CN106249062A - 一种三相电机的缺相检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制领域，公开了一种三相电机的缺相检测方法及系统。本发明中，三相电机的缺相检测方法包括：在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和电流角度向三相电机注入检测电流；获取三相电机各定子绕组的电流值，并根据各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度；如果在预设时间内，实际电流幅值到达预设的电流幅值，且实际电流角度到达预设的电流角度，则三相电机不缺相，启动三相电机；否则，根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。这样，在启动三相电机前，检测三相电机是否缺相，实现了电机的缺相保护，提高了电机使用的安全性，并能够在三相电机缺相时，准确地检测出哪一相缺相，便于维修。

Description

一种三相电机的缺相检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种三相电机的缺相检测方法及系统。

背景技术

电机作为拖动系统中的重要组成部分，在国民经济中占有举足轻重的地位。它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保障。

电机在运行过程中会因各种原因造成损坏。在这些故障中，缺相故障造成电机损坏占很大比例，由此而烧毁的电机数量是巨大的，造成的经济损失也是极为严重的。在实现本发明创造的过程中，发明人发现现有技术至少存在如下缺陷：

在现有技术中，针对电机缺相的检测方法大多是在电机运行时进行的，通过对电机的电流进行检测，以判断电机是否缺相。如果检测到缺相，则停止电机运行。

由于缺相检测需要一定的时间，因此在启动电机时，电机缺相并不能被立马检测出来。此时，电机会在缺相的情况下，运行一段时间之后才能停止。但是，在某些场合下(如起重设备中)，如果在启动电机时，不能立刻检测出电机缺相，则会导致负载不按指定的方向移动，存在较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相电机的缺相检测方法及系统，实现了三相电机的缺相保护，提高了电机使用的安全性，并能够在三相电机缺相的情况下，准确地检测出三相电机的哪一相缺相，以便于技术人员进行维修。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种三相电机的缺相检测方法，包括：

在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和预设的电流角度向三相电机注入检测电流；

获取三相电机各定子绕组的电流值，并根据各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度；

如果在预设时间内，实际电流幅值到达预设的电流幅值，且实际电流角度到达预设的电流角度，则三相电机不缺相，启动三相电机；否则，根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。

本发明的实施方式还提供了一种三相电机的缺相检测系统，包括：供电电源、变频器以及三相电机；

变频器连接在供电电源与三相电机之间；

变频器用于在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和预设的电流角度向三相电机注入检测电流；

变频器还用于获取三相电机各定子绕组的电流值，并根据各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度；

变频器还用于判断在预设时间内，实际电流幅值是否到达预设的电流幅值，且实际电流角度是否到达预设的电流角度；并用于在判断结果为是时，启动三相电机；在判断结果为否时，根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在接收到启动指令时，在三相电机中注入预设的电流幅值和电流角度的检测电流，根据三相电机各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度，以便于对三相电机是否缺相进行判断。当三相电机的实际电流幅值在预设时间内到达预设的电流幅值，且实际电流角度到达预设的电流角度时，则说明三相电机不缺相，此时启动三相电机，电机就可以正常运行。否则，说明三相电机缺相，此时根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组，从而判断出三相电机的哪一相缺相，方便故障原因的查找。通过这种方式，在启动三相电机前，先对三相电机是否缺相进行检测，在三相电机不缺相的情况下，才启动三相电机工作，实现了三相电机的缺相保护，提高了电机使用的安全性，并能够在三相电机缺相的情况下，准确地检测出三相电机的哪一相缺相，以便于技术人员进行维修。

另外，在通过逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流中，具体包括：d轴给定电流imag*，q轴给定电流iq*，其中，imag*等于所述预设的电流幅值，iq*为零；获取三相电机的各定子绕组的当前电流Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过克拉克变换转换到静止两相坐标系下，得到电流iα、iβ；将iα、iβ通过派克变换转换到同步旋转坐标系下，得到电流id、iq；其中，派克变换中使用的角度为预设的电流角度；根据id、iq，获取d轴反馈电流imag；根据imag*、iq*、imag以及iq，获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq；将ud、uq通过反派克变换，获取静止两相坐标系下的电压给定uα、uβ；其中，反派克变换中使用的角度为预设的电流角度；获取逆变器的母线电压，根据母线电压以及uα、uβ，获取逆变器的三相空间矢量脉宽调制SPVWM(SPVWM，空间矢量脉宽调制，Space Vector Pulse WidthModulation)信号的占空比da、db和dc；根据da、db和dc，控制逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。提供了逆变器向三相电机注入检测电流的一种具体实现形式，增加了本发明的可行性。

