CN104836205A - 电机过载保护方法及采用该方法的电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机过载保护方法及采用该方法的电机控制系统，步骤如下：A，采集电机参数，判断电机是否过载；B，若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内。本发明的方法利用电流闭环控制，控制速度快，也不需要增加硬件成本，一般情况下不会造成停机。

Description

电机过载保护方法及采用该方法的电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机过载保护领域，特别是一种电机过载保护方法。

背景技术

感应电机因其结构简单、制作方便、价格便宜而得到广泛应用。感应电机过载甚至堵转会出现工作电流很大，如果电机运行的电流长时间超出电机额定电流，电流热效应容易破坏定子绕组的绝缘甚至烧坏绕组。

目前保护电机过载的方法一般有：1、采用机械式的过载继电器，当检测到过载后断开电机电源保护电机。2、改善散热装置，提高过载能力。3、感应电机采用恒压频比方式控制，通过微控制器和PLC装置对对过载进行判断，过载发生后通过减少输出电压及频率的方法来过载保护。

前两种方案，是通过增加硬件保护装置实现，增加系统成本的同时也会造成停机保护。保护停机的方法也会打断了系统工作连续性。

第三种方案，由于感应电机采用恒压频比方式控制，过载发生后，通过降低电压的方式降低电机输出电流，容易产生调节电压和频率不当，而且降压方式响应慢，非常容易出现过流故障，导致停机。

如何设计一种感应电机过载保护方法，这种方法既能在电机过载发生时有效的保护电机，又能在电机过载恢复后切换到正常的电机控制且不增加任何外围设备成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机过载保护方法，用以解决现有方法依赖更多硬件或者过载易导致过流故障的问题。同时，本发明还提供了采用上述方法的电机控制系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种电机过载保护方法，步骤如下：A，采集电机参数，判断电机是否过载；B，若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内。

进一步的，还包括步骤C：一定时间后，切换到常规控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程若在一段时间内连续发送三次或三次以上的过载保护过程，则停机。

进一步的，电流闭环控制中，对于d轴分量和q轴分量，给定d轴电流命令为0，q轴电流命令在额定电流以内。

进一步的，电流闭环控制所使用的角度为规划电角度：使用电机过载时电机控制器转速命令n的积分乘以电机极对数Poles作为规划电角度Angle，即Angle＝Poles*∫ndt。

进一步的，所述常规控制模式为恒压频比控制。

进一步的，判断电机过载时，采集电机电流信号，计算电流有效值和电流额定值之间的差值(I-I额定)，当(I-I额定)>0时，计算(I-I额定)Δt的值，Δt为设定的积分时间，如果(I-I额定)Δt>Pmax，则判断输出过载，Pmax为一设定阈值。

本发明还提供了一种电机控制系统，包括电机控制器、采集模块和驱动模块，采集模块用于采集电机参数，电机控制器判断电机是否过载；若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内；并且在一定时间后，切换到常规控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程。

进一步的，电流闭环控制中，对于d轴分量和q轴分量，给定d轴电流命令为0，q轴电流命令在额定电流以内；电流闭环控制所使用的角度为规划电角度：使用电机过载时电机控制器转速命令n的积分乘以电机极对数Poles作 为规划电角度Angle，即Angle＝Poles*∫ndt。

进一步的，所述常规控制模式为恒压频比控制。

采用电流闭环控制，控制速度很快，不易造成过流故障。

本发明的方法通过过载判断、进行电流闭环的过载保护、回归常规控制模式、再次进行过载判断的过程，实现了电机的过载保护，在一般情况下不需要停机即可使电机回到常规控制模式。既能在电机过载发生时有效的保护电机，又能在电机过载恢复后切换到正常的电机控制且不增加任何外围设备成为亟待解决的难题。

