Động cơ điện có thể sử dụng RTD, nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện hoặc cảm biến sợi quang tùy mục tiêu đo. Ngoài nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ ổ trục, vỏ máy và các vị trí bên trong cũng có thể quan trọng. Mỗi vị trí lắp đặt phản ánh một thông tin nhiệt riêng, nên cần xác định bộ phận cần giám sát trước khi chọn cảm biến.
Cảm biến thích hợp phụ thuộc vào vị trí đo, phạm vi nhiệt độ, môi trường điện, độ chính xác cần thiết, hành vi phản hồi, không gian lắp đặt và giao diện giám sát.
Cảm biến nhiệt độ nào được sử dụng trong động cơ điện?
Bốn loại cảm biến đáp ứng hầu hết các phép đo nhiệt độ động cơ. RTD (máy dò nhiệt độ điện trở) sử dụng sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Điện trở nhiệt cũng sử dụng sự thay đổi điện trở, nhưng với vật liệu bán dẫn và đường cong phản ứng khác. Cặp nhiệt điện tạo ra một điện áp nhỏ phụ thuộc vào nhiệt độ. Cảm biến sợi quang sử dụng tín hiệu quang và trong các thiết kế dựa trên huỳnh quang, nhiệt độ được lấy từ hoạt động huỳnh quang của vật liệu ở đầu cảm biến.
Động cơ cũng có thể mang cảm biến nhiệt độ vòng bi và cảm biến bề mặt hoặc vỏ. Cảm biến vòng bi và vỏ đo các đại lượng nhiệt khác nhau từ cảm biến cuộn dây và cảm biến stato.
Cảm biến RTD để đo nhiệt độ động cơ
RTD là máy dò nhiệt độ điện trở. Điện trở của nó thay đổi một cách ổn định, có thể lặp lại theo nhiệt độ và thiết bị giám sát sẽ chuyển đổi điện trở đo được thành giá trị nhiệt độ. Pt100 và PT1000 là các tên gọi phổ biến, đề cập đến điện trở danh nghĩa ở nhiệt độ tham chiếu.
Trong động cơ, RTD thường được gắn vào cuộn dây stato hoặc đặt ở vòng bi. RTD cuộn dây được lắp đặt trong quá trình sản xuất tại một vị trí đã chọn, thường là giữa các mặt cuộn dây hoặc ở vị trí khác được xác định bởi thiết kế động cơ. Do mối quan hệ điện trở-nhiệt độ ổn định nên RTD rất phù hợp để theo dõi nhiệt độ liên tục và nhiều rơle bảo vệ động cơ, PLC và hệ thống giám sát chấp nhận trực tiếp đầu vào RTD.
Một số điểm cần chú ý khi lựa chọn. RTD yêu cầu dây dẫn điện, do đó, việc đi dây dẫn và cách điện phải được xem xét, đặc biệt là trong các máy điện áp cao. Định tuyến tín hiệu cũng có thể cần được chăm sóc trong môi trường đòi hỏi khắt khe về điện. Các cấp độ chính xác cụ thể, dung sai và phạm vi nhiệt độ phụ thuộc vào loại RTD và nhà sản xuất và phải được lấy từ tài liệu sản phẩm.
Điện trở nhiệt trong cuộn dây động cơ
Điện trở nhiệt là điện trở nhạy cảm với nhiệt độ. Các loại NTC giảm điện trở khi nhiệt độ tăng, trong khi các loại PTC thường cho thấy điện trở tăng mạnh xung quanh một nhiệt độ xác định.
Điện trở nhiệt PTC thường được sử dụng để bảo vệ và phát hiện ngưỡng. Mạch điều khiển giám sát điện trở và sự thay đổi đột ngột báo hiệu rằng cuộn dây đã đạt đến điều kiện cài đặt. Điện trở nhiệt NTC cung cấp điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ có thể được đọc dưới dạng giá trị nhiệt độ khi sử dụng mạch điện phù hợp.
