CN115296587B - 一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统，方法包括构建基于转差率的电磁转矩三系数模型；计算A相、B相和C相的相电压暂降比；若A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则为对称电压暂降，判断对称电压暂降是否为绝对安全电压暂降；若A相、B相和C相的相电压暂降比不一致，则为不对称电压暂降，进一步基于电动机的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断是否存在正实根，若不存在为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降。仅依据定子端发生电压暂降时残存电压幅值大小以及负载模型就能准确判断电动机是否绝对安全。

Description

一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统

技术领域

本发明涉及电动机保护器电能质量保护技术领域，更具体的说是涉及一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统。

背景技术

电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.～0.9p.u.，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的电压扰动事件。而电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.以下的电压扰动事件称为电压中断，分为短时和长时中断，短时中断可在电压突降短暂持续10ms～1min后恢复正常，长时中断则不能自动恢复。

电压暂降(中断)是否会造成电动机停机取决于电压残存幅值和持续时间。

由于电压中断期间电压幅值较低，除了中断时间较短和负载较小等情形，其他绝大多数情形下电动机都会停机，因此为简单计算，本发明将电压暂降和电压中断统称为“电压暂降”。

目前缺乏一种当感应电动机定子端发生电压暂降时根据特定负载模型仅需知道电压残存幅值大小而不论暂降持续时间长短就能快速判定电动机是否绝对安全的电动机保护器软硬件系统，满足这一快速判定条件的电压暂降称为绝对安全电压暂降(Absolutely safe voltage sag，缩写为ASVS)，否则称为非绝对安全电压暂降(Non-ASVS)。

目前尚无同类技术，为防止电动机定子端电压跌落导致穿越失败，常用保护方法是采用抗晃电设备及方法，典型的有两类：⑴采用UPS、DC-BANK等抗晃电系统，其特点是晃电发生时由备用电源供电；⑵采用接触器抗晃电，如抗晃电接触器、在原有交流接触器上增加延时模块、加装再起动控制器等，其主要特点是晃电发生时使接触器处于吸合状态。第⑴类造价较高不利于推广，或者只能用于变频电机，第⑵类由于在晃电时线路电压处于不稳定状态，此时接触器处于吸合状态会导致施加在电动机上的电压不稳。

因成本很多电动机并不会额外加装第⑴类抗晃电设备，而采用第⑵类抗晃电设备及方法存在固有缺陷，因此在未加装第⑴⑵类抗晃电设备、仅知道电压暂降残存电压幅值以及负载模型的情形下如何精准地对电动机进行保护是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统，仅依据定子端发生电压暂降时残存电压幅值大小以及负载模型就能准确判断电动机是否绝对安全以及判定为非绝对安全时及时进行预警。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，包括：

获取电动机阻抗参数和负载模型；

根据所述电动机阻抗参数，构建电磁转矩-转差率三系数模型；

分别获取在电压暂降期间电动机的A相、B相和C相的相电压有效值；

根据所述A相、B相和C相的相电压有效值，分别计算所述A相、B相和C相的相电压暂降比；

判断所述A相、B相和C相的相电压暂降比是否均一致，若所述A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则所述电压暂降为对称电压暂降，判断所述对称电压暂降是否为绝对安全电压暂降；

若所述A相、B相和C相所对应的相电压暂降比不一致，则所述电压暂降为不对称电压暂降，基于此，结合所述A相、B相和C相的相电压暂降比，计算所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比；

基于所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比，结合所述电磁转矩-转差率三系数模型，计算所述电动机暂降期间的合成电磁转矩；

基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则不对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降。

优选的，所述电动机阻抗参数包括：定子电阻R₁、定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R′₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m。

优选的，根据所述电动机阻抗参数，构建基于转差率的电磁转矩三系数模型具体包括：

根据定子电阻R₁、定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R′₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m计算等效源电压有效值U_1，ph，eq、电阻R_1，eq和电抗X_1，eq；

其中，U_1N，ph为定子端额定相电压；

基于等效源电压有效值U_1，ph，eq、电阻R_1，eq和电抗X_1，eq计算得到电磁转矩-转差率三系数模型：

其中，T_e表示暂降前的电磁转矩；s表示转差率；a₀、a₁和b₀均表示系数；

其中，m₁表示定子相数，ω_s表示同步角速度。

优选的，对称电压暂降时绝对安全电压暂降判断公式为：

其中，K_sag表示发生对称电压暂降时电压暂降比，ω_s表示同步角速度，T_L表示负载转矩，m₁表示定子相数，a₀、a₁和b₀均表示系数；

满足上式的对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降。

优选的，电动机发生不对称电压暂降时的正序电压暂降比和负序电压暂降比计算公式为：

其中，U_{1+，sag，ph}、U_{1-，sag，ph}分别表示不对称暂降期间定子正、负序相电压有效值，K_sag,A、K_sag,B、K_sag,C分别表示A相、B相和C相的相电压暂降比，a＝1∠120°为单位向量算子。

