CN105449640A - 交流异步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流异步电机及其有效值计算方法和过载保护方法，交流异步电机过载保护方法包括：采集任两相电流，计算电流有效值I，I_a、I_b为a、b相电流；根据计算出的电流有效值，判断是否过载，若过载则限制电机转速。本发明的电流有效值计算方法利用两相电流实时值直接计算出电流有效值，具备实时有效电流的特性，能够解决采集电机电流滞后的问题。

Description

交流异步电机及其电流有效值计算方法和过载保护方法

技术领域

本发明涉及一种交流异步电机及其有效值计算方法和过载保护方法。

背景技术

随着社会的发展，电动机尤其是交流异步电动机在工业生产及人们生活中作为不可替代的动力和驱动装置应用越来越广泛。由于过载导致电机烧毁的情况时有发生。

现有过载保护方法，主要包括：首先判断电机是否发生或将要过载，在判断过载时采用停机、降低转速或输出功率的方式保护电机。

对于判断电机发生或将要发生过载的方法，现有技术中主要包括：

①热继电器保护法。热继电器是利用双金属片膨胀性原理研制的。但金属片的离散性大，需要经常对金属片进行校准。

②通过埋设温度传感器直接测温的方法。该方法需要电机厂的配合，目前某些大型电动机中已埋设了温度传感器，但大部分中小型电动机中还没有埋设温度传感器。

③建立电机的热模型。该方法是一种比较切实可行的方法，可实现热累计。目前在电动机热保护器中采用的多为一阶或二阶的热模型，模型比较简单，但电机热模型中关键参数的获取相对比较困难。

④利用反时限过流来实现过流保护。该方法是通过设定限制线对I-t特性曲线进行判断来实现热过载保护，但该方法没有反映出热积累效应。

⑤利用电机电流的大小进行判断，而采集电机电流会导致计算值滞后。

另外，在判断过载发生或将要发生以后，如果设置转速不当仍会产生烧毁的情况。

因此，现有方法的缺陷主要在于：1，采集电机电流有滞后性；2，电机热模型获取困难；3，设置转速不当仍导致电机烧毁。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流有效值计算方法和过载保护方法，用以解决采集电机电流的滞后性问题。同时本发明还提供利用上述电流有效值计算方法和过载保护方法的异步电机。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

交流异步电机电流有效值计算方法，采集任两相电流，进行计算：电流有效值I_a、I_b为所采集的两相电流。

交流异步电机过载保护方法，采集任两相电流，计算电流有效值I，I_a、I_b为所采集的相电流；根据计算出的电流有效值，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

判断是否过载的步骤包括：

对I²-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算I与I_最的差值；

比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速；其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

若过载启动量大于零，则过载保护速度取目标速度；

若过载启动量不小于零，则过载保护速度取校验速度与目标速度的较小值；

其中，所述过载保护速度是经过载保护方法计算出的速度给定值；校验速度是经过过载保护速度的校验产生的。

所述校验的步骤包括：

若(Kp*PI_E)*V大于零，且限制值*V也大于零，则校验速度为限制值；

若(Kp*PI_E)*V小于零，且((Kp*PI_E)+V)*V也小于零，则校验速度为((Kp*PI_E)+V)/2；

其中，V为过载保护速度，

所述限制值为经过限幅的(Kp*PI_E)+V，

PI_E为目标电流与电流有效值I的差值，Kp为根据过载保护速度V动态调整的系数，根据过载保护速度的大小确定；目标电流为最大电流或额定电流。

所述Kp的动态调整方法为：过载保护速度400以内时，Kp＝1；过载保护速度超过400时，Kp＝过载保护速度/100；过载保护速度超过600时，Kp＝过载保护速度/60；过载保护速度超过800时，Kp＝过载保护速度/50；过载保护速度超过1000时，Kp＝过载保护速度/40。

本发明还提供了一种交流异步电机，交流异步电机包括控制器，控制器根据采集到的任两相电流，根据计算电流有效值I，I_a、I_b为所采集的两相电流。

本发明还提供了又一种交流异步电机，交流异步电机包括控制器，控制器根据过载保护方法确定过载保护速度，所述过载保护速度是经过过载保护方法确定的速度给定值。

本发明的电流有效值计算方法利用两相电流实时值直接计算出电流有效值，具备实时有效电流的特性，能够解决采集电机电流滞后的问题。

在将这种有效值计算方法应用于过载保护，由于过载保护首先需要检测电流有效值才能进行后续的判断和处理，因此，迅速检测出电流有效值有助于后续处理，避免因电流采集的滞后性而使过载保护不及时导致电机烧毁。

