CN108152727B - 一种多级可控硅开关及故障检测与报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级可控硅开关，将多组可控硅在一个散热器上，替代多个单机可控硅开关，控制电动机多级电阻器，减少电动机转子可控硅开关的安装空间，降低投入的费用。同时本发明还公开了一种用于三相电动机的多级可控硅开关及故障检测与报警系统，并引入了对转子电压的检测的故障模型，所述故障模块包括多级可控硅优先级设定和判断、单个可控硅单元误触发判断及单个可控硅单元不触发判断，进一步提高了故障检测的稳定性、可靠性及实时性，做到了不误报，也不漏报。

Description

一种多级可控硅开关及故障检测与报警系统

技术领域

本发明涉及可控硅开关，具体说涉及一种用于对三相交流异步绕线电动机转子进行控制的多级可控硅开关及故障检测与报警系统。

背景技术

可控硅开关作为接触器的替代产品以其优越的性能在设备控制领域已经被广泛应用。

中国专利CN201420171174.X公开了《一种带有智能报警功能的晶闸管开关》，该晶闸管开关包括晶闸管模块、晶闸管过零触发模块、风扇、与风扇电源和风扇相连的温度开关、智能报警模块。智能报警模块、用于判断开关工作是否正常并及时警示。该晶闸管开关可确保系统运行的可靠性，可广泛应用于无功补偿及谐波治理的场合。

中国专利CN200720077343.3公开了《一种晶闸管开关状态监测报警装置》，该装置包括晶闸管端电压取样及隔离电路、信号判别比较电路、报警显示电路，所述的晶闸管端电压取样及隔离电路的输入端并接被监测的晶闸管的两端，输出接至信号判别比较电路，所述的信号判别比较电路的输出接到报警显示电路的输入端，报警显示电路发出监测报警信号。该装置能针对上述控制轧机的控制回路中的门级可关断晶体管因不能及时导通进行准确地报警，能有效地避免因此而引起的轧机电动机常常损坏的缺点，既延长电路中系统的使用寿命，又保证了生产的正常运行。

但上述专利技术都是针对一级可控硅开关的技术，可控硅开关的故障检测都是基于对可控硅两端电压进行检测来判断可控硅是否导通，同时通过与可控硅开关的控制信号进行逻辑判断(控制信号要求可控硅开关闭合时，可控硅是否导通；控制信号要求可控硅开关断开时，可控硅是否断开)，进而判断可控硅开关是否故障。

三相交流异步绕线电动机转子控制主要用于对电动机的转子电阻器进行控制，通常电动机转子电阻器为多段电阻，使用一个可控硅开关控制一级电阻器，因此电动机转子电阻器控制需要多个可控硅开关进行控制，造成安装空间需求较大，费用较高。

另外，由于电动机转子部分的电压和频率是随着电动机的运行速度变化而变化的，理论上电动机转子电压可从0V直到2.5倍电动机转子开路电压甚至更高，因此如果只通过检测可控硅两端电压对可控硅是否导通进行判断，当电动机转子电压小于判断可控硅导通的电压幅值时，上述专利的判断条件就会产生误报警，进而造成判断错误。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种多级可控硅开关，能够实现控制电动机多级电阻器，同时缩减电动机转子可控硅开关的安装空间，进一步降低成本。

本发明的技术方案如下：

一种多级可控硅开关，其特征在于包括n级的可控硅单元，n≥2；

各级所述可控硅单元由2组或3组正反向并联的可控硅构成，且每级的各组正反向并联的可控硅通过星型方式或三角形方式连接，然后再连接于三相线路中；

且各级的可控硅单元安装于同一散热器。

本发明还提供了一种基于上述开关的电动机转子多级控制系统，包括m个级联的多级可控硅开关，其中m≥1，其特征在于各多级所述可控硅开关包括的可控硅单元分别依次串联于电动机转子各电阻器后。

本发明还提供了一种电动机转子多级控制系统可控硅开关故障诊断方法，其特征在于基于多级可控硅开关前端电压与各多级可控硅开关的可控硅单元电压并结合可控硅单元故障判断优先级对单个可控硅故障状态进行诊断。

