CN111665400A - 缺相检测装置、包括该装置的压缩机及缺相检测方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种缺相检测装置、包括该装置的压缩机及缺相检测方法。根据本公开的实施例，缺相检测装置可以包括信号转换电路和处理器。信号转换电路用于对从电机监测的多相交流(AC)电力的各相相对应的电压信号进行转换。处理器从信号转换电路接收经转换的电压信号，并被配置为基于经转换的电压信号来计算各电压信号之间的相位角。当任意一个或多个所计算的相位角偏离多相AC电力的相应相位角的标称值超出预定阈值时，处理器确定发生了缺相。根据本公开的实施例，可以仅基于电压信号，方便、有效、可靠地实现缺相检测。

Description

缺相检测装置、包括该装置的压缩机及缺相检测方法
技术领域
本公开一般地涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种缺相检测装置、包括该装置的压缩机和缺相检测方法。
背景技术
许多电气设备例如压缩机等在运行时需要进行缺相检测，以进行缺相保护，因为在出现缺相时由于压差的原因可能出现电机反转。目前，通常使用如下两种方法进行缺相检测。第一种方法通过检测电机的电流信号的有无来实现压缩机或电机任何时刻的缺相检测。但是，这种方法需要使用额外的电流传感器。第二种方法通过检测电机的电压信号的有无来实现压缩机或电机启动时刻的缺相检测。但是，由于电机在运行过程中自身能够产生感应电动势，从而导致仍然能够检测出电机电压信号，故而这种方法无法真正实现在压缩机或电机稳定运行时的缺相检测。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种缺相检测装置、包括该装置的压缩机和缺相检测方法，以至少部分地抑制或解决上述问题。
根据本公开的一个方面，提供了一种针对电机的缺相检测装置，包括：信号转换电路和处理器。信号转换电路用于对从电机监测的多相交流(AC)电力的各相相对应的电压信号进行转换。处理器从信号转换电路接收经转换的电压信号，并被配置为基于经转换的电压信号来计算各电压信号之间的相位角。当任意一个或多个所计算的相位角偏离多相AC电力的相应相位角的标称值超出预定阈值时，处理器确定发生了缺相。
在基于电压信号有无进行缺相检测的常规方案中，由于在缺相时电机所产生的感应电动势，可能无法发现某一相电压信号的缺失。与此不同，根据本公开的实施例，即便存在感应电动势，由于感应电动势与其他相之间的相位角将偏离相应相位角的标称值，故而仍然可以进行缺相检测。
根据本公开的实施例，电压信号可以是电机的线电压或相电压。AC电力例如可以是三相AC电力，各相之间相位角的标称值可以是120°，阈值可以是标称值的4％。
根据本公开的实施例，处理器可以被配置为通过以下操作来计算相位角：计算电压信号的周期；针对任意两个电压信号，确定所述两个电压信号在时间上的差，并基于所述差和所计算的周期确定所述两个电压信号之间的相位角。在以下描述中，电压信号在时间上的间隔可以与这两个电压信号之间的相位角互换。为降低测量的随机性以及计算的准确性，处理器还可以被配置为在计算相位角之前，对所述周期和所述差中至少之一进行平均滤波。
信号转换电路可以将电压信号转换为适于处理器处理的形式。
根据本公开的实施例，信号转换电路可以包括降压电路，用于将电压信号的电压降低至适于处理器的电压。例如，降压电路可以包括分压电路。
根据本公开的实施例，信号转换电路可以包括脉冲发生电路，用于基于所述电压信号，产生周期和相位与电压信号的波形相同的脉冲波形。
