CN111707878A - 一种三相电机缺相检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相电机缺相检测系统和方法，三相电机缺相检测系统包括三相电机、逆变器模块、信号采集电路、自举电路和控制模块，信号采集电路包括分别用于采集三相电机的第一相电流和第二相电流的第一电流采集芯片和第二电流采集芯片，自举电路包括直流电源、第一电容和第二电容；两个电容分别连接在两个电流采集芯片的两个供电接口之间，两个电容的一端与所述直流电源的高压端连接，另一端分别与第一、二相的供电线连接；控制模块可控制所述三相电机的第三相与所述输入电源的负极之间的通断；该系统和方法可在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极，从而根据第一相电流和第二相电流的电流值有效判断缺相情况。

Description

一种三相电机缺相检测系统和方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种三相电机缺相检测系统和方法。

背景技术

目前对三相电机的缺相检测，一般是基于对电机运行过程中的三相电流或三相电压的检测而进行。对于运行中的电机来说，判断电机是否发生缺相也相对比较简单，以基于三相电流进行检测为例，只需要直接采集电机的某相电流，并在一段时间内积分，根据积分值是否为0即可进行判断，具体来说，若一相电流积分值为0而另两相不为0，则可确定该相缺相。

然而，由于目前的缺相检测系统和方法均是针对运行中的电机进行的，在缺相情况下运行电机可能会对驱动器和电机造成损坏，因此，需要寻求一种可以在电机运行前有效判断缺相情况的检测系统和方法。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本申请实施例的目的在于提供一种三相电机缺相检测系统和方法，可以在电机运行前有效判断缺相情况。

第一方面，本申请实施例提供一种三相电机缺相检测系统，包括三相电机，还包括：

逆变器模块，其输入端与输入电源的正、负极连接，其输出端与所述三相电机连接，并用于把输入的直流电转化为三相交流电以向所述三相电机供电；

信号采集电路，包括第一电流采集芯片和第二电流采集芯片；所述第一电流采集芯片和第二电流采集芯片分别用于采集所述三相电机的第一相和第二相的电流；

自举电路，包括直流电源、第一电容和第二电容；所述第一电容连接在所述第一电流采集芯片的两个供电接口之间，所述第一电容的一端与所述直流电源的高压端连接，另一端与第一相的供电线连接；所述第二电容连接在所述第二电流采集芯片的两个供电接口之间，所述第二电容的一端与所述直流电源的高压端连接，另一端与第二相的供电线连接；

控制模块，包括控制芯片和控制电路，所述控制芯片与所述第一电流采集芯片和第二电流采集芯片连接，所述控制电路用于在所述控制芯片的控制下使所述三相电机的第三相与所述输入电源的负极接通。

所述的三相电机缺相检测系统中，所述逆变器模块包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT和第三电容；第一IGBT、第三IGBT、五IGBT的集电极均通过第一公共端与所述输入电源的正极连接，第二IGBT、第四IGBT、第六IGBT的发射极均通过第二公共端与所述输入电源的负极连接，第一IGBT的发射极、第二IGBT的集电极均连接所述第一相的供电线输入端，第三IGBT的发射极、第四IGBT的集电极均连接所述第二相的供电线输入端，第五IGBT的发射极、第六IGBT的集电极均连接所述第三相的供电线输入端；所述第三电容连接在所述第一公共端与第二公共端之间。

所述的三相电机缺相检测系统中，所述控制电路包括连接在所述控制芯片与所述第六IGBT的栅极之间的控制连接线，以及设置在该控制连接线上的隔离驱动光耦。

所述的三相电机缺相检测系统中，所述自举电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管连接在所述直流电源的高压端和所述第一电容之间，所述第二二极管连接在所述直流电源的高压端和所述第二电容之间。

所述的三相电机缺相检测系统中，所述第一电容和第二电容的电容值为10uF-100uF。

第二方面，本申请实施例提供一种三相电机缺相检测方法，应用于所述的三相电机缺相检测系统，包括步骤：

在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极；

预设时间之后，采集所述三相电机的第一相电流和第二相电流；

根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相。

所述的三相电机缺相检测方法中，所述在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极的步骤包括：通过向第六IGBT的栅极发送控制信号，从而导通第六IGBT。

