CN103424696B - 关于变频驱动系统的接地故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采矿机及产生用于交流电机的变频电压的系统。所述采矿机包括电机、为电机提供电压的可调速驱动器，电压具有激励分量，该激励分量包括用于驱动使电机在期望速度下运行的幅度和频率、还包括用于检测接地故障状况的附加的电压分量、以及接地故障继电器，用于当接地故障电流超过预定阈值时，检测接地故障电流。

Description

关于变频驱动系统的接地故障检测方法
技术领域
本发明的实施例涉及用于控制驱动系统(比如用于采矿设备的变频驱动系统)的方法和系统。
发明内容
变频驱动器(“VFD”)通过在非供电的固定的50Hz或60Hz的频率下产生交流电压，从而允许交流(“AC”)电机以不同速度运行。特别的是，为使电机低速运行，变频驱动器产生并运用低频和低幅度的电压以使电机运行。因为电压的幅度和频率降低，由任何接地故障产生的电流低于正常，所以运用常规的故障检测方法难以检测到。
因此，本发明的实施例提供了用于检测低电机速度下接地故障的方法和系统。特别的是，本发明的实施例为所有电源相添加公共电压。添加的电压允许可靠检测低速下的接地故障，这是采矿安全和健康管理(“MSHA”)和其他监管机构所要求的。
在一个实施例中，本发明提供了采矿机，该采矿机包括电机、为电机提供电压的可调速驱动器，该电压具有激励分量，其包括用于使电机在期望速度下运行的幅度和频率、还包括用于检测接地故障状况的附加的电压分量、以及接地故障继电器，用于当接地故障电流超过预定阈值时检测接地故障电流。
本发明的另一个实施例提供一种检测采矿机的接地故障的方法，该采矿机包括电机、可调速驱动器和接地故障继电器。该方法包括在可调速驱动器处产生电机的三相电压，三相电压的每一相都包括附加的电压信号，该附加的电压信号影响接地故障电流；为电机提供三相电压；检测电机和可调速驱动器之间的接地故障电流；并且当接地故障电流超过预定阈值时输出接地故障的指示。
考虑详细的说明书和附图，本发明的其他方面变得显而易见。
附图说明
图1a-c示出根据本发明一个实施例的采矿机。
图2a示意性示出连接到远程供电中心的图1的采矿机。
图2b示意性示出包括在图1的采矿机中的变频驱动器。
图2c示意性示出包括在图2a的供电中心中的接地故障继电器。
图3是第一三相电压的曲线图。
图4是发生在图3中的相和接地间的接地故障的接地电流的曲线图。
图5是第二三相电压的曲线图。
图6是发生在图5中的相和接地间的接地故障的接地电流的曲线图。
图7是具有注入公共信号的第三三相电压的曲线图。
图8是发生在图7中的相和接地间的接地故障的接地电流的曲线图。
具体实施方式
在本发明的任何实施例被详细解释之前，可以理解的是本发明不局限于下面的描述或附图示出的构造细节和组件排列的应用。本发明可用于其他实施例，并可以不同的方式实施或运用。并且，可以理解的是，用在这里的措辞和术语是出于描述目的，不应被视为限制。“包括”、“包含”或“具有”及其变化在此处的运用意味着包含此后列举的项目或等效物以及其他项目。除非指定或其他限定外，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变化被广泛运用并包含直接和间接的安装、连接、支撑和耦合。
此外，应理解的是，为讨论目的，本发明的实施例可包括硬件、软件和电子组件或模块，如果组件的大部分在硬件中被单独地运用，这可被示意和描述。然而，本领域的技术人员，在阅读这个详细描述的基础上，将认识到在至少一个实施例中，本发明基于电子的方面可软件(如存储在非易失性计算机可读的介质上)中实现。类似这样，需要注明的是许多基于硬件和软件的设备，和许多不同的结构组件可被运用以实施本发明。此外，如随后的段落中描述的，在附图中示出的特定的机械结构意在例证本发明的实施例，其他改变的机械结构也是可能的。