优选的，不对称暂降期间的合成电磁转矩计算公式为：

式中， N₃＝-4，N₀＝(4+2a₁+a₀)a₀，K_sag+表示电动机的正序电压暂降比，K_sag-表示电动机的负序电压暂降比，N₀、N₁、N₂、N₃、M₀、M₁、M₂、M₃分别表示系数，T_e+，sag、T_e-，sag分别表示不对称暂降期间的正、负序电磁转矩。

优选的，所述负载模型包括但不限于恒转矩模型、恒功率复合转矩模型和风机泵类复合转矩模型。

优选的，基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根具体包括：

将合成电磁转矩与恒转矩模型作差：

将合成电磁转矩与恒功率复合转矩模型作差：

将合成电磁转矩与风机泵类复合转矩模型作差：

式中， q₅＝N₃-2，/> ω_s表示电动机的同步角速度，s表示转差率，T_C表示负载转矩值，且T_C为常数，P_c表示负载转矩模型的有功功率，且P_c为常数，/>k₁、k₂均为比例系数，T_L,ConT、T_L,ConP、T_L,Fan&PumP分别表示恒转矩模型、恒功率复合转矩模型、风机泵类复合转矩模型；

判断电动机暂降期间的合成电磁转矩与任意一种负载转矩模型的负载转矩作差等于0是否在(0,1]存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降。

一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算系统，包括：操作显示单元、信号采集处理单元、保护计算控制单元、控制执行单元和电源模块；

所述操作显示单元，用于获取电动机阻抗参数和负载模型；并将所获取的内容发送至所述保护计算控制单元；

所述信号采集处理单元，用于获取电压暂降期间电动机的A相、B相和C相的相电压有效值；并将所获取的内容发送至所述保护计算控制单元；

所述保护计算控制单元，用于计算所述A相、B相和C相的相电压暂降比，判断所述A相、B相和C相的相电压暂降比是否均一致，若所述A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则所述电压暂降为对称电压暂降，判断所述对称电压暂降是否为绝对安全电压暂降；

若所述A相、B相和C相所对应的相电压暂降比不一致，则所述电压暂降为不对称电压暂降，基于此，结合所述A相、B相和C相的相电压暂降比，计算所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比；

基于所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比，结合电磁转矩-转差率三系数模型，计算所述电动机暂降期间的合成电磁转矩；

基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则不对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降；

所述控制执行单元用于在非绝对安全电压暂降时控制声光报警器完成警告作业；

所述电源模块，用于为所述操作显示单元、所述信号采集处理单元和所述保护计算控制单元提供电源。

优选的，还包括电压检测模块；

所述电压检测模块包括外部的电压互感器和内部的电压检测单元；

所述电压检测模块，用于检测电动机的工作电压，并将所述电动机的工作电压转换为适合所述信号采集处理单元进行离散采集的模拟电压信号。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法及系统，感应电动机在未加装抗晃电设备的情形下，仅依据定子端发生电压暂降时残存电压幅值大小以及负载模型就能判断电动机是否绝对安全以及判定为非绝对安全时及时进行预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1(a)为现有相关技术提供的IEEE推荐的感应电动机单相等效电路图。

图1(b)为图1(a)基于戴维南定理的感应电动机简化等效电路图。

图2为绝对安全电压暂降期间的转矩-转差率特性曲线图。

图3为电动机定子电压对称暂降到安全临界电压时的转矩特性曲线图。

图4为本发明电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法流程图。

图5(a)为不对称暂降下感应电动机简化正序等效电路图。

图5(b)为基于戴维南定理的不对称暂降下感应电动机简化正序等效电路图。

图6(a)为不对称暂降下感应电动机简化负序等效电路图。

图6(b)为基于戴维南定理的不对称暂降下感应电动机简化负序等效电路图。

图7(a)为负载为恒转矩模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.5772时的转速和电磁转矩实验图。

图7(b)为负载为恒转矩模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.5771时的转速和电磁转矩实验图。

图7(c)为负载为恒功率复合模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.5889时的转速和电磁转矩实验图。

