CN103248012A - 具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法和装置，电动机运行时：在一个热积累计算周期Δt内，分别计算增热量

，和减热量ΔE₂=k₂E_j-1Δ_t；计算热积累E_j=E_j-1+ΔE₁-ΔE₂；热积累E_j升到报警或跳闸阈值以上给出报警或跳闸指令。电动机未运行：计算热积累E_j=E_j-1-k₃E_j-1Δt；热积累E_j降到电动机允许起动阈值以下电动机允许起动使能。环境温度大于电机设计的最高环境温度，计算温度补偿后的热积累E_c.j=E_j+E₀或E_c.j=C_EE_j。其优点是：具有完全的热记忆功能，使电动机在负载或电源电压频繁变化等任何复杂情况下得到可靠的保护；采用高性能的模数转换器提高了测量准确度；采用交流基波实现同步锁相显著提高了抗电磁干扰能力。

Description

具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法和装置

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及电机的保护，尤其涉及一种交流电动机的热过载保护。

背景技术

1）目前的数字式电动机保护器采用以下三类热过载反时限保护方法。

A.基于公式计算的反时限保护方法

直接根据标准IEC60255-4推荐的热过载反时限公式、超反时限公式或近似的公式计算跳闸时间：

$t=T1n\frac{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2}{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-k}---\left(1\right)$

$t=\frac{T}{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-1}---\left(2\right)$

式中：t-动作时间；T-电动机热时间常数，I_B-基本电流，一般取额定电流I_n的1.05倍；I_eq-电动机有效电流，也可以取最大相电流；k-常数，1～1.2。

B.积分型反时限保护方法

电动机过载即运行电流I或有效电流I_eq大于1.05倍额定电流I_n以后跟踪计算I²t值，称之为“热积累”或“热容量”：

$Q={\∫}_0^t[I_{\mathrm{eq}}^2-{I_B}^2]\mathrm{dt}=\mathrm{\Σ}[I_{\mathrm{eq}}^2-{I_B}^2]\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

或者，将“热积累”标幺化（化成百分比形式），即在等式两边除以I_B ²T，改写

$Q_{*}=\frac{E}{{I_B}^{2}T}={\∫}_0^t[({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-1)/T]\mathrm{dt}=\mathrm{\Σ}[({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-1)/T]\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

这实际上是（2）式的积分形式，当Q_*=100%时，电动机跳闸。使用该公式解决了过载电流变化时计算跳闸时间的困难。

C.采用参数冷热曲线比的反时限保护方法

为了使跳闸时间能反映跳闸前的冷热状态，有些电机保护器在上述的积分型算法里引入参数冷热曲线比α，用该参数确定过载前的稳态“热积累”Q₀：

$Q_0=\frac{I_p}{I_n}(100\%-\mathrm{\α})---\left(5\right)$

I_p为过载前的电流。冷热曲线比α决定过载前热积累的起点。冷热曲线比α=0%，说明过载前“热积累”已达100%，电动机处于热态。α=100%，说明过载前“热积累”为0，电动机处于冷态。

对于工作在环境温度大于电机设计的最高环境温度τ_da的电动机，以上方法都没有采取温度补偿。

2）目前的数字式电动机保护器的交流测量，普遍采用微控制器内部的模数转换器。

3）目前的数字式电动机保护器采用硬件检测交流过零点的方法，实现频率测量和锁相同步。

现有电动机热过载保护技术的不足：

1）现有热过载保护方法的缺陷

国标《GB14048.4-2010低压开关设备和控制设备第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》规定：除非制造厂规定产品不包括热记忆，否则电子式过载继电器应能通过热记忆试验验证。没有热记忆功能或只有部分热记忆能力的热过载保护方法不能有效地保护电动机，应用在电动机负载变化或电压不稳定的场合可能带来严重后果。

对于基于公式计算的反时限保护方法A，由于电动机过载电流在过载过程中通常是变化的，将难以得到符合电动机实际过热情况的动作时间。这种算法没有热记忆能力，如果电动机多次重复短时间过载，而其每次过载时间均小于跳闸时间，保护不动作，但由于电动机自身热积累的结果会使电动机烧毁

