CN100487998C - 数字式电动机热保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机保护技术，以嵌入式计算机或数字信号处理器为计算核心，配外围控制、测量和接口电路，利用直流电源在定子绕组上叠加一很小的直流电流，并定时加以采集，再以数字滤波技术为基础，将直流电流抽取出来以计算出定子绕组的电阻，进而根据电阻温度系数推算出定子绕组的温度，以此作为动作保护的判据，优点，本发明所提出的电动机热保护器具有很快的响应速度，响应速度仅为1个工频周期，不仅能满足一般过载保护的需要，还能满足堵转、短路等快速保护的需要，且不受负载波动影响。保护电器所提供的保护特性能够完全与被保护电动机的允许过载特性相匹配，具有使用方便、动作可靠等优点。

Description

数字式电动机热保护方法

所属技术领域：

本发明涉及一种电动机保护技术，适合用在断路器和热继电器中实现各种电机的过流保护。

背景技术：

电动机在运行过程中经常会发生短路、过载、堵转、起动时间过长等故障，从而导致定子绕组的温度升高，如果温度超出极限值，则会降低电动机的使用寿命甚至烧毁电动机，为此，需要保护电器能够给予动作保护，长期以来，国内外一直都非常重视电动机热保护器的开发和研制，经过半个多世纪的努力，电动机热保护器已从双金属片式发展到电子式，又向以微型计算机为核心智能式迈进，尽管如此，各种电动机热保护器的保护方式尚未发生变革，无一例外地采用间接保护。如，双金属片式热保护器采用双金属片作为测量元件，由双金属片构成的测量元件被串联于被保护的负载电路中，其中通过负载电流而发热弯曲，当弯曲到一定程度后，动触点断开控制电路，再经其他电器分断负载电路，使电动机等电气设备得到过载保护；电子式热保护器和以计算机为核心智能式热保护器均采用电流互感器测量被保护回路的电流，前者利用阻容充放电电路模拟电动机的负载波动，当过载一定时间后，充电电容器上的电压达到比较器的动作阈值，输出电路给出动作信号，控制其他电器分断负载电路；后者利用数字化测量技术采集负载电流，由微型计算机按照热保护模型进行动作保护，由于电动机定子绕组的温度并不仅仅取决于负载电流，且不同电动机的发热与散热时间常数不同，为与被保护电动机的过载特性相匹配，上述保护电器提供了一系列不同的整定参数供用户选择，但是在实际使用时，用户对其所用电动机的热特性所知并不多，只能凭经验选择动作整定值，同时保护模型也不完善，不能很好地与被保护电动机的允许过载特性相匹配，时常导致动作失误。

发明内容：

为了解决以上电动机保护装置结构之不足，本发明的目的提供一种数字式电动机热保护器，为使保护电器的热保护特性能真正地与被保护电动机的允许过载特性相一致，采用了一种以数字化测量技术和数字滤波技术为基础的测算原理计算定子绕组的电阻，据此推算出定子绕组的温度，从而有效地保护电动机的过流故障。

本发明的技术方案是这样实现的：电动机热保护方法，硬件结构是一种以嵌入式计算机或数字信号处理器为计算核心，配外围控制、测量和接口电路，利用直流电源在定子绕组上叠加一很小的直流电流，并定时加以采集，再以数字滤波技术为基础，将直流电流抽取出来以计算出定子绕组的电阻，进而根据电阻温度系数推算出定子绕组的温度，以此作为动作保护的判据，硬件结构具体联接(如附图所示)。

本发明数字式电动机热保护方法，包括下列步骤：

数据采集：

1为被保护电动机，2第一扼流圈、3第二扼流圈、4第三扼流圈，5为A相定子绕组直流电源、6为B相定子绕组直流电源、7为C相定子绕组直流电源。第一扼流圈2、第二扼流圈3、第三扼流圈4分别与A相定子绕组直流电源5、B相定子绕组直流电源6、C相定子绕组直流电源7相串联，而后并接在A、B、C三相定子绕组上，从而在定子绕组上叠加了很小的直流电流，利用A相电流互感器8、B相电流互感器9、C相电流互感器10分别采集三相直流回路的电流，直流电流经多路数据采集单元11后送入以单片机或DSP为核心的数字化测量与处理单元12。

数据处理：

数字化测量与处理单元是整个热保护器的核心，其中单片机或DSP根据控制程序，定时采集直流回路的瞬时电流，由于扼流圈不能完全滤净交流电流，因此该电流中还包含少量的交流分量，为此采用小波变换或快速傅立叶变换抽取出直流电流分量，进而再计算出定子绕组的电阻和温度。

计算方法：

多路数据采集单元采集的是直流回路的电流，但由于扼流圈的滤波能力有限，因此该电流既含有直流分量，也含有交流分量。由于数字滤波的滤波效果远远高于模拟滤波器，因此在数字化测量与处理单元中，根据小波变换或快速傅立叶变换从被测电流中抽取出直流分量，再按下面的计算方法求出电动机定子绕组的电阻R：

