CN105486974B - 检测电机的定子绕组端部接地的电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了检测电机的定子绕组端部接地的电路与方法，接地检测电路包括高压变频器三相输出端和输出中性点与机壳之间的串联电阻，分别检测三相输出电压和中线电压；高压变频器各相输出电压中除基波分量外，还具有幅值、相位相同的三次谐波分量。电机定子接地检测步骤包括：采集高压变频器的三相输出电压信号和中线电压信号；计算三相输出电压信号中的基波分量幅值和中线电压的三次谐波分量幅值；计算三相输出电压的基波不平衡度；将基波不平衡度和设定的基波不平衡度门限比较以判断电机定子绕组输入端是否接地；将中线电压的三次谐波分量幅值和设定的三次谐波幅值门限比较以判断电机定子绕组中性点是否接地。借助上述电路和方法，能够实现电机定子绕组的接地检测，对电机绕组绝缘破坏进行早期预警。

Description

检测电机的定子绕组端部接地的电路与方法

技术领域

本发明涉及电机调速与电机保护技术，尤其涉及由级联型高压变频器实现电机定子绕组端部接地的检测方法与电路。

背景技术

随着对节能降耗的日益重视，作为耗电最多的设备，越来越多的电动机采用了变频器进行调速，以实现生产设备的经济运行。但变频器的输出是脉冲宽度调制(PWM)电压，输出电压变化率很高，容易导致电机绝缘失效，对于高压电机尤其如此。为了消除上述不利影响，变频器需要经过输出滤波器才能驱动普通的交流电动机。

Peter W.Hammond在1995年提出了级联型高压变频器，可通过低压电力变换技术实现高压电力变换，并已经成为高压变频器的主流技术，输出电压电平数多，不再需要输出滤波器。但输出电压变化率仍然较高，电机的绝缘破坏问题仍然存在，有必要对电机定子绕组(主要是绕组输入端和绕组中性点)的接地状况进行检测，以对电机绕组的绝缘破坏早期诊断，以避免造成严重生产损失。

在级联型高压变频器中，每相都由多个功率单元串联组成，每个功率单元事实上都是一个独立的单相变频器，在这种情况下，传统的中低压变频器中的电机绕组接地检测方法已无法适用。

针对这种情况，实用新型CN2727751Y公开了一种中高压变频器输出接地检测电路(附图1)，通过电阻分压网络分别检测高压变频器的三相输出电压。在正常情况下三相电压之和为零，电阻Rr不通过电流；当电机定子绕组某输入端接地时，三相电压之和不再为零，从而有电流通过电阻Rr，该电流达到一定幅度时即可判断电机的输入端接地。这种方法虽然可用于级联型高压变频器的电机定子绕组输入端的接地检测，但对于电机定子绕组的中性点接地却无能为力；另外，由于Rr流过的电流是通过测量其两端电压获得的，信号中存在很强的干扰噪音，根据噪音，根据电压幅值判断接地状况准确性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供检测电机的定子绕组端部接地的电路与方法。借助该方法与电路，可以对电机定子绕组的输入端接地和中性点接地同时进行准确检测与诊断。

为达到上述目的，本发明的第一技术方案为级联型高压变频器对于电机定子绕组接地进行检测的电路，检测电机的定子绕组端部接地的电路，包括高压变频器的三相输出端与机壳之间的串联电阻和高压变频器的输出中性点与机壳之间的串联电阻，其特征在于，

三相输出端与机壳之间的串联电阻中的对应位置的电阻阻值相等；各三相输出端与机壳之间串联的电阻公共端分别作为输出三相电压的检测端，与机壳之间的电压作为高压变频器的输出电压信号送至高压变频器的控制器；

输出中性点与机壳之间通过串联的电阻公共端与机壳之间的电压作为变频器中线电压信号送至高压变频器的控制器；高压变频器的各相输出电压中除基波分量外，还具有幅值、相位都相同的三次谐波分量。

第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，各组串联电阻中，电阻公共端与机壳之间的阻值低于电阻公共端与另一端之间的阻值。

第三技术方案，基于第一技术方案，其特征在于，输出中性点与机壳之间的串联电阻总阻值低于各三相输出端与机壳之间的串联电阻的总阻值。

第四技术方案为检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、实时采集高压变频器的三相输出电压信号和中线电压信号；