另外，在获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq中，具体包括：获取imag*与imag的差值，将差值输入至一电流控制器，电流控制器计算得出ud；其中，ud的上限值为三相电机的额定电压，下限值为三相电机的额定电压的相反数；获取iq*与iq的差值，将差值输入至一电流控制器，电流控制器计算得出uq；其中，uq的上限值为百分之五倍的三相电机的额定电压，下限值为百分之五倍的三相电机的额定电压的相反数。提供了获取ud、uq的一种具体实现方式，增加了本发明的可行性。

另外，预设时间大于三相电机在不缺相时，imag到达imag*、iq*到达iq时的最大时长，以便于准确地对三相电机是否缺相进行判断，降低了误判的可能。

另外，在根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组中，具体包括：获取各定子绕组的电流绝对值；判断是否存在一定子绕组的电流绝对值与预设的电流幅值的比值小于预设阈值；如果存在一定子绕组的电流绝对值与预设的电流幅值的比值小于预设阈值，则判定该定子绕组工作异常。通过这种方式，如果三相电机只有一定子绕组的电流值与预设的电流幅值的比值小于预设阈值，就说明该相绕组缺相；如果三相电机的三个定子绕组的电流值与预设的电流幅值的比值都小于预设阈值，就说明三相电机有两相或三相绕组缺相。

另外，预设阈值小于或等于二分之根号二，以便于准确地对三相电机的哪个定子绕组异常进行判断，降低误判的可能。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式中三相电机的缺相检测方法的流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中逆变器向三相电机注入电流方法的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种三相电机的缺相检测方法，具体流程如图1所示。本实施方式在包括供电电源、变频器以及三相电机的三相电机的缺相检测系统的基础上进行实施，变频器连接在供电电源与三相电机之间。

缺相检测方法的具体步骤如下：

步骤101，判断是否接收到启动指令。若是，则执行步骤102，否则执行步骤101。

具体的说，由变频器对是否接收到启动指令进行判断。当变频器接收到启动指令时，判断结果为是。

步骤102，以预设的电流幅值和电流角度向三相电机注入检测电流。

本实施方式中，变频器包括逆变器，通过逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。在通过逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流中，以图2所示的控制结构示意图进行控制，具体如下：

d轴给定电流imag*，q轴给定电流iq*。其中，imag*等于预设的电流幅值，iq*等于零。

获取三相电机的各定子绕组的当前电流Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过克拉克变换转换到静止两相坐标系下，得到电流iα、iβ。

将iα、iβ通过派克变换转换到同步旋转坐标系下，得到电流id、iq。其中，派克变换中使用的角度γ为预设的电流角度。

根据id、iq，获取d轴反馈电流imag。

根据imag*、iq*、imag以及iq，获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq。

将ud、uq通过反派克变换，获取静止两相坐标系下的电压给定uα、uβ。其中，反派克变换中使用的角度为预设的电流角度。

获取逆变器的母线电压，根据母线电压以及uα、uβ，获取逆变器的三相空间矢量脉宽调制SPVWM信号的占空比da、db和dc。

根据da、db和dc，控制逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。

更具体地说，在获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq中，具体包括：获取imag*与imag的差值，将差值输入至一电流控制器，由电流控制器计算得出ud。获取iq*与iq的差值，将差值输入至一电流控制器，由电流控制器计算得出uq。本实施方式中，电流控制器可以为PI控制器，即图2所示的PI₁以及PI₂。

其中，imag*可以设置为三相电机额定电流幅值的10％以上，以避免误判。ud的上限值可以设置为三相电机的额定电压，下限值为三相电机的额定电压的相反数；uq的上限值为百分之五倍的三相电机的额定电压，下限值为百分之五倍的三相电机的额定电压的相反数，以便于实现给定与反馈的差值为零，提高判断三相电机是否缺相的准确性。

如，三相电机的额定电压幅值为380V，额定功率为3.7kw，额定电流幅值为9.5A，变频器额定电压幅值为380V，额定功率为5.5kw，额定电流幅值13A，则imag*可以设置为3A，iq*为零。

本实施方式中，预设角度大于0°，且小于360°，且预设角度不为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°，以防止误判。并且，本实施方式中，为提高判断的准确度，预设角度为15°、45°、75°、105°、135°、165°、195°、225°、255°、285°、315°或345°。

步骤103，获取三相电机各定子绕组的电流值，并根据各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度。

