CN112865019A

CN112865019A - 变频回路中的电动机保护方法及装置

Info

Publication number: CN112865019A
Application number: CN202011626377.XA
Authority: CN
Inventors: 刘奕骋; 李志鹏; 邹宇星
Original assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-28

Abstract

本发明公开了一种变频回路中的电动机保护方法，使用以下方法进行电动机的频率测量：通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β，并利用

计算出相位角θ；以相位角θ为输入，利用锁相环方法得到当前的角频率ω，最后根据ω得到电动机的频率

本发明还公开了一种变频回路中的电动机保护装置。相比现有技术，本发明可快速准确地获得电动机频率，进而实现更好地电动机保护效果。

Description

变频回路中的电动机保护方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电动机保护方法，尤其涉及一种变频回路中的电动机保护方法及装置。

背景技术

常规的电动机保护器一般仅适用于普通电动机，不适用于变频电机。常规的电动机保护器的频率测量方法一般为过零点检测，如图1所示，过零点检测主要是在交流系统中，当电压或电流波形从正半周向负半轴转换时，经过零位时，系统做出检测；后通过交替的零点间隔时间t求倒数计算出频率。而在变频回路中，变频器输出电压为PWM波，无法进行过零点检测，若使用电流进行过零点计算，则由于电流波动范围大，在小电流情况下AD零位和采样等误差影响估算精度，很难估算过零点。如果无法准确估算频率，则对在不同频率下电动机的保护也相应有很大的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种变频回路中的电动机保护方法，可快速准确地获得电动机频率，进而实现更好地电动机保护效果。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种变频回路中的电动机保护方法，使用以下方法进行电动机的频率测量：通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β，并利用

进一步地，该方法还包括利用下式获得电流有效值计算所需的采样计算周期T：

其中，N为采样电流周期数且N≥1，M为采样缓冲数据数且M≥5。

更进一步地，利用以下方法实现接地保护：根据检测到的三相电流I_a、I_b、I_c，利用电流平衡方程得到接地电流I_o；根据所述采样计算周期T对接地电流I_o进行有效值计算，得到接地电流有效值I_ocalc；最后通过将接地电流有效值I_ocalc与预设的接地保护设定值比较来进行接地保护。

进一步地，该方法还包括通过以下方法实现缺相保护：根据所述采样计算周期T对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c进行有效值计算，得到三相电流有效值I_an、I_bn、I_cn，并根据电动机的频率f通过方程

计算判定时间T_d，其中的常量G≥1；当三相电流的不平衡度大于设定值且时间大于判定时间T_d时，判定为缺相故障并执行缺相保护，三相电流的不平衡度计算公式如下：

进一步地，该方法还包括利用能量累计方程计算当前电动机热能并根据电动机热能是否大于过载保护设定值而实现过载保护，其中能量累计方程所使用的三相电流合成有效值I_n通过方程

计算得到。

基于相同的发明构思还可以得到以下技术方案：

一种变频回路中的电动机保护装置，包括频率计算单元，用于使用以下方法进行电动机的频率测量：通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β，并利用

进一步地，该装置还包括速率匹配单元，用于利用下式获得电流有效值计算所需的采样计算周期T：

更进一步地，该装置包括接地保护单元，用于利用以下方法实现接地保护：根据检测到的三相电流I_a、I_b、I_c，利用电流平衡方程得到接地电流I_o；根据所述采样计算周期T对接地电流I_o进行有效值计算，得到接地电流有效值I_ocalc；最后通过将接地电流有效值I_ocalc与预设的接地保护设定值比较来进行接地保护。

进一步地，该装置还包括缺相保护单元，用于通过以下方法实现缺相保护：根据所述采样计算周期T对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c进行有效值计算，得到三相电流有效值I_an、I_bn、I_cn，并根据电动机的频率f通过方程

进一步地，该装置还包括过载保护单元，用于利用能量累计方程计算当前电动机热能并根据电动机热能是否大于过载保护设定值而实现过载保护，其中能量累计方程所使用的三相电流合成有效值I_n通过方程