本发明的步骤在实施过程中循环进行的，在循环多次之后，则判断为故障，使电机停机。循环次数一般取3次或3次以上。

使用电机过载时转速命令的积分乘以电机极对数作为规划电角度，结合给定的q轴电流命令，产生与期望的恒定转速的定子磁场来拖动电机转子，保证过载保护控制前后柔性切换。

使用电流与时间的积分来判断过载，利于及时发现可能发生的过载情况。

附图说明

图1是本发明方法主要构思的控制方法流程图；

图2是本发明方法实施例的控制方法流程图；

图3是本发明方法所涉及基于电流环的系统构成原理图。

具体实施方式

方法实施例 

如图1所示为本发明的控制方法的主要构思，一种电机过载保护方法，步骤如下：A，采集电机参数，判断电机是否过载；B，若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内；C，一定时间后，切换到恒压频比控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程。

下面对于感应电机，给出一种具体的实施方式，其中将详细介绍上述步骤涉及的技术手段。

对于感应电机，上述恒压频比控制，也可以替换为其他常规控制模式，如矢量控制、直接转矩控制等。

可以使用相电流传感器检测所得相电流值计算输出电流有效值I，并根据I的积分效应来判断是否需要过载保护。如：首先计算电流有效值和电流额定值之间的差值(I-I_额定)，当(I-I_额定)>0时，计算(I-I_额定)Δt的值(Δt为持续时间，具体视电机过载能力定)，如果(I-I_额定)Δt>P_max(P_max为一设定阈值)，则判断输出过载；(I-I_额定)<0时，此项值清零。作为其他实施方式，也可以其他现有技术中使用的判断过载的方法，如检测温度，功率大小等。

如图2为具体实施的流程图。涉及的电机控制系统包括：控制器、采集模块和驱动模块，控制器一般采用电机控制器(当然，控制器也可以采用单片机与PWM发生器)，采集模块用于采集电机的电气参数，比如本实施例中的相电流。驱动模块一般为由功率开关管构成的逆变器或变频器，用于驱动电机，控制器控制驱动模块中的各功率开关管。电机控制系统所涉及的硬件部分与现有技术相同，在此不再过多叙述。

如图2所示，在中断服务程序中，首先通过相电流传感器采样所得相电流值进行输出电流有效值的计算。利用输出电流有效值的积分效应来进行输出过载判断，如果输出过载则进入基于电流环的过载保护控制。因为在过载保护以后输出电流减小至额定电流通过此条件判断是否过载是不可行的，所以已经进入过载保护控制(过载保护Flag＝1)后同样要可以再次进入过载保护。这两个条件取或逻辑操作。

基于电流环的过载保护控制，置位过载保护Flag，给定d轴电流命令Id＝0，d轴电流命令Iq控制在额定电流值范围内，本发明采用额定电流值。使用电机过载时电机控制器转速命令n(单位rad/s)的积分乘以电机极对数Poles作为 规划电角度Angle(单位rad)，即Angle＝Poles*∫ndt。此时q轴电流产生磁场为恒定转速的定子磁场，磁场转速与电机控制器转速命令一致，保证了过载保护控制前后柔性切换。作为其他实施方式，也可以采用其他的角度计算方式。

对过载保护进行计时，如果过载保护时间小于等于30s(也可以设置为其他时间)，则中断结束；如果过载保护时间大于30s，过载保护Flag清零，输出过载次数自加一，同时清零过载保护时间。一次过载保护时间定时可以根据实际情况进行调整。

执行过一次过载保护以后由于过载保护Flag＝0，且电流有效值也不满足过载判断条件，过载保护结束，系统尝试进入正常的恒压频比控制。如果在恒压频比控制过程中没有再次出现过载现象(正常恒压频比控制计时达到30s，此时间可以根据实际情况进行调整)，则清零过载次数以及过载保护计时器，同时清零恒压频比控制计时器。

过载保护发生后，如果执行完保护流程且连续三次切换至正常恒压频比控制方式均没有成功，说明过载现象非常严重，需要操作人员进行勘察。则断开电机电源进入停机保护，并上传电机控制器过载停机故障。如果在三次以内能够切换至恒压频比控制，则电机正常运行，不会停机。

以上具体过程中涉及标志位Flag的设置和中断服务程序等，这都属于具体编程时的考虑。为了实现同样的功能，也能够采用其他实施方式实现。

基于电流环的过载保护控制即本发明主要构思所述的过载保护过程的一种实施方式，其关键在于不再响应转速指令，输出电流低于额定电流(也可以是其他设定电流)。作为其他过载保护过程，也可以采用其他能够实现以上关键功能的控制方式。