例如，脉冲发生电路可以包括：光耦，其输入侧光电二极管接收电压信号或与电压信号成比例的电压，其输出侧晶体管被连接为在输入侧光电二极管导通时在输出节点处输出低电平，而在输入侧光电二极管截止时输出高电平。通过光耦，可以很好地实现高压侧与低压侧的解耦。
根据本公开的另一方面，提供了一种压缩机，包括：压缩组件，用于对吸入的气体进行压缩，再将压缩后的气体排出；电机，用于驱动压缩组件；上述缺相检测装置；以及保护开关，被配置为在缺相检测装置检测到发生缺相时打开以关断电机。根据本公开的实施例，缺相检测装置可以检测压缩机中的电机的电压信号。例如，这种压缩机可以是涡旋压缩机。
根据本公开的又一方面，提供了一种针对电机的缺相检测方法，包括：基于从电机监测的多相AC电力的各相相对应的电压信号，计算各电压信号之间的相位角；以及当任意一个或多个所计算的相位角偏离所述多相AC电力的相应相位角的标称值超出预定阈值时，确定发生了缺相。
根据本公开的实施例，通过检测电机电压信号，而无需额外信号，即可实现缺相保护，防止电机因为缺相导致的堵转而大电流运行或反转运行。本发明的缺相检测机制实现方式简单、成本低，可以应用在压缩机保护模块中而无需改变传统接线安装方式，提供了模块产品竞争力和性价比。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示出了根据本公开实施例的检测原理的示意图；
图2是示出了根据本公开实施例的缺相检测装置的示意框图；
图3是示出了根据本公开实施例的波形发生示例的示意图；
图4是示出了根据本公开实施例的脉冲发生电路示例的电路图；
图5(a)和5(b)分别示出了根据本公开实施例的脉冲发生电路的示例；
图6示出了根据本公开实施例的降压电路的示例；
图7是示出了根据本公开实施例的检测算法原理的示意图；
图8是示出了根据本公开实施例的缺相检测方法的流程图；
图9是示出了根据本公开实施例的用于压缩机的缺陷检测装置的电路连接示意图。
贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
对于多相交流(AC)电力，例如来自电网的AC供电，正常情况下各相之间的相位差基本上是恒定的。例如，对于常见的三相AC电力，正常情况下各相之间的相位差基本上是120°。在以下，以三相AC电力为例进行描述，但是本公开不限于此。
这种AC电力施加到电机时，可以使电机运转。电机上的电压信号与AC供电相对应。当在电机运行时发生缺相时，缺失相的电压将被电机感应电动势取代，感应电动势和其他两相电压无法满足如上所述的三相AC电力的各相之间的相位角条件。于是，可以从运转的电机监测各相的电压信号，并基于电压信号之间的相位角，来进行运行时的缺相检测。
例如，在正常情况下，两相的电压信号之间的相位角为120°左右。在此，电压信号可以是电机的线电压或相电压。考虑各种噪声以及检测精度等因素的影响，可以设置一定的阈值例如相位角的4％。正常情况下两相之间的相位角偏离120°不应超出该阈值。如果偏离120°相位角(例如，高于或低于)超出阈值，则可以认为发生了缺相。
图1是示出了根据本公开实施例的检测原理的示意图，更具体地，示意性示出了第一相相对于第二相的线电压1-2以及第二相相对于第三相的线电压2-3的波形。这两个电压信号之间的相位差为120°。更具体地，在时间上，这两个电压信号的波形之间的间隔为与120°的相位差相对应的时间，即周期的1/3，例如在50Hz电网的情况下为20ms/3≈6.7ms，在60Hz电网的情况下为16.67ms/3≈5.6ms。