B、计算三相输出电压信号中的基波分量幅值信息和中线电压的三次谐波分量幅值信息；

C、根据三相输出电压信号的基波分量幅值信息计算三相输出电压的基波不平衡度；

D、根据计算出的三相输出电压的基波不平衡度和预先设定的基波不平衡度门限判断电机定子绕组的输入端是否接地，如果接地，报警然后转A；如果没有接地，转E；

E、根据计算出的中线电压的三次谐波分量幅值信息和预先设定的三次谐波幅值信息门限判断电机定子绕组的中性点是否接地，如果接地，报警然后转A；如果没有接地，直接转A。

第五技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤B中，所述的基波分量幅值信息为基波分量幅值的平方，由输出电压相位角的三角函数值计算得出。

第六技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤B中，所述的三次谐波分量幅值信息为三次谐波分量幅值的平方，由输出电压相位角的三角函数值计算得出。

第七技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤D中，

将计算出的基波不平衡度与上述预先设定的基波不平衡度门限直接相比较，如果超过，则判定为电机定子绕组的输入端接地；如果没有超过，则判定为电机定子绕组的输入端没有接地。

第八技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤D中，

将计算出的基波不平衡度与上述的基波不平衡度门限相比较，并根据比较结果修改计数器M，如果超过则计数器M值加1，如果没有超过则计数器M清0；

如果计数器M值达到预定值M1，则判定为电机定子绕组的输入端接地；

如果没有达到，则判定为电机定子绕组的输入端没有接地。

第九技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤E中，将中线电压的三次谐波分量幅值信息与所述的三次谐波幅值信息门限直接比较，如果超过，则判定为电机定子绕组的中性点接地；如果没有超过，则判定为电机定子绕组的中性点没有接地。

第十技术方案基于第四技术方案，其特征在于，在步骤E中，

将计算出的中线电压三次谐波分量幅值信息与所述的三次谐波幅值信息门限相比较，并根据比较结果修改计数器N，如果超过则计数器N值加1，如果没有达到则计数器N清0；

如果计数器N值达到预定值N1，则判定为电机定子绕组的中性点接地；

如果没有达到，则判定为电机定子绕组的中性点没有接地。

附图说明

图1为现有电机定子绕组的接地检测电路示意图；

图2为本发明电机定子绕组的接地检测电路示意图；

图3为本发明电机定子绕组的接地检测方法示意图；

图4为一种本发明电机定子绕组输入端接地的判断方法；

图5为一种本发明电机定子绕组中性点接地的判断方法。

【部件符号说明】

A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3：功率单元

M：电动机

CC：高压变频器的控制系统

U、V、W：高压变频器的三相输出端，电机定子绕组的三相输入端

N：高压变频器的输出中性点

U1、U2、V1、V2、W1、W2：三相输出电压检测分压电阻

N1、N2：中线电压检测分压电阻

u、v、w：三相输出电压的检测点

n：中线电压检测点

g：机壳接地点

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明检测电机的定子绕组端部接地的电路与方法作进一步说明。

图2为本发明级联型高压变频器检测电机定子绕组接地的电路示意图。在图2中，高压变频器的三相输出端U、V、W与机壳之间分别有电阻U1和U2、电阻V1和V2、电阻W1和W2串联，高压变频器的输出中性点N与机壳之间有电阻N1和N2串联。

其中三相串联电阻U1和U2、V1和V2、W1和W2中的对应位置的电阻，例如U1、V1、W1的阻值相等，U2、V2、W2的阻值也相等；U1和U2的串联公共端u作为高压变频器U相输出电压的检测端，V1和V2的串联公共端v作为高压变频器V相输出电压的检测端，W1和W2的串联公共端w作为高压变频器W相输出电压的检测端，uˉg、vˉg、wˉg之间的电压Uug、Uvg、Uwg或直接或经过调理后作为高压变频器的三相输出电压信号送给高压变频器的控制器CC；N1和N2的串联公共端n与g点之间的电压Ung或直接或经调理后作为高压变频器的中线电压信号送给控制器CC；在变频器中，为了提高输出电压的幅度，变频器的各相输出电压除了幅值相等、相位依次相差120°的基波信号外，还含有幅值、相位都相同的三次谐波信号；在这种情况下，高压变频器的控制器CC就可以依据接收到的Uug、Uvg、Uwg和Ung信号，判断电动机M的定子绕组的输入端和中性点的接地状况，从而对电动机的定子绕组与电动机机壳的绝缘状况进行评估。