本实施例中的电流环系统构成原理见图3。系统一般包括：d、q轴电流命令1，电流比较器2，电流环控制器3，坐标变换运算4，功率放大模块5，感 应电机6，角度规划7，相电流传感器8。1中q轴电流命令控制在额定电流值以内，最大可以等于额定电流值，d轴电流命令为0。经2、3、4、5作用于6，能够为电机提供足够大的扭矩。7使用电机过载时电机控制器转速命令的积分乘以电机极对数作为规划电角度。结合给定的定子电流Iq和Id，可以产生与电机控制器所期望的恒定转速的定子磁场来拖动电机转子，保证过载保护控制前后柔性切换。作为反馈环节，8为电流环提供相电流。同样8提供相电流也用于计算输出电流有效值I，进而由I的积分效应来判断是否需要过载保护。

基于电流环控制的感应电机过载保护方法，过载判断准确，保护动作安全，切换过程平稳。将电流环控制引入到感应电机过载保护，不需要增加硬件成本，且程序实现简单。

以上方法实施例中，步骤C是一种优化的手段，作为其他实施方式，也可以省略。

上述电机控制器也可以是电机控制器的上位控制器。

以上实施例的感应电机，也能够用于同步电机，如永磁同步电机。

电机控制系统实施例

电机控制系统，包括电机控制器、采集模块和驱动模块，采集模块用于采集电机参数，电机控制器判断电机是否过载；若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内；并且在一定时间后，切换到常规控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程。

电机控制系统和其实现的方法已经在上述实施例中进行了详细介绍，在此不再赘述。

以上给出了本发明涉及两个主题的具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用 与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.电机过载保护方法，其特征在于，步骤如下：

A，采集电机参数，判断电机是否过载；

B，若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应电机控制器转速命

令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内。

2.根据权利要求1所述的电机过载保护方法，其特征在于，还包括步骤C：一定时间后，切换到常规控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程；若在一段时间内连续发送三次或三次以上的过载保护过程，则停机。

3.根据权利要求1所述的电机过载保护方法，其特征在于，电流闭环控制中，对于d轴分量和q轴分量，给定d轴电流命令为0，q轴电流命令在额定电流以内。

4.根据权利要求3所述的电机过载保护方法，其特征在于，电流闭环控制所使用的角度为规划电角度：使用电机过载时电机控制器转速命令n的积分乘以电机极对数Poles作为规划电角度Angle，即Angle＝Poles*∫ndt。

5.根据权利要求1所述的电机过载保护方法，其特征在于，所述常规控制模式为恒压频比控制。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电机过载保护方法，其特征在于，判断电机过载时，采集电机电流信号，计算电流有效值和电流额定值之间的差值(I-I_额定)，当(I-I_额定)>0时，计算(I-I_额定)Δt的值，Δt为设定的积分时间，如果(I-I_额定)Δt>P_max，则判断输出过载，P_max为一设定阈值。

7.实施权利要求1所述方法的电机控制系统，包括电机控制器、采集模块和驱动模块，其特征在于，采集模块用于采集电机参数，电机控制器判断电机是否过载；若判断电机过载，则执行过载保护过程：不再响应转速命令，采用电流闭环控制，控制电机输出电流在设定值以内。

8.根据权利要求7所述的电机控制系统，其特征在于，执行过载保护过程一定时间后，切换到常规控制模式，并且再次判断电机是否过载，若电机过载则继续执行过载保护过程；若在一段时间内连续发送三次或三次以上的过载保护过程，则停机。

9.根据权利要求8所述的电机控制系统，其特征在于，电流闭环控制中，对于d轴分量和q轴分量，给定d轴电流命令为0，q轴电流命令在额定电流以内；电流闭环控制所使用的角度为规划电角度：使用电机过载时电机控制器转速命令n的积分乘以电机极对数Poles作为规划电角度Angle，即Angle＝Poles*∫ndt。

10.根据权利要求9所述的电机控制系统，其特征在于，所述常规控制模式为恒压频比控制。