进一步的，还包括设定多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级的步骤。

本发明还提供了一种基于电动机转子可控硅开关故障检测与报警系统，其特征在于包括：

控制单元；

通过多级控制线与所述控制单元连接的信号控制输入单元；

以及

通过触发控制线与所述控制单元连接，并通过多级触发线与多级可控硅开关组连接的多级可控硅触发单元；

通过电压检测线与所述控制单元连接，并通过转子电压采集线与多级可控硅开关第一级控制的电阻器前端连接的电动机转子电压检测单元；

通过多级电压检测线与所述控制单元连接，并通过多级电压采集线与多级可控硅开关组连接的可控硅电压检测单元；

通过状态故障线与所述控制单元连接的状态故障输出单元；

使用时，控制单元接收信号控制输入单元的控制信号并将其转化为多级可控硅触发信号通过多级触发线可控制多级可控硅组进而控制电动机转子多级电阻器；同时，控制单元通过电压检测线接收电动机转子电压检测单元发送的电动机转子电压和通过多级电压检测线接收可控硅电压检测单元采集的多级可控硅开关组各可控硅单元的两端电压信息，并根据内置故障模型对多级可控硅开关组的工作状态进行判断，故障发生时通过状态故障输出单元发出故障信息。

进一步的，所述故障模型包括对多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级的设定。

进一步的，所述故障模型包括单个可控硅单元误触发判断模型及单个可控硅单元不触发判断模型。

进一步的，所述故障输出单元包括显示故障信息的状态故障显示模块及发送报警信息的报警通信模块。

本发明还提供了一种基于上述故障诊断系统的应用，包括所述故障诊断系统应用于电动机转子单级可控硅开关的故障诊断。

通过上述技术方案，本发明公开了在一个可控硅开关的散热器的基础上，安装多组可控硅和控制电路，组成多级可控硅开关，又一个多级可控硅开关替代多个可控硅开关，控制电动机多级电阻器，减少电动机转子可控硅开关的安装空间，降低投入的费用。另外，本发明在电动机转子可控硅开关的故障检测和报警中引入了对转子电压的检测，而在多个多级可控硅开关组合使用时，将为多级可控硅开关的前端电压作为转子电压来检测并结合相应的故障判断模型，有效提升了可控硅状态判断的稳定性、可靠性及实时性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于多级可控硅开关的电动机转子多级控制系统结构示意图；

图2为本发明多级可控硅开关可控硅单元结构示意图；

图3为本发明基于电动机转子可控硅开关故障检测与报警系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

三相交流异步绕线电动机转子控制主要用于对电动机的转子电阻器进行控制，通常电动机转子电阻器为多段电阻，每段电阻需要一个可控硅开关(也称为晶闸管开关)进行控制，因此整个三相交流异步绕线电动机转子控制则需要多个可控硅开关控制，安装空间要求较高。

基于上述背景，本发明提出了一种多级可控硅开关，其包括n级的可控硅单元，n≥2；各级所述可控硅单元由2组或3组正反向并联的可控硅构成，且每级的各组正反向并联的可控硅通过星型方式连接再分别连接于三相线路中；且各级可控硅单元安装在同一散热器。

本发明还提供了一种基于上述开关的电动机转子多级控制系统，包括m个级联的多级可控硅开关，m≥1，其特征在于各多级所述可控硅开关包括的可控硅单元分别依次串联于电动机转子各电阻器后。

作为本发明较佳的实施方式，图1-2给出了一种应用上述多级可控硅开关的电动机转子控制系统，本实施方式中包括2个多级可控硅开关，分别是多级可控硅开关-1和多级可控硅开关-2，每个多级可控硅开关中包括CH0、CH1、CH2共三级可控硅单元，因此，本实施方式中的多级可控硅开关-1和多级可控硅开关-2均为3级可控硅开关。需要注意的是，实际使用中，可以实现多个多级可控硅开关组合使用。且本发明不仅限于3级可控硅开关，可控硅开关可以根据使用需求进一步扩展至任何级数。图3所示为每级可控硅单元的具体结构，每级可控硅由2组或3组正反向并联的可控硅组成。本实施方式中优选包括两组正反向并联的可控硅，通过星型连接，将2组可控硅连接在一起。每个可控硅元件具有正负极和触发极。通过触发极的触发电压控制，实现可控硅的导通。