在图2中，各组串联电阻中，连接机壳的电阻U2、V2、W2的阻值小于连接各相输出U1、V1、W1的阻值，N2的阻值也小于N1的阻值，这样Uug、Uvg、Uwg、Ung的电压较低，可使有关的信号线处于安全电压范围。

在图2中，输出中性点与机壳之间的总阻值N1+N2小于各三相输出端与机壳之间的总阻值U1+U2(与V1+V2、W1+W2相等)，以减小高压变频器输出中线与机壳之间串联电阻的引入影响三相电压的检测精度。

以下借助附图3对基于上述电机定子绕组检测电路的应用方法进行描述。首先(A步)，采集高压变频器的三相输出电压信号Uug、Uvg、Uwg和中线电压信号Ung；其次(B步)，分别计算三相输出电压信号Uug、Uvg、Uwg中的基波分量的幅值信息，计算中线电压Ung中的三次谐波分量的幅值信息；然后(C步)，根据三相输出电压信号Uug、Uvg、Uwg中的基波分量的幅值信息计算出三相输出电压的基波不平衡度；接着(D步)，如果电机定子绕组的输入端没有接地，则三个电压的基波不平衡度为0，否则，则电压不平衡度会大于0，在本实施方式中，预先设定一个适当的门限，如果超出该门限，则判定为电机定子绕组输入端接地，报警后转第一步(A步)继续运行，如果没有超过该门限，则继续进行电机绕组中性点接地检测(E步)；最后(E步)，根据计算出的Ung的三次谐波分量的幅值信息判断电机定子绕组的中性点是否接地，如果没有接地，Ung中的三次谐波分量幅值为0，也可以预先定义三次谐波幅值信息门限，如果超出该门限，则可认为电机定子绕组的中性点接地，报警后从第一步(A步)重新运行，如果没有超出，则认为没有接地，直接转第一步(A步)重新运行。

在上述各电压信号的基波分量和三次谐波分量的分析过程中(B步)，幅值信息可以是信号的真实幅值，也可以出于计算方便采用幅值的函数，如幅值的平方等；由于高压变频器各相输出电压的幅值、频率和相位角三角函数值都是已知的，有关电压信号中的基波分量和三次谐波分量的幅值信息很容易通过正交解调计算得出。

以上过程中，在判断电机定子绕组的输入端是否接地时，可以如上所述将计算出的三相输出电压基波分量的不平衡度与设定的三相不平衡度门限直接进行比较；为了提高检测的准确性，防止误报，也可以设置一个计数器M对连续判断接地的次数进行计数，参见附图4。某次计算出的三相输出电压基波分量的不平衡度如果没有超出预设的三相不平衡度门限(1步)，则将计数器M清零(2步)，否则，计数器M的值加1(3步)；一旦计数器M的值达到预先设定的限值M1(4步)，才发出电机定子绕组的输入端接地报警，如果计数器M的值没有达到限值M1，则继续进行检测。

在判断电机定子绕组的中性点是否接地时，可以将计算出的中线电压的三次谐波分量的幅值信息与设定的三次谐波分量的幅值信息门限直接进行比较，当然，也可以设置一个计数器N对连续判断接地的次数进行计数，参见附图5。某次计算后如果没有超出预设的三次谐波分量的幅值信息门限(11步)，则将计数器N清零(12步)，否则，计数器N的值加1(13步)；一旦计数器N的值达到预先设定的限值N1(14步)，则发出电机定子绕组的中性点接地报警，如果计数器N的值没有达到限值N1(14步)，则检测过程继续进行。

应该指出，本发明中所述的电阻网络除包括电阻外，还可以包括电容、电感等器件对电压检测信号进行滤波，也可以还包括稳压管、压敏电阻等限压器件对信号进行限幅，为简洁起见，以上描述对此未作提及。

还应该指出，本发明的目的在于提供一种适用于级联型高压变频器的检测电机定子绕组端部接地的方法，并对其过程进行了描述。事实上，如果对所描述的各步骤进行调整，如B1与B2颠倒顺序、B2与C颠倒顺序、D与E颠倒顺序、等等。以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