所述的三相电机缺相检测方法中，所述根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相的步骤包括：

若所述第一相电流和第二相电流的电流值均小于预设阈值，则判定没有缺相；

若所述第一相电流和第二相电流的电流值中的至少一个不小于预设阈值，则判定缺相。

进一步的，所述若所述第一相电流和第二相电流的电流值中的至少一个不小于预设阈值，则判定缺相的步骤包括：

若只有第一相电流的电流值不小于预设阈值，则判定第一相缺相；

若只有第二相电流的电流值不小于预设阈值，则判定第二相缺相；

若第一相电流和第二相电流的电流值均不小于预设阈值，则判定缺相情况属于第三相缺相、第一、二相同时缺相、三相同时缺相三种情况之一。

所述的三相电机缺相检测方法中，所述在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极的步骤之前，还包括：

获取电机启动指令；

所述根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相的步骤之后，还包括：

若所述三相电机缺相，则控制驱动器停机。

有益效果：

本申请实施例提供的一种三相电机缺相检测系统和方法，在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极，若不缺相，则第一电容、第二电容均能建立自举电压，使两个电流采集芯片正常工作，从而可采集到两个接近零的电流值，否则表明缺相；该三相电机缺相检测系统和方法可以在电机运行前有效判断缺相情况，有利于保护驱动器和电机，大大提高驱动器和电机的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的三相电机缺相检测系统的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的三相电机缺相检测系统的原理图。

图3为本申请实施例提供的三相电机缺相检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本申请实施例提供的一种三相电机缺相检测系统，包括三相电机1，还包括：

逆变器模块2，其输入端与输入电源的正、负极(DC+、DC-)连接，其输出端与三相电机1连接，并用于把输入的直流电转化为三相交流电以向三相电机1供电；

信号采集电路3，包括第一电流采集芯片3.1和第二电流采集芯片3.2；所述第一电流采集芯片3.1和第二电流采集芯片3.2分别用于采集所述三相电机1的第一相和第二相的电流；

自举电路4，包括直流电源4.1、第一电容C1和第二电容C2；第一电容C1连接在第一电流采集芯片3.1的两个供电接口之间，第一电容C1的一端与直流电源4.1的高压端连接，另一端与第一相的供电线连接；第二电容C2连接在第二电流采集芯片3.2的两个供电接口之间，第二电容C2的一端与直流电源4.1的高压端连接，另一端与第二相的供电线连接；

控制模块，包括控制芯片5.1和控制电路，控制芯片5.1与第一电流采集芯片3.1和第二电流采集芯片3.2连接，控制电路用于在控制芯片5.1的控制下使三相电机1的第三相与输入电源的负极DC-接通。

以第一相为U相、第二相为V相、第三相为W相为例，工作原理如下：当需要进行电机运行前的缺相情况检测时，控制模块使W相与输入电源的负极DC-接通，此时，若没有缺相情况，则第一电容C1和第二电容C2均开始充电，如图2，第一电容C1充电时，形成的自举电流的流向如图中的实线箭头所示，先流过第一电容C1再通过U相的供电线流入三相电机1，再从W相的供电线流出到输入电源的负极DC-；第二电容C2充电时，形成的自举电流的流向如图中的虚线箭头所示，先流过第二电容C2再通过V相的供电线流入三相电机1，再从W相的供电线流出到输入电源的负极DC-；充电完成后，第一电容C1和第二电容C2两端形成电压为第一电流采集芯片3.1、第二电流采集芯片3.2供电，使第一电流采集芯片3.1、第二电流采集芯片3.2正常工作，由于三相电机1还没运行，且已经完成充电，U、W相的电流理论上为零，可设置一个预设阈值Iref，当检测到两个电流值均小于该预设阈值Iref，则表明没有缺相；当第一电容C1或第二电容C2无法完成充电，表示对应的自举电流回路断路，此时第一电流采集芯片3.1或第二电流采集芯片3.2无法正常工作，其输出端将输出连续的高电平，控制芯片5.1根据电流采集芯片输出的电平计算得到的电流值为接近满偏的电流值（必然不小于预设阈值Iref），因此，当U、W相的电流值中的至少一个不小于预设阈值Iref时，表明缺相。可见该三相电机缺相检测系统和方法可以在电机运行前有效判断缺相情况，有利于保护驱动器和电机，大大提高驱动器和电机的可靠性和安全性。

