CN100539347C - 热过负荷保护设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电气设备，特别是电机(M)的热过负荷保护(1)，它测量(10)提供给电气设备(M)的负荷电流，并根据测量到的负荷电流计算(16)电气设备上的热负荷，并且当热负荷达到给定的阈值时断开(S2)电流源(L1、L2、L3)。该保护包括采用X位，优选地X＝32的定点运算的处理器系统，其中，通过被编程到微处理器系统中的数学方程式计算热负荷，该数学方程式被构成使得结果或临时结果永远不会超过X位值。

Description

热过负荷保护设备和方法

技术领域

本发明涉及用于保护电气设备特别是电机不受过热影响的热过负荷保护。

背景技术

电机被应用在驱动各种运动部件的多种应用场合中。电机通常具有其相应的控制单元，用以调整并监控电机的操作，例如转速。

电机可以短时间工作在过负荷条件下，但如果随着这种负荷条件的不断持续导致电机变得过热，就可能导致损坏该电机。由于过热导致损坏定子线圈的绝缘是最严重的情况。

公知的有多种用于保护电机不受热过负荷影响的解决方案。一种公知的解决方案是基于电机电流的1..3相测量，以及通过使用RC等效电路来模拟电机的受热。最早被采用且最常用的技术实现方式是将双金属片继电器(热继电器)直接或经由变流器耦合到主电路上。

一种公知的解决方案是在电机内部设置或与电机连接热保险开关，该开关在达到给定的温度限定后跳开，并中断流过电机的电流。更先进的方案是采用电子单元，该电子单元利用温度传感器来测量电机的温度，并触发电机的断开。这种可供选择的方式直接取决于各种传感器所进行的温度检测。所存在的问题是正确放置传感器的困难。这种保护的反应相对较慢。

在数值保护中，数据要被处理成数值模式，即数字模式。用A/D转换器将模拟的测量数据转换成数字形式。实际的测量和保护功能是通过微处理器来实现的。热过负荷保护装置测量电机或要保护的其它对象(例如电缆或变压器)的相电流(负荷电流)的均方根(rms)值，并计算取决于温度的工作时间。该热工作时间可以与标准IEC 60255-8相一致：

$t=\mathrm{\τIn}\frac{I^2-{I_p}^2}{I^2-{I_b}^2}$

其中，t＝工作时间

τ＝时间常数

I_p＝过负荷前的负荷电流

I＝负荷电流

I_b＝工作电流(最大的容许持续电流)

热时间常数τ是由保护对象达到温度θ所需要的时间来确定的，温度θ占保护对象被提供有恒定电流时的稳态温度θ_s的给定的百分比(例如，63％)。工作电流Ip是容许的最大持续电流，其也对应于容许的最高温度，即稳态温度θ_s。该容许的最高温度是跳开温度阈值。可供选择的，可以由相电流来计算保护对象上的热负荷相对于满(100％)热负荷的相对值。当相对热负荷达到100％的值时进行跳开。

因此，数字热保护装置与大量的计算联系在一起，而这些大量的计算需要高效的处理器以及快速且昂贵的外围电路，如存储器。现有技术中的解决方案采用了还具有内置数学处理器、浮点部件(PPU)或用于在确定的时间内执行实时计算的对应部件的高效处理器。也已经采用了具有模拟浮点数字部件的库函数的高效处理器。还存在利用ASIC电路实现算法的实现方式，但此后不能改编程序。因此，不能对这种专用电路进行改变，但是如果要改变操作的话就常常需要新的电路。还存在如下的实现方式，其中，依次地测量/计算电流、计算预热、重复测量等。这种实现方式不能确保进行完全地实时保护(非连续测量)，但能够采用效率稍差的处理器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于对电气设备进行热保护的方法，以及一种用于实现该方法的设备，使得与保护有关的计算能够被减少，并且处理器和外围电路的技术需求能够被降低。利用独立权利要求中限定的方法和系统实现了本发明的目的。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。

本发明是基于对数学方程式或算法及其计算热负荷的操作数进行编程，使得它们适用于采用定点运算的X位，优选X＝32的处理器系统，这样使得当程序在处理器系统中运行时结果或临时结果永远不会超过X位值。测量到的电流优选地被按比例换算成0到Y范围内的单位值，其中Y表示额定电流的Y/100％，优选地Y＝65000，从而，计算与实际的电流范围无关。

本发明能够用效率较差的处理器和较少的存储器来进行热负荷的计算，从而依次降低功耗、产品成本和设备的物理尺寸。计算可以用简单且可转换的代码来实现，其不需要数学处理器或数学库。但是，即使处理器采用32位定点运算，热负荷也可以用接近64位浮点数值计算的精度来进行计算。

