CN114094912B - 用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统，延时优化方法包括实时采样电动机的转速，并实时计算电动机的转矩；根据转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，当转速开始降低时，将延时时间设置为第一预设时间；若转速呈降低趋势，且转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，则将延时时间从第一预设时间调整为第二预设时间，其中，第一预设时间不小于第二预设时间。本发明通过实时计算电动机的转矩来识别电动机的堵转状态，以动态调整堵转保护的延时时间，充分利用了电动机热容承受能力以及产品运行限值，在避免电动机损毁的前提下保证了电动机工作的连续性，实现电动机的可靠性与灵敏性之间的平衡，安全可靠。

Description

用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及电动机保护控制领域，尤其涉及一种用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统。

背景技术

电动机作为典型的动力机械，转矩是其非常重要的性能参数，电动机的转矩主要包括最大转矩、最小转矩和起动转矩，起动转矩和最小转矩和是考量电动机起动过程中应对变化的负载阻力矩的能力，涉及到起动时间和起动电流，以加速转矩的方式体现，而最大转矩更多的时候是电动机运行过程中过载能力的体现，是电动机对抗运行过程中过载能力的指标特性。如果电动机在带负载运行中发生了短时过载，当电动机的最大转矩小于过负载阻力转矩时，电动机便会降低转速甚至停转，如未能及时跳闸，容易发生电动机堵转烧毁。

“堵转”是指电动机在运行过程中，由于负荷过大，或者自身机械原因，导致电动机转速降低到额定转速以下，甚至造成电动机轴被卡住，此时流过电动机的电流将大幅增加，根据电动机过载能力不同，可允许堵转持续时间也存在差异，如果不能及时排除故障，大电流将会引起电动机绕组过热、绝缘降低最终烧毁电动机，当电动机的相电流出现数倍于额定电流的严重过负荷情况时，需要按照堵转保护的动作整定值和延时时间，快速跳闸以停止电动机运行，避免设备烧毁。

异步电动机起动电流大，并且根据不同的负载起动持续时间不同，在起动阶段如果发生堵转，则会导致起动超时，此时电动机需要保护能够有效识别并及时跳闸，避免电动机长时间大电流导致发热烧毁，在电动机起动完成后的运行过程中，由于负载变化也会导致电动机出现堵转。目前运行期间的堵转检测方案大部分是通过检测电动机电流的大小变化实现，通过检测电流实现堵转识别具体原理为当电流大于设定的阈值上限并持续一段时间后则认为发生堵转，根据设置进行报警输出或跳闸，该方法由于容易实现并且直观，易于工程实现，已被广泛使用。如图1所示的目前应用广泛的电动机不同电流保护功能之间的配合示意图，可以看出，随着电流的增大，依次进入热过负荷保护、堵转保护、速断保护的保护区间。如图2所示的电动机保护装置过流保护功能典型设置，展示了电动机从起动到结束运行全过程的电流过流保护功能时序以及数值上的配合。从图1、图2中可以看出运行期间如果发生堵转，例如当运行堵转定值为2倍额定电流、时间6秒、速断定值为6倍额定电流时发生堵转，电流在2到6倍电流之间为堵转保护区间，堵转发生后需要延时6秒后才能跳闸，由于堵转保护延时为定时限，这就导致在严重堵转下电流接近6倍额定电流时不能及时跳闸，同样也需要延时6秒，这样增大了电动机烧毁的风险。另外某些特殊用途的电动机需要在非严重过载堵转后要充分利用电动机热容承受能力以及运行限值确保电动机运行的连续性。这就需要堵转保护既能在严重堵转时快速跳闸，又能在非严重堵转时根据要求充分延时后跳闸，受限于堵转识别原理，堵转保护存在先天的灵敏性和可靠性的矛盾，无法同时实现不同程度堵转下的灵敏性与可靠性。比如申请号为CN202010764301.7的发明专利结合2级电动机转速及对应的电流阈值进行边刷电动机的堵转判断方法，具体为若连续预设次数判断到实时转速为第二级转速电动机电流值超过第二级电流阈值，确定电动机是处于堵转状态。

现有技术中也有通过装设转矩传感器来实现电动机转矩的在线监测，及时发现堵转状态，但由于电动机为旋转设备，并且工业用电动机功率较大，如有些电动机的功率超过10000kW，这就导致转矩传感器的安装以及供电和通讯均存在较大的技术难题，并且成本较高。