Điện trở nhiệt rất hữu ích khi cần kích thước nhỏ gọn, chức năng bảo vệ đơn giản hoặc thay đổi điện trở nhanh chóng. Không phải tất cả chúng đều được coi là thiết bị đo nhiệt độ chính xác, liên tục. Hoạt động và mục đích giám sát của chúng phụ thuộc vào loại cảm biến và mạch điều khiển mà nó được kết nối. Điện trở nhiệt dùng để bảo vệ trả lời một câu hỏi khác với cảm biến dùng để thu thập dữ liệu nhiệt độ cuộn dây liên tục.
Cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ động cơ
Một cặp nhiệt điện nối hai kim loại khác nhau và điểm nối tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ. Điểm nối cảm biến có thể nhỏ và tốc độ phản hồi phụ thuộc vào cấu trúc. Cặp nhiệt điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và cũng được tìm thấy trong động cơ và thiết bị truyền động.
Vấn đề chính cần cân nhắc là về điện. Tín hiệu là điện áp mức thấp được mang bởi dây dẫn và phép đo cần bố trí điểm nối tham chiếu trong thiết bị. Trong môi trường đòi hỏi khắt khe về điện, việc nối đất, che chắn và định tuyến tín hiệu có thể ảnh hưởng đến kết quả. Điều này không ngăn cản việc sử dụng cặp nhiệt điện trong động cơ. Điều đó có nghĩa là một số môi trường đòi hỏi phải chú ý đến hệ thống dây điện nhiều hơn so với cảm biến quang học.
Cảm biến nhiệt độ sợi quang cho cuộn dây động cơ
Công nghệ của INNO là cảm biến nhiệt độ sợi quang điểm dựa trên huỳnh quang. Đầu dò có đầu cảm biến và nhiệt độ được đo ở đầu đó. Một sợi quang mang ánh sáng kích thích đến đầu và tín hiệu phản hồi trở lại thiết bị tương thích, thiết bị này chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ.
Mỗi đầu dò đo một vị trí vật lý xác định. Sợi giữa đầu cảm biến và thiết bị mang tín hiệu nhưng không đo nhiệt độ dọc theo chiều dài của nó. Đây là cảm biến điểm, không phải cảm biến phân tán và đầu dò không tự động tìm thấy điểm nóng không xác định. Điểm đo phải được chọn trước.
Đối với cuộn dây, đầu dò nhiệt độ sợi quang cuộn dây động cơ được lắp đặt với đầu cảm biến của nó tại vị trí cuộn dây đã chọn. Cấu trúc chung và phạm vi của các loại đầu dò được mô tả trên trang dành cho cảm biến nhiệt độ sợi quang .
Các đặc điểm liên quan đến ứng dụng động cơ bao gồm:
- Cách ly điện của đường cảm biến quang học
- Khả năng chống nhiễu điện từ cao
- Sự phù hợp với môi trường điện từ trường mạnh hoặc điện áp cao đã chọn
- Hình dạng đầu dò nhỏ, có thể hỗ trợ khi không gian lắp đặt bị hạn chế
- Giám sát đa điểm bằng nhiều đầu dò độc lập
Đây là những đặc điểm của phương pháp cảm biến, không đảm bảo cho mọi cài đặt. Việc đầu dò sợi quang có phù hợp với một động cơ cụ thể hay không phụ thuộc vào vị trí đo, thiết kế cuộn dây và cách sợi có thể được định tuyến ra khỏi máy.
RTD vs Nhiệt điện trở vs Cặp nhiệt điện vs Cảm biến sợi quang
Bảng dưới đây so sánh bốn loại theo cách chúng hoạt động và vị trí chúng thường được xem xét. Đây là sự so sánh trung lập, không phải là xếp hạng và mỗi hàng phản ánh các đặc điểm chung khác nhau tùy theo sản phẩm cụ thể.