附图说明

接下来，将参考附图结合优选实施例更详细地描述本发明，附图中：

图1是说明了根据本发明实施例的过负荷保护的示例性方框图，

图2是说明了图1中所示设备的工作的示例性信号图；和

图3是说明了图1中所示设备的工作的示例性流程图。

具体实施方式

图1中，热过负荷保护设备耦合在电机M或其它要保护的电气设备与三相电源电流源L1、L2和L3之间。S1是主电源开关，例如，手动控制的，S2是通过过负荷保护设备控制并用跳开信号TRIP控制的释放开关。过负荷保护设备1利用电流测量单元10测量电机M中电源电流源的每一相L1、L2和L3的电流负荷，例如基于变流器进行测量。此外，过负荷保护设备1可以包括用于测量相电压的测量单元11。而且，过负荷保护设备1优选地包括用户界面，即，人机界面(HMI)12，其具有显示器13和键盘14。另外，过负荷保护设备1可以包括连接到局域网(例如，以太网)的数据通信单元15、总线、现场总线(例如，Profibus DP)或其它的数据通信介质17。

关于本发明，最主要的功能与保护和控制单元16有关。过负荷保护设备1是由微处理器系统实现的，上述单元中的大部分都是由适当的微处理器软件和外围电路如存储器电路实现的。利用数字/模拟转换器(A/D)将由电流和电压测量单元提供的测量值转换成数值，即数字值。根据本发明的基本原理，微处理器系统采用定点运算，优选的是32位运算。适当的处理器类型例如是具有32位RISC指令集的通用处理器，如ARM7/9或M68k系列。

应认识到，上面描述的结构仅是用于实现本发明的热过负荷保护设备的一个例子。

过负荷保护设备1保护电机M避免过热及由过热所带来的任何损害。该保护设备是基于根据测量到的相电流计算电机上的热负荷。接下来，将通过图2和3的例子解释该保护设备大体的工作过程。通过闭合开关S1和S2，相导体L1、L2和L3连接到电机M上。电流测量单元10测量各相的电流(图3中的步骤31)，控制单元16利用定点运算根据相电流计算电机M上的热负荷(步骤32)。在一相的热负荷计算中用到的数学方程式可以如下所示：

${\mathrm{\Θ}}_k=\mathrm{\ΔT}*\frac{i^2}{C}+(1-\frac{\mathrm{\ΔT}}{R*C})*{\mathrm{\Θ}}_{k-1}$

其中

Θ＝热负荷，优选为0到200％优选地对应于0到2.4的数值范围

ΔT＝热负荷计算的间隔，优选地采用毫秒

R＝电气设备的冷却因数，优选地为1到10

C＝跳开级别因数

i＝测量到的负荷电流

因数C优选地是跳开级别因数t₆，其表示相对于电机的实际起动时间对电机设定的最长的起动时间。因数C例如可以是1.7(×实际起动时间)。在本发明的基本实施例中，跳开级别因数t₆乘以一常数，优选地是29.5，或者通过公式(l/k)*Te*(Ia/In)²来计算，其中，Ia＝起动电流，In＝额定电流，Te＝允许的起动时间，以及k＝常数。当希望工作时间曲线相当于跳开级别和t₆时间组合的曲线时，常数k＝1.22(工作时间取决于IEC 60947-4-1的要求)。优选地，测量到的电流被按比例换算成0到Y范围内的单位值，其中Y表示额定电流的Y/100％，优选地，Y＝65000，从而，计算就与实际的电流范围无关。

让我们来举例检验32位定点运算。根据本发明，上面描述的数学方程式或算法以及其计算热负荷的操作数都被编程为适用于采用32位定点运算的处理器系统，这样使得当在处理器系统中运行所述程序时，结果或临时结果永远不会超出32位值。

下面是用这种方式构成并换算的计算方程式的例子

thRes＝((ΔT＊(i²/c)+RoUNDING)/MSEC)

+(((((MSEC＊SCALING)-((ΔT＊sCALING)/(R＊c)))/SPART1)＊th)/SPART2)

+thFract

其中，操作数的值例如如下所示

thRes＝对应于0到24000的数值范围的热负荷0到200％

ROUNDING＝例如是500

MSEC＝例如是1000

SCALING＝例如是10000

SPART1＝例如是SCALING/10

SPART2＝例如是SCALING/100

thFract＝前面计算的thRes除以常数，例如常数＝SCALING＝10000。

ROUNDING相当于十进制的舍入。MSEC按比例将毫秒换算成秒。SCALING是精确比例。项SPART1和SPART2的乘积表示时间单位(优选为毫秒级)的比例，它们被分成两部分，以保持计算的精度。

