CN105186929B - 一种具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置，属于电力电气领域，它的硬件结构包括电机、中央控制处理单元、信号采集模块、信号处理电路、人机界面交互模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、外部信号输入模块、电压输出控制单元、D‑C自举升压单元、漏电流信号采集模块、漏电流信号处理电路、晶闸管模块及接触器、晶闸管触发控制电路。本发明结构简单，设计合理，可录取监测过程中的电流波形，进行定量分折，自动计算出三相绕组间的绝缘电阻，并且，当所测的绝缘电阻超过标准时，屏蔽电动机的起动功能，并弹出相关的指示，以直观明了的方式通知用户，大大的方便了设备的维护管理，可大幅度的减少人力和物力的支出。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置，属于一种电动机的软起动、软停车控制装置，除了起停控制外，还具有免停车、快速度、高精度的电气绝缘在线监测功能，主要应用于主要应用在工矿企业的三相异步电动机中，特别对于环境条件差，需频繁起动的场所，可以自动切换到绝缘检测程序，从而无需对电动机手动摇绝缘，实现在线监测，属于电力电气领域。
背景技术
三相异步电动机因其结构简单、成本低廉、使用维护方便，因此成为应用最为广泛的电动机。但交流电动机全压起动时，起动电流将达到额定电流的6~8倍，造成电网冲击和机械应力冲击。为减小电动机的起动电流，传统的方法是采用Y/△起动或自耦降压起动器来实现电动机的降压起动，但这些方式都存在电压切换过程，依然存在“二次冲击”的问题。电动机三相绕组间的绝缘电阻,是电动机的主要技术指标之一，建立了专门的规程加以控制，具体如下：
1） 备用电动机测量绝缘电阻，应按定期工作执行；
2） 检修后及新安装的电动机应在送电前测量绝缘；
3） 停电时间超过七天的电动机，在送电前必须测量绝缘；
4） 备用电动机在发现其进水、进汽、受潮时，应立即测量其绝缘；
5） 主要辅机设备电动机在定期倒换运行之前，应测量电动机绝缘。
基于上述5点原因，每个生产企业都必需配多名生产工人来专门负责对电动机绝缘进行检测，大大的增加了企业人力和物力的负担。
现有的电动机软起动器是一种通过控制可控硅的导通角来使输出电压逐渐增加以降低起动电流的设备，近年来在各行各业得到广泛的应用。目前通常的电动机软起动器，都基本具备根据现场电动机的参数和负载类型进行参数调整，获得较好的起动过程。但是，所有的产品对电动机的绝缘性能是否满足要求，都没有进行检测，还是需要人工在电动机停车状态下手动的用摇表进行绝缘测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，可录取监测过程中的电流波形，进行定量分折，自动计算出三相绕组间的绝缘电阻，并且，当所测的绝缘电阻超过标准时，屏蔽电动机的起动功能，并弹出相关的指示，以直观明了的方式通知用户，大大的方便了设备的维护管理，可大幅度的减少人力和物力的支出的具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置，它的硬件结构包括电机、中央控制处理单元、信号采集模块、信号处理电路、人机界面交互模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、外部信号输入模块、电压输出控制单元、D-C自举升压单元、漏电流信号采集模块、漏电流信号处理电路、晶闸管模块及接触器和晶闸管触发控制电路，电机与漏电流信号采集模块连接，漏电流信号采集模块与漏电流信号处理电路连接，信号采集模块与信号处理电路连接，中央控制处理单元分别与信号处理电路、人机界面交互模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、外部信号输入模块、晶闸管触发控制电路、D-C自举升压单元和漏电流信号处理电路连接，D-C自举升压单元与电压输出控制单元连接，晶闸管触发控制电路与晶闸管模块及接触器连接；电机的起停控制时，从电源进线侧信号采集模块采集电流信号，经由信号处理电路到中央控制处理单元，处理完的信号送晶闸管触发控制电路处理，形成触发控制信号控制晶闸管模块及接触器，控制主回路中加在电机上的电压，达到软起动的目的，并由人机界面交互模块实时指示系统的各运行状态（如软起中、软停中，故障报警等），使系统信息一目了然；外部信号输入模块控制本装置起停指令输入；电机的绝缘监测及控制时，由中央控制处理单元启动D-C自举升压单元开始工作，从而控制电压输出控制单元向电机施加上直流电压，由漏电流信号采集模块从电机处采集电机转子三相绕阻对外壳的漏电流，经漏电流信号处理电路送中央控制处理单元进行处理计算，并由人机界面交互模块实时指示电机的绝缘性能（如绝缘电阻、正常，异常等），使系统信息一目了然，达到电机绝缘监测的目的。
