CN113574782A - 用于保护驱动系统的电气负载的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括电力转换器(510)和中央控制系统(512)的驱动系统(500)，电力转换器具有向一个或多个输出相(A，B，C)供电的电力单元(312)，中央控制系统与电力转换器(510)通信并控制电力单元(312)的运行，其中中央控制系统(512)包括高级保护模块(APM 514)，其被配置为通过可执行的指令：利用来自电气负载(520)的电力转换器反馈，从可操作地耦合到一个或多个输出相(A，B，C)的电气负载(520)接收输入数据；根据输入数据确定电气负载(520)的一个或多个运行条件；并且根据所确定的电气负载(520)的运行条件输出一个或多个保护参数，以保护电气负载(520)。

Description

用于保护驱动系统的电气负载的系统和方法
技术领域
本公开的各方面一般涉及一种驱动系统、具体是一种用于保护驱动系统的电气负载的系统和方法。这样的驱动系统可以是例如中压变频驱动器。在整个说明书中，术语“驱动器”、”驱动系统”“、多电平电力转换器”“、转换器”、“电源”和“变频率驱动器(VFD)”可以互换使用。
背景技术
中压(MV)变频驱动器、例如多电平电力转换器，在中压交流(AC)驱动器、柔性交流传输系统(FACTS)和高压直流(HVDC)传输系统的应用中使用，因为单个功率半导体设备不能处理高压。多电平电力转换器通常针对每相包括多个电力单元，每个电力单元包括具有半导体开关的逆变电路，其可以改变各个单元的电压输出。多电平电力转换器的一个例子是具有多个H桥单元的级联H桥转换器系统，例如在Hammond的专利号为5,625,545的美国专利中描述的那样，其内容在此通过引用全部纳入。多电平电力转换器的另一个例子是具有多个M2C或M2LC子系统的模块化多电平转换器系统。
电力转换器从交流源接收三相电力，并将输出电力输送给负载、例如三相交流电机。电机保护继电器(MPR)被设计用于保护电机、例如三相交流电机，防止故障。电机保护继电器提供过流、过载、热保护和许多其他功能。MPR被设计为应用于负载(交流电机)与电网电源之间，而不是交流电机与电力转换器之间。然而，希望将MPR应用于电力转换器的输出，例如VFD。
发明内容
简而言之，本公开的内容涉及一种驱动系统，例如体现为中压变频驱动器，更具体地说，涉及一种用于保护驱动系统的电力输出负载的系统和方法。
本公开的第一方面提供了一种驱动系统，该驱动系统包括电力转换器和中央控制系统，该电力转换器包括向一个或多个输出相供电的电力单元，每个电力单元包括多个开关装置，该中央控制系统与电力转换器通信并且控制电力单元的运行，其中该中央控制系统包括高级保护模块和至少一个处理器，该处理器被配置为通过可执行的指令：利用来自电气负载的电力转换器反馈，从可操作地耦合到一个或多个输出相的电气负载接收输入数据；根据输入数据确定电气负载的一个或多个运行条件；并且根据所确定的电气负载的运行条件输出一个或多个保护参数，以保护电气负载。
本公开的第二方面提供了一种用于保护驱动系统的电气负载的方法，包括通过运行至少一个处理器：利用来自电气负载的电力转换器反馈，从耦合到电力转换器的一个或多个输出相的电气负载接收输入数据；基于输入数据确定电气负载的一个或多个运行条件；以及基于所确定的电气负载的运行条件输出一个或多个保护参数，以保护电气负载。
本公开的第三方面提供了一种非暂时性计算机可读介质，其上编码有处理器可执行的指令，该指令在由至少一个处理器执行时使至少一个处理器执行本文所述的用于保护驱动系统的电气负载的方法。
附图说明
图1说明了根据本文公开的示例性实施例的级联H桥转换器系统的已知的基本配置的示意图。
图2说明了根据本文公开的示例性实施例的级联H桥转换器系统的已知的另外的基本配置的示意图。
图3说明了根据本文公开的示例性实施例的驱动系统的示意图。
图4说明了根据本文公开的示例性实施例的具有传统电机保护继电器(MPR)的驱动系统的示意图。
图5说明了根据本文公开的示例性实施例的具有高级保护模块(APM)的驱动系统的示意图。
图6说明了根据本文公开的示例性实施例的与高级保护模块相关联的电阻温度探测器(RTD)接口的硬件框图。
图7说明了根据本文公开的示例性实施例的用于保护驱动系统的电气负载的方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本公开的实施例、原理和特征，下文将参照说明性的实施例中的实施对它们进行解释。特别地，它们在作为驱动系统、特别是中压(MV)变频驱动器的背景下进行描述，中压(MV)变频驱动器包括多单元电源，如模块化多电平转换器系统和级联H桥转换器系统。然而，本公开的实施例并不限于在所描述装置或方法中使用。
如本文所使用的，“中压”是大于约690V和小于约69KV的电压，而“低压”是小于约690V的电压。本领域的普通技术人员会理解，其他电压水平可以被指定为“中压”和“低压”。例如，在一些实施例中，“中压”可以是大约3kV与大约69kV之间的电压，而“低压”可以是小于大约3kV的电压。
下文描述的构成各种实施例的组件和材料是说明性的，而不是限制性的。许多合适的组件和材料将执行与本文描述的材料相同或类似的功能，它们也纳入本公开的实施例的范围内。
图1和图2分别说明了已知的多单元电源10的示意图，具体地是级联H桥转换器系统，它从交流(AC)源接收三相电力，并向负载12、例如三相交流电机输送电力。
参照图1，多单元电源10包括变压器14、电源电路16和中央控制系统18，在此也称为控制器。变压器14包括激励九个次级绕组的初级绕组，而电源电路16包括多个印刷电路板(PCB)电力单元26，在此将其简称为电力单元26或电力模块，它们分别可操作地与变压器14的次级绕组耦合。由于电源10包括九个次级绕组，并且电力单元26可操作地耦合到每个次级绕组，因此电源10包括九个电力单元26。当然，电源10可以包括多于或少于九个电力单元26和/或多于或少于九个次级绕组，这取决于电源10的类型和/或耦合到电源10的负载12的类型。