对于积分型反时限保护方法B，解决了过载电流变化时计算跳闸时间的困难，但计算出来的值并非电动机真正的热积累量。从（3）式可以看出，当电动机在小于基本电流I_B运行足够长的时间后Q减小到0（不允许取负值），电动机运行电流大于I_B以后才开始所谓的“热积累”，所以其“热积累”的大小与过载前的冷热状态无关，这种算法也没有热记忆能力。如果电动机在过载前已较长时间带载运行处于热态，但“热积累”却变为0，过载以后“热积累”从零开始积累，显然会得到不正确的跳闸时间导致电动机损坏。

使用以上两种算法的保护器，只有把电动机热时间常数设置得比实际的小，才可能使得电动机在过载时得到保护，但又可能使电动机频繁跳闸。

对于采用参数冷热曲线比的反时限保护方法，可以认为具有部分热记忆能力，这里的“热积累”也不是电动机真正的热积累。过载前的“热积累”受人为设置的参数α的影响，其初始“热积累”Q₀的计算不符合实际情况，因而不能得到准确的跳闸时间。当负载或电压变化剧烈时，难以设置合适的冷热曲线比，使保护不可靠。

当电动机运行环境温度高于电机设计的最高环境温度τ_da（一般电机为40℃）时，负载能力下降，过载以后的允许运行时间减小。但以上几种方法都没有运行环境温度高于电机设计的最高环境温度τ_da时对电动机跳闸延迟时间的补偿功能，当电动机在高于设计温度的环境中运行时，会因热过载而损坏。

2）微控制器内部的模数转换器分辨率低、准确度差、动态范围小，难以在电动机的10～12倍额定电流范围内达到应有的测量准确度。

3）采用硬件检测交流过零点的同步锁相，需要硬件支持。通常采用1～2路零交检测，电源缺相时会失步。频率测量和同步锁相的抗脉冲干扰能力差，从而导致所有电参数测量的抗脉冲干扰能力差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有电机的过载保护技术存在的不足，提供一种具有完全热记忆功能的电机热过载保护技术。

本发明针为解决上述问题而提出的技术方案是：具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法，包括以下步骤：

判断电动机是否运行；

电动机运行，在一个热积累计算周期Δt内，分别计算增热量，和减热量ΔE₂=k₂E_j-1Δt；

计算热积累E_j=E_j-1+ΔE₁-ΔE₂；

比较热积累E_j是否升到报警或跳闸阈值以上；

如果是，给出报警或跳闸指令；否则等待下一个热积累计算周期Δt；

电动机未运行，计算热积累E_j=E_j-1-k₃E_j-1Δt；

比较热积累E_j是否降到电动机允许起动阈值以下；

如果是，电动机允许起动使能；否则等待下一个热积累计算周期Δt。

进一步的，所述电机热过载保护方法，还包括以下步骤：

比较实测或设定的实际环境温度τ_amb，是否大于电机设计的最高环境温度τ_da；

如果是，计算温度补偿后的热积累E_c.j=E_j+E₀或E_c.j=C_EE_j；

比较补偿后的热积累E_c.j是否升到报警或跳闸阈值；或，是否降到电动机允许起动阈值以下。

本发明提出的另一技术方案是：具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护装置，包括：微控制器、模数转换器、开关量输入电路、开关量输出电路；

所述模数转换器与微控制器连接，用于交流测量；

所述开关量输入电路与微控制器连接，采集开关信号；

所述开关量输出电路与微控制器连接，输出控制信号；

电动机的交流电流和电压信号，转换成低电平信号后，进入模数转换器，转换成数字信号，由微控制器进行数据采集，然后完成相关交流电参数的计算，最后完成热积累量E_j=E_j-1+ΔE₁-ΔE₂或E_j=E_j-1-k₃E_j-1Δt的计算；

所述微控制器通过开关量输入电路，进行开关量的输入扫描；

所述微控制器通过开关量输出电路，完成保护、控制或报警任务。

其中，所述模数转换器采用高分辨率、多通道同步采样、双极性、大动态范围的模数转换器。

进一步的，电机热过载保护装置还包括：调理电路；所述调理电路与微控制器连接，用于非交流模拟信号的放大、调理；输入的温度及外部4～20mA模拟量信号，经调理电路后，直接进入微控制器内部的模数转换器进行数据采集。

