CN102419400B - 三相输入设备输入缺相检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三相输入设备输入缺相检测方法，适用于变频器、EPS等三相输入设备的缺相检测。该方法为三相输入设备的三相输入电压经过整流滤波后得到直流母线电压，对直流母线电压按照一定的时间间隔t进行采样，t≤1/6输入电源周期，当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入缺相，在采样电压值不存在任意连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入不缺相。本发明的缺相检测方法与传统检测方法相比，本发明不需要专门的硬件电路，节省了成本；同时，本发明通过软件对采样直流母线电压进行检测，可靠性高，设计灵活，适用于各种电网条件，受EMC干扰小。

Description

三相输入设备输入缺相检测方法

技术领域

    本发明公开一种三相输入设备输入缺相检测方法，适用于变频器、EPS等三相输入设备的缺相检测。

背景技术

    由于变频器工作环境复杂，有时会出现供电电源缺相的情况，这种情况如果不进行保护，可能对变频器造成损害，因此变频器都会对输入缺相进行检测。传统的输入缺相检测都是使用硬件电路来实现，请参看附图1，图1是目前常用的缺相检测电路。三相输入端分别通过限流电阻R1-限流电阻R3限制输入电流，然后再通过全桥整流二极管D1-全桥整流二极管D3对输入电压进行整流；然后通过电阻R4与电阻R1-电阻R3分压，降低整流后的电压；光耦PC1在整流后的电压大于一定值时导通，小于一定值时关断；光耦PC1导通时，输出端PL为低电平（0V），光耦PC1时关断时，输出PL为高电平（5V）。

变频器的三相输入不缺相时，全桥整流后的电压为6脉波电压，且总大于使光耦PC1导通的值，因此光耦PC1一直导通，即输出端PL总为低电平，在变频器三相输入缺相时，全桥整流后的电压会在一段时间内低于使光耦PC1导通的值，而在另一段时间内高于使光耦PC1导通的值，因此光耦PC1在导通与关断之间来回切换，输出端PL的输出则为周期性的方波。输出端PL输出信号送至数字信号处理器（DSP）中，当DSP检测到输出端PL一直为低电平时，则判定输入不缺相，而在DSP检测到输出端PL是周期性的方波，且方波脉冲个数大于或等于设定的脉冲数时，判定输入缺相。

上述缺相检测电路存在如下几个问题：（1）上述缺相检测方法是使用硬件电路实现，会产生一定的硬件成本；（2）限流电阻R1-限流电阻R3在输入不缺相时损耗较大，发热严重，容易导致电路可靠性较差；（3）该电路直接连接到电源输入端，高压电对其产生的干扰较大，而该电路自身的抗干扰能力又较差，容易引发EMC问题，在电磁环境恶劣的情况下不能保证正常工作。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的变频器等中缺相检测存在上述诸多问题的缺点，本发明提供一种新的三相输入设备输入缺相检测方法，其利用变频器等中的直流母线电压检测电路，通过控制芯片软件采样直流母线电压，计算一段时间内直流母线电压的单调性和差值来判断输入是否缺相，实施缺相保护，不增加硬件电路，在实际变频器应用中有很好的效果。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种三相输入设备输入缺相检测方法，该方法为三相输入设备的三相输入电压经过整流滤波后得到直流母线电压，对直流母线电压按照一定的时间间隔t进行采样，t≤1/6输入电源周期，当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入缺相，记录一次输入缺相，在此后的延时时间T内持续记录输入缺相的次数，在延时时间T内检测到的输入缺相次数大于缺相设定值，则判断为输入缺相，否则，则判断为输入不缺相，在采样电压值不存在任意连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入不缺相，n大于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/6，且小于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/2，缺相设定值小于等于延时时间T与最小输入电源频率乘积的2倍。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的延时时间T为500ms。

当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值，且连续n个单调的采样电压值中的最大值与最小值之差小于或等于电压设定值，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

所述的电压设定值为30V。

在三相输入设备上电后且尚未运行前，检测直流母线电压的最大值，将该最大值增加一定的裕量后作为是否进行输入缺相判断的阀值，当一个输入电源周期内的采样电压值存在连续n个单调，但连续n个单调的采样电压值中的最大电压值大于或等于输入缺相判断的阀值，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

所述的阀值为直流母线电压最大值的1.1倍到1.3倍。

所述的三相输入设备为变频器或EPS。

本发明的有益效果是：本发明的缺相检测方法与传统检测方法相比，本发明不需要专门的硬件电路，节省了成本；同时，本发明通过软件对采样直流母线电压进行检测，可靠性高，设计灵活，适用于各种电网条件，受EMC干扰小。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是常用的输入缺相检测硬件电路；