电力单元26被配置为向负载12提供中压输出。电源电路16的每个输出相A、B、C都由一组串联的电力单元26馈电。电力单元26的输出被串联耦合在第一相组30、第二相组32和第三相组34中。每相的输出电压是各相组30、32和34中的电力单元26的输出电压之和。例如，第一相组30包括标记为A1、A2和A3的电力单元26，其中输出相A的相输出电压是电力单元A1、A2和A3的输出电压之和。这同样适用于输出相B和电力单元B1、B2、B3，以及输出相C和电力单元C1、C2、C3。在这方面，电源电路16使用额定为低压的电力单元26向输出负载12提供中压输出，这些电力单元包括额定为低压标准的组件。每个电力单元26例如通过光纤通信链路耦合到中央控制系统18，中央控制系统可以使用电流反馈和电压反馈来控制电力单元26的运行。
如图2所示，多单元电源10包括三相交流电源20、电源电路16和中央控制系统18。三相交流电源20包括两个二极管桥22，它们分别在交流电压侧与电源转换器变压器24的次级绕组连接，并且在直流(DC)电压侧串联电连接。为这些相组的并联连接提供了正的和负的直流电压母线。电源电路16包括与由电源20产生的直流电压总线耦合的电力单元28。电力单元28例如额定为低压，并且被配置为向负载12提供中压输出。尽管负载12可以被说明为在多单元电源10内，但负载12不是多单元电源10的一部分。相反，负载12与多单元电源10分离，并连接到多单元电源10，如图1中更清楚示出的。
电源电路16的每个输出相A、B、C由一组串联连接的电力单元28馈电，即这些电力单元28参照输出相A、B、C被标为A1-A4、B1-B4和C1-C4。这些电力单元28在第一相组30、第二相组32和第三相组34中串联地耦合。每相的输出电压是相组30、32和34中的电力单元28的输出电压的总和，如前面参照图1所描述的。电源电路16使用额定为低压的电力单元28向负载12提供中压输出，这些电力单元28包括额定为低压标准的组件。每个电力单元28例如通过光纤通信链路与控制器18耦合，控制器18可以使用电流反馈和电压反馈来控制电力单元28的运行。
应该注意的是，在图1和图2中，每个相组30、32、34中的电力单元26、28的数量可以在2到12之间，以根据负载12的要求提供不同的(中压)输出。如图1的实施例中所述，变压器14的次级绕组的数量与电力单元26的数量相匹配。在图2的实施例中，二极管桥和变压器次级绕组的数量可以从l到6变化，以便在变压器24的初级侧进行谐波消除。本领域的普通技术人员可以理解，根据应用情况可以使用其他单元数量和二极管桥数量，并且本文示出和描述的配置旨在本质上是示例性的。
图3是驱动系统300的示意图，该系统包括具有七级拓扑结构的级联H桥多电平转换器310，包括三相，每相具有三个电力单元，根据本公开的一个方面，该系统包含控制系统400。级联H桥多电平转换器310的例子是由西门子工业公司制造的Perfect Harmony
Figure BDA0003261248170000051
驱动器。
在图3的例子中，系统300是中压驱动器，其包括三相电源，其通过线路L1、L2和L3提供电源输入302。多电平转换器310连接到交流电源输入302，并通过输出相A、B和C产生三相交流电源作为输出303。交流输出303可以连接到负载320，其在本例中包括交流感应电机。可以通过控制由多电平转换器310产生的输出电压的频率和/或振幅来运行电机320。
多电平转换器310的每相包括相应的相腿，相腿由多个以级联方式布置的电力单元312形成。在图1的例子中，相腿Leg A、Leg B分别由相同数量的、即三个电力单元312形成，它们串联连接。一相的每个电力单元312通过相应的输入线L1、L2和L3连接到电源输入302。到输入线L1、L2、L3的电力例如可以通过多相绕组变压器提供。
三相的电力单元312分别被标记为单元A1至单元A3，单元B1至单元B3和单元C1至单元C3。每个电力单元312对来自控制系统400的控制信号作出反应，所述控制信号包括例如脉冲宽度调制(PWM)信号以改变电压水平和/或频率输出，导致每相的多电平电压波形。电力单元312一般包括功率半导体开关装置、无源组件(电感、电容)、控制电路、处理器、接口和其他用于与控制系统400进行通信的组件，即根据来自控制系统400的信号来运行电力单元312。
每个电力单元312包括单相逆变电路，其连接到由对每个电力单元312通过输入线L1、L2、L3的交流电源输入的整流而产生的单独的直流(DC)源。在本例中，整流是由以桥式整流器配置布置的二极管整流器313a-f进行的。本例还使用滤波电路，其包括例如电容314，以平滑整流后的直流电的电压纹波。
每个单元312的逆变器电路包括以H桥(也被称为全桥)布置的功率半导体开关装置315a-d。开关装置315a-d可以包括例如功率晶体管、如绝缘栅极型双极晶体管(IGBT)，但不限于此。开关装置315a、315b连接到单元输出线316a，而开关装置315c、315d连接到单元输出线316b。晶体管315a-d接收脉冲宽度调制信号，其例如以栅极输入信号318的形式由控制系统400根据脉冲宽度调制进行控制。控制系统400通过第一开关腿317a选择晶体管315a或315b中的任意一个为接通(ON)，并通过第二开关腿317b选择晶体管315c或315d中的任意一个为接通(ON)，这将允许电力分别通过线路316a或316b传递给负载320。换言之，控制器触发的开关腿317a的开关事件导致晶体管315a、315b中的一个处于接通(ON)状态，另一个处于断开(OFF)状态。同样地，控制器触发的开关腿317b的开关事件使得晶体管315c、315d中的一个处于接通(ON)状态，而另一个处于断开(OFF)状态。在所说明的实施例中，单个单元312的开关腿317a、317b被简称为该单个单元312的开关腿A和开关腿B。