计算得到。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明由于采用上述方案，不仅能对电动机进行保护，而且能够防止因电动机损坏而损坏上级变频系统。相比现有技术，频率检测方法基于锁相环计算后，频率估算小电流时受AD零位等误差影响小，频率估算误差小，频率跟踪快，延时小。能够在宽范围频率下保护电动机，保护准确，可有效避免传统电动机保护器在电动机低频段运行时的误动作。

附图说明

图1为现有的过零点频率检测技术的原理示意图；

图2为本发明电动机保护装置一个优选实施例的结构原理框图；

图3为实施例中频率计算单元的结构原理示意图；

图4为实施例中接地保护单元的结构原理示意图；

图5为实施例中过载保护单元的结构原理示意图；

图6为实施例中缺相保护单元的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明电动机保护装置的一个优选实施例。如图1所示，该电动机保护装置具有电流检测单元、频率计算单元、执行开关，还包括速率匹配单元和故障诊断模块，电流检测单元检测的三相电流I_a、I_b、I_c，输入频率计算单元，通过旋转矢量相位角θ的锁相环算法计算出当前电动机的频率f，根据频率f通过速率匹配算法计算出采样计算周期T；频率f、计算采样周期T和三相电流I_a、I_b、I_c作为故障诊断模块的计算输入参数进行故障诊断并向执行开关发出相应控制信号。

具体地，电流计算单元对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c通过方程：

I_o＝I_a+I_b+I_c

计算得到接地电流I_o；

通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β：

并通过方程：

计算得到三相电流合成有效值I_n。

如图3所示，频率计算单元两相电流I_α、I_β，并利用

计算出相位角θ，该相位角θ通过锁相环计算可得当前角频率ω，锁相环的输入为相位角θ，对角频率进行积分得到相位角

相位角θ减去相位角

后乘以增益系数F得到当前角频率ω，为了使得计算更加精确，角频率ω经过滤波器滤波后得到角频率ω_lpf，最后根据ω_lpf计算出电动机的频率f，本实施例中的滤波器可以是一阶低通滤波器、二阶低通滤波器也可以是均值滤波器等，例如，本实施例中采用均值滤波器，ω_lpf为若干个周期的角频率均值，具体可以是将当前角频率ω与上周期计算得的角频率ω₂和上上周期计算得的角频率ω₃相加后除以3可得ω_lpf，即

再通过方程

计算可得当前的电动机频率f。

所述速率匹配单元利用下式获得电流有效值计算所需的采样计算周期T：

所述故障诊断模块用于根据频率检测单元、频率计算单元、速率匹配单元的输出对故障进行判断并根据判断结果控制执行开关动作，从而实现电动机保护。故障诊断模块接地保护单元、缺相保护单元、过载保护单元等保护功能单元，也可以为这些保护功能单元的组合。

如图4所示，本实施例中的接地保护单元根据采样计算周期T，对接地电流I_o进行有效值计算得I_ocalc，当I_ocalc大于接地保护设定值时，接地保护单元向执行开关发送控制信号。接地保护设定值可设定为I_op≥0.5I，I为电动机额定电流。

如图5所示，所本实施例中的过载保护单元利用能量累计方程E_n＝E_n-1+I_nKE_n-1计算当前电机热能，当能量E_n大于保护设定值时，过载保护单元向执行开关发送控制信号。过载保护单元中的能量累计方程中I_n为三相电流合成有效值，K为过载系数，计算方程K＝V(I_n,f)，可由I_n和f通过内部查表法可得，具体如表1。