图1a-c示出采矿机100，比如长壁采煤机或连续采煤机。尽管连续采煤机被示出，但在其他实施例中，采矿机100为绳索铲车、混合采矿铲车、牵引挖掘机或工业机械或采矿机的其他类型。采矿机100包括切削系统105，其包括具有齿115的旋转刀具110。齿115从矿井顶部刮削矿石(如煤)。切削系统115通过齿轮箱被一对电机旋转驱动。特别的是，齿轮箱接收一对电机的旋转输出，并用此输出来驱动刀具110。掉落的矿石在采集托盘120中被收集，并被收集头125汇集至传送带130。收集头125被单独的电机各自旋转。臂135推动矿石从采集托盘120到传送带130上。采矿机100进一步包括一套左右轨道140，用于提供采矿机100的移动。每套轨道都被单独的电机驱动。
如图2a所示，采矿机100包括连接于电机205的变频驱动器(“VFD”)210。牵引电缆300将采矿机100连接至远程供电中心150。远程供电中心150包括电源200、一个或多个接地故障继电器215和中性接地电阻器(NGR)或中性接地线电阻器(NER)227，其将电源200连接至地或接地。在图2a示出的示例中，NGR为1100欧姆。在其他实施例中，NGR可为不同的值。可理解的是，仅单独的电机和单独的变频驱动器在图2a中示出，以简化以下的解释。采矿机100可包括多个电机和多个变频驱动器。且此处说明的实施例可用于采矿机100的每个电机和每个变频驱动器。在描述的实施例中，电源200提供了三相(A，B，C)交流电(“AC”)。在一些实施例中，电源200是交流电源，在大约50Hz到大约60Hz之间，提供大约950V电压。
电机205是交流电机。在一些实施例中，电机205是三相交流电机。在一些实施例中，电机205是交流感应电机。在其他实施例中，电机205是交流同步电机。
变频驱动器210是可调频率驱动器。如图2b所示，变频驱动器210可包括整流器210a、直流链路210b、逆变器210c和控制器210d。变频驱动器210通过产生与由电源200提供的交流电压不同的、在可变的幅度和可变的频率下的交流电压，使电机205运行在可变的速度下。例如，变频驱动器210可配置为输出交流电压，其具有从大约(接近)0V到大约900V(相对于接地)的幅度，和从大约(接近)0Hz到大约120Hz的频率。
控制器210d控制变频驱动器210的整体运行。控制器210d设定输出至电机205的交流电压的幅度和频率。在一些实施例中，变频驱动器控制器210d包括处理器216、非易失性存储器218和输入/输出(”I/O”)接口219。存储器218存储由处理器216可执行的指令和各种输入/输出。输入/输出接口219允许控制器210d以及其他系统和设备(比如采矿机100的其他组件)之间的通信。在一些示例中，处理器216包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路等。
在一些实施例中，控制器210d接收来自用户界面220的指令。用户界面220可包括显示器，比如液晶显示器(“LCD”)、一个或多个发光二极管(“LED”)或其他的照明设备、平视显示器及其组合。在一些实施例中，用户界面220包括附加的反馈设备，比如可提供声音反馈的扬声器和/或用于提供触觉反馈的震动设备。用户界面220也可包括一个或多个输入设备，比如键盘、触摸屏、推动按钮等等，用于与用户的互动。在一些实施例中，通过用户界面220，控制器210d接收的指令包括电机205的运行速度的指令。