每个电力单元312可以在内部按照低压标准构造，尽管其包含在中压设备驱动器300中。举例来说，每个电力单元312可以具有600V的额定电压。因此，每个电力单元312可以输出的最大电压水平是大约600V的直流电。根据哪个晶体管被接通(ON)，每个电力单元312的单元输出线316a、316b上的输出电压可以是任一极性或零。因此，每个电力单元312可以有三种输出状态：+600V直流电压，-600V直流电压，或0V直流电压。由于每个相输出线中的三个电力单元312之间的串联连接，例如，到输出相A的单元A1、A2、A3之间的串联连接，有可能为相应的相输出线产生约1800V直流电压的最大输出电压幅度。每个电力单元312可以独立于另外的电力单元运行。因此，有可能为电机320提供每相至少七个电压水平。这些线-中性电压状态的近似值包括+/-1800V直流电压、+/-1200V直流电压、+/-600V直流电压和0V直流电压。
电机320可以包括任何类型的交流型电机，例如同步、异步、永磁，并且可以额定为低压、中压或高压。例如，中压交流电机(如那些在工业过程控制中使用的电机)可以在4.16kV至13.8kV范围内运行。可以使用更大或更小的电压。可以连接一个以上的电机320。可以使用其他负载来代替电机320或除了电机320之外还可以附加地使用其他负载。电机320对多电平转换器在三个相上施加的电压作出反应，例如增加、减少或保持速度或位置。
图4说明了根据本文公开的示例性实施例的、具有传统电机保护继电器(MPR)的驱动系统400的示意图。驱动系统400包括VFD 410，其可以被配置为例如参照图1、图2或图3所描述的那样。VFD 410可操作地耦合到电输出负载420，其例如可以是三相交流感应电机。如前所述，VFD 410从交流(AC)源接收三相电力，并通过三相电导体430向输出负载420提供三相电力(电压)。
传统的驱动系统400进一步包括电机保护继电器(MPR)440，其被设计用于保护负载420、例如三相交流电机，以防故障。MPR 440提供过电流保护、过载保护、热保护和许多其他保护功能。MPR 440可以是基于微处理器的，并且通过电压和电流传感器450接收电气负载420的电压和电流信息。这种传感器450可以包括例如电流互感器(CT)和电位互感器(PT)。基于接收到的电压和电流信息，例如通过电流互感器(CT)和电位互感器(PT)，MPR440确定负载420是在正常条件下还是在异常(故障)条件下运行。负载420在异常条件、如热过载、过电流等下运行，可能导致负载420的故障。当发生或存在异常运行条件时，MPR 440向VFD 410提供相应的故障输入信号，VFD 410反过来控制VFD 410以保护负载420，例如将负载420与输入电源隔离。
在驱动系统400中，MPR 440被布置在负载420与电网电源(电导体430)之间。然而，期望将MPR应用于VFD 410的输出。频率和电压变化的范围在电网上比在VFD 410上小得多。目前，保护水平、如热模型参数、欠速/过速、欠电压/过电压、欠频率/过频率等，必须作为单个值来选择，而不能作为交流电机(负载42)的速度的函数来输入。
图5说明了根据本文公开的示例性实施例的、带有高级保护模块(APM)的驱动系统500的示意图。驱动系统500包括电力转换器510，其例如被配置为例如参照图1、图2或图3描述的VFD。VFD 510可操作地耦合到电输出负载520，该负载例如可以是三相交流感应电机。如前所述，VFD 510从交流(AC)源接收三相电力，并通过三相电导体530向输出负载520输送三相电力(电压)。
VFD 510包括中央控制系统512，中央控制系统被配置为控制VFD 510的运行，例如控制VFD 510的多个电力单元的运行。中央控制系统512使用例如电流反馈和电压反馈以用于控制目的。在一个例子中，中央控制系统512是特定于目的的数字控制系统，它将控制回路的命令和状态、电力单元控制信息和外部通信接口的任务分成三个独立的组件。这三个独立的主要组件是用于控制回路命令、状态和非驱动接口的控制处理器/主机中央处理单元；用于电力单元控制和通信的现场可编程门阵列(FPGA)；以及用于外部通信的电子可编程逻辑装置(EPLD)。主要组件需要印刷电路板(PCB)上的专用的数据总线，使得主要组件之间能够交换信息以成功地运行驱动系统。
在本公开的示例性实施例中，中央控制系统512包括高级保护模块(APM)514。APM514可以体现为软件、硬件或软件和硬件的组合。APM514完全集成到VFD 510本身，因此不需要单独的安装或装配。
在中压交流电机作为负载520的例子中，负载直接在线(directly online，DOL)运行或通过VFD 510运行。因此，电机需要保护防止输入线事件、高温、绝缘和轴承故障，以及由负载变化产生的条件，包括但不限于过载、欠载、不平衡、干扰。APM 514被配置为保证负载(例如交流电机)的保护和过程保护，保护设置被定义为防止负载和过程损坏，负载和过程损坏可能以各种方式和条件发生。今天，工业设备被设计为可以运行20年或更长时间。负载、如中压交流电机暴露在环境和机械压力下，因此随着时间的推移可能导致退化和故障。对这种中压电机的监测和保护是整个工业过程保护中的重要因素。需要这些保护方案来避免因意外的过程而造成的经济损失。
在一个实施例中，APM 514被配置为硬件和软件的组合，并且包括用于保护系统500、特别是诸如电机的负载520免受此类事件影响的算法。此外，一些功能也可以被配置为检测和保护不希望出现的过程条件。