本发明的软件结构包括D-C自举升压控制模块（16）、漏电流采集模块（17）、绝缘电阻计算模块（18）、数据采集模块（19）、模糊自学习整定模块（20）、多种电机数学模型库（21）、人机接口程序模块（22）、通讯程序模块（23）、故障诊断模块（24）、系统综合配置模块（25）、波形分析数据存贮及USB接口驱动模块（26），在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调。本发明的软件流程：1、电动机起动控制流程：根据现场的电动机功率大小、负载情况先设置好一个初始参数，起动电动机，数据采集模块录取电流的波形并存储到闪存之中，模糊自学习整定模块对采集到的电流信号与程序中固化的不同负载类型的电动机的数学模型库进行比对，找出与实际电动机最为接近的数学模型，据此对原先设计的初始参数自动进行优化，得到与当前电动机最为匹配的参数设置，下一次起动电动机时，则自动选取优化后的参数，从而使加到电动机上的电压按负载驱动的要求有规律的慢慢上升至全电压，实现软起动的功能；2、电动机绝缘电阻检测控制流程：在电动机停车状态下，启动D-C自举升压模块，使之输出DC500V电压到电动机的三相绕组间，同时通过高精度电流采样电路，采用优化的DFT算法，快速准确的计算出此时三相绕组对地的漏电流，进而根据欧姆定律计算出三相绕组间的绝缘电阻，其中系统综合配置模块负责各软件模块流程的全盘调度。
本发明还包括故障输出单元，故障输出单元与中央控制处理单元连接。用于控制故障报警的输出。
本发明还包括晶闸管阻容吸收保护模块，晶闸管阻容吸收保护模块与晶闸管模块及接触器连接。用于减小和避免di/dt对晶闸管器件的损坏。
本发明所述通讯模块采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议。实现全面的上位机远程控制和监测。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，设计合理，采用通过在电动机软起动、软停车控制装置中内置专门的智能绝缘监测模块，输出电压到电动机的三相绕组间，进而通过专门的高精度、低功耗的电流采样电路，录取监测过程中的电流波形，进行定量分折，自动计算出三相绕组间的绝缘电阻，并且，当所测的绝缘电阻超过标准时，屏蔽电动机的起动功能，并弹出相关的指示，以直观明了的方式通知用户，对用户来说，大大的方便了设备的维护管理，可大幅度的减少人力和物力的支出。
附图说明
图1是本发明的硬件原理图。
图2是本发明的软件原理图。
图3是本发明的软件的主程序流程图。
图4是本发明的软件的绝缘电阻检测程序的流程图。
图5是本发明软件的软启动的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图5，本实施例中的具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置，它的硬件结构包括电机M、中央控制处理单元1、信号采集模块2、信号处理电路3、故障输出单元4、人机界面交互模块5、波形分析数据存贮及USB接口驱动模块6、通讯模块7、外部信号输入模块8、电压输出控制单元9、D-C自举升压单元10、漏电流信号采集模块11、漏电流信号处理电路12、晶闸管阻容吸收保护模块13、晶闸管模块及接触器14、晶闸管触发控制电路15，电机M与漏电流信号采集模块11连接，漏电流信号采集模块11与漏电流信号处理电路12连接，信号采集模块2与信号处理电路3连接，中央控制处理单元1分别与信号处理电路3、人机界面交互模块5、波形分析数据存贮及USB接口驱动模块6、通讯模块7、外部信号输入模块8、晶闸管触发控制电路15、D-C自举升压单元10和漏电流信号处理电路12连接，D-C自举升压单元10与电压输出控制单元9连接，晶闸管触发控制电路15与晶闸管模块及接触器14连接，其他连接如图1所示；电机M的起停控制时，从电源进线侧信号采集模块2采集电流信号，经由信号处理电路3到中央控制处理单元1，处理完的信号送晶闸管触发控制电路15处理，形成触发控制信号控制晶闸管模块及接触器14，控制主回路中加在电机M上的电压，达到软起动的目的，并由人机界面交互模块5实时指示系统的各运行状态（如软起中、软停中，故障报警等），使系统信息一目了然；外部信号输入模块8控制本装置起停指令输入；电机M的绝缘监测及控制时，由中央控制处理单元1启动D-C自举升压单元10开始工作，从而控制电压输出控制单元9向电机M施加上直流电压，由漏电流信号采集模块11从电机M处采集电机转子三相绕阻对外壳的漏电流，经漏电流信号处理电路12送中央控制处理单元1进行处理计算，并由人机界面交互模块5实时指示电机M的绝缘性能（如绝缘电阻、正常，异常等），使系统信息一目了然，达到电机M绝缘监测的目的。