附图说明

图1是本发明过载保护方法实施例异步电机控制系统框图；

图2是本发明过载保护方法实施例过载保护方法的原理图；

图3是本发明过载保护方法实施例过载保护逻辑结构图；

图4a、图4b、图4c是本发明过载保护方法实施例过载保护程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

有效值计算方法实施例

交流异步电机电流有效值计算方法，利用两相实时电流进行计算，在使用时，只需采集任两相电流。比如a、b相，则电流有效值计算部分通过以下公式实现

$I=\sqrt{\frac{I_a^2}{2}+\frac{2}{3}{(I_b+\frac{1}{2}{I}_a)}^2}$

其中I_a、I_b为a、b相电流，I为电流有效值。也可以是采集b、c相或者a、c相电流。

该方法用于过载保护，但不限于此，也能够用于交流异步电机的其他控制。

过载保护方法实施例

如图1所示，采集任两相电流，计算电流有效值I，I_a、I_b为a、b相电流；根据计算出的电流有效值(根据电流有效值，但并不仅根据电流有效值，还包括电机参数和其他检测值)，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

由于过载保护首先需要检测电流有效值才能进行后续的判断和处理，因此，迅速检测出电流有效值有助于后续处理，避免因电流采集的滞后性而使过载保护不及时导致电机烧毁。

判断过载时，可以仅依靠有效值大小判断或者依照现有技术中的其他方法。对于判断过载时对电机转速的限制，可以直接给定一个较小的给定转速，或者通过现有技术中的特定算法计算出一个给定转速。

如图2、3、4给出了一种优选的方式，判断过载的方式和对电机转速限制的方式，都采用了优化的、不同于现有技术的方式：在判断过载时(即过载启动条件)，体现了热积累效应，而且不需要借助现有方法中的难以获取的电机参数(除电流有效值以外的参数)；在对电机转速限制时，计算出校验速度。

如图2，根据过载启动条件，若符合过载启动条件，则过载保护速度取校验速度，若不符合过载启动条件，则过载保护速度取目标速度。其中，目标速度是上位控制系统或电机控制器提供的给定速度，过载保护速度是经过过载保护方法确定的速度给定值，如图1所示。

下面结合图3、图4(截取为图4a、图4b、图4c)进行具体说明。

如图3所示的过载保护方法，包括电流有效值计算部分、目标电流选择部分1、校验速度计算部分2、过载保护启动部分3共四部分。其中，过载保护启动部分对应图2中的过载启动条件模块，目标电流选择部分、校验速度计算部分对应图2中的校验速度模块。

还需要输入的参数包括电流额定值、电流最大值和目标速度。

目标电流选择部分1包括1通过差值计算器11、零比较器12、触发计时器13和14、与逻辑15、真值选择器16、差值计算器17。

电流有效值和最大电流输入差值计算器11。差值比较器11的输出输入零比较器12。零比较器12输出一方面输入触发计时器13和14，另一方面和触发计时器13和14的输出一起输入与逻辑15。与逻辑15的输出作为判据输入真值选择器16，真值选择器16输出目标电流，当判据为真时真值选择器16输出最大电流作为目标电流，当为假时额定电流作为目标电流。

目标电流和电流有效值输入差值计算器17计算出电流差值PI_E，即PI_E为目标电流-电流有效值。

述校验速度计算部分2包括增益21、23、25、27和215，速度选择器22、24、26和28，乘法器29、210和214，加法器211，加速度限制器212，正值选择器213和216。

速度选择器22、24、26和28，增益21、23、25和27根据过载保护速度V动态调节Kp。Kp和电流差值PI_E通过乘法器29确定速度修正量Kp*PI_E，然后和过载保护速度V一起输入乘法器210，得到速度修正判据(Kp*PI_E)*V。

Kp为根据过载保护速度V动态调整的系数，根据过载保护速度的大小确定；图3中有具体说明。除了图3中给出的具体数值关系，Kp也可以采用另外的具体数值关系，这种Kp确定方式是采用分段函数确定的，也可以采用线性函数关系确定

速度修正量和过载保护速V一起通过加法器211构成待检速度(Kp*PI_E)+V。

速度修正判据(Kp*PI_E)*V输入正值选择器213，当速度修正判据为正值时待检速度通过加速度限制器212对211输出的待检速度(Kp*PI_E)+V进行限制，为零或负值时直接输出待检速度(Kp*PI_E)+V。