进一步的，电动机的一相电流或电压，经模数转换器转换成数字信号，由微控制器进行数据采集后，采用数字滤波器滤出基波，检测交流基波过零点，实现频率测量和同步锁相；当处理的某相电压或电流缺相时，则换一相进行处理。

进一步的，所述电机热过载保护装置还包括：显示电路、键盘输入电路、通信接口电路、模拟量输出电路、FPROM或EEPROM存储器；

所述显示电路与微控制器连接，显示测控参数；

所述键盘输入电路与微控制器连接，用于输入键盘信号；

所述通信接口电路与微控制器连接，用于网络通信；

所述模拟量输出电路与微控制器连接，完成用户指定的参数变送；

所述FPROM或EEPROM存储器与微控制器连接，保存配置参数和故障信息。

与现有交流电机过载保护技术相比，采用本发明技术方案的优点是：

1)具有完全的热记忆功能，实现对电动机的热积累进行准确的计算，能对在负载或电源电压频繁变化，以及经常短时过载的恶劣工况下工作的电动机提供可靠地保护。

2)对在环境温度高于电机设计的最高环境温度的条件下工作的电动机，提供可靠的热过载保护。

3)采用独立的高性能的模数转换器测量交流，显著提高了测量的准确度。

4)实现准确可靠的频率测量和同步锁相，使所有电参数测量的抗脉冲干扰能力明显提高。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法实施例的流程图。

图2是本发明具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护装置实施例的结构框图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本发明具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法，采用了一个已经试验验证的热量积累计算方法来实时计算电动机的热积累量。以电动机在冷态时的热积累量为0%，有效电流等于基本电流I_B时的稳态热积累量为100%，用百分比表示热积累量。当电动机的热积累量达到设定的跳闸或报警阈值时，电动机保护器发出跳闸或报警指令。电动机运行中，在一个热积累计算周期中，由于电流加热增加的热量为

$\mathrm{\Δ}{E}_1=k_1{I}_{\mathrm{eq}}^2\mathrm{\Δt}---\left(6a\right)$

由于散热而减少的热量为

$\mathrm{\Δ}{E}_2=k_2{E}_{j-1}\mathrm{\Δt}---\left(6b\right)$

所以热积累计算方法为

$E_j=E_{j-1}+\mathrm{\Δ}{E}_1-\mathrm{\Δ}{E}_2---\left(6\right)$

电动机停车后，热积累计算方法为

$E_j=E_{j-1}-k_3{E}_{j-1}\mathrm{\Δt}---\left(7\right)$

式中，Δt-热积累计算周期；E_j-本计算周期末的热积累量；E_j-1-上一个计算周期末的热积累量；k₁、k₂-电动机运行时的加热和散热系数；k₃-电动机停车后的散热系数。k₁、k₂、k₃是基本电流和/或热时间常数的简单函数。计算出来的热积累量值也是实际温升与允许温升的比值。公式（6）和（7）使电动机热过载保护具有完全热记忆功能。当电动机以恒定电流运行达到热平衡以后，它的热积累与有效电流的关系为

$E=\frac{I_{\mathrm{eq}}^2}{I_B^2}---\left(8\right)$

本发明还采用了环境温度补偿方法，当电动机运行环境温度高于电机设计的最高环境温度时，在（6）、（7）式计算的热积累量E_j加上初始热积累E₀进行修正：

$E_{c.j}=E_j+E_0---\left(9\right)$

$E_0=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{amb}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{da}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}}---\left(10\right)$

式中，τ_per-允许温升；τ_amb-实测或预先设定的实际环境温度；τ_da-电机设计的最高环境温度。

另一个等效的补偿方法是：对（6）（7）式计算的热积累量乘一补偿系数C_E：

$C_E=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{da}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{amb}}}---\left(11\right)$

$E_{c.j}=C_E{E}_j---\left(12\right)$

图1是本发明具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法实施例的流程图。

该实施例采用以下软件模块实现电动机的热过载保护功能，并实现环境温度大于电机设计的最高环境温度τ_da（一般电机为40℃）时的环境温度补偿功能，当热积累计算时间周期到时，通过操作系统调度或定时中断进入本模块。实现步骤如下：