综上，鉴于电动机在使用中经常出现堵转保护设置不当导致电动机堵转时未及时跳闸导致的电动机烧毁事故，或在负载波动时误动，从而影响工业生产的连续性，现在需要一种能够解决该问题的用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够根据电动机转速和转矩来自动调整堵转保护的延时时间的用于电动机堵转保护的延时优化方法及其控制系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于电动机堵转保护的延时优化方法，所述延时优化方法包括：实时采样电动机的转速，并实时计算电动机的转矩；根据所述转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，当所述转速开始降低时，将所述延时时间设置为第一预设时间；若所述转速呈降低趋势，且所述转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，则将所述延时时间从所述第一预设时间调整为第二预设时间，其中，所述第一预设时间不小于所述第二预设时间。

进一步地，在将所述延时时间调整为所述第二预设时间后，若所述转速呈增加趋势，且所述转矩增加至所述转矩阈值后开始降低，则将所述延时时间从所述第二预设时间调整为所述第一预设时间。

进一步地，若所述转速不增加，则保持所述延时时间为所述第二预设时间。

优选地，所述第一预设时间内的延时方式为定时限，所述第二预设时间内的延时方式为反时限。

优选地，所述第一预设时间不小于所述第二预设时间。

进一步地，所述实时计算电动机的转矩之前还包括：通过下式确定电动机的输出功率：

P1＝P-P2

式中，P1为电动机的输出功率，P为电动机的输入功率，P2为其他功率损耗。

进一步地，所述实时计算电动机的转矩之前还包括：实时采样三相电源的电压和电流，并计算电动机的输入功率。

优选地，对相邻的多个转矩进行差分运算，根据运算结果判断所述转矩是否增加或降低至所述转矩阈值。

优选地，所述转速通过转速传感器获得，所述转速传感器为接触式和/或非接触式。

一种基于上文所述的延时优化方法的控制系统，所述控制系统包括：

保护装置；

转速传感器，其被配置为获取电动机的转速；

控制器，其与所述转速传感器和保护装置分别电连接，所述控制器被配置为计算电动机的转矩，根据所述转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，并在所述延时时间后控制所述保护装置工作，以切断电动机的工作电源；

响应于所述转速开始降低，所述控制器设置所述延时时间为第一预设时间；响应于所述转速呈降低趋势，且所述转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，所述控制器将所述延时时间从所述第一预设时间调整为第二预设时间，其中，所述第一预设时间不小于所述第二预设时间。

进一步地，所述控制器将所述延时时间调整为所述第二预设时间后，若所述转速呈增加趋势，且所述转矩增加至所述转矩阈值后开始降低，则所述控制器将所述延时时间从所述第二预设时间调整为所述第一预设时间。

本发明具有的优点：通过实时计算电动机的转矩来识别电动机的堵转状态，动态调整堵转保护的延时时间，充分利用了电动机热容承受能力以及产品运行限值，在避免电动机损毁的前提下保证了电动机工作的连续性，实现电动机的可靠性与灵敏性之间的平衡，安全可靠。

附图说明

图1为现有技术中的电动机电流保护功能的I-t关系曲线图；

图2为现有技术中的电动机保护装置过流保护功能的示意图；

图3为本发明实施例提供的异步电动机的电流、功率、转矩与转差率的关系曲线图；

图4为本发明实施例提供的优化后的堵转延时时间与电流的关系曲线图；

图5为本发明实施例提供的优化后的电动机电流保护功能的I-t关系曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的发明构思在于引入新的判据，结合不同转矩状态下堵转保护的动作延时时间曲线，对电动机的转速、功率进行实时采集并计算输出转矩，通过实时计算电动机的转矩来识别电动机的堵转状态，动态地自动调整堵转保护跳闸的延时时间，从而更精确有效的识别电动机的堵转状态，既能在严重堵转时快速跳闸，又能在非严重堵转时根据需求充分延时后再跳闸，解决了传统堵转保护固有的灵敏性和可靠性之间的矛盾，实现了电动机的可靠性与灵敏性的平衡运用，在充分利用电动机热容承受能力以及产品运行限值确保电动机工作的连续性，并在避免电动机损毁前提下保证电动机的安全可靠持续运行。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于电动机堵转保护的延时优化方法，延时优化方法包括：实时采样电动机的转速和输出功率，并实时计算电动机的转矩；根据转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，具体地，电机正常运行时一般在额定转速附近，在堵转发生后，当转速开始降低时，将延时时间设置为第一预设时间；若转速呈降低趋势，且转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，则将延时时间从第一预设时间调整为第二预设时间；在将延时时间调整为第二预设时间后，若转速呈增加趋势，且转矩增加至转矩阈值后开始降低，则将延时时间从第二预设时间调整为第一预设时间；若转速不增加，则保持延时时间为第二预设时间。