在此，两个波形之间的间隔可以是指这两个波形的相应点之间的间隔。所谓“相应点”，可以是指它们在相应波形的一个周期中处于相同位置，例如处于周期的开始位置、1/4位置、1/2位置、3/4位置、结束位置等处。这与本领域中提及波形间隔时的定义是一致的。在图1的示例中，示出了两个波形各自前半周期的中间时刻Pa1与Pb1之间的间隔，作为这两个波形之间的间隔。理想情况下，中间时刻Pa1和Pb1可以对应于波峰点。当然，波形间隔也可以体现为后半周期的中间时刻(理想地，对应于波谷点)之间的间隔、过零点之间的间隔等。根据波形间隔以及信号周期，可以确定相位角。例如，如上所述，1/3周期的波形间隔对应于120°的相位角。
可以根据以上原理来设计检测算法。只需向算法输入代表波形特别是其时间位置的数据(例如，波形采样)即可。于是，可以大大简化硬件部分的设计。
图2是示出了根据本公开实施例的缺相检测装置的示意框图。
如图2所示，根据该实施例的缺相检测装置200可以包括信号转换电路201和处理器203。
信号转换电路201可以用于对从电机监测的三相交流电力(如图2中AC所示)的各相相对应的电压信号进行转换。通常，AC电力特别是在压缩机或电机等应用中具有较大电压(例如，220V或380V)，而当处理器203实现为例如微处理器等逻辑器件时其能够承受的电压较低(例如，5V或更低)，因此需要信号转换电路201来转换为适于处理器处理的形式，例如进行电压转换，将AC电力的电压信号降压至处理器203能够处理的范围。
根据本公开的实施例，信号转换电路201不仅可以实现降压，还可以进行波形转换。例如，信号转换电路201可以包括脉冲发生电路，用于基于电压信号，产生周期和相位与电压信号的波形相同的脉冲波形(例如，大致方波信号)。脉冲波形由于具有突变性，对于相位检测或者说时间位置检测来说是有利的。所生成的脉冲波形与转换之前的波形在时间上可以是基本上对准的，即同相，于是生成的脉冲波形可以体现电压信号的波形的相位或者说在时间上的位置，并因此可以用于缺相检测。
图3是示出了根据本公开实施例的波形发生示例的示意图。
如图3所示，在该示例中，基于线电压的波形，生成方波脉冲序列。具体地，可以基于线电压的幅值V超出预定阈值REF的部分来生成脉冲。于是，脉冲序列中各脉冲与线电压波形的波峰部分在时间上基本一致。当然，由于电路元件可能存在的延迟，方波波形的上升沿、下降沿可能有一定的倾斜。阈值REF是可以调节的。
当然，脉冲发生电路也可以不同地设计。例如，脉冲发生电路可以生成在时间上与线电压波形的波谷部分相对应的脉冲序列(例如，通过基于线电压的幅值V低于负的预定阈值的部分来生成脉冲)。
由于线电压1-2和2-3之间的相似性(不考虑噪声和相位差别，它们在原理上应当具有相同波形)，因此无论脉冲发生电路的设计如何，将相同的脉冲发生电路应用于线电压1-2和2-3，则生成的脉冲波形在时间上的相对位置关系与线电压1-2和2-3的波形在时间上的相对位置关系可以保持一致。
图4是示出了根据本公开实施例的脉冲发生电路示例的电路图。
如图4所示，根据该实施例的脉冲发生电路400可以包括比较装置401，以便将线电压(例如第一相AC1相对于第二相AC2的线电压)与阈值电压REF进行比较。根据线电压与阈值电压REF之间的大小关系，比较装置401可以具有不同的输出。在该示例中，考虑到AC电力可能的高电压(例如，220V或380V)，使用能够起到隔离作用的光耦作为比较装置401。光耦包括输入侧光电二极管PD和输出侧晶体管PT。当线电压大于阈值电压REF时，加在光耦401的输入侧光电二极管PD两端的电压可使光电二极管PD导通，并因此使得输出侧晶体管PT导通。另一方面，当线电压小于阈值电压REF时，加在光耦401的输入侧光电二极管PD两端的电压不足以使光电二极管PD导通，并因此使得输出侧晶体管PT截止。
在此，输入侧光电二极管PD可以通过分压电路403来接收线电压。分压电路403包括分压电阻器R1和R2。通过调节分压电阻器R1和R2的阻值来调节分压电路403的分压比，可以调节上述阈值电压REF。