图6说明了根据本文公开的示例性实施例的、与高级保护模块相关联的电阻温度探测器(RTD)接口600的硬件框图。RTD接口600的硬件用于测量温度，以便向负载、例如负载520提供检测。
RTD接口600包括控制器，其例如被配置为可编程逻辑控制器(PLC)610。PLC 610与探测器模块A 620和探测器模块B 630通信耦合。探测器模块A例如是4通道电阻温度探测器(RTD)模块620，探测器模块B例如是8通道电阻温度探测器(RTD)模块630。PLC 610和探测器模块620、630从电源650接收电力以运行，电源例如可以是+24V电源。此外，PLC 610和探测器模块620、630与网络交换机640、例如以太网交换机通信耦合，以便能够与中央控制系统512的其他控制组件进行通信，参见图5。例如，PLC 610将探测器模块620、630的模拟信号转换为数字信号，并通过网络交换机640将数字信号传输给中央控制系统512。具体来说，PLC610将模拟温度信号转换为数字温度信号/数字温度值。
在一个示例性实施例中，RTD接口600可操作地耦合到中央控制系统512并为APM514提供输入数据，例如通过网络交换机640。APM 514在VFD 510的中央控制系统512上运行并包含在其中。中央控制系统512包括至少一个处理器513，该处理器被配置为通过可执行的指令，从可操作地耦合到电力转换器(例如VFD 510)的电气负载(例如电气负载520)接收输入数据；基于输入数据确定电气负载520的一个或多个运行条件(状态)；以及基于所确定的电气负载520的运行条件(状态)输出一个或多个保护参数，以保护电气负载520。
驱动系统500、特别是中央控制系统512和APM 514使用整体闭环霍尔效应电流传感器和输出衰减器来获得准确的输入负载(电机)数据，并将数据集成到APM 514的算法中。闭环霍尔效应电流传感器和输出衰减器可能已经安装在驱动系统500内，其中这些元件的数据现在可以由APM 514使用。这些数据作为APM 514的输入数据，例如通过网络交换机640进行提供。如前所述，网络交换机640可以是以太网交换机，用于与中央控制系统512的其他装置或元件进行通信。除了电流传感器和输出衰减器之外，APM 514还通过RTD接口600从探测器A和B接收与电机(负载520)有关的温度数据，探测器A和B是电阻温度探测器625、635。具体来说，电阻温度探测器(RTD)625向探测器模块620馈送信息，并且电阻温度探测器635向探测器模块630馈送信息。温度相关信息以及电流传感器数据和输出衰减器数据由中央控制系统512内的APM 514进行利用和处理，以用于负载和过程保护功能。
在一个实施例中，一个或多个保护参数包括跳闸水平和启用水平，它们是电气负载520的速度的函数(基于速度曲线)和/或可以基于驱动系统500的过程曲线。例如，可以在电气负载520的速度曲线上的不同点处，例如在速度曲线上的正常运行条件、警报设置条件和故障设置条件的不同点处选择跳闸水平和启用水平。
保护参数包括固定的水平和可变的水平。这些固定的水平和可变的水平(参数)例如包括：
-固定的过速， -可变的过速，
-固定的欠速， -可变的欠速，
-固定的欠电流， -可变的欠电流，
-固定的欠功率，
-固定的扭矩脉动，
-固定的负序过电流，
-最大开始时间，
-最长停止时间，
-固定的热过载， -可变的热过载，
-固定的RTD保护，
-固定的瞬时过电流，
-固定的零序过电压，
-固定的反时限过电流，
-固定的瞬时零序过电压，
-固定的最大功率因数，
-固定的最小功率因数，
-间歇或点动，每小时启动，
-间歇或点动，每小时冷启动，
-间歇或点动，每小时热启动，
-间歇或点动，用于启动的最大热容量，
-固定的过频率， -可变的过频率，
-固定的欠频率， -可变的欠频率，
-固定的高频率变化率。
所提到的固定的水平和可变的水平描述如下。
固定的(启用)过速用于保护电机和连接的负载520防止超速。固定的启用过速功能提供了单个速度点设置，使得当超过该速度时产生跳闸或报警条件。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
可变的(启用)过速用于保护电机和连接的负载520防止超速，或用于检测如下条件，在该条件下电机速度上升超过期望设定点。可变的启用过速功能依据命令的电机速度提供了过速点的曲线。当超过该速度时，出现跳闸或报警条件。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)欠速用于保护电机和连接的负载520，防止在低于期望速度的速度下运行。固定的启用欠速功能提供了单个欠速点设置，使得当速度低于该值时产生跳闸或报警条件。该功能提供了最小速度使能，只有在达到可编程的最小速度后才允许激活该功能。一旦达到最小速度，无论速度如何，该功能都会保持起动直到驱动器停止。
可变的(启用)欠速用于保护电机和连接的负载520，防止在低于期望的速度下运行，或用于检测如下条件，在该条件下由于过大的负载转矩问题或机器中的转矩产生困难而导致电机速度低于期望的设定点。可变的启用欠速功能依据命令的电机速度提供了速度点的曲线。当速度下降在给定速度设置处低于该曲线时，就会出现跳闸或报警条件。该功能提供了最小速度使能，只有在达到可编程的最小速度后才允许激活该功能。一旦达到最小速度，无论速度如何，该功能都会保持起动，直到驱动器停止或需求被设置为低于最小速度复位的值。最小速度复位用于定义需求设置的范围，低于该范围时，该功能将保持在复位条件。
固定的(启用)欠电流用于保护电机，防止以RMS(均方根)相电流低于期望水平的方式运行。固定的启用欠电流功能提供了RMS相电流设置，当电流低于该值时产生跳闸或报警条件。该功能可以被编程为当任意一个、任意两个或所有三个相电流(A相、B相、C相RMS电流)低于设定点时产生跳闸或报警。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