本实施方式中，可以使用电流传感器获得各定子绕组的电流值。

步骤104，判断在预设时间内，实际电流幅值是否到达预设的电流幅值，且实际电流角度是否到达预设的电流角度。若是，则执行步骤106，否则执行步骤105。

其中，预设时间可以由技术人员预先设置并保存在三相电机的的缺相检测系统中，以便于进行判断。如，预设时间可以设置为大于三相电机在不缺相时，imag到达imag*、iq*到达iq时的最大时长。本实施方式中，预设时间为50ms。

于本实施方式而言，通过两个电流环给三相电机注入预设的电流幅值和电流角度的检测电流。其中一个电流环给定为预设电流幅值imag*，反馈为实际电流幅值imag，另一个电流环给定为零，反馈为iq。判断在预设时间内，实际电流幅值是否到达预设的电流幅值，且实际电流角度是否到达预设的电流角度时，也就是判断imag是否等于imag*，iq是否等于iq*。如果imag等于imag*，iq等于iq*，则步骤104的判断结果为是，此时三相电机不缺相。

当然，在实际操作时，由于获取的三相电机的各定子绕组的电流值可能会受到外部干扰，从而使得获取的三相电机的实际电流值存在一定的误差，因此在判断三相电机是否缺相时，判断imag是否接近于imag*，iq是否接近于iq*即可。如果imag接近于imag*，iq接近于iq*，则判断结果为是，此时三相电机不缺相。如，imag与imag*的差值的绝对值以及iq与iq*的差值的绝对值均小于变频器额定电流的百分之一，则步骤104的判断结果为是。

步骤105，根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。

本实施方式中，检测异常工作的定子绕组的方式为：获取各定子绕组的电流绝对值，判断是否存在一定子绕组的电流绝对值与预设的电流幅值的比值小于预设阈值；如果存在一定子绕组的电流绝对值与预设的电流幅值的比值小于预设阈值，则判定该定子绕组工作异常。这样，能够准确地判断出三相电机哪一个定子绕组异常。

具体的说，如果三相电机缺相，且只有一相缺相，则该异常定子绕组上的电流为0，其他正常的两相定子绕组电流绝对值为imag*的二分之根号二倍。如果三相定子绕组上的电流的绝对值都远小于imag*的二分之根号二倍，则三相电机两相或三相缺相。因此，可以设置预设阈值小于或等于二分之根号二，如预设阈值可以为四分之根号二。

步骤106，启动三相电机。

不难看出，本实施方式中，在启动三相电机前，先对三相电机是否缺相进行检测，在三相电机不缺相的情况下，才启动三相电机工作，实现了三相电机的缺相保护，提高了电机使用的安全性，并能够在三相电机缺相的情况下，准确地检测出三相电机的哪一相缺相，以便于技术人员进行维修。

本发明的第二实施方式涉及一种三相电机的缺相检测系统，包括：供电电源、变频器以及三相电机。

变频器连接在供电电源与三相电机之间。

变频器用于在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和预设的电流角度向三相电机注入检测电流。

变频器还用于获取三相电机各定子绕组的电流值，并根据各定子绕组的电流值，获取三相电机的实际电流幅值和实际电流角度。

变频器还用于判断在预设时间内，实际电流幅值是否到达预设的电流幅值，且实际电流角度是否到达预设的电流角度。并用于在判断结果为是时，启动三相电机。在判断结果为否时，根据各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。

本实施方式中，变频器包括电流电压检测子单元、电流转换子单元、电流幅值计算子单元，电流调节子单元，电压变换子单元、SVPWM调制子单元以及逆变器。其中，逆变器，用于向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流，以下对逆变器向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流进行具体说明：

d轴给定电流imag*，q轴给定电流iq*。其中，imag*等于预设的电流幅值，iq*等于零。

电流电压检测子单元，用于获取三相电机的各定子绕组的当前电流Ia、Ib、Ic以及逆变器的母线电压。

电流转换子单元，用于将Ia、Ib、Ic通过克拉克变换转换到静止两相坐标系下，得到电流iα、iβ，再将iα、iβ通过派克变换转换到同步旋转坐标系下，得到电流id、iq；其中，派克变换中使用的角度为预设的电流角度。

电流幅值计算子单元，用于根据id、iq，获取d轴反馈电流imag。

电流调节子单元，用于根据imag*、iq*、imag以及iq，获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq。