图7(d)为负载为恒功率复合模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.5888时的转速和电磁转矩实验图。

图7(e)为负载为风机泵类复合模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.7096时的转速和电磁转矩实验图。

图7(f)为负载为风机泵类复合模型某型感应电动机在对称暂降下暂降比K_sag＝0.7095时的转速和电磁转矩实验图。

图8(a)为负载为恒转矩模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.5时的转速和电磁转矩实验图。

图8(b)为负载为恒转矩模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.4时的转速和电磁转矩实验图。

图9(a)为负载为恒功率复合模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.5时的转速和电磁转矩实验图。

图9(b)为负载为恒功率复合模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.4时的转速和电磁转矩实验图。

图10(a)为负载为风机泵类复合模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.9时的电磁转矩实验图。

图10(b)为负载为风机泵类复合模型某型感应电动机在不对称暂降下暂降比K_sag,A＝0.9,K_sag,B＝0.4,K_sag,C＝0.8时的电磁转矩实验图。

图11为电机保护器的绝对安全电压暂降计算系统原理框图。

图12为电动机保护器低穿越系统电压状态检测原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，如图4所示，基于IEEE推荐的感应电动机五参数模型(IEEE是指美国电气和电子工程师协会(Instituteof Electrical and Electronics Engineers))；由于一台电动机对应一套阻抗参数(定子电阻R₁、定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R′₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m)；针对特定的负载模型，当电动机定子端发生电压暂降时仅需知道电压残存幅值就可实现一对一的精确预警，即本发明能够实现基于电机参数和负载模型的差异化保护。

本发明实施例所提供的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，可以划分为以下四方面内容：

(一)电磁转矩-转差率三系数模型的构建方法：

当定子端相电压U_1，ph为额定相电压U_1N，ph时，根据图1(a)和图1(b)中a和b两个端点左侧网络的等效关系，可求得等效源电压有效值U_1，ph，eq、戴维南等效电阻R_1，eq和戴维南等效电抗X_1，eq如下：

其中，X_m表示激磁电抗；R₁表示定子电阻；X₁表示定子漏抗；

然后，根据图1(b)中的戴维南等效电路图，计算转子相电流有效值I'_2,ph，表示为：

其中，R′₂表示转子电阻；s表示转差率；X′₂表示转子漏抗；

将(4)代入电磁转矩公式，可得：

其中，T_e表示电磁转矩[N·m]；m₁表示定子相数；ω_s表示同步角速度[rad/sec]；

定义系数a₀、a₁和b₀：

基于公式(5)-(8)，可得出电磁转矩T_e-转差率s三系数模型的简明表达形式：

其中，T_e表示电磁转矩；s表示转差率；a₀、a₁和b₀均表示系数。

(二)典型的生产机械负载转矩模型：

①恒转矩负载模型：

该模型中，负载转矩T_L＝常数，可记为：

T_L，ConT＝T_C (10)

其中，T_L，ConT表示恒转矩负载模型负载转矩；T_C表示转矩值，且T_C为常数；

②恒功率负载模型：

该模型中，负载转矩该负载转矩存在摩擦力(视为恒转矩负载)的恒功率复合转矩模型可记为：

其中，T_L，ConP表示恒功率负载模型负载转矩；P_c表示有功功率，且P_c为常数；ω_m表示机械角速度[rad/sec]；n表示转速[r/min，简写为rpm]；ω_s表示同步角速度[rad/sec]；s表示转差率；

③风机、泵类负载模型：

该模型中，存在静阻转矩(视为恒转矩负载)的风机、泵类复合转矩模型可记为：

其中，T_L，Fan&Pump表示风机、泵类负载模型负载转矩k₁，k₂均为比例系数。

(三)绝对安全电压暂降(ASVS)判定的原理分析：

以图2所示转矩-转差率特性曲线为例，图中T_e为暂降前的电磁转矩，T_e，sag、T_max，sag分别为暂降期间的合成电磁转矩、最大电磁转矩，T_L为负载转矩(以恒转矩为例)，s_maxT，sag为暂降期间的临界转差率(即最大转矩时的转差率)。电压暂降前T_e和T_L曲线有两个平衡交点S和U，分别称为稳定平衡点和不稳定平衡点。当定子端发生电压暂降时，T_e会随减小而成比例减小，表现为T_e曲线整体成比例地下调，这时有两种情形：