（101）判断电动机是否运行，如果是，进入（102）；否则进入（109）；

（102）用公式（6a）计算一个热积累计算周期内的增热量，进入（103）；

（103）用公式（6b）计算一个热积累计算周期内的散热量，进入（104）；

（104）用公式（6）计算热积累，进入（105）；

（105）比较实测或设定的实际环境温度是否大于电机设计的最高环境温度τ_da，如果是，进入（106），否则进入（107）；

（106）用（9）和（10）式或者（11）和（12）式计算温度补偿后的热积累，进入（107）；

（107）比较热积累是否升到报警或跳闸阈值以上，如果是，进入（108），否则进入（114）；

（108）给出报警或跳闸指令，以起到保护电机的作用，进入（114）；

（109）用公式（7）计算热积累，进入（110）；

（110）比较实测或设定的实际环境温度是否大于电机设计的最高环境温度τ_da，如果是，进入（111），否则进入（112）；

（111）用（9）和（10）式或者（11）和（12）式计算温度补偿后的热积累，进入（112）；

（112）比较热积累是否降到电动机允许起动阈值以下，如果是，进入（113），否则进入（114）；

（113）电动机允许起动使能，进入（114）；

（114）结束。

本发明具有完全热记忆功能的交流电机过载保护装置，采用高性能的模数转换器测量交流，实现高精度的测量；并采用检测交流基波过零点的方法，实现频率测量和同步锁相。

图2是本发明具有完全热记忆功能的交流电机过载保护装置实施例的结构框图。

该实施例采用32位ARM微控制器，内部集成了FLASH ROM、RAM、RTC、多通道12位ADC、监视定时器、电源监视及复位电路等部件。

电动机的电流、零序电流和电压，经互感器转换成低电平信号，再经2阶RC滤波后，进入14位或16位8通道同步采样的双极性大动态范围的模数转换器。转换成数字信号后，由32位微控制器进行数据采集，然后完成交流有效值、电流对称分量、有功、无功、视在功率及能量等电参量的计算，最后完成热积累量的计算；

由微控制器采集的电动机的电流和电压数据，对其中电压或电流，例如A相电流还经过数字滤波器滤出交流基波，从基波数据中搜索过零点，实现准确可靠的频率测量和同步锁相，从而提高所有电参数测量的抗脉冲干扰能力，且无需硬件支持。当处理的某相电压或电流，例如A相电流缺相时，则换一相电压或电流，例如B相电流进行处理，不会因缺相而失步。

输入的温度信号及外部4～20mA模拟量，经调理电路后，直接进入微控制器内部的模数转换器进行数据采集。

微控制器在进行模拟量采集的同时，还通过带隔离功能的开关量输入电路，进行开关量的输入扫描。微控制器在每一个交流周期或热积累计算周期Δt之后，保护控制任务通过带隔离功能的开关量输出电路，完成可能的保护、控制或报警任务。

人机接口的显示电路，完成测控参数的显示。键盘输入电路，完成键盘信号输入。两路通信接口电路，完成网络通信。4～20mA隔离输出电路，完成用户指定的参数变送。只读存储器FPROM或EEPROM，保存配置参数和故障信息。电源管理电路，为各个部分提供电源。

本发明具有完全热记忆功能的交流电机过载保护方法和装置的主要特征是：

1）具有完全热记忆功能的反时限热过载保护方法，较准确的反映了电机真实的热状态，大大提高了交流电机热过载的保护精度，使电动机在负载或电源电压频繁变化等任何复杂情况下得到可靠的保护。

A.热积累计算方法中包括与有效电流平方成比例的增热项ΔE₁，同时还有与热积累量本身成比例的散热项ΔE₂；

B.电动机运行电流恒定达到热平衡后，热积累量有确定的值：

$E=\frac{I_{\mathrm{ep}}^2}{I_B^2}$

C．当电动机在过载前和过载后的运行电流均恒定时，本保护装置的跳闸时间符合热过载反时限公式

$t=T1n\frac{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-{\left(\frac{I_p}{I_B}\right)}^2}{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_B}\right)}^2-1}$

式中I_p-过载前电流。

2）跳闸时间的环境温度补偿功能：当电动机的运行环境温度大于电机设计的最高环境温度时，热积累量增加一个初始值E₀

$E_0=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{amb}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{da}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}}$