可变的(启用)欠电流用于保护负载520/系统500，防止以RMS相电流低于期望的水平的方式运行，在期望的水平处对速度需求设置的敏感性是重要的。可变的启用欠电流功能依据命令的电机速度提供了欠电流设置点的曲线。当电流在给定速度设置下低于该曲线时，就会出现跳闸或报警条件。该功能可以被编程为当任意一个、任意两个或所有三个相电流低于设定点时产生跳闸或报警。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。当速度参考高于可编程的水平时，可以起动该功能。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)欠功率用于保护电机和连接的负载520，防止在低于期望功率水平的功率水平下运行。固定的启用欠功率功能提供了单个功率点设置，当功率低于该值时产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)扭矩脉动用于保护电机和连接的负载520，防止在高扭矩脉动的条件下运行。固定的启用扭矩脉动功能提供了单个RMS扭矩脉动点设置，当RMS扭矩脉动上升到该值以上时，产生跳闸或报警条件。当高于最小速度时，可以起动该功能。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
与电机运行相关的产生转矩的电流和电机磁通允许将电机转矩计算为产生转矩的电流与机器磁通的乘积。产生转矩的电流是机器电流的分量，其与机器电压同相。给定的机器具有产生扭矩的电流的最大额定值，其与任何产生磁通的电流结合形成整个额定的定子电流。扭矩可以被分解成两个分量，一个分量是扭矩平均值，另一个是小幅度的变化(或周期性分量)，它们可以加在一起得到总扭矩。扭矩脉动保护主要关注时间变化的部分、特别是扭矩的脉动部分的RMS值。该保护通过在特定长度的时间窗内对扭矩进行采样和记录来计算RMS扭矩脉动。时间窗是可以选择的，并且应该选择足够长的时间窗来包含扭矩变化的几个周期。
固定的(启用)负序过电流用于保护电机和连接的负载520，防止在高负序电流或相电流不平衡的条件下运行。固定的启用负序过电流功能提供了单个负序过电流设置，当负序电流上升到该值以上时，就会产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
最大启动时间可以保护电机，防止启动与达到期望速度之间的过长时间。当机器在启动后的可调时间段内未能达到可调速度阈值时，该功能会产生跳闸或报警条件。
最大停止时间可以保护电机，防止停止命令与下降到期望速度之间的过长时间。当机器在停止后的可调时间段内未能达到可调速度阈值时，该功能会产生跳闸或报警条件。
固定的(参数)热过载功能使用一阶微分方程来跟踪在机器中使用的热容量的量，如IEC 60255-149中所述。当机器温度接近最大额定或允许的条件时，热容量会被用尽。计算等效加热电流，其考虑到了机器的RMS相电流以及负序电流的量。对机器的热输入是根据等效加热电流的平方除以可调的额定电流来确定的。热容量是基于机器中的加热、冷却或停止条件的热时间常数，根据考虑机器中的热输入和热输出的一阶微分方程来调节的。固定的参数功能使用额定电流、加热时间常数和冷却时间常数的单个值。可以设置可调节的阈值，以限制热容量的最大使用量。当使用的热容量超过编程的值时，该功能会报告跳闸或报警条件，或者可以阻止电机的启动。机器的热模型可以通过对环境温度和/或定子温度的RTD测量进行偏置，RTD测量例如由RTD接口600提供。环境RTD读数用于补偿非额定环境温度的影响，定子RTD读数用于根据定子温度设定最小热容量使用值。
可变的(参数)热过载功能使用一阶微分方程来跟踪机器中使用的热容量，如IEC60255-149中所述。当机器温度接近最大额定或允许的条件时，热容量会被用尽。计算等效加热电流，其考虑到了机器的RMS相电流以及负序电流的量。对机器的热输入是根据等效加热电流的平方除以可调的额定电流确定的。热容量是基于机器中的加热、冷却或停止条件的热时间常数，根据考虑机器中的热输入和热输出的一阶微分方程来调节的。可变的参数功能使用额定电流、加热时间常数和冷却时间常数的值，它们是需求速度的函数。可以设置可调节的阈值，以限制热容量的最大使用量。当使用的热容量超过编程的值时，该功能会报告跳闸或报警条件，或者可以阻止电机的启动。机器的热模型可以通过对环境温度和/或定子温度的RTD测量进行偏置，RTD测量例如由RTD接口600提供。环境RTD读数用于补偿非额定环境温度的影响，定子RTD读数用于根据定子温度设定最小热容量使用值。
固定的(启用)RTD功能允许使用多达12个RTD温度传感器，以提供一般的过温度保护，其由RTD接口600提供，参见图6。固定的温度启用水平可以单独分配给每个RTD。还可以将RTD分配到定子或环境组，以在固定或可变的启用热模型中使用。可以选择对RTD开路或短路的报警或跳闸响应。