⑴若暂降期间的T_e曲线整体下调幅度较小，T_e，sag与T_L曲线仍有平衡交点S′和U′(如图2所示)，在电压暂降发生后电动机先从S点跳跃到A点，依据转矩微分方程随后会沿着暂降期间的T_e曲线逐步运行到S′点作新的稳态运行，只要暂降电压残存幅值不变无论暂降持续多久，电动机均不会减速停机，而当暂降消除后，电动机会从S′跳跃到B点然后沿着暂降前的T_e曲线最终回到原来的稳定平衡点S，这种电压暂降对电动机而言是绝对安全的，故称为绝对安全电压暂降(ASVS)，此种情形无需发出动作指令。J表示转动惯量[kg·m2]。

⑵暂降期间的T_e曲线整体下调幅度较大，T_e，sag与T_L曲线已无交点，称为非绝对安全电压暂降(Non-ASVS)，此种情形需要发出报警动作指令(这是因为此种情形电动机能否重新加速成功完全取决于电压暂降持续时间长短，已非绝对安全)。

(四)绝对安全电压暂降(ASVS)的判据：

从上述分析可知，电压暂降期间只要存在新的稳定平衡交点，电动机就是绝对安全的，不会减速停机。因此，是否存在新的稳定平衡交点可以作为判定某一暂降对电动机而言是否是ASVS的依据，其充分条件有两个：

⑴暂降期间的电磁转矩最大值大于等于同一转差率下的负载转矩，即

T_max，sag≥T_L(s_maxT，sag) (13)

⑵暂降期间T_e，sag(s)-T_L(s)＝0在s∈(0，1]上存在正实根，记最小者为s_min，prr，且电动机在此处的T_e，sag-s曲线斜率为正或零，即

这样，ASVS的判定就转化为暂降期间电磁转矩是否满足(13)或(14)式，本发明将前者称为ASVS第一判据，后者称为ASVS第二判据。对称暂降s_maxT，sag容易求得解析解，对ASVS的判定采用第一判据；不对称暂降s_maxT，sag不易求得，因此改用第二判据。

下面通过两个实施例对对称电压暂降ASVS具体的判定方法和不对称电压暂降ASVS具体的判定方法进行具体说明；在以下两个实施例中，公式参数中下标sag表示在电压暂降期间。

实施例1：对称电压暂降ASVS具体的判定方法

当定子端发生对称电压暂降时，设暂降期间相电压有效值为U_1，sag，ph，则等效源电压有效值U_{1，sag，ph，eq}、系数b_0，sag、电磁转矩T_e，sag-s简明表达式分别为：

上述表达式中的戴维南等效电阻R_1，eq、电抗X_1，eq及系数a₀、a₁与暂降前相同。

定义电压暂降比

式中，0≤K_sag≤1，之后将(15)～(17)式分别与(1)、(8)和(9)式对比，可得到暂降期间等效源电压有效值U_{1，sag，ph，eq}、系数b_0，sag、电磁转矩T_e，sag与暂降前对应量的比例式：

U_{1，sag，ph，eq}＝K_sagU_1，ph，eq (19)

要使用(13)式进行对称暂降下绝对安全电压暂降(ASVS)的判定，需要先求得暂降下的临界转差率s_maxT，sag，为此，在(17)式中令dT_e，sag/ds＝0，可解得

将(22)式代入表达式(21)，可推出暂降期间最大转矩关于K_sag的形式：

将(22)、(23)式代入(13)式，可获得对称暂降下ASVS的判定表达式：

从(24)式可知，ASVS存在一个最小允许值，其表现为暂降期间临界转差率s_maxT，sag下的电磁转矩等于负载转矩，如图3所示。最小允许值是电动机能够维持运行的最小电压暂降比，称为安全临界电压暂降比(Safecriticalvoltagesagratio)，记为K_sag-SC。

实施例2：不对称电压暂降ASVS具体的判定方法：

步骤如下：

1)当定子端发生不对称电压暂降时，首先需求得正序、负序、零序电压暂降比的相关计算式：

设不对称暂降期间定子正、负、零序相电压有效值分别为U_{1+，sag，ph}、U_{1-，sag，ph}和U_{10，sag，ph}，则分别定义正序、负序、零序电压暂降比

式中，K_sag+，K_sag-，K_sag0∈[0，1]。

由于电压暂降只涉及幅值变化，相角仍维持不变(从而各相相位差维持不变)，设A、B、C相的电压暂降比分别为K_sag，A(＝U_{1A，sag，ph}/U_1N，ph)、K_sag，B(＝U_{1B，sag，ph}/U_1N，ph)、K_sag，C(＝U_{1C，sag，ph}/U_1N，ph)，则有