其中，第一电流采集芯片3.1、第二电流采集芯片3.2为现有技术，可根据实际需要在市场上购买得到，例如，可采用为BROADCOM公司的ACPL-796H芯片。ACPL-796H芯片的工作电压是15V，因此，使用ACPL-796H芯片时，直流电源4.1的供电电压为15V。该ACPL-796H芯片在工作时，其副边的时钟端口会接收控制芯片5.1发送的5MHz-20MHz时钟信号，并向控制芯片5.1发送带预设脉宽的数字信号，控制芯片5.1经过数字信号的校对，就可以得到相电流准确的值；若ACPL-796H芯片的原边无供电时，将会向控制芯片5.1输出一个连续的高电平，控制芯片5.1经过数字信号的校对，将得到接近满偏的电流值。

进一步的，信号采集电路3还包括第一电阻3.3和第二电阻3.4，第一电阻3.3和第二电阻3.4分别设置在三相电机1的第一相和第二相的供电线上，第一电流采集芯片3.1的采样端与第一电阻3.3的两端连接，第二电流采集芯片3.2的采样端与第二电阻3.4的两端连接。通过第一电阻3.3和第二电阻3.4通过采集电阻两端的电压值，再用电压值除以对应的电阻值，即可得到电流值，即，由于第一电阻3.3和第二电阻3.4的电阻值是固定且已知的，其两端的电压值与流过的电流值之间是一一对应的，通过采集电压值即可得到电流值。

其中，控制芯片5.1可以是MCU、ARM、DSP等具有逻辑运算能力的芯片。

其中，逆变器模块2包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT（即Q1-Q6）和第三电容C3；第一IGBT、第三IGBT、五IGBT（即Q1、Q3、Q5）的集电极均通过第一公共端与输入电源的正极DC+连接，第二IGBT、第四IGBT、第六IGBT（即Q2、Q4、Q6）的发射极均通过第二公共端与输入电源的负极DC-连接，第一IGBT的发射极、第二IGBT的集电极均连接第一相（图1中为U相）的供电线输入端，第三IGBT的发射极、第四IGBT的集电极均连接第二相（图1中为V相）的供电线输入端，第五IGBT的发射极、第六IGBT的集电极均连接第三相（图1中为W相）的供电线输入端；第三电容C3连接在第一公共端与第二公共端之间。其中，IGBT即绝缘栅双极型晶体管。

一般地，逆变器模块2中的每个IGBT的栅极均会与控制芯片5.1连接，以便控制芯片5.1在三相电机1运行时控制各IGBT的通断，且各IGBT与控制芯片5.1之间一般会进行光电隔离。本实施例中，见图1，控制电路包括连接在控制芯片5.1与第六IGBT（图中的Q6）的栅极之间的控制连接线5.2，以及设置在该控制连接线5.2上的隔离驱动光耦5.3；即直接采用第六IGBT与控制芯片5.1之间的线路作为控制电路，从而无需增加额外电路即可实现控制三相电机1的第三相与输入电源的负极DC-之间通断的功能，成本较低。实际上，也可在输入电源的负极DC-与第三相的供电线之间另外连接一个开关管，并使控制连接线5.2连接在该开关管上。

在一些优选的实施方式中，见图1，自举电路4还包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1连接在直流电源4.1的高压端和第一电容C1之间，第二二极管D2连接在直流电源4.1的高压端和第二电容C2之间；以防止出现反向电流而损坏直流电源4.1。

一般地，如图1，直流电源4.1和逆变器模块2的第二公共端是接地的，以保证安全性。

其中，第一电阻3.3和第二电阻3.4的阻值和功率范围可根据实际需要进行设置，例如，可根据电机驱动系统的功率和相电流采样单位进行计算。

其中，第一电容C1和第二电容C2主要根据系统运行的开关频率进行选型；优选的，第一电容和第二电容的电容值为10uF-100uF，其诊断效率的最佳。

需要说明的是，在三相电机1正常运行过程中，由于电机驱动的载频都比较高，因此在三相电机1正常工作时，Q2,Q4,Q6三个IGBT都会快速导通，保证自举电容（第一电容C1和第二电容C2）两端能量随时得到补充，进而保证两个电流采样芯片（第一电流采集芯片3.1和第二电流采集芯片3.2）能够在三相电机1运行时准确的采集相电流，进而完成三相电机1控制（即不会影响三相电机1的正常运行的控制）。

由上可知，该三相电机缺相检测系统，不但能够在电机运行前有效判断缺相情况，有利于保护驱动器和电机，大大提高驱动器和电机的可靠性和安全性；而且结构简单，成本较低；其故障逻辑判断简单，有利于降低软件程序的复杂度；此外，由于在电机运行前进行缺相检测时，若没有缺相则对应的电流采集芯片会输出低电平电压，若缺相则对应的电流采集芯片会输出高电平电压，即此时电流采集芯片只有输出高电平或低电平两种情况，控制芯片5.1根据输出电平的高低即可判断是否缺相，判断容易且出错率低，缺相检测结果准确。