表1

I<sub>n</sub>	f＜5Hz	5Hz≤f＜20Hz	20Hz≤f＜50Hz	f≥50Hz
					0.5I<sub>N</sub>	-0.00147	-0.00253	-0.00288	-0.00323
1I<sub>N</sub>	-0.00036	-0.00141	-0.00176	-0.00211
					1.5I<sub>N</sub>	0.001043	0.000098	-0.00036	-0.00071
2.0I<sub>N</sub>	0.002441	0.001389	0.001038	0.000687
					2.5I<sub>N</sub>	0.00384	0.002787	0.002436	0.002086
3.0I<sub>N</sub>	0.005239	0.004186	0.003835	0.003484
					3.5I<sub>N</sub>	0.006637	0.005584	0.005234	0.004883
4.0I<sub>N</sub>	0.008036	0.006983	0.006632	0.006281
					4.5I<sub>N</sub>	0.009434	0.008382	0.008031	0.00768
5.0I<sub>N</sub>	0.010833	0.00978	0.009429	0.009078
					5.5I<sub>N</sub>	0.012231	0.011179	0.010828	0.010477
6.0I<sub>N</sub>	0.01363	0.012577	0.012227	0.011876
					6.5I<sub>N</sub>	0.015029	0.013976	0.013625	0.013274
7.0I<sub>N</sub>	0.016427	0.015375	0.015024	0.014673

如图6所示，本实施例中的缺相保护单元根据采样计算周期T，对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c进行有效值计算，分别可得I_an、I_bn、I_cn，利用输入频率f通过方程：

计算可得判定时间T_d，当I_an、I_bn、I_cn的三相不平衡度大于设定值且时间大于判定时间T_d时，缺相保护单元判定为缺相故障并执行缺相保护，向执行开关发送控制信号。不平衡度的计算公式为：

其中的max()、min()分别表示取最大值、取最小值运算。

Claims

1.一种变频回路中的电动机保护方法，其特征在于，使用以下方法进行电动机的频率测量：通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β，并利用

2.如权利要求1所述变频回路中的电动机保护方法，其特征在于，该方法还包括利用下式获得电流有效值计算所需的采样计算周期T：

3.如权利要求2所述变频回路中的电动机保护方法，其特征在于，利用以下方法实现接地保护：根据检测到的三相电流I_a、I_b、I_c，利用电流平衡方程得到接地电流I_o；根据所述采样计算周期T对接地电流I_o进行有效值计算，得到接地电流有效值I_ocalc；最后通过将接地电流有效值I_ocalc与预设的接地保护设定值比较来进行接地保护。

4.如权利要求2所述变频回路中的电动机保护方法，其特征在于，该方法还包括通过以下方法实现缺相保护：根据所述采样计算周期T对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c进行有效值计算，得到三相电流有效值I_an、I_bn、I_cn，并根据电动机的频率f通过方程

5.如权利要求1所述变频回路中的电动机保护方法，其特征在于，该方法还包括利用能量累计方程计算当前电动机热能并根据电动机热能是否大于过载保护设定值而实现过载保护，其中能量累计方程所使用的三相电流合成有效值I_n通过方程

计算得到。

6.一种变频回路中的电动机保护装置，其特征在于，包括频率计算单元，用于使用以下方法进行电动机的频率测量：通过Clark变换将检测到的三相电流I_a、I_b、I_c转换为αβ坐标系下的两相电流I_α、I_β，并利用

7.如权利要求6所述变频回路中的电动机保护装置，其特征在于，还包括速率匹配单元，用于利用下式获得电流有效值计算所需的采样计算周期T：

8.如权利要求7所述变频回路中的电动机保护装置，其特征在于，该装置包括接地保护单元，用于利用以下方法实现接地保护：根据检测到的三相电流I_a、I_b、I_c，利用电流平衡方程得到接地电流I_o；根据所述采样计算周期T对接地电流I_o进行有效值计算，得到接地电流有效值I_ocalc；最后通过将接地电流有效值I_ocalc与预设的接地保护设定值比较来进行接地保护。

9.如权利要求6所述变频回路中的电动机保护装置，其特征在于，还包括缺相保护单元，用于通过以下方法实现缺相保护：根据所述采样计算周期T对检测到的三相电流I_a、I_b、I_c进行有效值计算，得到三相电流有效值I_an、I_bn、I_cn，并根据电动机的频率f通过方程

10.如权利要求6所述变频回路中的电动机保护装置，其特征在于，还包括过载保护单元，用于利用能量累计方程计算当前电动机热能并根据电动机热能是否大于过载保护设定值而实现过载保护，其中能量累计方程所使用的三相电流合成有效值I_n通过方程

计算得到。