需要说明的是，转矩阈值为电动机的最大转矩；第一预设时间不小于第二预设时间；第一预设时间内的延时方式为定时限，第二预设时间内的延时方式为反时限，t1为定时限、反时限中的一种或二者的组合，t2同理，但t1、t2也可以为其他方式的延时方式，不以此限定本发明的保护范围；对相邻的多个转矩进行差分运算，根据运算结果判断转矩是否增加或降低至转矩阈值，但也可以采用其他方式判断，不以此限定本发明的保护范围。

在本实施例中，电动机的转速可以通过转速传感器获得，转速传感器为接触式和/或非接触式，具体根据实际需求选定，不以此限定本发明的保护范围；电动机的输出功率通过P1＝P-P2计算得到，式中，P1为电动机的输出功率，P2为其他功率损耗，P为电动机的输入功率，P通过实时采样三相电源的电压和电流后计算得到。

在本发明的一个实施例中，如图3所示的异步电动机的电流、功率、转矩、转差率的关系曲线图，其纵坐标为电流、功率、转矩，横坐标为电动机的转差率，异步电动机的转差率为转速n与同步转速n₀之差对同步转速之比即s＝(n₀-n)/n₀。需要说明的是，转差率是异步电动机的一个重要参数，其大小可以反映异步电动机的各种运行情况和转速的高低，异步电动机负载越大，转速就越低，其转差率就越大；反之，负载越小，转速就越高，其转差率就越小。当异步电动机带额定负载时，其额定转速很接近同步转速，因此转差率很小，一般为0.01～0.06。

如图3所示，虚线与转矩曲线T相交的点为电动机的最大转矩，电动机在起动过程中需要越过峰值即最大转矩也即上文中的转矩阈值后进入额定工作点，电动机转速与转矩、功率、电流密切相关，当正常运行的电动机发生堵转时，电动机的转速不断降低，转差率增大，电流也不断增大，但转矩呈现先增后降的变化趋势，电动机的转矩峰值为最大转矩T_max，转速和转矩之间非线性关系。

正常运行中的电动机堵转后在转矩增大到达峰值即最大转矩T_max前，这时电动机处于稳定状态，随着过载的消失电动机能够动态的自行恢复到额定转速。随着堵转持续转速不断降低，转矩到达峰值即最大转矩T_max后开始持续降低，这时如果电动机的转矩小于负载转矩，则容易失去稳定，无法自行恢复到额定转速，电动机持续降速最终彻底抱死卡住。为了能够更精确有效的识别电动机的堵转状态，引入新的堵转识别判据，如图4所示，当堵转保护发生时，电动机从额定转速开始降低，此时堵转保护的动作时间即延时时间t1为定时限，将t1设置得较长可以充分利用电动机的承受能力，以避免频繁跳闸从而保证电动机运行的连续性；随着转速继续降低，当转矩增大到最大转矩T_max之后，将堵转保护的延时时间自动调整为t2，进一步地，如果转速增加，转矩增大到最大转矩T_max后堵转保护的延时时间自动调整为t1，上述过程根据电动机工作状态自动反复调整。如图4所示，现引入I_o作为辅助理解，I_o对应为电动机的最大转矩T_max，I_o前对应t1，I_o后对应t2，即t1为定时限，t2为反时限关系，并且设置t2≤t1，这样保证了严重堵转时能够快速跳闸，从而确保灵敏性。

通过增设转速传感器，将其安装在电动机转子上，跟随转子同步转动，根据工作原理可以为接触器和非接触器，具体视应用场合和功能要求而定，不以此限定本发明的保护范围。接触式为在电动机转子轴中心同轴方向安装转速传感器器，通过光电或电磁技术实现旋转脉冲的输出，非接触式则为在转子轴上粘贴反光标识，通过光电技术采集旋转脉冲数据，旋转脉冲经过后期的信号整形、滤波后送入电动机保护装置被采集并实时计算，即可根据转速、输入电功率进行转矩的计算输出，根据功率P＝转矩T×角速度ω，50Hz三相电源电动机的转矩公式如下：

T＝9550*P1/n (1)

式中，T为电动机的转矩，单位N·m；n为电动机每分钟的转速，单位r/min；P1位电动机的输出功率，单位kW，P1通过下式确定：

P1＝P-P2 (2)

式中，P1为电动机的输出功率，P2为其他功率损耗，P为电动机的输入功率。电动机的输入功率可以通过对三相输入电压电流的实时计算及积分得出，电动机的其他功率损耗由铁损、绕组损耗、机械损耗、附加损耗等组成，具体数据可以查阅电动机出厂试验报告或向制造厂索取获得。