参见图2，本实施例的软件结构包括D-C自举升压控制模块16、漏电流采集模块17、绝缘电阻计算模块18、数据采集模块19、模糊自学习整定模块20、多种电机数学模型库21、人机接口程序模块22、通讯程序模块23、故障诊断模块24、系统综合配置模块25、波形分析数据存贮及USB接口驱动模块26，在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调。本发明的软件流程：1、电动机起动控制流程：根据现场的电动机功率大小、负载情况先设置好一个初始参数，起动电动机，数据采集模块19录取电流的波形并存储到闪存之中，模糊自学习整定模块20对采集到的电流信号与程序中固化的不同负载类型的电动机的数学模型库进行比对，找出与实际电动机最为接近的数学模型，据此对原先设计的初始参数自动进行优化，得到与当前电动机最为匹配的参数设置，下一次起动电动机时，则自动选取优化后的参数，从而使加到电动机上的电压按负载驱动的要求有规律的慢慢上升至全电压，实现软起动的功能；2、电动机绝缘电阻检测控制流程：在电动机停车状态下，启动D-C自举升压模块16，使之输出DC500V电压到电动机的三相绕组间，同时通过高精度电流采样电路，采用优化的DFT算法，快速准确的计算出此时三相绕组对地的漏电流，进而根据欧姆定律计算出三相绕组间的绝缘电阻，其中系统综合配置模块25负责各软件模块流程的全盘调度。
本实施例中的故障输出单元4与中央控制处理单元1连接。用于控制故障报警的输出。
本实施例中的晶闸管阻容吸收保护模块13与晶闸管模块及接触器14连接。用于减小和避免di/dt对晶闸管器件的损坏。
本实施例中的通讯模块7采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议。实现全面的上位机远程控制和监测。
本实施例中的D-C自举升压控制模块16主要负责在电机M停机的状态下，启动D-C自举升压单元10输出DC500V的直流电压，为绝缘电阻采集计算创造条件，在电机运行状态下，屏蔽D-C自举升压单元10，收回DC500的直流电压，保证电机正常运行；
漏电流采集模块17主要负责在装置输出DC500直流电压的状态下，对流过电机三相定子绕阻的漏电流进行采集和整理，并通过快速富氏算法，计算电机三相定子绕阻漏电流的有效值，并送绝缘电阻计算模块18；绝缘电阻计算模块18根据漏电流采集模块17所计算出的电机三相定子绕阻漏电流的有效值，结合欧姆定律公式，计算出此时电机三相定子绕阻对机壳的绝缘电阻，所得结果送人机接口程序模块22和故障诊断模块24；数据采集模块19主要负责各种变化量对象的采集和整理，如电压、电流、功率因素、相序等，并通过快速富氏算法，计算出各变化量的有效值，并送波形分析数据存贮及USB接口驱动模块26进行存贮（每过3.3mS存贮一次）；模糊自学习整定模块20当一次起动完成后，调出波形分析数据存贮及USB接口驱动模块26中根据数据采集模块19所采集的数据进行整理，结合多种电机数学模型库21中的数据，调整控制策略，形成一组新的整定参数，为下次起动自动做好准备；多种电机数学模型库21通过对调试过程中收集到的不同负载类型的电机相关参数，进行归纳整理，利用多种理论的数学模型而形成的矩阵模块，主要为后面的模糊自学习整定算法做准备的；人机接口程序模块22主要包括I/O对象和状态显示对象；通讯程序模块23采用Modbus协议或自定议协议；故障诊断模块24主要对象为故障诊断，即对电机绝缘不良、过流、缺相、不平衡、过热、外部开入、相序反、起动超时、起动频繁等；波形分析数据存贮及USB接口驱动模块26主要是对起动过程中所录取的电流波形进行存贮（可共录取3次起动过程中的波形，当第四次发生时，自动删除第一次所录取的数据）；系统综合配置模块25主要负责系统中各模块的总体优化调度。