| Loại cảm biến | Nguyên tắc đo lường | Sử dụng động cơ điển hình | Tín hiệu điện tại điểm đo | Đo nhiệt độ liên tục | Cân nhắc lựa chọn chính |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD | Điện trở thay đổi theo nhiệt độ | Giám sát cuộn dây, stato và ổ trục nhúng | Có, dây dẫn điện chạy đến phần tử cảm biến | Có | Đi dây chì, cách điện và định tuyến tín hiệu trong môi trường điện |
| Điện trở nhiệt | Điện trở bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ | Bảo vệ cuộn dây và phát hiện ngưỡng, và trong một số thiết kế có khả năng đọc nhiệt độ | Có, dây dẫn điện chạy đến phần tử cảm biến | Tùy thuộc vào loại cảm biến và mạch điều khiển | Cho dù mục đích là bảo vệ hay dữ liệu liên tục |
| Cặp nhiệt điện | Điện áp nhiệt điện tại điểm nối của các kim loại khác nhau | Đo lường công nghiệp chung, bao gồm một số vị trí động cơ và thiết bị | Có, tín hiệu điện áp mức thấp trên dây dẫn | Có | Điểm nối tham chiếu, nối đất và che chắn |
| Cảm biến sợi quang | Tín hiệu quang từ đầu cảm biến, chẳng hạn như hành vi huỳnh quang | Đo trực tiếp tại các điểm cuộn dây đã chọn, bao gồm cả môi trường đòi hỏi khắt khe về điện | Không, đường tín hiệu tại điểm đo là quang | Có | Vị trí điểm, định tuyến sợi quang và các kênh thiết bị tương thích |
Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt ở đâu trong động cơ điện?
Vị trí đo thường thu hẹp phạm vi lựa chọn cảm biến trước khi xem xét bất kỳ yếu tố nào khác, vì các vị trí khác nhau có mục tiêu khác nhau.
Cuộn dây Stator
Cuộn dây stato là vị trí chính để theo dõi nhiệt độ động cơ. Cảm biến được nhúng vào hoặc đặt tại các vị trí cuộn dây đã chọn, thường là trong quá trình sản xuất. Cảm biến nhiệt độ stato thuộc bất kỳ loại nào chỉ đo ở nơi nó được lắp đặt, vì vậy vị trí liên quan đến cuộn dây cũng quan trọng như loại cảm biến.
Vòng bi
Giám sát nhiệt độ vòng bi có mục tiêu khác với giám sát cuộn dây. Nó liên quan đến tình trạng bôi trơn và cơ học, và RTD thường được sử dụng ở đó. Cảm biến sợi quang không cần thiết đối với vòng bi nói chung và sự lựa chọn phụ thuộc vào các yếu tố giống như những nơi khác: vị trí, môi trường và hệ thống giám sát.
Vỏ động cơ
Nhiệt độ bề mặt hoặc vỏ máy dễ dàng tiếp cận hơn nhưng nó không trực tiếp bằng nhiệt độ cuộn dây bên trong. Sự khác biệt phụ thuộc vào thiết kế động cơ, tải và làm mát. Các phép đo vỏ bọc có thể hữu ích cho các mục đích khác, nhưng chúng không thể thay thế cho cảm biến ở cuộn dây.
Các vị trí nội bộ khác
Tùy thuộc vào thiết kế động cơ, các vị trí bên trong khác có thể được quan tâm, chẳng hạn như các khe, cuộn dây cuối hoặc các vị trí nhiệt khác. Cái nào trong số chúng có thể truy cập được để đặt cảm biến tùy thuộc vào cấu trúc và không có quy tắc chung nào áp dụng cho mọi động cơ.
Tại sao nhiệt độ cuộn dây lại quan trọng
Nhiệt độ cuộn dây phản ánh tác động tổng hợp của dòng điện, tổn thất, tải, làm mát, điều kiện xung quanh và luồng không khí. Khi dòng điện tải tăng, tổn thất cuộn dây thường tăng và sinh nhiệt cũng tăng. Nếu việc làm mát hoặc luồng không khí bị hạn chế thì tải tương tự có thể tạo ra nhiệt độ cuộn dây cao hơn. Một cảm biến ở cuộn dây sẽ ghi lại kết quả của tất cả những điều này cùng nhau, điều mà các phép đo bề mặt không thể thực hiện được.
Các giá trị nhiệt độ được chấp nhận phụ thuộc vào thiết kế động cơ, hệ thống cách điện và thông số kỹ thuật hiện hành, do đó, chúng phải được lấy từ tài liệu về động cơ chứ không phải từ số liệu chung. Bản thân các phương pháp đo, bao gồm điện trở cuộn dây và kỹ thuật bề mặt, được đề cập trong bài viết của chúng tôi về cách đo nhiệt độ cuộn dây động cơ .