式中，a＝1∠120°为单位向量算子，为A相的初相角。因此，正序、负序、零序电压暂降比的计算式分别为：/>

分别记负序电压零序电压/>与正序电压/>的相位差为和/>则有：

2)然后再求得正、负序电磁转矩与合成电磁转矩的表达式：

感应电动机定子电压发生不对称电压暂降，实际就是电动机从对称电压下的运行转为不对称电压下的运行。若感应电动机的定子绕组接成Y形而无中线，则电机内将无零序电流；当接成△形接法时，线电流中亦无零序电流，所以在通常情况下，只需分析正序和负序两个分量。

在不对称暂降正序电压作用下，感应电动机内部的旋转磁场和物理情况与正常对称运行时完全一样，所以其单相正序等效电路如图5(a)所示。

根据图5(b)，设暂降期间转子正序相电流有效值为I′_{2+，sag，ph}，则等效源正序相电压有效值U_{1+，sag，ph，eq}、系数b_0+，sag、暂降期间正序电磁转矩T_e+，sag-s简明表达式分别为：

上述表达式中的戴维南等效电阻R_1，eq、电抗X_1，eq及系数a₀、a₁与暂降前相同。

在不对称暂降负序电压作用下，电机内将产生一个反转的旋转磁场，其转速为-n_s。转子对负序磁场的转差率s_为:

式中：n_s表示同步转速[r/min]。故经过频率归算后转子等效电阻应为R′₂/(2-s)，因此单相负序等效电路如图6(a)所示。

根据图6(b)，设暂降期间转子负序相电流有效值为I′_{2-，sag，ph}，则等效源负序相电压有效值U_{1-，sag，ph，eq}、系数b_0-，sag、暂降期间负序电磁转矩T_e-，sag-s简明表达式分别为:

上述表达式中的戴维南等效电阻R_1，eq、电抗X_1，eq及系数a₀、a₁与暂降前相同。

将(36)～(38)式分别与(1)、(8)和(9)式对比，可得到暂降期间等效源正序相电压有效值U_{1+，sag，ph，eq}、系数b_0+，sag、正序电磁转矩T_e+，sag与暂降前对应量的比例式：

U_{1+，sag，ph，eq}＝K_sag+U_1，ph，eq (43)

类似可得到暂降期间等效源负序相电压有效值U_{1-，sag，ph，eq}、系数b_0-，sag、负序电磁转矩T_e-，sag与暂降前对应量的比例式：

U_{1-，sag，ph，eq}＝K_sag-U_1，ph，eq (46)

当正、负序电压同时存在时，由于正序磁场和负序转子电流相作用，以及负序磁场和正序转子电流作用时均不产生平均转矩，故计算合成转矩T_e，sag时，只要将前述T_e+，sag和T_e-，sag相减即可，即

式中，/>N₃＝-4，N₀＝(4+2a₁+a₀)a₀。

3)接着再求得合成电磁转矩T_e，sag的导函数dT_e，sag/ds的表达式：

将合成电磁转矩(49)式对s求导，有

式中，

4)最后根据ASVS第二判据进行判定，具体判定步骤如下：

⑴计算T_e，sag(s)-T_L(s)＝0的根，并对根进行判定。如果没有正实根或者有正实根s但即可判定为非绝对安全电压暂降(Non-ASVS)；如果有s∈(0，1]的正实根，进入第⑵步；

⑵如果在(0，1]上有多于1个的正实根，比较大小，取最小正实根，记为s_min，prr；

⑶将s_min，prr代入(50)式计算正负，如为非负值，则判定为ASVS，否则为Non-ASVS。

为了判定的需要，下面分别计算不对称暂降期间电动机负载为恒转矩、恒功率复合转矩、风机泵类复合转矩模型T_e，sag(s)-T_L(s)的表达式：

⑴恒转矩模型：将(10)式和合成电磁转矩(49)式代入T_e，sag(s)-T_L(s)，有

⑵恒功率复合转矩模型：将(11)式和(49)式代入T_e，sag(s)-T_L(s)，有

式中

⑶风机泵类复合转矩模型：将(12)式和和(49)式代入T_e，sag(s)-T_L(s)，有

式中，q₅＝N₃-2，

在上述实施例1和实施例2中，建立了ASVS具体的判定方法(其中对称暂降建立了直接的判定表达式)，当发生电压暂降时仅需知道电压暂降比、T_e-s三系数、负载转矩T_L模型即可完成电动机是否绝对安全的快速判定；当电动机被判定为非绝对安全时程序及时发出报警指令。即本发明能够实现基于电机参数和负载模型的一对一差异化精确保护而非笼统保护。