$R=\frac{E}{I}-R_L$

式中E——电动机定子绕组电压的实部；

    I——电动机定子绕组电流的实部；

    R_L——扼流圈的电阻。

在计算出R后，再根据电阻温度系数推算出电动机定子绕组的温度θ

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}(\frac{R}{R_0}-1)$

式中R₀——温度为0℃时，电动机定子绕组的电阻：

    α——电动机定子绕组的电阻温度系数；

如果θ大于定子材料绝缘等级所对应的极限允许温度，则给予动作保护。

本保护方法既可以对对称性故障进行保护，也可以对非对称性故障进行保护，当对对称性故障进行保护时，在实施方案时，在A、B、C三相中的任一相或者任二相之间叠加直流电流，即将扼流圈与直流电源串接后并在某相绕组上或某二相绕组之间，再测量直流回路的电流，通过多路数据采集单元11和数字化测量与处理单元12对电动机进行过热保护。

本发明的优点：本发明所提出的电动机热保护器具有很快的响应速度，响应速度仅为1个工频周期，不仅能满足一般过载保护的需要，还能满足堵转、短路等快速保护的需要，且不受负载波动影响。同时，在实际使用时，用户无需根据被保护电动机的规格和容量选择动作整定值，保护电器所提供的保护特性能够完全与被保护电动机的允许过载特性相匹配，具有使用方便、动作可靠等优点。

附图说明：

图1为本发明数字式电动机热保护方法硬件装置结构原理图。

图中1一被保护电动机；2、3、4—电流扼流圈；5、6、7—直流电源；8、9、10—电流互感器；11—多路数据采集单元；12—数字化测量与处理单元

具体实施方式：

接入本保护器后，当电动机在运行后，一个对电动机运行性能几乎毫无影响的直流电流将叠加在定子绕组上，这个电流与直流电源回路中的直流电流相等。尽管扼流圈对交流电流有抑制作用，但因其感抗有限，故直流回路还含有少量的交流电流成份。直流回路的电流可由电流互感器8、9、10和多路数据采集单元11及数字化测量与处理单元12进行测量和处理，从而从中抽取出直流电流分量，以便计算出定子绕组的电阻和温度。当电动机在运行过程中，如因过载、短路、堵转或起动时间过长等故障而导致温度升高，则其定子绕阻的电阻将按照R＝R₀(1+αθ)的对应关系增大。定子绕组是由铜线绕制而成的，其电阻温度系数约为4‰，如果它在正极限温度40℃下长期运行在额定负载下，其温度一般不超过105℃(E级绝缘)，一旦过载，它的温度将上升，如果达到了E级绝缘的极限允许温度120℃，这时绕组的电阻升高了6％，导致直流回路的直流电流下降。如果电动机未工作在正极限温度下，或者工作在额定负载以下，定子绕组的电阻要将在环境温度和105℃之间，这样过流后温度达到正极限温度时，定子绕组的电组将升高6～64％，直流电流的下降幅度更加明显了。利用电流互感器和多路数据采集单元及数字化测量与处理单元可测量和计算出直流电流，并换算出定子绕组的温度，一旦超过120℃，则给出保护信号，切断电源，也可在温度将接近120℃时，给出预警信号，以引起操作人员注意。

Claims (2)

1.一种数字式电动机热保护方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

数据采集：

被保护电动机(1)的数据采集电路是：第一扼流圈(2)、第二扼流圈(3)、第三扼流圈(4)分别与A相定子绕组直流电源(5)、B相定子绕组直流电源(6)、C相定子绕组直流电源(7)相串联，而后并接在A、B、C三相定子绕组上，从而在定子绕组上叠加了很小的直流电流，利用A相电流互感器(8)、B相电流互感器(9)、C相电流互感器(10)分别采集三相直流回路的电流，直流电流经多路数据采集单元(11)后送入以单片机或DSP为核心的数字化测量与处理单元(12)；

数据处理：

数字化测量与处理单元是整个热保护器的核心，其中单片机或DSP根据控制程序，定时采集直流回路的瞬时电流，由于扼流圈不能完全滤净交流电流，因此该电流中还包含少量的交流分量，为此采用小波变换或快速傅立叶变换抽取出直流电流分量，进而再计算出定子绕组的电阻和温度；

计算方法：

多路数据采集单元采集的是直流回路的电流，但由于扼流圈的滤波能力有限，因此该电流既含有直流分量，也含有交流分量，由于数字滤波的滤波效果远远高于模拟滤波器，因此在数字化测量与处理单元中，根据小波变换或快速傅立叶变换从被测电流中抽取出直流分量，按下面的计算方法求出电动机定子绕组的电阻R：

$R=\frac{E}{I}-R_L$

式中E——电动机定子绕组电压的实部；

I——电动机定子绕组电流的实部；

R_L——扼流圈的电阻：

在计算出R后，再根据电阻温度系数推算出电动机定子绕组的温度θ

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}(\frac{R}{R_0}-1)$

式中R₀——温度为0℃时，电动机定子绕组的电阻；

α——电动机定子绕组的电阻温度系数；

如果θ大于定子材料绝缘等级所对应的极限允许温度，则给予动作保护。

2.按权利要求1所述的数字式电动机热保护方法，其特征在于所说的保护方法对对称性故障进行保护或对非对称性故障进行保护，对对称性故障进行保护，在A、B、C三相中的任一相或者任二相之间叠加直流电流，将扼流圈与直流电源串接后并在某相绕组上或某二相绕组之间，测量直流回路的电流，通过多路数据采集单元(11)和数字化测量与处理单元(12)对电动机进行过热保护。

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