接地故障继电器215(此处也可称为接地故障监视器215)监测采矿机100的运行，以检测接地故障217。如图2c所示，接地故障继电器215包括控制器215a和一个或多个电流传感器215b。在一些实施例中，控制器215a包括处理器221、非易失性存储器222和输入/输出(“I/O”)接口223。存储器222存储可被处理器221执行的指令。输入/输出接口223允许控制器215a和电源中心150的其他组件之间通信。接地故障继电器215通过监测提供给电机205的每个电源相的接地电流，来监测接地故障217。如果电源200和电机205之间的任何地方产生接地故障217，则接地故障继电器215提供指示(比如，提供给变频驱动器控制器210d以便随后输出至用户界面，或者直接同时提供给用户界面和变频驱动器控制器210d)。在一些实施例中，接地故障217的接地电流必须高于预定阈值，从而被接地故障继电器215检测到(例如，接地电流必须高于预定阈值，从而被接地故障继电器的电流传感器125b感测到)。在一些实施例中，预定阈值是在大约10mA到大约5A的范围之内。
在运行中，变频驱动器210通过A、B、C三相从电源200接收三相电。变频驱动器控制器210d通过用户界面220接收电机速度。变频驱动器控制器210d对应于接收的电机速度，设置可调节的交流电压(具有U、V、W三相和激励分量)的幅度(相对于接地)和频率。变频驱动器210通过相U、V、W，为电机205提供可调节的交流电压，以使电机在接收的电机速度下运行。电机205在三个电机输入205a、205b和205c处接收三个电压相(U、V、W)并在接收的电机速度下运行。例如，当电机205在低速运行时，变频驱动器210向电机205提供电压，该电压具有比电机205在高速运行时由变频驱动器210所提供的电压的幅度和频率较低的幅度和较低的频率。变频驱动器为本领域熟知。因此，关于变频驱动器210的运行以为电机205提供可调节的电源的其他细节不在这里给出。
当通过变频驱动器210，将可调节电源提供给电机205时，接地故障继电器215监测并检测接地故障217。如下更多详述，如果接地故障217的接地电流高于预定阈值，则接地故障继电器215提供指示(如提供给变频驱动器控制器210d，以指示接地故障状况)。
图3是描述用于使电机205运行的第一三相电压225的曲线图。第一三相电压225包括第一电压幅度(如950V)和第一频率(如60Hz)。如果当在第一三相电压225下运行电机205，发生接地故障217，接地故障217在第一接地电流幅度下产生第一接地电流230，例如500mA(AGC1)，如图4所示。在图4所示的示例中，第一接地电流幅度高于预定阈值235(125mA)。在其他实施例中，预定阈值高于或低于125mA，如图4所示。电流传感器215b可感测第一接地电流230，因为第一接地电流幅度高于预定阈值235。在感测第一接地电流230后，电流传感器215b向接地故障继电器控制器215a提供信号或指示。接地故障继电器控制器215a然后，向变频驱动器控制器210d提供信号或指示，用于随后输出至用户界面，或同时直接输出至用户界面和变频驱动器控制器210d。
图5是第二三相电压240的曲线图，其用于使电机205在低速下运行。第二三相电压240在比第一三相电压225较低的频率(如6Hz)下，具有较低的电压幅度(如95V)。如图6所示，电机205在第二三相电压240下运行时，如果发生接地故障217，则接地故障217产生第二接地电流245。如图6所示，第二接地电流245的幅度较低于相对于第一三相电压225产生的第一接地电流230的幅度，并且低于预定阈值235。在此状况下，当接地故障217发生时，接地故障继电器215不提供指示。
为校正此状况，优选实施例的变频驱动器210在至电机205的输出电压的每一相(VU、Vv和Vw)上添加公共电压(图7)。在调节的电压的幅度和频率的设定期间，由变频驱动器控制器210a添加公共电压。由于电机205的电源通过调节的电压的相(VU、Vv和Vw)之间的电压差被传输，且同样的公共信号被注入到各相上，因此电机205的运行速度不受影响。在一些实施例中，公共信号是交流波形，比如低频率(如20Hz)交流波形。在其他实施例中，公共信号是纯直流。当发生接地故障217时，公共信号增加了由接地电流产生的电流幅度。