请参阅图3，本申请实施例还提供一种三相电机缺相检测方法，应用于上述的三相电机缺相检测系统，包括步骤：

A1.在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极；

A2.预设时间之后，采集三相电机的第一相电流和第二相电流；

A3.根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相。

在一些实施方式中，步骤A1包括：通过向第六IGBT（即图1中的Q6）的栅极发送控制信号（一般为PWM脉冲信号），从而导通第六IGBT；导通第六IGBT即可使三相电机的第三相与输入电源的负极接通。对于在输入电源的负极DC-与三相电机的第三相（图1中的W相）的供电线之间另外连接一个开关管并使控制连接线5.2连接在该开关管上的情况，则该步骤A1包括：通过向该开关管发送控制信号，从而导通该开关管；导通该开关管即可使三相电机的第三相与输入电源的负极接通。

其中，在电机运行前是指此时的逆变器模块2不向三相电机1供电，不接通Q1-Q5即可。

在步骤A2中，在预设时间之后才开始采集三相电机的第一相电流和第二相电流，是为了使第一电容C1和第二电容C2能够充分充电形成自举电压，保证采集到的电流值准确。一般地，该预设时间为300ms，足够令第一电容C1和第二电容C2充分充电。

具体的，步骤A3包括：

A301.若第一相电流和第二相电流的电流值均小于预设阈值Iref，则判定没有缺相；

A302.若第一相电流和第二相电流的电流值中的至少一个不小于预设阈值Iref，则判定缺相。

若没有缺相情况，在步骤A1之后，第一电容C1和第二电容C2均开始充电，如图2，第一电容C1充电时，形成的自举电流的流向如图中的实线箭头所示，先流过第一电容C1再通过U相的供电线流入三相电机1，再从W相的供电线流出到输入电源的负极DC-；第二电容C2充电时，形成的自举电流的流向如图中的虚线箭头所示，先流过第二电容C2再通过V相的供电线流入三相电机1，再从W相的供电线流出到输入电源的负极DC-；充电完成后，第一电容C1和第二电容C2两端形成电压为第一电流采集芯片3.1、第二电流采集芯片3.2供电，使第一电流采集芯片3.1、第二电流采集芯片3.2正常工作，由于此时三相电机1还没运行，且已经完成充电，U、W相的电流理论上为零，可用预设阈值Iref为判定条件，当检测到两个电流值均小于该预设阈值Iref，则表明没有缺相，否则表示至少有一相缺相。

进一步的，步骤A302包括：

A3021.若只有第一相电流的电流值不小于预设阈值Iref，则判定第一相缺相；

A3022.若只有第二相电流的电流值不小于预设阈值Iref，则判定第二相缺相；

A3023.若第一相电流和第二相电流的电流值均不小于预设阈值Iref，则判定缺相情况属于第三相缺相、第一、二相同时缺相、三相同时缺相三种情况之一（即判定缺相情况为“第三相缺相或第一、二相同时缺相或三相同时缺相”）。

若只有第一相电流的电流值不小于预设阈值Iref，表示第一电容C1不能成功充电，而第二电容C2能够成功充电，说明只有第一相缺相缺相；

若只有第二相电流的电流值不小于预设阈值Iref，表示第二电容C2不能成功充电，而第一电容C1能够成功充电，说明只有第二相缺相缺相；

若第一相电流和第二相电流的电流值均不小于预设阈值Iref，表示第一电容C1和第二电容C2均不能成功充电，可能是第三相缺相造成的，也可能是第一相、第二相同时缺相造成的，还可能是三相同时缺相造成的，因此只能判定取向情况属于“第三相缺相、第一、二相同时缺相、三相同时缺相三种情况之一”。

可见，缺相故障的逻辑判断简单，有利于降低软件程序的复杂度。

在一些优选实施方式中，步骤A1之前，还包括：

A0.获取电机启动指令；

步骤A3之后，还包括：

A4.若三相电机缺相，则控制驱动器停机。

在该实施方式中，以电机启动指令作为触发条件，从而开始执行步骤A1-A3的运行前检测，使三相电机1每次运行前均进行一次缺相检测，可充分保证驱动器和电机的安全；此外，一旦发现存在缺相的情况，即令驱动器停机，从而避免电机误启动，可进一步保证驱动器和电机的安全。