固定的(启用)瞬时过电流用于非常快速地保护电机和连接的负载520，防止在大电流的条件下运行。固定的启用瞬时过电流功能提供单个瞬时过电流设置，当电流上升到该值以上时产生跳闸或报警条件。该功能可以被编程为当任意一个、任意两个或所有三个相电流超过设定点时产生跳闸或报警。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)反时限过电流用于保护电机和连接的负载520，防止在大电流的条件下运行，其具有跳闸时间，跳闸时间与电流大小成反比。固定的启用反时限过电流功能提供了单个瞬时过电流设置，当满足所选择的反时限特性时，产生跳闸或报警条件。该功能可以被编程为当任意一个、任意两个或所有三个相电流达到其反时限曲线时产生跳闸或报警。可以选择各种IEEE、ANSI、IEC和IAC的反时限曲线，以及用户定义的曲线功能。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)最大功率因数用于保护电机，防止在高功率因数的条件下运行，高功率因数指示机器中的异常条件。固定的启用最大功率因数功能提供了单个最大功率因数设置，当达到该功率因数时产生跳闸或报警条件。当速度需求高于可编程的水平时，可以启动该功能。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)最小功率因数用于保护电机，防止在低功率因数的条件下运行，低功率因数指示机器中的异常条件。固定的启用最小功率因数功能提供了单个最小功率因数设置，当达到该功率因数时产生跳闸或报警条件。当速度需求高于可编程的水平时，可以启动该功能。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)瞬时零序过电压用于在高零序电压的条件下非常快速地保护电机，高零序电压可能是由高的相的对地漏电或接地故障引起的。固定的启用零序过电压功能提供了单个零序过电压设置，当零序电压上升到该值以上时，会产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)确定的最小时间零序过电压用于保护电机，防止在高零序电压条件下持续运行，高零序电压可能是由高的相的对地漏电或接地故障引起的。固定的启用零序过电压功能提供了单个零序过电压设置，当零序电压上升到该值以上时，产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
每小时启动(间歇或点动)功能用于执行机器启动之间的最小时间。可以设置自上次启动以来的可编程的最小时间。可以将在最小时间到期之前的启动尝试编程为跳闸、报警或阻止启动。
每小时冷启动(间歇或点动)功能用于在可调节的时间段内执行机器的最大冷启动次数。超过允许次数的对机器的冷启动的尝试可以被编程为跳闸、报警或阻止启动。冷启动被定义为当使用的热容量低于可调节的值时发生的启动。
每小时热启动(间歇或点动)功能用于在可调节的时间段内执行机器的最大热启动次数。超过允许次数的对机器的热启动的尝试可以被编程为跳闸、报警或阻止启动。热启动可以定义为任何启动或当使用的热容量高于每小时冷启动功能所使用的可调节的值时发生的启动。
用于启动的最大热容量(间歇或点动)功能用于确保机器具有足够的热容量可用，以允许启动。在没有足够热容量的情况下启动机器的尝试可以被编程为跳闸、报警或阻止启动。不再允许启动时使用的热容量的最大量是可调节的参数。
固定的(启用)过频率用于保护电机和连接的负载520，防止在高于期望的频率的条件下持续运行。固定的启用过频率功能提供了单个过频率设置，当频率上升到该值以上时，产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
可变的(启用)过频率用于保护电机和连接的负载520，防止在高于期望频率的频率下运行，或用于检测如下条件，在该条件下由于负载再生问题或者机器或负载中的其他困难而导致的电机频率上升超过期望设定点。可变的启用过频率功能依据命令的电机速度提供了过频率点的曲线。当该频率在给定的速度设置处上升超过该曲线时，会出现跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。当速度参考高于可编程的水平时，该功能可以被起动。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)欠频率用于保护电机和连接的负载520，防止在低于期望的频率的条件下持续运行。固定的启用欠频率功能提供了单个欠频率设置，当频率低于该值时产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
可变的(启用)欠频率用于保护电机和连接的负载520，防止在低于期望频率的频率下运行，或用于检测如下条件，在该条件下由于过大的负载扭矩问题或者机器或负载中的其他困难而导致的电机频率低于期望设定点。可变的启用欠频率功能依据命令的电机速度提供了欠频率点的曲线。当该频率下降在给定的速度设置处低于该曲线时，会出现跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。当速度参考高于可编程的水平时，该功能可以被起动。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
固定的(启用)高频变化率用于保护电机和连接的负载520，防止快速变化的频率或高的加速率。固定的启用高频变化率功能提供了单个频率变化率设置，当频率变化率上升到该值以上时，会产生跳闸或报警条件。该功能提供了如下使能，一旦达到可编程的最小速度就会锁定。一旦电机启动，经过可编程的时间段后，就可以起动该功能。
在本公开的示例性实施例中，保护参数的状态(固定的和可变的水平)和RTD 625、635的温度可以显示在例如键盘、控制系统或人机界面(HMI)的显示器或屏幕上。在一个例子中，中央控制系统512可以连接到显示器，其用于显示不同的信息和数据，如保护参数的状态等。
在另外的示例性实施例中，中央控制系统512被配置为存储与电气负载520的运行条件和相关联的保护参数有关的故障或警报，例如存储在驱动器事件日志中。然后可以通过驱动器事件日志查看故障和警报。如前所述，电机(负载520)的运行条件包括正常运行条件、警报设置运行条件和故障设置运行条件。在一个例子中，当APM 514已经确定电机(负载520)在警报设置运行条件下运行时，APM 514输出相应的保护参数，例如固定的过速或可变的热过载。因此，驱动系统500、特别是中央控制系统512控制VFD 510和/或负载520，使得负载520受到保护并且例如在预定的固定和/或可变的水平内运行。在固定的过速的情况下，当超过预定的速度时产生跳闸或报警条件，并且VFD 510可以降低其输出功率，使电机慢下来并降低速度，使得速度低于固定的过速值。此外，如前所述，可以存储相应的保护参数，并且使用例如布尔值(Boolean value)将其显示在显示器上，如“固定的过速：1”。当电机在正常条件下运行时，驱动系统500可以显示“固定的过速：0”。