Giám sát nhiều điểm nhiệt độ động cơ
Cảm biến một điểm cung cấp một giá trị nhiệt độ tại một vị trí. Khi có nhiều địa điểm quan trọng, mỗi địa điểm cần có cảm biến riêng. Với cảm biến điểm bằng sợi quang, một điểm được xác định tương ứng với một đầu dò và một kênh hoạt động tương thích trên thiết bị.
Như một ví dụ về cấu hình, việc giám sát ba vị trí cuộn dây độc lập thường cần ba đầu dò và ít nhất ba kênh hoạt động tương thích. Đây chỉ là một ví dụ. Số lượng điểm đo phụ thuộc vào thiết kế động cơ và mục tiêu giám sát, và không phải động cơ nào cũng cần ba điểm.
Nhiều đầu dò cung cấp nhiều phép đo điểm độc lập chứ không phải cấu hình nhiệt độ phân tán. Các thiết bị đa kênh được mô tả trên trang dành cho hệ thống giám sát nhiệt độ sợi quang và bối cảnh ứng dụng rộng hơn được đề cập trong phần giám sát nhiệt độ động cơ và máy phát điện .
Cách chọn cảm biến nhiệt độ động cơ điện
Hãy thực hiện các điểm sau theo thứ tự. Mỗi người thu hẹp các lựa chọn.
- Vị trí đo: cuộn dây, stato, ổ trục, vỏ hoặc điểm bên trong khác.
- Phạm vi nhiệt độ dự kiến: xác nhận dựa trên tài liệu cảm biến.
- Hành vi phản hồi bắt buộc: tốc độ đọc cần theo dõi các thay đổi.
- Độ chính xác đo bắt buộc: như đã nêu trong thông số kỹ thuật và được xác nhận cho cảm biến đã chọn.
- Yêu cầu cách ly điện: liệu hệ thống dây dẫn tại điểm đo có được chấp nhận hay không.
- Môi trường điện từ: điện áp cao, trường mạnh hoặc điều kiện tần số cao.
- Không gian lắp đặt sẵn có: phòng tại điểm đo dự định.
- Đường kính và hình dạng cảm biến: liệu đầu dò có phù hợp với vị trí hay không.
- Định tuyến cáp hoặc cáp quang: cách kết nối rời khỏi động cơ và đến thiết bị.
- Số điểm đo: mỗi vị trí độc lập cần có cảm biến riêng.
- Các kênh giám sát bắt buộc: đủ các kênh đầu vào tương thích cho tất cả các cảm biến.
- Giao diện điều khiển, PLC hoặc giám sát: loại tín hiệu mà hệ thống hiện tại chấp nhận.
Lựa chọn cảm biến theo điều kiện ứng dụng
Bảng liệt kê các loại cảm biến thường được xem xét cho các điều kiện điển hình, cùng với câu hỏi quyết định giữa chúng. It does not exclude other options.
| Application Condition | Các loại cảm biến thường được coi là | Key Question |
|---|---|---|
| Giám sát cuộn dây stato nhúng | RTD, nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, cáp quang | Hệ thống giám sát có chấp nhận loại tín hiệu không và vị trí có thể truy cập được trong quá trình sản xuất không? |
| Motor protection threshold | Thermistor, RTD | Chức năng chuyển đổi có đủ không, hay cần dữ liệu nhiệt độ liên tục? |
| Đo nhiệt độ công nghiệp chung | RTD, thermocouple | Ứng dụng cần phạm vi và giao diện nào? |
| High-voltage motor winding | RTD, fiber optic | Cách ly và cách điện tại điểm đo được xử lý như thế nào? |
| Môi trường điện từ mạnh | Cảm biến điện được bảo vệ, cáp quang | Hệ thống dây điện và tấm chắn có thể giữ cho tín hiệu điện đáng tin cậy hay đường dẫn quang được ưu tiên hơn? |
| Giám sát cuộn dây đa điểm | RTD, fiber optic | Cần bao nhiêu điểm độc lập và có đủ kênh không? |
| Bearing monitoring | RTD, thermocouple | Vị trí ổ trục cho phép lắp đặt và giao diện như thế nào? |
Đo nhiệt độ trong môi trường điện áp cao và EMI mạnh
Cảm biến điện dựa vào dây dẫn điện và tín hiệu điện. Trong nhiều động cơ, điều này hoạt động tốt, nhưng trong các máy điện áp cao hoặc nơi có điện từ mạnh, hệ thống dây điện trở thành một phần của vấn đề thiết kế. Cách điện, nối đất, che chắn và định tuyến cáp đều cần được chú ý và tín hiệu phải duy trì độ tin cậy khi có hiện trường.