由上可知，该三相电机缺相检测方法，通过在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极；预设时间之后，采集三相电机的第一相电流和第二相电流；根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相；可以在电机运行前有效判断缺相情况，有利于保护驱动器和电机，大大提高驱动器和电机的可靠性和安全性。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (10)

1.一种三相电机缺相检测系统，包括三相电机，其特征在于，还包括：

逆变器模块，其输入端与输入电源的正、负极连接，其输出端与所述三相电机连接，并用于把输入的直流电转化为三相交流电以向所述三相电机供电；

信号采集电路，包括第一电流采集芯片和第二电流采集芯片；所述第一电流采集芯片和第二电流采集芯片分别用于采集所述三相电机的第一相和第二相的电流；

自举电路，包括直流电源、第一电容和第二电容；所述第一电容连接在所述第一电流采集芯片的两个供电接口之间，所述第一电容的一端与所述直流电源的高压端连接，另一端与第一相的供电线连接；所述第二电容连接在所述第二电流采集芯片的两个供电接口之间，所述第二电容的一端与所述直流电源的高压端连接，另一端与第二相的供电线连接；

控制模块，包括控制芯片和控制电路，所述控制芯片与所述第一电流采集芯片和第二电流采集芯片连接，所述控制电路用于在所述控制芯片的控制下使所述三相电机的第三相与所述输入电源的负极接通。

2.根据权利要求1所述的三相电机缺相检测系统，其特征在于，所述逆变器模块包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT和第三电容；第一IGBT、第三IGBT、五IGBT的集电极均通过第一公共端与所述输入电源的正极连接，第二IGBT、第四IGBT、第六IGBT的发射极均通过第二公共端与所述输入电源的负极连接，第一IGBT的发射极、第二IGBT的集电极均连接所述第一相的供电线输入端，第三IGBT的发射极、第四IGBT的集电极均连接所述第二相的供电线输入端，第五IGBT的发射极、第六IGBT的集电极均连接所述第三相的供电线输入端；所述第三电容连接在所述第一公共端与第二公共端之间。

3.根据权利要求2所述的三相电机缺相检测系统，其特征在于，所述控制电路包括连接在所述控制芯片与所述第六IGBT的栅极之间的控制连接线，以及设置在该控制连接线上的隔离驱动光耦。

4.根据权利要求1所述的三相电机缺相检测系统，其特征在于，所述自举电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管连接在所述直流电源的高压端和所述第一电容之间，所述第二二极管连接在所述直流电源的高压端和所述第二电容之间。

5.根据权利要求1所述的三相电机缺相检测系统，其特征在于，所述第一电容和第二电容的电容值为10uF-100uF。

6.一种三相电机缺相检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的三相电机缺相检测系统，包括步骤：

在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极；

预设时间之后，采集所述三相电机的第一相电流和第二相电流；

根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相。

7.根据权利要求6所述的三相电机缺相检测方法，其特征在于，所述三相电机缺相检测系统的逆变器模块包括第六IGBT，所述第六IGBT的的发射极与输入电源的负极连接，其集电极连接第三相的供电线输入端；所述在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极的步骤包括：通过向第六IGBT的栅极发送控制信号，从而导通第六IGBT。

8.根据权利要求6所述的三相电机缺相检测方法，其特征在于，所述根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相的步骤包括：

若所述第一相电流和第二相电流的电流值均小于预设阈值，则判定没有缺相；

若所述第一相电流和第二相电流的电流值中的至少一个不小于预设阈值，则判定缺相。

9.根据权利要求8所述的三相电机缺相检测方法，其特征在于，所述若所述第一相电流和第二相电流的电流值中的至少一个不小于预设阈值，则判定缺相的步骤包括：

若只有第一相电流的电流值不小于预设阈值，则判定第一相缺相；

若只有第二相电流的电流值不小于预设阈值，则判定第二相缺相；

若第一相电流和第二相电流的电流值均不小于预设阈值，则判定缺相情况属于第三相缺相、第一、二相同时缺相、三相同时缺相三种情况之一。

10.根据权利要求6所述的三相电机缺相检测方法，其特征在于，所述在三相电机运行前，接通三相电机的第三相与输入电源的负极的步骤之前，还包括：

获取电机启动指令；

所述根据第一相电流和第二相电流的电流值判断三相电机是否缺相的步骤之后，还包括：

若所述三相电机缺相，则控制驱动器停机。

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