图2 是正常工作时的直流母线电压波形及电压采样示意图；

图3 是输入缺相时的直流母线电压波形及电压采样示意图；

图4 是三相电源不平衡时的直流母线电压波形及电压采样示意图；

图5 是变频器轻载或空载且三相电源不平衡时的直流母线电压波形及电压采样示意图；

图6是本发明检测方法的最简流程图。

图7是本发明软件检测流程图。

具体实施方式

    本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

本发明的最简单的实现方式为对直流母线电压（本发明中的直流母线电压是指三相输入设备的三相输入电压经过三相输入全桥整流后，再经过滤波得到直流母线电压）按照一定的时间间隔t进行采样，一般保证t≤1/6输入电源周期（本发明中的输入电源周期为市电输入的电源周期，即输入电源频率为50Hz或60Hz的市电电源的周期），即每个输入电源周期内，对直流母线电压的采样次数至少为6次，当所有采样电压值中出现连续n个（本实施例中，n大于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/6，小于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/2。）单调的采样电压值时，则判断为输入缺相，在采样电压值中不存在任意连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入不缺相。

由于上述最简单的方法存在一定缺陷，因此对其实现方式作出改进，当采样电压值出现连续n个单调的采样电压值时，并不直接判断为输入缺相，而是利用计数器记录一次输入缺相，在此后的延时时间T（本实施例中，给出的延时时间T为500ms，具体延时时间可根据实际需要确定）内持续记录了输入缺相的次数，在延时时间T内检测到的输入缺相次数大于缺相设定值（缺项设定值为人为设定，缺相设定值小于等于延时时间T与最小输入电源频率乘积的2倍，本实施例中，设定为40次），则判断为输入缺相，否则，则判断为输入不缺相。

考虑到例外情况的存在，如果三相电源不平衡或变频器轻载或空载时，则当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值时，且连续n个单调的采样电压值中的最大值与最小值之差小于或等于电压设定值，本实施例中，电压设定值为30V，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

同时，还有另一种例外情况，就是在电机制动时，制动能量会使直流母线电压冲高，本发明对此种情况的解决方法为：在变频器上电后且尚未运行前，检测直流母线电压的最大值，将该最大值增加一定的裕量后作为是否进行输入缺相判断的阀值，本实施例中，通常的阀值为直流母线电压最大值的1.1倍到1.3倍，当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值时，但连续n个单调的采样电压值中的最大值大于或等于输入缺相判断的阀值，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

下面将以一个具体实例对本发明进行说明。

本实施例以变频器直流母线为例，对本发明进行具体说明，请参看附图2，正常情况下，变频器的直流母线电压Vdc波形如图2所示，直流母线电压除了直流成分外，其主要交流成分的周期为3.3ms（当输入电源电压频率为50Hz时）或2.78ms（当输入电源电压频率为60Hz时），考虑10%的频率波动，直流母线电压主要交流成分的周期范围是2.5ms~3.7ms。而在输入缺相情况下，直流母线电压的波形如图3所示，其主要交流成分的周期为10ms（当输入电源电压频率为50Hz时）或8.3ms（当输入电源电压频率为60Hz时），考虑10%的频率波动，直流母线电压主要交流成分的周期范围是7.58ms~11.1ms。本实施例中，对直流母线电压进行间隔1ms（具体的采样时间可进行调节，一般应保证每个输入电源周期内，对直流母线电压采样6次以上）的采样，则正常情况下，在一个母线电压主要交流成分周期内，最少可以采样到2个电压值，最多可以采样到4个电压值，那么连续5次的采样电压值是不会出现单调情况（即连续5次的采样电压值呈线性分布）的；而当发生输入缺相时，由于交流成分周期最小是7.58ms，那么连续5次的采样电压值可能是单调的，总能找到连续5个采样值是单调的。因此可通过检测直流母线电压在一段时间内的单调性来判断输入是否缺相，当出现5个连续单调的采样电压值时，则判断为输入缺相，否则，如果任意5个连续的采样电压值都不存在单调情况，则判断为输入不缺相。

上述判断为一般的做法，本实施例中，考虑到例外情况的存在，一种例外的情况是，如果三相电源不平衡，连续5次的采样电压值也会出现单调的情况，请参看附图4，从而可能引起输入缺相保护误动作。因此，本实施例中，需要增加连续单调的采样电压值的数量，由于缺相时母线电压主要交流成分的周期最小为7.58ms，因此最多增加到7次。