实施例1和实施例2的效果实验：

为了验证ASVS解析算法的准确性，采用三相可编程电压源、某型感应电动机、机械负载和电机转矩转速测量仪组成验证系统进行了实验验证。

三相可编程电压源可以对称地降低正序电压幅值来模拟对称暂降，也可以额外施加降低幅值的负序、零序电压来模拟不对称暂降。某型感应电动机的出厂技术数据和阻抗参数分别如表1和2所示。电机转矩转速测量仪用来显示转速n和暂降前的电磁转矩Te。

表1某型感应电动机出厂技术数据(f_N＝50Hz，△形接法)

表中：f表示频率[Hz]；η表示效率[％]；表示功率因数；poles表示极数；/>表示起动电流倍数；/>表示起动转矩倍数；/>表示最大转矩倍数；下标：st表示起动；max表示最大值。

表2某型感应电动机阻抗参数

首先使电动机从空载开始运行，待其稳定后在t＝2s时投入机械负载，待电动机到达新的稳定平衡点后在t＝3s时制造电压暂降，t＝13s时结束。用于验证的三种典型的转矩模型参数如表3所示。

表3用于验证的感应电动机机械负载转矩模型及参数

1)对称电压暂降下验证与分析

首先在(24)式中取等号求得K_sag-SC解析值，接着用上述验证系统通过实验确定K_sag-SC实测值。图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)是进行K_sag-SC值判定的实验对比图，表4列出了三种模型的K_sag-SC解析值和实测值对比。

表4对称暂降下安全临界电压暂降比K_sag-SC解析值和实测值对比

分析与结论：从表4可见，在对称暂降下三种模型的安全临界电压暂降比K_sag-SC的解析值与实测值的最大误差仅为1.4‰，说明ASVS第一判据是精确的。

2)不对称电压暂降下验证与分析

以恒转矩模型为例，说明不对称暂降下用上述验证系统通过实验验证本系统ASVS解析算法的过程。不失一般性，各相电压暂降比可设置如下：K_sag，A＝0.9、K_sag，B＝0.4、K_sag，C在0～1之间以0.1步长变化，利用(31)～(35)式分别计算对应的正、负、零序电压暂降比K_sag+，K_sag-，K_sag0及负-正序、零-正序相位差按照ASVS第二判据步骤⑴-⑶进行ASVS判定，数据列于表5。接着用验证系统对表5得出的判定结果进行了实验验证，限于篇幅，仅列出了K_sag，C＝0.5和K_sag，C＝0.4两种接近临界的实验验证图，如图8(a)、8(b)所示。

表5恒转矩模型绝对安全暂降解析算法判定结果(K_sag，A＝0.9,K_sag，G＝0.4)

对于恒功率复合模型，ASVS解析算法判定结果如表6所示，并用验证系统对表中得出的判定结果进行了验证，图9(a)、9(b)列出了K_sag，C＝0.5和K_sag，C＝0.4两种接近临界的验证图。

表6恒功率复合模型绝对安全暂降解析算法判定结果(K_sag，A＝0.9,K_sag，B＝0.4)

对于风机泵类复合模型，ASVS解析算法判定结果如表7所示，并用验证系统对表中得出的判定结果进行了验证，图10(a)、10(b)列出了K_sag，C＝0.9和K_sag，C＝0.8两种接近临界的验证图。

表7风机泵类复合模型绝对安全暂降解析算法判定结果(K_sag，A＝0.9,K_sag，B＝0.4)

分析与结论：从图8(a)、8(b)对表5、图9(a)、9(b)对表6、图10(a)、10(b)对表7的验证过程可知，在不对称暂降下依据ASVS第二判据得出的判定结果与实验法完全一致，说明了ASVS第二判据的有效性和准确性。

本发明还提供了一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算系统，如图11所示，包括：电压检测模块(外部电压互感器+内部电压检测单元)、操作显示单元、信号采集处理单元、保护计算控制单元、控制执行单元和电源模块；电压检测模块采用电压互感器+采样电阻的方案，其原理图如图12所示。

其中，电压检测模块，用于检测电动机的工作电压，通过高电压、大电流检测电路以及抗混叠滤波器等处理，将电动机的工作电压转换为适合信号采集处理单元进行离散采集的模拟电压信号；

