CN107863756B

CN107863756B - 高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法

Info

Publication number: CN107863756B
Application number: CN201710910395.2A
Authority: CN
Inventors: 黄新波; 王海东; 薛智鹏; 朱永灿; 李志文
Original assignee: Xian Polytechnic University
Current assignee: Xian Polytechnic University
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN107863756A

Abstract

本发明公开了一种高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，采集直流电机的原始运行数据作为直流电机的堵转特征量；步骤2，对步骤1所采集的电流数据进行降噪分析处理；步骤3，确定保护阈值的设定范围；步骤4，根据步骤3得到的阈值设定范围来设定实际保护值并进行堵转保护。有效消除了运行过程中干扰因素并能够快速提取堵转特征量，并实现对堵转保护阈值的动态调整。

Description

高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法

技术领域

本发明属于配电保护方法技术领域，具体涉及一种高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法。

背景技术

在数字化及智能化变电站快速发展的大背景下，通过“手摇”方式实现开关柜内断路器的进、出车操作已不能满足实际需要。随着智能电网的推进，传统手摇式底盘车已逐渐被电动操动机构所替代，其在有效提高工作效率的同时，也为实现快速恢复供电、保证维修人员的人身安全提供了保障。

但是由于直流电机在制造质量、使用环境、工作方式和日常维护等方面的差异，电动底盘车内直流电机故障情况时有发生，主要有：过载、堵转、以及一些机械故障等，其中以堵转故障最为常见。堵转电流作为评价电机堵转性能的重要指标，被视为判断电机堵转故障的重要参数。传统的直流电机堵转保护是通过熔断器、温度继电器或判断起动时间过长来实现的，虽结构简单、易于维护，但其动作缓慢，反应时长且对起动过程中出现的堵转故障保护不理想。而且在底盘车进、出车过程中，伴随的强烈振动以及电磁干扰，使电流信号中混杂着各种各样的噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，能够有效消除运行过程中干扰因素并能够快速提取堵转特征量，实现对堵转保护阈值的动态调整。

本发明所采用的技术方案是，高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采集直流电机的原始运行数据作为直流电机的堵转特征量；

步骤2，对步骤1所采集的电流数据进行降噪分析处理；

步骤3，确定保护阈值的设定范围；

步骤4，根据步骤3得到的阈值设定范围来设定实际保护值并进行堵转保护。

本发明的特点还在于，

所述的步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，在步骤1所获取的电流信号i的基础上，根据经验确定电流信号的分解层数N，并选取小波阈值；

步骤2.2，在步骤2.1的基础上，通过尺度方程确定不同的尺度系数{h_k}，其中为小波函数，k为小波平移尺度；根据不同尺度将电流信号分解，

步骤2.3，在步骤2.2确定尺度函数系数{h_k}的基础上，将步骤1的电流信号进行分解；

步骤2.4，采用最小极大方差阈值选取阈值对高频系数进行量化

步骤2.5，通过对不同尺度上的小波系数采用逆变换来重构信号，由此得到光滑的原始电流信号。

所述的步骤2.2具体为：

步骤2.2.1，选定一个分解层数N ≥2；

步骤2.2.2，选定一个多项式：P(y)＝P_N(y)+y^NR(y)300≤y≤1，其中且sup P(y)＜2^2(N-1)；

步骤2.2.3，选定一个实系数三角多项式Q(z)，使

步骤2.2.4，取则中的{h_k}即为所求；随着分解层数N的增大，Daubechies小波的光滑性增大。

所述的步骤3具体为：

步骤3.1，将直流电机视为一个均匀发热体，其功率W为恒定值，dt时间间隔内电机的温升增量为dτ，电机的质量为m，则直流电机的热平衡方程为Wdt＝cmdτ+HSτdτ；其中式中：H为散热系数；S为散热面积；c为比热容；τ为温升值；

步骤3.2，根据步骤1的热平衡方程可得，直流电机的温升为其中T_c为发热的时间常数且T_c＝cm/HS，C₁为初始条件的积分常数；

步骤3.3，在电机接通电源时初始温升为0，则步骤3.2的温升方程可写为

步骤3.4，当功率W增加到C倍时，在t时刻τ＝τ_w，解步骤3.3的方程可得其中式中为电流增加的倍数；

步骤3.5，如果直流电机发生堵转，则由过电流引起的发热量远远大于过载；此时若将电机视为一个单纯的发热体，则电机绕组温度将随损耗和时间直线上升，可以认为电机处于一种绝热状态下的发热过程，且：式中：G为绕组重量；P为损耗；t为堵转时间；