图7示出了根据本文公开的示例性实施例的、用于保护驱动系统的电气负载的方法700的流程图。该方法700有助于控制和/或保护功能。虽然该方法被描述为是一系列按序列执行的行动，但应理解，该方法可能不受序列顺序的限制。例如，除非另有说明，一些行动可能以不同于本文所述的顺序发生。此外，在某些情况下，一个行动可能与另一个行动同时发生。此外，在某些情况下，对于实施本文描述的方法，并非所有的行动都是需要的。
该方法可以在710处开始，并且可以通过至少一个处理器513的运行包括行动720：从耦合到一个或多个输出相(A、B、C)的电气负载520接收输入数据。该方法700可以进一步包括行动730：基于输入数据确定电气负载520的一个或多个运行状态，以及行动740：基于所确定的电气负载520的运行状态输出一个或多个保护参数，以保护电气负载520。在750处，该方法可以结束。
所述方法700涉及驱动系统，其包括电力转换器、如VFD，和电气负载、如交流感应电机，如之前参照图5和图6描述的，其中电力转换器可以被配置为参照图1、图2或图3所描述的。
在另外的实施例中，方法700可以通过至少一个处理器513的运行包括如下行动：根据一个或多个输出保护参数来控制电气负载520。在另外的实施例中，该方法700可以包括在显示器上显示所确定的运行条件和/或相关联的保护参数。所确定的运行条件可以是电气负载520的正常运行条件、警报设置运行条件或故障设置运行条件。
如之前参照图5和图6所描述的，一个或多个保护参数包括预定的固定的水平和预定的可变的水平，其包括作为电气负载520的速度的函数的水平和/或基于驱动系统500的过程曲线的水平。预定的固定的水平选自如下集合：固定的过速、固定的欠速、固定的欠电流、固定的欠功率、固定的转矩脉动、固定的负序过电流、固定的热过载、固定的电阻温度探测器(RTD)保护、固定的瞬时过电流、固定的零序过电压、固定的反时限过电流、固定的瞬时零序过电压、固定的最大功率因数、固定的最小功率因数、固定的过频率、固定的欠频率、固定的高频变化率，以及它们组合。预定的可变的水平选自如下集合：可变的过速、可变的欠速、可变的欠电流、可变的热过载、可变的过频率、可变的欠频率，以及它们的组合。
所述的系统500、600和方法700允许随电机(负载520)的速度而变化的保护水平。保护水平可以与电机(负载)参数本身的变化方式相匹配。由于不准确的保护水平不允许充分利用电机，因此会产生更准确的保护水平，并且电机可以得到更大程度的利用。固定和可变的保护水平提供了全面的电机和负载监测和保护。驱动器集成传感器提供可靠的电机反馈，以便在电机的整个速度范围内进行保护。所有的故障或警报都存储在驱动器事件日志中以供参考。通过将APM 514集成到驱动器(VFD 510)中，保护方案得以简化，并节省了空间和工程开销。
在另外的示例性实施例中，非暂时性计算机可读介质编码有处理器可执行的指令，该指令在由至少一个处理器执行时使至少一个处理器执行如本文所述的用于保护与驱动系统500耦合的电气负载520的方法，例如参考方法700。
应该理解的是，与所述方法700、特征和功能相关的行动(除任何所述手动的行动外)可以由一个或多个数据处理系统、例如中央控制系统512通过运行至少一个处理器513执行。如本文所使用的，处理器对应于配置为通过硬件电路、软件和/或固件配置来处理数据的任何电子装置。例如，本文所描述的处理器可以对应于微处理器、CPU或任何其他集成电路(IC)或能够在数据处理系统中处理数据的其他类型的电路中的一个或多个(或组合)。如前所述，所描述或要求保护的配置为执行特定的描述/要求保护的过程或功能的处理器可以对应于CPU，其执行以软件和/或固件形式存储在存储器中的、计算机/处理器可执行的指令，以执行这样的描述/要求保护的过程或功能。然而，也应该理解，这样的处理器可以对应于与处理电路硬连接的集成电路(例如，FPGA或ASIC集成电路)，以执行这样的描述/要求保护的过程或功能。
此外，还应当理解，所描述或要求保护的配置为执行特定的描述/要求保护的过程或功能的处理器可以对应于处理器与加载/安装到存储器(易失性和/或非易失性)中的可执行的指令(例如，软件/固件应用程序)的组合，这些指令目前正在执行和/或可由处理器执行以使处理器执行所描述/要求保护的过程或功能。因此，电源关闭或正在执行其他软件、但具有所描述的软件的处理器也可以对应于所描述/要求保护的配置为执行本文描述/要求保护的特定过程和功能的处理器，所描述的软件以设置为(当由用户、硬件和/或其他软件启动时)由处理器执行的方式安装在与其运行连接的数据存储器上(例如在硬盘或SSD上)。
此外，应该理解的是，对“处理器”的提及可以包括多个物理处理器或核心，它们被配置为执行本文所描述的功能。此外，应该理解的是，数据处理系统也可以被称为控制器，其可操作地控制至少一个运行。
还需要注意的是，虽然本公开内容包括在全功能系统和/或一系列行动的背景下的描述，但本领域的技术人员将理解，本公开内容的机制和/或所描述的行动的至少一部分能够以计算机/处理器可执行的指令(例如，软件和/或固件指令)的形式分发，该指令包含在数据存储器中，数据存储器对应于任意各种形式的非暂时性的机器可使用的、计算机可使用的或计算机可读的介质。计算机/处理器可执行的指令可以包括例程、子例程、程序、应用程序、模块、库和/或类似物。此外，应该理解的是，计算机/处理器可执行的指令可以对应于源代码、字节码、运行时代码、机器码、汇编语言、Java、JavaScript、Python、Julia、C、C#、C++或任何其他形式的代码和/或可以从这些代码生成，这些代码可以被编程/配置为使至少一个处理器执行本文描述的行动和特征。再进一步，所描述/要求保护的过程或功能的结果可以存储在计算机可读介质中；在显示装置上显示；和/或诸如此类。