操作显示单元，用于获取电动机制造商数据(一般指技术数据表、出厂检验报告，具体指额定功率P_N[kW]、额定效率η_N、定子额定电压U_1N、定子额定电流I_1N、额定功率因数额定频率f_N、极数poles、额定转速n_N、额定转矩T_N、起动电流倍数/>起动转矩倍数最大转矩倍数/>转动惯量J等)；然后利用参数辨识算法从上述制造商数据中辨识并获取感应电动机阻抗参数，即定子电阻R₁和定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R'₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m；其中辨识过程由保护计算控制单元(MCU)完成；该操作显示单元，还用于获取负载模型，以及报警信息的显示；操作显示单元所获取的内容均发送至保护计算控制单元；

信号采集处理单元，用于获取电压暂降期间电动机的A相、B相和C相的相电压有效值；并将所获取的内容发送至保护计算控制单元；信号采集处理单元所用芯片除具备的基本功能外，还应具有电压有效值测量等功能，可采用ADI公司的ADE7880芯片或锐能微(RENERGY)公司的RN8302B芯片完成。

保护计算控制单元，用于计算A相、B相和C相的相电压暂降比，判断A相、B相和C相的相电压暂降比是否一致，若A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则电压暂降为对称电压暂降；基于此判断电压暂降是否为绝对安全电压暂降；

若A相、B相和C相所对应的相电压暂降比不一致，则电压暂降为不对称电压暂降；基于此，结合A相、B相和C相的相电压暂降比，计算电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比；基于电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比，结合电磁转矩-转差率三系数模型，计算电动机暂降期间的合成电磁转矩；基于电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根，若不存在为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降；

保护计算控制单元(MCU)负责读取信号采集处理单元数据、报警计算、驱动控制执行单元等，可采用意法半导体(ST)公司基于Cortex^TM-M4内核的STM32F4系列微控制器，主要考虑了MCU的计算性能、运行速度、程序FLASH及RAM存贮器容量、各种外设需求，而STM32F4系列具备了高性能的数字信号处理器能力，集成MCU、DSP、FPU等诸多性能于一体。

控制执行单元，用于在非绝对安全电压暂降时控制声光报警器完成警告作业。

电源模块，用于为操作显示单元、信号采集处理单元、保护计算控制单元和控制执行单元提供DC电源。电源模块完成对输入电能的变换，从而给低穿系统各子单元电路提供稳定电力。本方案采用DC电源设计，输入规格为DC 18～36V，主要以多路隔离、宽电压输入为核心，并结合EMC，各种保护电路作为辅助。隔离以及电压变换主要选取18～36V宽电压输入的DC/DC隔离变换方案，并对主回路采集和核心主控MCU采取满足设备宽电压输入要求DC/DC隔离变换器、选用18～36V超宽输入变换模块，隔离电压按照3000V设计，保证各核心电路间的电气隔离。DC/DC后端依据具体设计要求增加线性稳压器(LDO)、π型滤波以及高导通磁珠，对高频、低频的纹波、干扰信号等进行过滤。

若电压暂降依据残存电压幅值用ASVS判据被判定为ASVS则认为电动机绝对安全，不发出动作指令；若电压暂降被判定为Non-ASVS，则应发出报警动作指令。控制执行单元依据动作指令，通过声光报警器电路完成声光报警。

Claims (10)

1.一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，包括：

获取电动机阻抗参数和负载模型；

根据所述电动机阻抗参数，构建电磁转矩-转差率三系数模型；

分别获取在电压暂降期间电动机的A相、B相和C相的相电压有效值；

根据所述A相、B相和C相的相电压有效值，分别计算所述A相、B相和C相的相电压暂降比；

判断所述A相、B相和C相的相电压暂降比是否均一致，若所述A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则所述电压暂降为对称电压暂降，判断所述对称电压暂降是否为绝对安全电压暂降；

若所述A相、B相和C相所对应的相电压暂降比不一致，则所述电压暂降为不对称电压暂降，基于此，结合所述A相、B相和C相的相电压暂降比，计算所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比；

基于所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比，结合所述电磁转矩-转差率三系数模型，计算所述电动机暂降期间的合成电磁转矩；

基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则不对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降。

2.根据权利要求1所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，所述电动机阻抗参数包括：定子电阻R₁、定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R′₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m。

3.根据权利要求2所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，根据所述电动机阻抗参数，构建基于转差率的电磁转矩三系数模型具体包括：

根据定子电阻R₁、定子漏抗X₁、归算到定子侧的转子电阻R′₂、转子漏抗X′₂和激磁电抗X_m计算等效源电压有效值U_1，ph，eq、电阻R_1，eq和电抗X_1，eq；