另外，在输入侧串联有二极管D1，以防止反向电流流过光电二极管PD。
在光耦401的输出侧，可以根据输出侧晶体管PT的导通或截止状态，来输出不同的信号，例如高、低电平信号。在本领域有众多电路设计可以实现该目的。在一个示例中，输出侧晶体管PT的一端通过上拉电阻器R3连接到供电电压VSS，且另一端连接到基准电压例如地电压GND。于是，在晶体管PT的输出节点N1处，当晶体管PT导通时(即，线电压高于阈值电压REF时)，输出低电平(近似为地电压GND)，而当晶体管PT截止时(即，线电压低于阈值电压REF时)，输出高电平(近似为供电电压VSS)。晶体管PT的输出节点N1经电阻器R4连接到输出1-2，从而在输出1-2处输出相应地在高低电平之间转换的脉冲。
在此需要指出的是，图4所示的脉冲发生电路400输出的脉冲与图3所示的脉冲在逻辑上是相反的。更具体地，在图3中在线电压高于阈值电压REF时输出高电平的脉冲，而在图4中在线电压高于阈值电压REF时输出低电平的脉冲。但是，这并不影响相位角检测。当然，也可以在脉冲发生电路400之后增加反相器，从而实现与图3所示相同的逻辑。
另外，在节点N1与脉冲发生电路400的输出之间，可以设置滤波电容C1。
在图5(a)和5(b)中分别示出了脉冲发生电路的示例。在图5(a)中，示出了线电压经脉冲发生电路之后被输入至处理器(例如MCU)。在图5(b)中，示出了相电压经脉冲发生电路之后被输入至处理器(例如MCU)
根据本公开的实施例，信号转换电路201可以简单地将电压信号进行降压，是适应处理器203的规范。例如，这种降压电路可以包括电阻网络构成的分压电路。图6示出了这种降压电路的示例。在图6中，示出了相电压经降压之后被输入至处理器(例如MCU)。
回到图2，处理器203可以基于经信号转换电路转换后的电压信号，来计算各电压信号之间的相位角，并据此确定是否发生缺相。例如，处理器203可以根据电压信号的波形，例如由上述脉冲发生电路生成的脉冲波形，计算线电压各自的波形之间(例如，如图1所示的1-2和2-3之间)在时间上的间隔，并基于该间隔，参照以上结合图1描述的原理来判断是否发生缺相。这种计算和判断例如可以由处理器203运行相关程序或执行相关算法来实现。
如上所述，处理器203可以根据电压信号之间在时间上的间隔结合电压信号的周期来计算相位角。
在某些应用中，AC电力的周期可以是固定的，例如为20ms(@50Hz)或16.67ms(@60Hz)。这种情况下，可以在处理器203中预设这种固定周期的值。或者，为了普适性，处理器203可以根据电压信号来确定其周期。例如，处理器203可以根据同一电压信号的波形的两个周期中的相应点(参见图1中线电压1-2的Pa1与Pa2)之间的间隔来确定该电压信号的周期。如上所述，这种相应点可以是波峰点、波谷点、过零点等。基于过零点进行周期检测可能是有利的，特别是在模拟信号的情况下。
处理器203可以根据同一电压信号的波形中相邻的两个周期各自的相应点(这两个点之间的间隔对应于一个周期)，来确定周期值。或者，处理器203可以根据电压信号的波形中彼此间隔开若干周期的两个周期各自的相应点(这两个点之间的间隔对应于若干周期)，来确定周期值。周期值的确定可以进行若干次，例如连续进行或者间隔开一定时间进行。各次获得的周期值可以求平均，以得到最终的周期值。
另外，可以针对不同的电压信号分别确定它们各自的周期值(理论上应当相同)，并可以对这些周期值求平均，以得到最终的周期值。
不同电压信号之间的间隔可以基于它们各自波形的相应周期中的相应点之间的间隔来确定。在此，如果两个相应点之间的间隔不超出一个周期，则可以认为它们处于相应的周期中。如上所述，这种相应点可以是波峰点、波谷点、过零点等。基于过零点进行间隔检测可能是有利的，特别是在模拟信号的情况下。