电压变换子单元，用于将ud、uq通过反派克变换，获取静止两相坐标系下的电压给定uα、uβ；其中，反派克变换中使用的角度为预设的电流角度。

SVPWM调制子单元，用于根据母线电压以及uα、uβ，获取逆变器的三相空间矢量脉宽调制SPVWM信号的占空比da、db和dc。

逆变器根据da、db和dc，向三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。

其中，在获取同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq中，具体包括：获取imag*与imag的差值，将差值输入至一电流控制器，电流控制器计算得出ud。获取iq*与iq的差值，将差值输入至一电流控制器，电流控制器计算得出所述uq。本实施方式中，电流控制器可以为PI控制器，即图2所示的PI₁以及PI₂。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三相电机的缺相检测方法，其特征在于，包括：

在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和预设的电流角度向所述三相电机注入检测电流；

获取所述三相电机各定子绕组的电流值，并根据所述各定子绕组的电流值，获取所述三相电机的实际电流幅值和实际电流角度；

如果预设时间内，所述实际电流幅值到达所述预设的电流幅值，且所述实际电流角度到达所述预设的电流角度，则所述三相电机不缺相，启动所述三相电机；否则，根据所述各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。

2.根据权利要求1所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，通过逆变器向所述三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。

3.根据权利要求2所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，在所述通过逆变器向所述三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流中，具体包括：

d轴给定电流imag*，q轴给定电流iq*；其中，所述imag*等于所述预设的电流幅值，所述iq*等于零；

获取所述三相电机的各定子绕组的当前电流Ia、Ib、Ic，将所述Ia、Ib、Ic通过克拉克变换转换到静止两相坐标系下，得到电流iα、iβ；

将所述iα、iβ通过派克变换转换到同步旋转坐标系下，得到电流id、iq；其中，所述派克变换中使用的角度为预设的电流角度；

根据所述id、iq，获取所述d轴反馈电流imag；

根据所述imag*、iq*、imag以及iq，获取所述同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq；

将所述ud、uq通过反派克变换，获取所述静止两相坐标系下的电压给定uα、uβ；其中，所述反派克变换中使用的角度为预设的电流角度；

获取所述逆变器的母线电压，根据所述母线电压以及所述uα、uβ，获取所述逆变器的三相空间矢量脉宽调制SPVWM信号的占空比da、db和dc；

根据所述da、db和dc，控制所述逆变器向所述三相电机注入预设的电流幅值和预设的电流角度的检测电流。

4.根据权利要求3所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，在获取所述同步旋转坐标系下的电压给定ud、uq中，具体包括：

获取所述imag*与所述imag的差值，将所述差值输入至一电流控制器，所述电流控制器计算得出所述ud；其中，所述ud的上限值为所述三相电机的额定电压，下限值为所述三相电机的额定电压的相反数；

获取所述iq*与所述iq的差值，将所述差值输入至一电流控制器，所述电流控制器计算得出所述uq；其中，所述uq的上限值为百分之五倍的所述三相电机的额定电压，下限值为百分之五倍的所述三相电机的额定电压的相反数。

5.根据权利要求3所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，所述预设时间大于所述三相电机在不缺相时，所述imag到达所述imag*、所述iq*到达所述iq时的最大时长。

6.根据权利要求1所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，在根据所述各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组中，具体包括：

获取各定子绕组的电流绝对值；

判断是否存在一定子绕组的电流绝对值与所述预设的电流幅值的比值小于预设阈值；

如果存在一定子绕组的电流绝对值与所述预设的电流幅值的比值小于预设阈值，则判定该定子绕组工作异常。

7.根据权利要求6所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，所述预设阈值小于或等于二分之根号二。

8.根据权利要求1所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，所述预设角度大于0°，且小于360°；

其中，所述预设角度不为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°。

9.根据权利要求8所述的三相电机的缺相检测方法，其特征在于，所述预设角度为15°、45°、75°、105°、135°、165°、195°、225°、255°、285°、315°或345°。

10.一种三相电机的缺相检测系统，其特征在于，包括：供电电源、变频器以及三相电机；

所述变频器连接在所述供电电源与所述三相电机之间；

所述变频器用于在接收到启动指令时，以预设的电流幅值和预设的电流角度向所述三相电机注入检测电流；

所述变频器还用于获取所述三相电机各定子绕组的电流值，并根据所述各定子绕组的电流值，获取所述三相电机的实际电流幅值和实际电流角度；

所述变频器还用于判断在预设时间内，所述实际电流幅值是否到达所述预设的电流幅值，且所述实际电流角度是否到达所述预设的电流角度；并用于在判断结果为是时，启动所述三相电机；在判断结果为否时，根据所述各定子绕组的电流绝对值，检测出异常工作的定子绕组。