因为比例(在该例子中，比例在0到24000的范围内)的缘故，热负荷的结果thRes太高了，因此它被按比例减小以表示每个所采用的单位值的热负荷，在该例子中减小到0到2.4的范围内

Θ＝thRES/10000

该商值Θ作为参数thFract被保存起来，并在下一次的计算中被采用。对0到100％热负荷的计算精度优于热负荷的0.1％。

图2的曲线图表示计算得到的热负荷Θ随时间t变化的函数。当电机M从冷态起动时，其开始加热。同样地，计算得到的热负荷Θ以时间函数的形式增加。当热负荷Θ增加到给定的设定报警等级Alarm_level时，控制单元16可以例如经由用户界面12-14或通信单元15给操作员发出报警(图3中的步骤35和36)。控制单元16还可以持续地或在给定的等级之后计算跳开前的剩余时间(跳开时间)，并将其通知操作员(图3中的步骤33和34)。当热负荷Θ增加到给定的设定跳开等级Trip(优选地为电机上热负荷的100％)时，控制单元16触发跳开信号TRIP，以控制开关S2打开，从而电机M从三相电源L1、L2和L3上断开(图3中的步骤37和38)。如果跳开之后剩余的电机热容量太低(例如，低于60％)，则保护设备1可以防止电机重新起动，直到电机冷却到给定的等级(重新起动禁止)或冷却给定的时间为止(图3中的步骤39和40)。为了起动，信号TRIP再次被连接至无效状态，开关S2被闭合。在实施例中，操作员可以将控制单元16控制到越级(override)状态中，其中跳开等级被加倍(越级跳开等级)。

对于本领域的技术人员很明显的是，随着技术的进步，可以用各种方式来实现本发明的基本理论。因此，本发明和其实施例并不局限于上面的例子，而是可以在权利要求的范围内进行改变。

Claims (3)

1、一种用于电气设备的热过负荷保护的设备，该设备包括：

用于测量提供给所述电气设备的至少一个负荷电流的电流表；

用于根据所述至少一个负荷电流计算所述电气设备上的热负荷的处理器系统；以及

用于当热负荷达到给定的阈值时断开电流源的开关装置，

所述处理器系统采用32位的定点运算，并将测量到的电流按比例换算成0到Y范围内的单位值，其中Y表示额定电流的Y/100％并且是一个大于0的实数，和用于利用数学方程式计算热负荷，该数学方程式与其操作数一起被编程到结构化的所述处理器系统中，从而使得最终结果或任何中间结果永远不会超过32位值，

其中该数学方程式为：

${\mathrm{\Θ}}_k=\mathrm{\ΔT}*\frac{i^2}{C}+(1-\frac{\mathrm{\ΔT}}{R*C})*{\mathrm{\Θ}}_{k-1}$

并且其中操作数包括：

Θ_k＝当前计算的热负荷；

Θ_k-1＝先前的热负荷；

ΔT＝热负荷计算的间隔；

R＝电气设备的冷却因数；

C＝跳开级别因数；

i＝测量到的电流；

k＝热负荷值指数。

2、如权利要求1中所述的设备，其特征在于，在所述数学方程式中使用下面的操作数值中的一个或多个：

Θ＝0到200％对应于0到2.4的数值范围；

ΔT＝采用毫秒的热负荷计算的间隔；

R＝在1到10范围内的电气设备的冷却因数。

3、一种用于电气设备的热过负荷保护的方法，该方法包括：

测量提供给所述电气设备的至少一个负荷电流；

将测量到的电流按比例换算成0到Y范围内的单位值，其中Y表示额定电流的Y/100％并且是一个大于0的实数；

利用采用定点运算的32位处理器系统根据所述至少一个负荷电流来计算电气设备上的热负荷，其中，用于热负荷的数学方程式被编程结构化，使得最终结果或任何中间结果永远不会超过32位值；以及

当热负荷达到给定的阈值时断开提供给所述电气设备的电流源，

其中该数学方程式为：

${\mathrm{\Θ}}_k=\mathrm{\ΔT}*\frac{i^2}{C}+(1-\frac{\mathrm{\ΔT}}{R*C})*{\mathrm{\Θ}}_{k-1}$

并且其中操作数包括：

Θ_k＝当前计算的热负荷；

Θ_k-1＝先前的热负荷；

ΔT＝热负荷计算的间隔；

R＝电气设备的冷却因数；

C＝跳开级别因数；

i＝测量到的负荷电流；

k＝热负荷值指数。

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