正值选择器213的输出结果和过载保护速度V通过乘法器214检测速度是否出现了反向，正值选择器216确定速度没有反向时校验速度取正值选择器213的输出结果，反向时取待检速度(Kp*PI_E)+V的一半。

即若速度修正判据(Kp*PI_E)*V大于零，且限制值*V也大于零，则校验速度为限制值；所述限制值为经过限幅的(Kp*PI_E)+V。若(Kp*PI_E)*V小于零，且((Kp*PI_E)+V)*V也小于零，则校验速度为((Kp*PI_E)+V)/2；

过载保护启动部分3包括乘法器31、32和33，减法器34、35、36和39，零下限积分器37，增益38，比较器310和311，正值选择器312。

额定电流和最大电流通过乘法器32、33，减法器36和增益计算出发热动作值。电流有效值和额定电流通过乘法器31、32，减法器35，零下限积分器37计算出电机发热量。电机发热量和发热动作值输入减法器39输出发热偏离量。电流有效值和最大电流输入减法器34输出电流偏离量。

发热偏离量和电流偏离量通过比较器310输出过载启动量。

也就是说：过载保护启动部分首先对I²-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算I与I_最的差值；比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速。其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数(本实施例中，k取2，作为其他实施方式，也可以用其他值)，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

采用上述对I²-I² _额进行零下限积分，只在电流有效值大于额定值时进行积分，在小于额定值时不积分，能够灵敏的反映出热积累效应。并且与k(I² _最-I² _额)比较，将k(I² _最-I² _额)作为发热动作值，能够体现发热的可耐受程度。由于同时还考虑到I与I_最的差值，因此过载启动量兼顾了发热和电流超限情况。

比较器312通过过载启动量决定过载保护速度V，当过载启动量非负时，过载保护速度V取校验速度与目标速度的较小值；当过载启动量为负时，计算速度直接取目标速度。

如图4所示的过程为实际程序，因此其中的模块采用了高级语言或伪代码的方式进行表达，如计数器1、计数器2、速度1、速度2、速度3、速度4、速度5、电机发热量等等均为程序中使用的变量；“电机发热量＝电机发热量+差值”等语句为赋值语句。结合图3，步骤1对应b1，步骤2对应b2…。

其中，发热动作值＝(最大电流的平方-额定电流的平方)*2；滞环量＝2*发热动作值；发热动作值和滞环量的计算在初始化中完成。

步骤1令“电流有效值＝sqrt(I_a^2/2+2/3*(I_b+0.5*I_a)^2)”后执行步骤2。

步骤2令“差值＝有效电流的平方-额定电流的平方”后执行步骤3。

步骤3令“电机发热量＝电机发热量+差值”后执行步骤4。

步骤4判断“电机发热量”是否小于等于零。若小于等于零，则执行步骤5；否则，执行步骤6。

步骤5令“电机发热量＝0、过载标志符＝0”后执行步骤8。

步骤6判断“电机发热量”是否大于等于“滞环量”。若大于等于，则执行步骤7；否则执行步骤8。

步骤7令“电机发热量＝滞环量”后执行步骤8。

步骤8判断“过载标志符”是否等于零。若过载标志符等于零，则执行步骤10；否则，执行步骤9。

步骤9判断“实际电流”是否小于“最大电流”。若小于，则执行步骤10；否则，执行步骤11。

步骤10令“电机发热量＝发热动作值、过载标志符＝2、目标电流＝最大电流、计数器1＝0”后返回。

步骤11判断“电机发热量”是否大于等于“发热动作值”。若大于等于，则执行步骤12；否则，返回。

步骤12令“过载标志符＝1”后返回。

步骤13判断“过载启动符”是否等于2且“计数器1”是否小于“设定时间”。当“过载启动符”等于2且“计数器1”小于“设定时间”，执行步骤14；否则，执行步骤15；

步骤14令“计数器1++”后执行步骤16。

步骤15令“目标电流＝额定电流”后执行步骤16。

步骤16令“绝对速度＝速度3的绝对值”后执行步骤17。

步骤17判断“绝对速度”是否大于1000rpm。若大于，则执行步骤18；否则，执行步骤19。

步骤19判断“绝对速度”是否大于800rpm。若大于，则执行步骤20；否则，执行步骤21。

步骤21判断“绝对速度”是否大于600rpm。若大于，则执行步骤22；否则，执行步骤23。

步骤23判断“绝对速度”是否大于400rpm。若大于，则执行步骤24；否则，执行步骤25。

步骤18令“kp＝绝对速度/40”、步骤20令“kp＝绝对速度/50”、步骤22令“kp＝绝对速度/60”、步骤24令“kp＝绝对速度/100”、步骤25令“kp＝1”后都执行步骤26。