步骤3.6，在步骤3.5所述状态下，电机温升可以用过载发热曲线的切线表示，当电流过载倍数为在t时刻τ＝τ_w，变换可得

步骤3.7，为简化计算过程，避免在保护程序中对自然对数的使用，可将步骤3.4、步骤3.6的方程进行变换；可得在过载时堵转时其中K₁、K₂、K₃为常数，其值的变化可适应不同直流电机的保护特性需求；

步骤3.8，根据步骤3.7得到堵转故障时的一条保护特性曲线，从该曲线可知保护的动作时间与电流值的过载倍数有关系，过载倍数越大，保护动作时间越短，而且，可以判断出堵转时的过电流约为额定电流的6～9倍。所以保护系统对保护阈值的设定大致选在此范围中即可。

所述的步骤4具体为：根据步骤3得到的结论，设定直流电机堵转保护阈值为6倍的额定电流，当步骤1所采集到的电流数据，经过步骤2的降噪处理后，大于设定的保护阈值，则保护装置的保护电路将执行保护动作。

本发明的有益效果是，本发明提出了一套基于Daubechies6小波去噪算法的堵转保护技术。该保护技术以直流电机的运行电流为特征量，采用Daubechies6小波算法对电流信号进行降噪分析，依据在过载、堵转故障情况下的温升关系所建立的数学模型确定了保护阈值的设定范围。其在有效消除了运行过程中干扰因素并能够快速提取堵转特征量的同时，实现对堵转保护阈值的动态调整，满足了直流电机的不同应用场合。

附图说明

图1是本发明方法高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法方法的流程图；

图2是本发明方法中使用的保护装置的结构示意图；

图3本发明中确定保护阈值设定范围的电机保护特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施，

步骤1，通过霍尔电流传感器采集直流电机的原始运行电流数据i，并以此电流数据作为直流电机的堵转特征量，

步骤2，采用Daubechies6小波算法对步骤1所采集的电流数据进行降噪分析处理，

小波去噪处理通常涉及小波分解、小波分解得到的高频系数阈值量化处理和小波重构三个部分。其去噪过程是在保持概貌a_n不变的基础上，对各个细节d_i进行阈值处理。也就是说，在确定电流数据母小波后将原始电流信号分解为n个概貌a_i和n个细节d_i。假如细节d_i的阈值为w_i，则按照进行处理。其中d_ij表示d_i中的第j个值，表示d_ij经过截断处理后的值。由第n层a_n重构信号和阈值处理结果，即可得到去噪结果。

具体步骤为，

步骤2.2，在步骤2.1的基础上，通过尺度方程确定不同的尺度系数{h_k}，其中为小波函数，k为小波平移尺度。根据不同尺度将电流信号分解，其具体步骤为：

步骤2.2.1，选定一个分解层数N ≥2；

步骤2.2.2，选定一个多项式：P(y)＝P_N(y)+y^NR(y)≥00≤y≤1，其中且supP(y)<2^2(N-1)。

步骤2.2.3，选定一个实系数三角多项式Q(z)，使

步骤2.2.4，取则中的{h_k}即为所求。随着分解层数N的增大，Daubechies小波的光滑性增大。

步骤2.3，在步骤2.2确定尺度函数系数{h_k}的基础上，将步骤1的电流信号进行分解。

步骤3，依据在过载、堵转故障情况下的温升关系所建立的模型确定保护阈值的设定范围；得到的结果如图3所示，所述的温升模型具体建立步骤为，

步骤3.1，将直流电机视为一个均匀发热体，其功率W为恒定值，dt时间间隔内电机的温升增量为dτ，电机的质量为m，则直流电机的热平衡方程为Wdt＝cmdτ+HSτdτ。其中式中：H为散热系数；S为散热面积；c为比热容；τ为温升值。

步骤3.2，根据步骤1的热平衡方程可得，直流电机的温升为其中T_c为发热的时间常数且T_c＝cm/HS，C₁为初始条件的积分常数。

步骤3.4，当功率W增加到C倍时，在t时刻τ＝τ_w，解步骤3.3的方程可得其中式中为电流增加的倍数。

步骤3.5，如果直流电机发生堵转，则由过电流引起的发热量远远大于过载。此时若将电机视为一个单纯的发热体，则电机绕组温度将随损耗和时间直线上升，可以认为电机处于一种绝热状态下的发热过程，且：式中：G为绕组重量；P为损耗；t为堵转时间。

步骤3.7，为简化计算过程，避免在保护程序中对自然对数的使用，可将步骤3.4、步骤3.6的方程进行变换。可得在过载时堵转时其中K₁、K₂、K₃为常数，其值的变化可适应不同直流电机的保护特性需求。

