne pola lub warunki o wysokiej częstotliwości.
- Dostępna przestrzeń montażowa: pomieszczenie w zamierzonym punkcie pomiarowym.
- Średnica i geometria czujnika: czy sonda pasuje do lokalizacji.
- Prowadzenie kabla lub światłowodu: sposób, w jaki połączenie opuszcza silnik i dociera do instrumentu.
- Liczba punktów pomiarowych: każda niezależna lokalizacja wymaga własnego czujnika.
- Wymagane kanały monitorowania: wystarczająca liczba kompatybilnych kanałów wejściowych dla wszystkich czujników.
- Interfejs sterowania, PLC lub monitorowania: typ sygnału akceptowany przez istniejący system.
Wybór czujnika według warunków zastosowania
Tabela zawiera listę typów czujników powszechnie branych pod uwagę w typowych warunkach, wraz z pytaniem, które decyduje między nimi. Nie wyklucza innych opcji.
| Warunki zastosowania | Powszechnie uważane typy czujników | Kluczowe pytanie |
|---|---|---|
| Wbudowane monitorowanie uzwojenia stojana | Rezystancyjny czujnik rezystancyjny, termistor, termopara, światłowód | Czy system monitorowania akceptuje dany typ sygnału i czy lokalizacja jest dostępna podczas produkcji? |
| Próg ochrony silnika | Termistor, czujnik rezystancyjny | Czy wystarczy funkcja przełączania, czy potrzebne są ciągłe dane dotyczące temperatury? |
| Ogólny przemysłowy pomiar temperatury | Czujnik rezystancyjny, termopara | Jakiego zasięgu i interfejsu potrzebuje aplikacja? |
| Uzwojenie silnika wysokiego napięcia | Czujnik rezystancyjny, światłowód | Jak radzi sobie z izolacją i izolacją elektryczną w punkcie pomiarowym? |
| Silne środowisko elektromagnetyczne | Ekranowane czujniki elektryczne, światłowodowe | Czy okablowanie i ekranowanie zapewniają niezawodność sygnału elektrycznego, czy też preferowana jest ścieżka optyczna? |
| Wielopunktowe monitorowanie uzwojenia | Czujnik rezystancyjny, światłowód | Ile niezależnych punktów potrzeba i czy dostępna jest wystarczająca liczba kanałów? |
| Monitorowanie łożysk | Czujnik rezystancyjny, termopara | Jaki montaż i interfejs umożliwia lokalizacja łożyska? |
Pomiar temperatury w środowiskach wysokiego napięcia i silnych zakłóceń elektromagnetycznych
Czujniki elektryczne wykorzystują okablowanie przewodzące i sygnały elektryczne. W wielu silnikach działa to dobrze, ale w maszynach wysokiego napięcia lub tam, gdzie występują silne pola elektromagnetyczne, okablowanie staje się częścią problemu projektowego. Izolacja, uziemienie, ekranowanie i prowadzenie kabli wymagają uwagi, a sygnał musi pozostać niezawodny w obecności pola.
Wykrywanie światłowodowe wykorzystuje ścieżkę optyczną pomiędzy punktem wykrywania a instrumentem. W punkcie pomiarowym nie ma przewodzącej ścieżki sygnału, więc w niektórych środowiskach wysokiego napięcia, silnego pola lub częstotliwości radiowych może to uprościć izolację galwaniczną i trasowanie sygnału. Jest to stwierdzenie dotyczące metody wykrywania, a nie twierdzenie o całkowitej odporności. Sondy światłowodowe wykazują dużą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, a faktyczny wynik w dalszym ciągu zależy od instalacji.
Nowa konstrukcja silnika a monitorowanie temperatury po modernizacji
W nowym silniku na etapie projektowania i produkcji można zaplanować wbudowane czujniki. Można uzgadniać punkty pomiarowe, umieszczać czujniki przy dostępnym uzwojeniu i poprowadzić przewody lub włókna wbudowane w konstrukcję.
W istniejącym silniku dostęp do wewnętrznego uzwojenia jest zwykle ograniczony. Opcje mogą obejmować istniejące wbudowane czujniki RTD, czujniki łożysk, pomiary powierzchni lub inne dostępne punkty wewnętrzne. Nie należy zakładać, że sondę światłowodową można zawsze zamontować w istniejącym uzwojeniu, a każdy przypadek wymaga przeglądu technicznego.
Ograniczenia instalacyjne, które mogą zmienić wybór czujnika
- Wybór czujnika przed określeniem miejsca pomiaru.
- Traktowanie temperatury obudowy jako temperatury uzwojenia.
- Zakładając, że jeden czujnik reprezentuje całe uzwojenie.
- Ignorowanie wymagań izolacji elektrycznej w punkcie pomiarowym.
- Ignorowanie prowadzenia kabli lub światłowodów do późnej fazy projektowania.
- Używanie termistora zabezpieczającego, gdy wymagane są ciągłe dane dotyczące temperatury.
- Zakładając, że sondy wielopunktowe zapewniają wykrywanie rozproszone.
Wniosek
Silniki elektryczne mogą wykorzystywać czujniki rezystancyjne, termistory, termopary i czujniki światłowodowe, ale służą innym celom pomiarowym i ochronnym. Czujniki RTD obsługują ciągłe monitorowanie w oparciu o rezystancję elektryczną. Termistory zapewniają kompaktowe funkcje wykrywania i ochrony. Termopary obejmują szeroki zakres przemysłowych pomiarów temperatury. Czujniki światłowodowe zapewniają bezpośredni pomiar punktowy przy użyciu izolowanej elektrycznie ścieżki sygnału optycznego.
Wybór czujnika rozpoczyna się od punktu pomiarowego i środowiska pracy, a nie od nazwy czujnika. Po określeniu lokalizacji, zakresu temperatur, warunków elektrycznych i interfejsu monitorowania odpowiednie opcje zwykle stają się jasne.
Jeśli projekt silnika wymaga bezpośredniego pomiaru temperatury uzwojenia, INNO może pomóc w przeglądzie punktów pomiarowych, konfiguracji sondy, trasowania włókien i wymagań dotyczących kanałów.