Cảm biến sợi quang sử dụng đường dẫn quang giữa điểm phát hiện và thiết bị. Không có đường dẫn tín hiệu dẫn điện tại điểm đo, vì vậy trong một số môi trường điện áp cao, trường mạnh hoặc tần số vô tuyến, điều này có thể đơn giản hóa việc cách ly điện và định tuyến tín hiệu. Đây là tuyên bố về phương pháp cảm biến, không phải tuyên bố về khả năng miễn nhiễm hoàn toàn. Đầu dò sợi quang cho thấy khả năng chống nhiễu điện từ cao và kết quả thực tế vẫn phụ thuộc vào cách lắp đặt.
Thiết kế động cơ mới và giám sát nhiệt độ trang bị thêm
Trong động cơ mới, các cảm biến nhúng có thể được lên kế hoạch trong quá trình thiết kế và sản xuất. Các điểm đo có thể được thỏa thuận, các cảm biến được đặt ở vị trí có thể tiếp cận cuộn dây và việc định tuyến dây hoặc sợi được tích hợp trong công trình.
Trong động cơ hiện có, khả năng tiếp cận cuộn dây bên trong thường bị hạn chế. Các tùy chọn có thể bao gồm RTD nhúng hiện có, cảm biến vòng bi, đo bề mặt hoặc các điểm bên trong có thể truy cập khác. Không nên giả định rằng đầu dò sợi quang luôn có thể được trang bị thêm vào cuộn dây hiện có và mỗi trường hợp đều cần được xem xét kỹ thuật.
Các ràng buộc cài đặt có thể thay đổi lựa chọn cảm biến
- Chọn cảm biến trước khi xác định vị trí đo.
- Xử lý nhiệt độ vỏ máy như nhiệt độ cuộn dây.
- Giả sử một cảm biến đại diện cho toàn bộ cuộn dây.
- Bỏ qua yêu cầu cách ly điện tại điểm đo.
- Bỏ qua việc định tuyến cáp hoặc cáp quang cho đến giai đoạn cuối của thiết kế.
- Sử dụng nhiệt điện trở bảo vệ khi cần dữ liệu nhiệt độ liên tục.
- Giả sử đầu dò nhiều điểm cung cấp cảm biến phân tán.
Kết luận
Động cơ điện có thể sử dụng RTD, nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện và cảm biến sợi quang, nhưng chúng phục vụ các mục tiêu đo lường và bảo vệ khác nhau. RTD hỗ trợ giám sát dựa trên điện trở liên tục. Điện trở nhiệt cung cấp chức năng cảm biến và bảo vệ nhỏ gọn. Cặp nhiệt điện bao gồm đo nhiệt độ công nghiệp rộng rãi. Cảm biến sợi quang cung cấp phép đo điểm trực tiếp bằng cách sử dụng đường dẫn tín hiệu quang cách điện.
Việc lựa chọn cảm biến bắt đầu bằng điểm đo và môi trường vận hành chứ không phải tên cảm biến. Sau khi xác định được vị trí, phạm vi nhiệt độ, điều kiện điện và giao diện giám sát, các tùy chọn phù hợp thường trở nên rõ ràng.
Nếu một dự án động cơ yêu cầu đo nhiệt độ cuộn dây trực tiếp, INNO có thể giúp xem xét các điểm đo, cấu hình đầu dò, định tuyến sợi và các yêu cầu về kênh.