步骤3.8，根据步骤3.7得到堵转故障时的一条保护特性曲线如图3所示。从该曲线可知保护的动作时间与电流值的过载倍数有关系，过载倍数越大，保护动作时间越短。而且，可以判断出堵转时的过电流约为额定电流的6～9倍。所以保护系统对保护阈值的设定大致选在此范围中即可。

步骤4，根据步骤3得到的结论，设定直流电机堵转保护阈值为6倍的额定电流，当步骤1所采集到的电流数据，经过步骤2的降噪处理后，大于设定的保护阈值，则图2中保护装置的保护电路将执行保护动作。

保护装置的结构示意图如图2所示，包括与供电电路1连接的MCU模块2，所述的MCU模块2还与驱动电路3和信号处理电路7连接，所述的驱动电路与直流电机4连接，所述的信号处理电路7与保护电路6连接，所述的直流电机4连接有负载5和保护电路6。整个保护系统的工作过程为：

由供电电路1为MCU模块2进行供电，MCU模块2是以STM32F103为控制芯片，利用其高效的数据处理能力对电流数据进行实时监控、分析与处理。驱动电路3主要包括以下几部分，第一部分是由光耦组成的隔离电路，第二部分是由三极管组成的推挽电路，第三部分是由IGBT组成的驱动电路，第四部分是由电容、电阻、二极管组成的缓冲电路。

所述的驱动电路3采用大功率半导体器件的斩波器控制方式。通过改变直流电机电枢电压接通时间和通电周期的比值来改变平均电压的大小，从而控制直流电机的转速。

保护电路6主要包括一个直流继电器，用来对直流电机的供电电源进行控制。

信号处理电路7，主要包括由穿心式霍尔电流传感器组成的电流的信号监测电路，和对此电流数据进行处理的放大电路和滤波电路。

当直流电机正常运行时，由MCU控制驱动电路，进而实现对直流电机的控制。在此过程中通过步骤4对运行电流数据进行监测，当电流数据超过堵转保护阈值时，步骤3中的继电器动作，切断直流电机的供电回路，以此实现保护动作。

Claims

1.高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤2，对步骤1所采集的电流数据进行降噪分析处理；

步骤3，确定保护阈值的设定范围；

步骤3具体为：

步骤3.2，根据步骤3.1的热平衡方程可得，直流电机的温升为其中T_c为发热的时间常数且T_c＝cm/HS，C₁为初始条件的积分常数；

步骤3.5，如果直流电机发生堵转，则由过电流引起的发热量远远大于过载；此时若将电机视为一个单纯的发热体，则电机绕组温度将随损耗和时间直线上升，认为电机处于一种绝热状态下的发热过程，且：式中：G为绕组重量；P为损耗；t为堵转时间；

步骤3.6，在步骤3.5所述状态下，电机温升用过载发热曲线的切线表示，当电流增加倍数为在t时刻τ＝τ_w，变换可得

步骤3.8，根据步骤3.7得到堵转故障时的一条保护特性曲线，从该曲线可知保护的动作时间与电流值的过载倍数有关系，过载倍数越大，保护动作时间越短，而且，可以判断出堵转时的过电流约为额定电流的6～9倍；所以保护系统对保护阈值的设定选在此范围中即可；

2.根据权利要求1所述的高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，其特征在于，所述的步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.2，在步骤2.1的基础上，通过尺度方程确定不同的尺度系数{h_k}，其中为小波函数，k为小波平移尺度；

步骤2.3，在步骤2.2确定尺度函数系数{h_k}的基础上，根据不同尺度将步骤1的电流信号进行分解；

步骤2.4，采用最小极大方差阈值选取阈值对高频系数进行量化；

3.根据权利要求2所述的高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，其特征在于，所述的步骤2.2具体为：

步骤2.2.1，选定一个分解层数N≥2；

步骤2.2.2，选定一个多项式：P(y)＝P_N(y)+y^NR(y)≥0，0≤y≤1，其中且supP(y)＜2^2(N-1)；

步骤2.2.3，选定一个实系数三角多项式Q(z)，使

步骤2.2.4，取则中的h_k即为所求；随着分解层数N的增大，Daubechies小波的光滑性增大。

4.根据权利要求1所述的高压开关柜电动底盘车内直流电机的堵转保护方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：根据步骤3得到的结论，设定直流电机堵转保护阈值为6倍的额定电流，当步骤1所采集到的电流数据，经过步骤2的降噪处理后，大于设定的保护阈值，则保护装置的保护电路将执行保护动作。