步骤26判断“速度3”是否大于等于零。若大于等于，则执行步骤27；否则，执行步骤28。

步骤27令“PI_E＝目标电流-实际电流”后执行步骤29，步骤28令“PI_E＝实际电流-目标电流”后执行步骤29。

步骤29令“Tempt＝kp*PI_E+速度3”后执行步骤30。

步骤30判断“Tempt*速度3”是否大于零。若大于，则执行步骤31；否则，执行步骤34。

步骤31判断“PI_E*速度3”是否小于零。若小于，则执行步骤32；否则，执行步骤33。

步骤32令“速度5＝Tempt、速度2＝速度5”后执行步骤35。

步骤33令“速度1＝Tempt、速度差＝速度1-速度2、速度2＝速度2+加速度限制、速度5＝速度2”后执行步骤35。

步骤34令“速度5＝速度3/2、速度2＝速度5”后执行步骤35。

步骤35判断“速度5的绝对值”是否小于“速度4的绝对值”。若小于，则执行步骤36；否则，执行步骤37。

步骤36令“速度3＝速度5”后返回。

步骤37令“速度3＝速度4”后返回。

采用上述电流有效值计算方法的异步电机实施例

异步电机，包括控制器，控制器用于采集电流的任两相电流，然后计算电流有效值，计算方法与以上实施例中的相同，在此不再赘述。

采用上述过载保护方法的异步电机实施例

异步电机，包括控制器，控制器实施以上过载保护方法实施例中的过载保护方法。

以上给出了本发明涉及四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 (8)

1.交流异步电机电流有效值计算方法，其特征在于，采集任两相电流，进行计算：电流有效值I_a、I_b为所采集的两相电流。

2.交流异步电机过载保护方法，其特征在于，采集任两相电流，计算电流有效值I，I_a、I_b为所采集的相电流；根据计算出的电流有效值，判断是否过载，若过载则限制电机转速。

3.根据权利要求2所述的交流异步电机过载保护方法，其特征在于，判断是否过载的步骤包括：

对I²-I² _额进行零下限积分，并计算积分结果与发热动作值的差值；同时计算I与I_最的差值；

比较上述两差值的大小，令较大的一个为过载启动量；若过载启动量不小于零，则限制电机转速；其中，发热动作值为k(I² _最-I² _额)，k为设定系数，I_额为电机的额定电流，I_最为电机的最大电流。

4.根据权利要求3所述的交流异步电机过载保护方法，其特征在于，

若过载启动量大于零，则过载保护速度取目标速度；

若过载启动量不小于零，则过载保护速度取校验速度与目标速度的较小值；

其中，所述过载保护速度是经过载保护方法计算出的速度给定值；校验速度是经过过载保护速度的校验产生的。

5.根据权利要求4所述的交流异步电机过载保护方法，其特征在于，所述校验的步骤包括：

若(Kp*PI_E)*V大于零，且限制值*V也大于零，则校验速度为限制值；

若(Kp*PI_E)*V小于零，且((Kp*PI_E)+V)*V也小于零，则校验速度为((Kp*PI_E)+V)/2；

其中，V为过载保护速度，

所述限制值为经过限幅的(Kp*PI_E)+V，

PI_E为目标电流与电流有效值I的差值，Kp为根据过载保护速度V动态调整的系数，根据过载保护速度的大小确定；目标电流为最大电流或额定电流。

6.根据权利要求5所述的交流异步电机过载保护方法，其特征在于，所述Kp的动态调整方法为：过载保护速度400以内时，Kp＝1；过载保护速度超过400时，Kp＝过载保护速度/100；过载保护速度超过600时，Kp＝过载保护速度/60；过载保护速度超过800时，Kp＝过载保护速度/50；过载保护速度超过1000时，Kp＝过载保护速度/40。

7.应用权利要求1所述电流有效值计算方法的交流异步电机，其特征在于，交流异步电机包括控制器，控制器根据采集到的任两相电流，根据计算电流有效值I，I_a、I_b为所采集的两相电流。

8.应用权利要求2-6中任一项所述过载保护方法的交流异步电机，其特征在于，交流异步电机包括控制器，控制器根据过载保护方法确定过载保护速度，所述过载保护速度是经过过载保护方法确定的速度给定值。