具体地，延时优化方法包括以下步骤：

1、实时采样计算三相U、I，计算电动机的输入电功率P；

2、根据公式(2)计算得出电动机输出功率P1；

3、通过转速传感器实时获取电动机当前转速数据n；

4、基于上述功率P1、转速数据n，根据公式(1)实时计算转矩T；

5、持续重复计算上述数据，当堵转发生时I增大，转速降低，转矩增大，转矩持续增大，直到峰值即最大转矩T_max，然后开始转矩降低，在此过程中电流、转速变化趋势不变，在本实施例中，最大转矩T_max可以通过对相邻两个或多个采样点的计算输出转矩差分后正负变化来识别；

6、根据电动机实时转矩变化动态自动调整电动机堵转保护的延时，首先检测电动机转速，当电动机从额定转速附近开始降低，此时堵转保护的动作延时时间为t1，若转速降低，并同时检测到转矩增加到最大转矩T_max后开始降低，将堵转保护的动作延时时间调整为t2，若转速不增加，则堵转保护动作延时时间保持为t2，若转速增加，并检测到转矩增加到最大转矩T_max后开始降低，将堵转保护的延时时间调整为t1，若转速降低，并检测到转矩增加到最大转矩T_max后开始降低，则堵转保护的延时时间调整为t2，上述过程中t1≥t2，t1、t2包括但不限于定时限、反时限中的一种或二者的组合，也可以为其他方式的延时方式，不以此限定本发明的保护范围。

当电流持续时间(堵转持续时间)满足更新后的延时要求时保护装置及时发出动作跳闸信号，切断电动机的工作电源，保护电动机。

在本发明的一个实施例中，提供了一种基于上文所述的延时优化方法的控制系统，控制系统包括保护装置、转速传感器和控制器，其中，转速传感器被配置为获取电动机的转速；控制器与转速传感器、保护装置分别电连接，控制器被配置为计算电动机的转矩，并根据转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，并在延时时间后控制保护装置工作，以切断电动机的工作电源即进行跳闸操作。

具体地，响应于转速开始降低，控制器设置延时时间为第一预设时间；响应于转速呈降低趋势，且转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，控制器将延时时间从第一预设时间调整为第二预设时间，其中，第一预设时间不小于第二预设时间；控制器将延时时间调整为第二预设时间后，若转速呈增加趋势，且转矩增加至转矩阈值后开始降低，则控制器将延时时间从第二预设时间调整为第一预设时间。

本控制系统实施例的思想与上述实施例中延时优化方法的工作过程属于同一思想，通过全文引用的方式将上述延时优化方法实施例的全部内容并入本控制系统实施例，不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于电动机堵转保护的延时优化方法，其特征在于，所述延时优化方法包括：实时采样电动机的转速，并实时计算电动机的转矩；根据所述转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，当所述转速开始降低时，将所述延时时间设置为第一预设时间；若所述转速呈降低趋势，且所述转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，则将所述延时时间从所述第一预设时间调整为第二预设时间，所述第二预设时间小于所述第一预设时间。

2.如权利要求1所述的延时优化方法，其特征在于，在将所述延时时间调整为所述第二预设时间后，若所述转速呈增加趋势，且所述转矩增加至所述转矩阈值后开始降低，则将所述延时时间从所述第二预设时间调整为所述第一预设时间。

3.如权利要求2所述的延时优化方法，其特征在于，若所述转速不增加，则保持所述延时时间为所述第二预设时间。

4.如权利要求1所述的延时优化方法，其特征在于，所述第一预设时间内的延时方式为定时限，所述第二预设时间内的延时方式为反时限。

5.如权利要求1所述的延时优化方法，其特征在于，对相邻的多个转矩进行差分运算，根据运算结果判断所述转矩是否增加或降低至所述转矩阈值。

6.如权利要求1所述的延时优化方法，其特征在于，所述转速通过转速传感器获得，所述转速传感器为接触式和/或非接触式。

7.一种基于权利要求1所述的延时优化方法的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

保护装置；

转速传感器，其被配置为获取电动机的转速；

控制器，其与所述转速传感器和保护装置分别电连接，所述控制器被配置为计算电动机的转矩，根据所述转速和转矩对电动机堵转保护的延时时间进行优化，并在所述延时时间后控制所述保护装置工作，以切断电动机的工作电源；

响应于所述转速开始降低，所述控制器设置所述延时时间为第一预设时间；响应于所述转速呈降低趋势，且所述转矩增加至预设的转矩阈值后开始降低，所述控制器将所述延时时间从所述第一预设时间调整为第二预设时间。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器将所述延时时间调整为所述第二预设时间后，若所述转速呈增加趋势，且所述转矩增加至所述转矩阈值后开始降低，则所述控制器将所述延时时间从所述第二预设时间调整为所述第一预设时间。

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