还有另一种情况是变频器轻载或空载时，直流母线电压同样会由于三相电源不平衡出现如图5所示的情况，在这种情况下，直流母线电压同样不能准确的反映是缺相还是三相电源不平衡。然而，在这种情况下，即使缺相，对变频器也没有危害，因此，可以不需要对其进行输入缺相判断，也不需要进行缺相保护。同时，在这种情况下，一般任意连续7次采样电压值的最大值和最小值的差值不会太大，考虑到三相电源的不平衡度不大于5%，一般任意连续7次采样电压值的最大值和最小值的差值不会超过30V，将30V作为一个设定值，即如果出现连续7次单调的采样电压值时，但连续7次单调的采样电压值中的最大值和最小值的差值小于或等于30V，则判断为不缺相，或不判断输入是否缺相，不进行缺相保护。

变频器在实际使用过程中，还会遇到另外一种情况，就是在电机制动时，制动能量会使直流母线电压冲高，制动结束后直流母线电压会有长时间的下降过程，此时，利用上述办法可能会误判断为输入缺相。为了解决这个问题，在变频器上电后且尚未运行前，先检测直流母线电压的最大值，将该最大值增加20%的裕量后作为是否进行输入缺相判断的阀值，当直流母线电压高于该阀值时，则判断为输入不缺相，或不判断输入是否缺相，不进行缺相保护。

请参看附图7，本发明可以总结为：在变频器上电后且尚未运行前，检测直流母线电压的最大值，将该最大值增加20%的裕量后作为是否进行输入缺相判断的阀值。变频器运行后，对直流母线电压进行间隔1ms的采样，取连续7次的采样电压值，如果任意连续7次的采样电压值都不存在单调情况，则判断为输入不缺相；如果出现连续7次单调的采样电压值时，且连续7次单调的采样电压值中的最大值与最小值之差大于30V，并且最大值小于输入缺相判断的阀值，则利用计数器计录1次输入缺相，然后在此后的500ms内，如果检测到的输入缺相次数大于设定值40次（人为设定），则判断为输入缺相，实施缺相保护，如果在在此后的500ms内检测到的输入缺相次数小于或等于设定值40次，则判断为输入不缺相，输入缺相次数计数值清零；如果出现连续7次单调的采样电压值时，且连续7次单调的采样电压值最大值与最小值之差小于等于30V，或者连续7次单调的采样电压值最大值大于或等于输入缺相判断的阀值，则判断为输入不缺相或不判断输入是否缺相，不进行缺相保护。

上述实施例只是本发明的一种实现方式，实际使用中，直流母线电压采样时间间隔、取连续点的次数、最大值与最小值之差设定值、输入缺相确认时间、输入缺相次数设定值、输入缺相判断阀值等可以根据实际情况进行调整。上述实施例以变频器为例进行具体说明，具体实施时，本发明的方法还可以用与EPS等其他以三项输入作为供电电源的电气设备中。

本发明的缺相检测方法与传统检测方法相比，本发明不需要专门的硬件电路，节省了成本；同时，本发明通过软件对采样直流母线电压进行检测，可靠性高，设计灵活，适用于各种电网条件，受EMC干扰小。

Claims (7)

1.一种三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：所述的方法为三相输入设备的三相输入电压经过整流滤波后得到直流母线电压，对直流母线电压按照一定的时间间隔t进行采样，t≤1/6输入电源周期，当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入缺相，记录一次输入缺相，在此后的延时时间T内持续记录输入缺相的次数，在延时时间T内检测到的输入缺相次数大于缺相设定值，则判断为输入缺相，否则，则判断为输入不缺相，在采样电压值不存在任意连续n个单调的采样电压值时，则判断为输入不缺相，n大于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/6，且小于或等于采样时间间隔t与输入电源频率乘积的倒数的1/2，缺相设定值小于等于延时时间T与最小输入电源频率乘积的2倍。

2.根据权利要求1所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：所述的延时时间T为500ms。

3.根据权利要求1或2所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压值，且连续n个单调的采样电压值中的最大值与最小值之差小于或等于电压设定值，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

4.根据权利要求3所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：所述的电压设定值为30V。

5.根据权利要求1或2所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：在三相输入设备上电后且尚未运行前，检测直流母线电压的最大值，将该最大值增加一定的裕量后作为是否进行输入缺相判断的阀值，当一个输入电源周期内的采样电压值存在连续n个单调，但连续n个单调的采样电压值中的最大电压值大于或等于输入缺相判断的阀值，则判断为输入不缺相或不进行输入缺相判断。

6.根据权利要求5所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：所述的阀值为直流母线电压最大值的1.1倍到1.3倍。

7.根据权利要求1或2所述的三相输入设备输入缺相检测方法，其特征是：所述的三相输入设备为变频器或EPS。

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