其中，U_1N，ph为定子端额定相电压；

基于等效源电压有效值U_1，ph，eq、电阻R_1，eq和电抗X_1，eq计算得到电磁转矩-转差率三系数模型：

其中，T_e表示暂降前的电磁转矩；s表示转差率；a₀、a₁和b₀均表示系数；

其中，m₁表示定子相数，ω_s表示同步角速度。

4.根据权利要求3所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，对称电压暂降时绝对安全电压暂降判断公式为：

其中，K_sag表示发生对称电压暂降时电压暂降比，ω_s表示同步角速度，T_L表示负载转矩，m₁表示定子相数，a₀、a₁和b₀均表示系数；

满足上式的对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降。

5.根据权利要求3所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，电动机发生不对称电压暂降时的正序电压暂降比和负序电压暂降比计算公式为：

其中，U_{1+，sag，ph}、U_{1-，sag，ph}分别表示不对称暂降期间定子正、负序相电压有效值，K_sag，A、K_sag，B、K_sag，C分别表示A相、B相和C相的相电压暂降比，a＝1∠120°为单位向量算子。

6.根据权利要求5所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，不对称暂降期间的合成电磁转矩计算公式为：

式中， N₃＝-4，N₀＝(4+2a₁+a₀)a₀，K_sag+表示电动机的正序电压暂降比，K_sag-表示电动机的负序电压暂降比，N₀、N₁、N₂、N₃、M₀、M₁、M₂、M₃分别表示系数，T_e+，sag、T_e-，sag分别表示不对称暂降期间的正、负序电磁转矩。

7.根据权利要求6所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，所述负载模型包括恒转矩模型、恒功率复合转矩模型和风机泵类复合转矩模型。

8.根据权利要求7所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算方法，其特征在于，基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根具体包括：

将合成电磁转矩与恒转矩模型作差：

将合成电磁转矩与恒功率复合转矩模型作差：

将合成电磁转矩与风机泵类复合转矩模型作差：

式中， q₅＝N₃-2，/> ω_s表示电动机的同步角速度，s表示转差率，T_C表示负载转矩值，且T_C为常数，P_c表示负载转矩模型的有功功率，且P_c为常数，/>k₁、k₂均为比例系数，T_L，ConT、T_L，ConP、T_L，Fan&Pump分别表示恒转矩模型、恒功率复合转矩模型、风机泵类复合转矩模型；

判断电动机暂降期间的合成电磁转矩与任意一种负载转矩模型的负载转矩作差等于0是否在(0，1]存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降。

9.一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算系统，其特征在于，包括：操作显示单元、信号采集处理单元、保护计算控制单元、控制执行单元和电源模块；

所述操作显示单元，用于获取电动机阻抗参数和负载模型；并将所获取的内容发送至所述保护计算控制单元；

所述信号采集处理单元，用于获取电压暂降期间电动机的A相、B相和C相的相电压有效值；并将所获取的内容发送至所述保护计算控制单元；

所述保护计算控制单元，用于计算所述A相、B相和C相的相电压暂降比，判断所述A相、B相和C相的相电压暂降比是否均一致，若所述A相、B相和C相的相电压暂降比均一致，则所述电压暂降为对称电压暂降，判断所述对称电压暂降是否为绝对安全电压暂降；

若所述A相、B相和C相所对应的相电压暂降比不一致，则所述电压暂降为不对称电压暂降，基于此，结合所述A相、B相和C相的相电压暂降比，计算所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比；

基于所述电动机的正序电压暂降比和负序电压暂降比，结合电磁转矩-转差率三系数模型，计算所述电动机暂降期间的合成电磁转矩；

基于所述电动机暂降期间的合成电磁转矩和负载模型作差结果判断在转差率s∈(0，1]上是否存在正实根，若不存在，不对称电压暂降为非绝对安全电压暂降；若存在，判断最小正实根处合成电磁转矩转差率曲线斜率，若结果为非负，则不对称电压暂降为绝对安全电压暂降，否则为非绝对安全电压暂降；

所述控制执行单元，用于在非绝对安全电压暂降时控制声光报警器完成警告作业；

所述电源模块，用于为所述操作显示单元、所述信号采集处理单元、所述保护计算控制单元和所述控制执行单元提供电源。

10.根据权利要求9所述的一种电机保护器的绝对安全电压暂降计算系统，其特征在于，还包括电压检测模块；

所述电压检测模块包括外部的电压互感器和内部的电压检测单元；

所述电压检测模块，用于检测电动机的工作电压，并将所述电动机的工作电压转换为适合所述信号采集处理单元进行离散采集的模拟电压信号。