或者热积累量乘一个补偿系数C_E

$C_E=\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{da}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{per}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{amb}}}$

从而减小了跳闸延迟时间，对运行环境温度大于电机设计的最高环境温度的电动机提供可靠保护。

3）采用14位或16位8通道同步采样的双极性大动态范围的模数转换器。测量准确度能达到0.2级，远高于现有的电动机保护器0.5级的准确度，使高中端电动机保护有足够的测量准确度。

4）无需硬件支持，实现准确可靠的频率测量和同步锁相：直接对采集的交流瞬时值进行数字滤波得到基波数据，从基波数据中搜索过零点实现同步锁相。当处理的某相电压或电流缺相时，则换一相进行处理，不会因缺相而失步。由于采用的是基波数据，所以有很强的抗脉冲干扰能力。

本发明具有完全热记忆功能的交流电机过载保护方法及其装置，可用于开关设备、电动机起动设备、变频器等需要热过载保护功能的电气设备中。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护方法，其特征是，包括以下步骤：

判断电动机是否运行；

电动机运行：在一个热积累计算周期Δt内，分别计算增热量

，和减热量ΔE₂=k₂E_j-1Δt；

计算热积累E_j=E_j-1+ΔE₁-ΔE₂；

比较热积累E_j是否升到报警或跳闸阈值以上；

如果是，给出报警或跳闸指令；否则等待下一个热积累计算周期Δt；

电动机未运行，计算热积累E_j=E_j-1-k₃E_j-1Δt；

比较热积累E_j是否降到电动机允许起动阈值以下；

如果是，电动机允许起动使能；否则等待下一个热积累计算周期Δt。

2.根据权利要求1所述的电机热过载保护方法，其特征是，还包括以下步骤：

比较实测或设定的实际环境温度τ_amb，是否大于电机设计的最高环境温度τ_da；

如果是，计算温度补偿后的热积累E_c.j=E_j+E₀或E_c.j=C_EE_j；

比较补偿后的热积累E_c.j是否升到报警或跳闸阈值以上；或是否降到电动机允许起动阈值以下。

3.具有完全热记忆功能的交流电机热过载保护装置，其特征是，包括：微控制器、模数转换器、开关量输入电路、开关量输出电路；

所述模数转换器与微控制器连接，用于交流测量；

所述开关量输入电路与微控制器连接，采集开关信号；

所述开关量输出电路与微控制器连接，输出控制信号；

电动机的交流电流和电压信号，转换成低电平信号后，进入模数转换器，转换成数字信号，由微控制器进行数据采集，然后完成相关交流电参数的计算，最后完成热积累量E_j=E_j-1+ΔE₁-ΔE₂或E_j=E_j-1-k₃E_j-1Δt的计算；

所述微控制器通过开关量输入电路，进行开关量的输入扫描；

所述微控制器通过开关量输出电路，完成保护、控制或报警任务。

4.根据权利要求3所述的电机热过载保护装置，其特征是：所述模数转换器采用高分辨率、多通道同步采样、双极性、大动态范围的模数转换器。

5.根据权利要求3所述的电机热过载保护装置，其特征是，还包括：调理电路；

所述调理电路与微控制器连接，用于非交流模拟信号的放大、调理；

输入的温度和外部4～20mA模拟量信号，经调理电路后，直接进入微控制器内部的模数转换器进行数据采集。

6.根据权利要求3所述的电机热过载保护装置，其特征是：

电动机的一相电流或电压，经模数转换器转换成数字信号，由微控制器进行数据采集后，采用数字滤波器滤出基波，检测交流基波过零点，实现频率测量和同步锁相；

当处理的某相电压或电流缺相时，则换一相进行处理。

7.根据权利要求3所述的电机热过载保护装置，其特征是，还包括：显示电路、键盘输入电路、通信接口电路、模拟量输出电路、FPROM或EEPROM存储器；

所述显示电路与微控制器连接，显示测控参数；

所述键盘输入电路与微控制器连接，用于输入键盘信号；

所述通信接口电路与微控制器连接，用于网络通信；

所述模拟量输出电路与微控制器连接，完成用户指定的参数变送；

所述FPROM或EEPROM存储器与微控制器连接，保存配置参数和故障信息。

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