本发明提供的级联型高压变频器检测电机定子绕组接地的电路与方法，具有如下优点：

1)、电路主要由电阻分压网络组成，结构简单，容易实现，且成本低廉；

2)、通过引入变频器中线电压分压网络，在对电机定子绕组输入端进行接地检测的同时，还实现了对电机定子绕组中性点接地的检测；

3)、通过对电压检测信号的频谱分析，提高了接地判断的灵敏度和抗扰能力，从而对电机的绝缘失效进行早期判断，可有效降低电机绝缘破坏所造成的生产损失；

4)、也可以采用接地多次重复检测方法，避免了接地报警的误判，准确性高。

应该注意的是，上述实施例只是本发明的实施方式用于对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，本领域技术人员在不脱离发明本质的情况下可设计出替换实施例。

Claims (10)

1.检测电机的定子绕组端部接地的电路，包括高压变频器的各三相输出端与机壳之间的两个串联电阻和高压变频器的输出中性点与机壳之间的两个串联电阻，其特征在于，

三相输出端与机壳之间的串联电阻中的对应位置的电阻阻值相等；各三相输出端与机壳之间两个串联电阻互相连接的公共端分别作为输出三相电压的检测端，所述检测端与机壳之间的电压作为高压变频器的输出电压信号送至高压变频器的控制器；

输出中性点与机壳之间，通过串联电阻互相连接的公共端与机壳之间的电压作为变频器中线电压信号送至高压变频器的控制器；高压变频器的各相输出电压中除基波分量外，还具有幅值、相位都相同的三次谐波分量，

所述控制器根据三相所述输出电压信号中的基波分量幅值信息，判断所述定子绕组的输入端是否接地，根据所述变频器中线电压信号中的三次谐波分量信息，判断所述定子绕组的中性点是否接地。

2.根据权利要求1所述的检测电机的定子绕组端部接地的电路，其特征在于，各组串联电阻中，电阻公共端与机壳之间的阻值低于电阻公共端与另一端之间的阻值。

3.根据权利要求1所述的检测电机的定子绕组端部接地的电路，其特征在于，输出中性点与机壳之间的串联电阻总阻值低于各三相输出端与机壳之间的串联电阻的总阻值。

4.一种采用如权利要求1所述的电路的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、实时采集高压变频器的三相输出电压信号和中线电压信号；

B、计算三相输出电压信号中的基波分量幅值信息和中线电压的三次谐波分量幅值信息；

C、根据三相输出电压信号的基波分量幅值信息计算三相输出电压的基波不平衡度；

D、根据计算出的三相输出电压的基波不平衡度和预先设定的基波不平衡度门限判断电机定子绕组的输入端是否接地，如果接地，报警然后转A；如果没有接地，转E；

E、根据计算出的中线电压的三次谐波分量幅值信息和预先设定的三次谐波幅值信息门限判断电机定子绕组的中性点是否接地，如果接地，报警然后转A；如果没有接地，直接转A。

5.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤B中，所述的基波分量幅值信息为基波分量幅值的平方，由输出电压相位角的三角函数值计算得出。

6.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤B中，所述的三次谐波分量幅值信息为三次谐波分量幅值的平方，由输出电压相位角的三角函数值计算得出。

7.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤D中，

将计算出的基波不平衡度与上述预先设定的基波不平衡度门限直接相比较，如果超过，则判定为电机定子绕组的输入端接地；如果没有超过，则判定为电机定子绕组的输入端没有接地。

8.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤D中，

将计算出的基波不平衡度与上述的基波不平衡度门限相比较，并根据比较结果修改计数器M，如果超过则计数器M值加1，如果没有超过则计数器M清0；

如果计数器M值达到预定值M1，则判定为电机定子绕组的输入端接地；

如果没有达到，则判定为电机定子绕组的输入端没有接地。

9.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤E中，将中线电压的三次谐波分量幅值信息与所述的三次谐波幅值信息门限直接比较，如果超过，则判定为电机定子绕组的中性点接地；如果没有超过，则判定为电机定子绕组的中性点没有接地。

10.根据权利要求4所述的检测电机的定子绕组端部接地的方法，其特征在于，在步骤E中，

将计算出的中线电压三次谐波分量幅值信息与所述的三次谐波幅值信息门限相比较，并根据比较结果修改计数器N，如果超过则计数器N值加1，如果没有达到则计数器N清0；

如果计数器N值达到预定值N1，则判定为电机定子绕组的中性点接地；

如果没有达到，则判定为电机定子绕组的中性点没有接地。