实际使用过程中，可控硅开关根据触发控制线路接收触发单元的驱动信号工作，单个可控硅有两种不正常工作状态：如触发单元发出开启某一个可控硅的信号，结果该可控硅并没有开启；如触发单元没发出开启某一个可控硅的信号，结果该可控硅开启了。这两种故障模型分别命名为不触发故障和误触发故障。

为了解决可控硅开关的故障诊断及定位问题，本发明还提供了一种电动机转子多级控制系统可控硅开关故障诊断方法，基于多级可控硅开关前端电压与各多级可控硅开关的可控硅单元电压并结合可控硅单元故障判断优先级对单个可控硅故障状态进行诊断。进一步的，还包括设定多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级的步骤。所述可控硅电压只组成可控硅单元的正反向并联的可控硅元件两端的电压。当系统使用多个级联的多级可控硅开关时，所述电动机转子电压为待检测多级可控硅开关的前端电压。本发明还提供了一种基于电动机转子可控硅开关故障检测与报警系统，其特征在于包括：

控制单元；通过多级控制线与所述控制单元连接的信号控制输入单元；以及通过触发控制线与所述控制单元连接，并通过多级触发线与多级可控硅开关组连接的多级可控硅触发单元；通过电压检测线与所述控制单元连接，并通过转子电压采集线与多级可控硅开关第一级控制的电阻器前端连接的电动机转子电压检测单元；通过多级电压检测线与所述控制单元连接，并通过多级电压采集线与多级可控硅开关组连接的可控硅电压检测单元；通过状态故障线与所述控制单元连接的状态故障输出单元。进一步地，所述故障输出单元包括显示故障信息的状态故障显示模块及发送报警信息的报警通信模块。

使用时，控制单元接收信号控制输入单元的控制信号并将其转化为多级可控硅触发信号通过多级触发线可控制可控硅进而控制电动机转子电阻器；同时，控制单元通过电压检测线接收电动机转子电压检测单元发送的电动机转子电压和通过多级电压检测线接收可控硅电压检测单元采集的多级可控硅开关组各可控硅单元的两端电压信息，并根据内置故障模型对多级可控硅开关组的工作状态进行判断，故障发生时通过状态故障输出单元发出故障信息。进一步的，所述故障模型包括对多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级的设定。进一步的，所述故障模型包括单个可控硅单元误触发判断模型及单个可控硅单元不触发判断模型。

由于电动机转子电压为变化值，且系统采用多级可控硅共同控制，因此利用故障模型对某一个可控硅的故障进行判断时，必须检测这些交流信号与输入控制信号进行组合关系，故本系统中有转子电压、可控硅电压两种交流电压，在如图3所示的系统中，利用电动机转子电压检测单元和可控硅电压检测单元，同时利用控制单元实现对交流电压的检测、转换、比较功能。再通过控制单元对采集来的信号进行识别、判断及输出触发信号、状态信号及故障报警信号。针对本实施方式中所述的三通道2组可控硅系统来说，以多级可控硅开关-1为例，具体采集的信号参数如下表所示：

表1多级可控硅开关故障检测参数表

故障模型中包括对各可控硅单元设定不同的优先级，控制单元在对单个可控硅进行判断时，首先要判断个可控硅单元的优先级，并按照优先级由高至低的顺序进行故障判断。本实施方式中设定可控硅单元CH0的优先级最高，可控硅单元CH1的优先级次之，可控硅单元CH2的优先级最低。且每个通道都接收来自信号控制单元输入的一个控制信号，分别为CTRL0、CTRL1、CTRL2。

则误触发模型判断参考如下表所示：

表2误触发模型判断参考

CTRLy	RU	UyVy	WyVy	故障判断
					0,x,x	1	0,x,x	x,x,x	通道0的U相可控硅
0,x,x	1	x,x,x	0,x,x	通道0的W相可控硅
					0,0,x	1	1,0,x	1,x,x	通道1的U相可控硅
0,0,x	1	1,x,x	1,0,x	通道1的W相可控硅
					0,0,0	1	1,1,0	1,1,x	通道2的U相可控硅
0,0,0	1	1,1,x	1,1,0	通道2的W相可控硅