参见图3至图5，为具体的软件流程图，主程序负责输入\输出、显示的循环处理，当电机处理停机状态时，进行绝缘性能监测，启动D-C自举升压控制模块16输出DC500直流电压，进行电机三相绕阻对机壳绝缘电阻的采集运算；当检测到有运行信号时，关闭D-C自举升压控制模块16，退出绝缘性能监测程序，进入软起动程序，在软起动的过程中，首先进行判断是否是第一次起动，如果是第一次起动，则以出厂默认的参数进行一系列的控制，在通过数据采集模块19计录电机M的电流、电压，送模糊自学习整定模块20后得出优化后的参数设置，当第二次起动电机时，自动转入优化后的参数进行电机的控制。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构及附图所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置，其特征在于：它的硬件结构包括电机、中央控制处理单元、信号采集模块、信号处理电路、人机界面交互模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、外部信号输入模块、电压输出控制单元、D-C自举升压单元、漏电流信号采集模块、漏电流信号处理电路、晶闸管模块及接触器和晶闸管触发控制电路，电机与漏电流信号采集模块连接，漏电流信号采集模块与漏电流信号处理电路连接，信号采集模块与信号处理电路连接，中央控制处理单元分别与信号处理电路、人机界面交互模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、外部信号输入模块、晶闸管触发控制电路、D-C自举升压单元和漏电流信号处理电路连接，D-C自举升压单元与电压输出控制单元连接，晶闸管触发控制电路与晶闸管模块及接触器连接；电机的起停控制时，从电源进线侧的信号采集模块采集电流信号，经由信号处理电路到中央控制处理单元，处理完的信号送晶闸管触发控制电路处理，形成触发控制信号控制晶闸管模块及接触器，控制主回路中加在电机上的电压，达到软起动的目的，并由人机界面交互模块实时指示系统的各运行状态，外部信号输入模块控制本装置起停指令输入；电机的绝缘监测及控制时，由中央控制处理单元启动D-C自举升压单元开始工作，从而控制电压输出控制单元向电机M施加上直流电压，由漏电流信号采集模块从电机处采集电机转子三相绕阻对外壳的漏电流，经漏电流信号处理电路送中央控制处理单元进行处理计算，并由人机界面交互模块实时指示电机的绝缘性能，达到电机绝缘监测的目的；具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置的软件结构包括D-C自举升压控制模块、漏电流采集模块、绝缘电阻计算模块、数据采集模块、模糊自学习整定模块、多种电机数学模型库、人机接口程序模块、通讯程序模块、故障诊断模块、系统综合配置模块、波形分析数据存贮及USB接口驱动模块，在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调；具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置还包括故障输出单元，故障输出单元与中央控制处理单元连接；具有电气绝缘在线监测功能的低压电动机起停控制装置还包括晶闸管阻容吸收保护模块，晶闸管阻容吸收保护模块与晶闸管模块及接触器连接；所述通讯模块采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议。
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Effective date of registration: 20210412 Address after: 214000 Huayuan village, Luoshe Town, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Wuxi Huanyu Electric Co.,Ltd. Address before: 233000 Room 102 north, No.11, No.2 building, liukm Huayuan commercial building, Changqing Township, Yuhui District, Bengbu City, Anhui Province Patentee before: Anhui Licha Information Technology Co., Ltd |