Claims (19)

1.一种驱动系统(500)，包括
电力转换器(510)，所述电力转换器包括向一个或多个输出相(A，B，C)供电的电力单元，每个电力单元(312)包括多个开关装置(315a-d)，
中央控制系统(512)，所述中央控制系统与所述电力转换器(510)通信并且控制所述电力单元(312)的运行，
其中，所述中央控制系统(512)包括高级保护模块(APM 514)和至少一个处理器(513)，所述处理器被配置为通过可执行的指令，
利用来自电气负载(520)的电力转换器反馈，从可操作地耦合到一个或多个输出相(A，B，C)的电气负载(520)接收输入数据；
根据所述输入数据确定所述电气负载(520)的一个或多个运行条件；并且
根据所确定的电气负载(520)的运行条件输出一个或多个保护参数，以保护所述电气负载(520)。
2.根据权利要求1所述的驱动系统(500)，其中，所述高级保护模块(APM 514)与包括可编程逻辑控制器(610)的电阻温度探测器(RTD)接口(600)对接，用于接收与所述电气负载(520)相关联的温度测量。
3.根据权利要求2所述的驱动系统(500)，其中，所述可编程逻辑控制器(610)可操作地耦合到至少一个温度探测器模块(620，630)以及可操作地耦合到网络交换机(640)，用于与所述中央控制系统(512)和所述高级保护模块(APM 514)进行通信，所述电阻温度探测器接口(600)集成在所述驱动系统(500)的中央控制系统(512)中。
4.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统(500)，其中，所述一个或多个保护参数包括预定的固定的水平和预定的可变的水平。
5.根据权利要求4所述的驱动系统(500)，其中，所述一个或多个保护参数包括作为所述电气负载(520)的速度的函数的水平和/或基于所述驱动系统(500)的过程曲线的水平。
6.根据上述权利要求中任一项所述的驱动系统(500)，其中，所述一个或多个运行条件包括所述电气负载(520)的正常运行条件、警报设置运行条件和故障设置运行条件。
7.根据权利要求4或5所述的驱动系统(500)，其中，所述中央控制系统(512)被进一步配置为在预定的固定的水平和/或可变的水平内控制所述电力转换器(510)和/或所述电气负载(520)的运行。
8.根据权利要求6所述的驱动系统(500)，其中，所述中央控制系统(512)被进一步配置为在显示器上显示所述电气负载(520)的一个或多个运行条件和相关联的保护参数。
9.根据上述权利要求中任一项所述的驱动系统(500)，所述驱动系统(500)被配置为中压变频驱动器，并且所述电气负载(520)被配置为中压交流感应电机。
10.一种用于保护驱动系统(500)的电气负载(520)的方法(700)，包括通过运行至少一个处理器(513)：
利用来自电气负载(520)的电力转换器反馈，从耦合到电力转换器(510)的一个或多个输出相(A、B、C)的电气负载(520)接收(720)输入数据；
根据所述输入数据确定(730)所述电气负载(520)的一个或多个运行条件；以及
根据所确定的电气负载(520)的运行条件输出(740)一个或多个保护参数，以保护所述电气负载(520)。
11.权利要求10所述的方法(700)，进一步包括通过运行至少一个处理器(513)：
根据所述一个或多个输出保护参数，控制所述电力转换器(510)和/或所述电气负载(520)。
12.根据权利要求10或11所述的方法(700)，进一步包括：
在显示器上显示所确定的运行条件和/或相关联的保护参数。
13.根据权利要求10、11或12所述的方法(700)，其中，所述一个或多个保护参数包括预定的固定的水平和预定的可变的水平。
14.根据权利要求13所述的方法(700)，其中，所述一个或多个保护参数包括作为所述电气负载(520)的速度的函数的水平和/或基于所述驱动系统(500)的过程曲线的水平。
15.根据权利要求13或14所述的方法(700)，其中，预定的固定的水平选自如下集合：固定的过速、固定的欠速、固定的欠电流、固定的欠功率、固定的扭矩脉动、固定的负序过电流、固定的热过载、固定的电阻温度探测器(RTD)保护、固定的瞬时过电流、固定的零序过电压、固定的反时限过电流、固定的瞬时零序过电压、固定的最大功率因数、固定的最小功率因数、固定的过频率、固定的欠频率、固定的高频变化率以及其组合。
16.根据权利要求13或14所述的方法(700)，其中，预定的可变的水平取决于所述驱动系统(500)的速度需求设置或其他设置。
17.根据权利要求16所述的方法(700)，其中，预定的可变的水平选自如下集合：可变的过速、可变的欠速、可变的欠电流、可变的热过载、可变的过频率、可变的欠频率以及其组合。
18.根据权利要求16或17所述的方法(700)，其中，预定的可变热过载水平包括一个或多个热时间常数和/或最大稳态运行电流，以提高热容量使用预测的准确性。
19.一种非暂时性计算机可读介质，其编码有处理器可执行的指令，所述指令在由至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器执行根据权利要求12至18中任一项所述的用于保护耦合到驱动系统(500)的电气负载(520)的方法。
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