再参照图3，在一个示例中，可以脉冲的持续时间的中间时刻TC作为该脉冲的时间位置的标志点。在理想情况下，该中间时刻TC可以对应于线电压波形的波峰点。脉冲的中间时刻TC可以根据该脉冲的上升沿所在的时刻T1和下降沿所在的时刻T2来计算，例如TC＝(T1+T2)/2。由于脉冲的上升沿和下降沿的突变性，它们各自的时刻相对易于以较高的精度来检测。
图7是示出了根据本公开实施例的检测算法原理的示意图。
如图7所示，在三相AC电力的情况下，考虑两个线电压1-2和2-3。图7中示出了这两个线电压的波形偏离了正常间隔(如上所述，120°)的情况。线电压1-2和2-3的波形例如通过上述脉冲发生电路而被转换为脉冲波形。接着，可以基于这些波形在时间上的间隔来进行缺相检测。
由于周期的重复性，因此可以通过时间上相邻的若干脉冲即可实现检测。在图7的示例中，选取了线电压1-2相应的脉冲波形中的两个相邻脉冲PULSE1和PULSE2以及线电压2-3相应的脉冲波形中处于这两个脉冲PULSE1和PULSE2之间的一个相邻脉冲PULSE3。在实际操作中，可以在识别到脉冲PULSE1之后才开始识别脉冲PULSE3。在没有识别到脉冲PULSE1的情况下，可以不开始检测，因为此时至少线电压1-2中存在问题。并且如果不能识别到脉冲PULSE1的状态持续超过一定时间(例如，一个周期的持续时间)，则可以报错。
在检测到这三个脉冲PULSE1、PULSE2和PULSE3的情况下，可以计算它们在时间上的位置，例如基于它们各自的中间时刻Tac0、Tac1和Tbc0。可以通过这些中间时刻之间的间隔，来计算周期值以及波形之间的间隔。例如，周期值可以根据(Tac1-Tac0)来计算，波形间隔可以根据(Tbc0-Tac0)来计算。于是，相位角可以计算为[(Tbc0-Tac0)/(Tac1-Tac0)]*360°。
根据本公开的实施例，在计算相位角之前，可以对周期值和波形间隔进行平均滤波。
处理器203可以是能够运行可执行代码的各种装置或器件，例如可编程器件如现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器(μP)或微控制单元(MCU)等。可执行代码可以固化到处理器203中，或者可以从外部加载到处理器203中。
另外，缺相检测装置200还可以包括模数(A/D)转换器205，用于将信号转换电路201的模拟输出转换为数字形式，以便于处理器203进行处理。当然，信号转换电路201本身也可以设计成数字式的，或者A/D转换器205可以包括在处理器203中。
图8是示出了根据本公开实施例的缺相检测方法的流程图。
如图8所示，根据该实施例的方法800可以包括在801基于电压波形来计算相位角。相位角可以如上所述通过波形之间的时间间隔结合电压信号的周期值来计算。
在802，可以基于计算的相位角，确定是否发生缺相。这种确定可以如上所述通过软件或算法进行。
根据本公开的实施例，这种缺相检测装置或方法可以应用于压缩机。在检测到缺相时，可以将保护开关打开以关断电机，以保护电机和压缩机。压缩机可以是涡旋压缩机、往复式压缩机等。以涡旋压缩机为例，当出现缺相时，电机仍然会感应电动势，但是此时的电机无法带动负载正常运转，从而导致压缩机内部的其他压缩部件拖动电机运转，从而使得压缩机内部的其他部件比如涡旋等损坏。根据本公开的实施例，压缩机是定频压缩机。
图9是示出了根据本公开实施例的用于压缩机的缺陷检测装置的电路连接示意图。
如图9所示，压缩机901通过供电线路例如从电网接收供电。在此，电网例如提供220V或380V交流电，包括三相线路L1、L2、L3以及零线N。在压缩机901与供电源之间设置有接触器K1，以实现压缩机901的开启/关闭。压缩机901的外壳可以连接到保护地PE。