图7是第三三相电压250的曲线图，该电压用于使电机205运行。第三三相电压250具有公共电压，在为电机205供电之前，由变频驱动器210添加该公共电压。如图7所示，第三三相电压250包括第三电压幅度和第三频率，其不同于第一三相电压和第二三相电压的幅度和/或频率。然而，第三三相电压250能用于在类似于第二三相电压240的低速下使电机205运行。在修正的三相电压250下使电机205运行时，如果发生接地故障217，则接地故障217产生第三接地电流255，如图8所示。第三接地电流255的电流幅度高于预定阈值235，因此，即使电机205低速运行，一旦发生接地故障217，接地故障继电器215就提供指示。
在一些实施例中，至电机205的输出电压是低通滤波的。然而，公共信号可能是低频信号。因此公共信号不受低通滤波器影响。
在一些实施例中，接地故障继电器215不能检测高频。如上所述，公共信号是低频信号。因此，当电机205由具有注入公共信号的输出电压运行时，接地故障继电器215能检测发生的接地故障217。
因此，除了别的之外，本发明提供了采矿机，该采矿机包括用于驱动电机的可调速驱动器。通过在不同于电源提供的固定的50Hz或60Hz的频率下产生的交流电压，可调速驱动器允许电机在不同速度下运行。通过为至电机的输出电压的各相添加附加的相同电压分量，即使当电机在低速运行时，接地故障也更易于检测。此外，因为相同的电压分量被添加至各相，添加的电压分量对电机运行无影响。
本发明的各种特征和优点在所附权利要求中被提出。

Claims (12)

1.一种采矿机，包括：
电机；
为电机提供电压的可调速驱动器，所述电压具有激励分量，所述激励分量包括用于在期望速度下运行电机的幅度和频率、并包括用于检测接地故障状况的附加的电压分量，所述附加的电压分量通过增加接地故障电流的幅度修正接地故障电流；以及
其中，当接地故障电流超过预定阈值时，所述采矿机从接地故障继电器接收指示。
2.如权利要求1所述的采矿机，其中，所述附加的电压分量是低频交流波形和直流中的一个。
3.如权利要求1所述的采矿机，其中，所述电压是三相电压。
4.如权利要求3所述的采矿机，其中，所述三相电压中的每一相都包括所述附加的电压分量。
5.如权利要求1所述的采矿机，其中，所述可调速驱动器是变频驱动器。
6.如权利要求1所述的采矿机，其中，所述电机是交流电机。
7.一种检测采矿机的接地故障的方法，所述采矿机包括电机、可调速驱动器和接地故障继电器，所述方法包括：
在所述可调速驱动器处，产生用于电机的三相电压，所述三相电压的每一相都包括附加的电压信号，所述附加的电压信号通过增加接地故障电流的幅度修正接地故障电流；
将所述三相电压提供至电机；
检测所述电机和所述可调速驱动器之间的接地故障电流；以及
当所述接地故障电流超过预定阈值时，通过所述接地故障继电器，输出接地故障的指示。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述附加的电压信号是低频交流波形和直流中的一个。
9.一种产生用于交流电机的变频电压的系统，所述系统包括：
包括至少一个处理器的控制器，所述至少一个处理器被配置为：
产生用于电机的三相电压；
产生附加的电压分量，将所述附加的电压分量添加到所述三相电压的各相上，以增加接地故障电流的幅度；以及
将注入有附加的电压分量的所述三相电压提供至所述电机。
10.如权利要求9所述的系统，还包括用户界面，所述用户界面被配置为从用户接收指令，所述指令包括电机的运行速度。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置为接收来自所述用户界面的指令，并基于所述指令产生用于电机的所述三相电压。
12.如权利要求9所述的系统，还包括接地故障继电器，所述接地故障继电器被配置为检测接地故障，测量所述接地故障电流的幅度，并当所述幅度超过预定值时，向控制器输出接地故障的指示。
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