不触发模型判断参考如下表所示：

表3不触发模型判断参考

CTRLy	RU	UyVy	WyVy	故障判断
					1,x,x	x	1,x,x	x,x,x	通道0的U相可控硅
1,x,x	1	x,x,x	1,x,x	通道0的W相可控硅
					x,1,x	1	x,1,x	x,x,x	通道1的U相可控硅
x,1,x	1	x,x,x	x,1,x	通道1的W相可控硅
					x,x,1	1	x,x,1	x,x,x	通道2的U相可控硅
x,x,1	1	x,x,x	x,x,1	通道2的W相可控硅

其中，RU为电动机转子电压，当RU为“1”时表示转子电压值大于限定电压，优选默认AC40V。

UyVy为可控硅单元电压，当UyVy为“1”时表示电压值大于限定电压，限定电压可根据可控硅导通电压进行设置，优选默认DC30V；

表头中y表示，统配0、1、2，如CTRLy分别表示CTRL0、CTRL1、CTRL2，表中的1、x、x分别与之对应。UyVy分别表示U0V0、U1V1、U2V2，表中的1、x、x分别与之对应。

表中的x表示不关心，即0或1不会对判断结果有影响。

针对以上故障报警进行编号，通过报警通信单元与上位机或PLC等支持通讯的设备的连接，将报警信息输出到上位机等设备进行查看和监控。也支持通过继电器组输出工作状态及可控硅开关故障状态等信号，实现实时报警。另外系统中有状态、故障报警指示灯组，通过查看灯组的亮灭，属于状态故障显示单元，用于确定可控硅的故障模型。

本发明还提供了一种基于上述故障诊断系统的应用，包括所述故障诊断系统应用于电动机转子单级可控硅开关的故障诊断。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动机转子多级控制系统可控硅开关故障诊断方法，应用于电动机转子多级控制系统，所述电动机转子多级控制系统，包括m个级联的多级可控硅开关，其中m≥1，所述多级可控硅开关，包括n级可控硅单元，其中n≥2，各级所述可控硅单元由2组或3组正反向并联的可控硅构成，且每级的各组正反向并联的可控硅通过星型方式或三角形方式进行连接，然后再连接于三相线路中，且各级可控硅单元安装于同一散热器，各所述多级可控硅开关包括的可控硅单元分别依次串联于电动机转子各电阻器后，其特征在于，基于多级可控硅开关前端电压与多级可控硅开关的可控硅单元电压并结合可控硅单元故障判断优先级对单个可控硅故障状态进行诊断。

2.根据权利要求1所述的故障诊断方法，其特征在于还包括设定多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级的步骤。

3.一种电动机转子多级控制系统可控硅开关故障诊断系统，其特征在于包括：

控制单元；

通过多级控制线与所述控制单元连接的信号控制输入单元；

以及

通过触发控制线与所述控制单元连接，并通过多级触发线与多级可控硅开关组连接的多级可控硅触发单元；

通过电压检测线与所述控制单元连接，并通过转子电压采集线与多级可控硅开关第一级控制的电阻器前端连接的电动机转子电压检测单元；

通过多级电压检测线与所述控制单元连接，并通过多级电压采集线与多级可控硅开关组连接的可控硅电压检测单元；

通过状态故障线与所述控制单元连接的状态故障输出单元；

使用时，控制单元接收信号控制输入单元的控制信号并将其转化为多级可控硅触发信号通过多级触发线可控制多级可控硅组进而控制电动机转子多级电阻器；同时，控制单元通过电压检测线接收电动机转子电压检测单元发送的电动机转子电压和通过多级电压检测线接收可控硅电压检测单元采集的多级可控硅开关组各可控硅单元的两端电压信息，并根据内置故障模型对多级可控硅开关组的工作状态进行判断，故障发生时通过状态故障输出单元发出故障信息。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述故障模型包括对多级可控硅开关各可控硅单元故障判断优先级设定。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述故障模型包括单个可控硅单元误触发判断模型及单个可控硅单元不触发判断模型。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述故障输出单元包括显示故障信息的状态故障显示模块及发送报警信息的报警通信模块。

7.一种电动机转子单级控制系统可控硅开关故障诊断方法，其特征在于基于权利要求3所述系统进行电动机转子单级可控硅开关的故障诊断。

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