从压缩机901中的电机监测的各相电压信号分别送入缺相检测装置903的监测端口L1、L2、L3。另外，缺相检测装置901的供电端口L和N端口可以连接到供电源，以接收供电从而实现自身运行。缺相检测装置901可以如上所述配置，更具体地，基于监测端口L1、L2、L3上的电机电压信号来判断是否发生缺相。当检测到缺相时，可以通过输出端口M1、M2来打开保护开关。在图9所示的配置中，由于保护开关的打开，可以使接触器K1断开压缩机901的供电。
在图9的配置中，缺相检测装置903可以只在压缩机901启动(接通接触区K1)之后工作，因为此时才能从电机上监测到电压信号。缺相检测装置903可以设置在压缩机901的外壳之内。
图9中各线路上的保险丝F1-F3、F4、F5主要是为了提供短路、过流等保护。
根据本公开的实施例，可以基于电压信号实现缺相检测，从而无需电流传感器之类的额外部件。另外，可以实现连续检测，而不仅仅在压缩机启动时有效，从而可以充分保护电机和压缩机。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (12)

1.一种针对电机的缺相检测装置，包括：
信号转换电路，用于对从电机监测的多相交流电力的各相相对应的电压信号进行转换；以及
处理器，从信号转换电路接收经转换的电压信号，并被配置为：
基于经转换的电压信号，计算各电压信号之间的相位角；以及
当任意一个或多个所计算的相位角偏离所述多相交流电力的相应相位角的标称值超出预定阈值时，确定发生了缺相。
2.根据权利要求1所述的缺相检测装置，其中，所述电压信号包括电机的相电压或线电压。
3.根据权利要求1所述的缺相检测装置，其中，所述多相交流电力为三相交流电力，所述标称值为120°，所述阈值为所述标称值的4％。
4.根据权利要求1所述的缺相检测装置，其中，处理器被配置为通过以下操作来计算相位角：
计算电压信号的周期；
针对任意两个电压信号，确定所述两个电压信号在时间上的差，并基于所述差和所计算的周期确定所述两个电压信号之间的相位角。
5.根据权利要求1所述的缺相检测装置，其中，所述信号转换电路包括脉冲发生电路，用于基于所述电压信号，产生周期和相位与所述电压信号的波形相同的脉冲波形。
6.根据权利要求5所述的缺相检测装置，其中，所述脉冲发生电路包括：
光耦，其输入侧光电二极管接收所述电压信号或与所述电压信号成比例的电压，其输出侧晶体管被连接为在输入侧光电二极管导通时在输出节点处输出低电平，而在输入侧光电二极管截止时输出高电平。
7.一种压缩机，包括：
压缩组件，用于对吸入的气体进行压缩，再将压缩后的气体排出；
电机，用于驱动所述压缩组件；
根据权利要求1至6中任一项所述的缺相检测装置；以及
保护开关，被配置为在所述缺相检测装置检测到发生缺相时打开以关断电机。
8.如权利要求7所述的压缩机，其中，所述压缩机为涡旋压缩机。
9.一种针对电机的缺相检测方法，包括：
基于从电机监测的多相交流电力的各相相对应的电压信号，计算各电压信号之间的相位角；以及
当任意一个或多个所计算的相位角偏离所述多相交流电力的相应相位角的标称值超出预定阈值时，确定发生了缺相。
10.根据权利要求9所述的缺相检测方法，其中，所述电压信号包括电机的相电压或线电压。
11.根据权利要求9所述的缺相检测方法，其中，所述多相交流电力为三相交流电力，所述标称值为120°，所述阈值为所述标称值的4％。
12.根据权利要求9所述的缺相检测方法，其中，计算相位角包括：
计算电压信号的周期；
针对任意两个电压信号，确定所述两个电压信号在时间上的差，并基于所述差和所计算的周期确定所述两个电压信号之间的相位角。
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