CN115441410A - 基于最少信号检测的pmsm全局全域保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最少信号检测的永磁同步电机全局全域保护系统和方法。包括在三相逆变器处的温度传感器、在整流电路和三相逆变器间母线上的电流传感器和电压传感器；温度传感器采集三相逆变器中IGBT温度触发过温保护；电压传感器采集母线电压触发欠压保护、过压保护、输入缺相保护；电流传感器采集母线电流触发过流保护；结合母线电压与母线电流触发失速保护、堵转保护、电机缺相保护、过载保护、电机本体过温保护。本发明仅采集母线电压、母线电流及IGBT温度这三个传感器信号即实现对永磁同步电机控制系统的全局全域保护，在极大降低制造成本的同时也增强了控制系统的鲁棒性，减少了因传感器失准而造成故障误报停机的可能性。

Description

基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统和方法

技术领域

本发明涉及了一种永磁同步电机保护系统和方法，尤其是涉及了一种基于最少信号检测的永磁同步电机(PMSM)全局全域保护系统和方法。

背景技术

永磁同步电机因其高效的性能而被广泛应用于各行各业。然而电机一旦发生故障，将会带来较大的经济损失，在一些特定场合中甚至会严重威胁人们的生命安全，因此对电机加以全局全域保护尤为重要。

电机故障保护一般有欠/过压保护、输入/电机缺相保护、过载保护、过流保护、失速保护、堵转保护、过温保护等。

为了准确获取电机运行状态，需要给电机配备各种传感器，从而在电机发生故障时进行及时保护。传统永磁同步电机信号采集系统包括三相电流传感器、电压传感器、IGBT温度传感器、电机本体温度传感器、位置传感器、霍尔元器件等。其具体传感器布局形式及信号采集方案分别如图1和表1所示。

表1传统永磁同步电机安全保护系统信号采集方案

图1中，编号1、2、3处分别是电流传感器实时采集三相电流i_a、i_b、i_c的信号采集点；编号4处是电机本体温度传感器实时采集电机温度T₁的信号采集点；编号5处是输入检测电路实时采集输入交流电压U_ac的信号采集点；编号6处是电压传感器实时采集母线电压U_dc的信号采集点；编号7处是温度传感器实时采集IGBT温度T₂的信号采集点。所有信号经采集后均被送入控制器进行处理，判断电机存在何种故障，能否可靠运行。

因此，传统永磁同步电机控制系统需要使用大量传感器才能对电机进行有效保护，但该方法成本过高，且传感器使用过多易降低系统鲁棒性。

现有技术存在的缺点包括：

(1)所需传感器数量多，信号采样多，成本高；

(2)传感器属于精密器件，易损伤，故障率高；

(3)系统复杂，占用体积较大，鲁棒性低；

(4)在一些不便于安装传感器的特殊场合，无法有效推广和应用；

(5)无法有效实现全局和全域保护，覆盖面低。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于最少信号检测的永磁同步电机全局全域保护系统和方法。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统：

包括设置在三相逆变器处的温度传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电压传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电流传感器。

所述系统仅设置所述的温度传感器、电压传感器和电流传感器。

所述的温度传感器、电压传感器和电流传感器均连接到控制器。

所述的电压传感器和电流传感器设置在整流电路中母线电容的正极和三相逆变器之间。

二、一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护方法：

通过温度传感器实时采集三相逆变器中IGBT温度T_ntc，通过电压传感器实时采集母线电压U_dc，通过电流传感器实时采集母线电流i_dc，然后进行以下判断：

根据电压传感器采集的母线电压U_dc判断永磁同步电机是否存在过压、欠压、输入缺相的故障，从而触发实施欠压保护、过压保护、输入缺相保护；

根据电流传感器采集的母线电流i_dc判断永磁同步电机是否存在过流现象，从而触发实施过流保护；

将电压传感器采集的母线电压U_dc与电流传感器采集的母线电流i_dc进行结合判断永磁同步电机是否存在失速、堵转、电机缺相、过载、电机本体过温的故障，从而触发实施失速保护、堵转保护、电机缺相保护、过载保护、电机本体过温保护；

经温度传感器采集的IGBT温度T_ntc便可识别电机本体是否存在过温现象，从而准确触发控制过温保护。

由此采用本发明提出的永磁同步电机控制系统信号采集方案及传感器布局方案，便可实现电机的全局全域保护。

所述电机本体过温保护具体如下：

1)将电压传感器实时采集的母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

2)三相电压重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电压U_dc结合处理得到三相电压U_a、U_b、U_c；

3)将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

4)三相电流重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电流i_dc结合处理得到三相电流i_a、i_b、i_c；

5)根据三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流i_a、i_b、i_c利用欧姆定律分别得到三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c；

6)将三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c分别代入以下电阻温升公式得到各相绕组的实时温度：

式中，T_nml是常温下一相绕组的温度；T_ntc是永磁同步电机启动前温度传感器传回的温度；R_nml是常温下一相绕组的阻值；R是一相绕组的实时阻值；T是一相绕组的实时温度；

7)将三相绕组的实时温度值取均值后得到三相绕组均温T，将三相绕组均温T与预设的温度阈值T^*进行比较：

若三相绕组均温T小于温度阈值T^*，则不触发欠压保护；

若三相绕组均温T大于等于温度阈值T^*，则触发电机本体过温保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

所述欠/过压保护具体如下：

将电压传感器实时采集母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，并实时分别和预设的母线电压欠压阈值和母线电压过压阈值进行比较判断：

A)将母线电压U_dc与预设的母线电压欠压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压欠压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压欠压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压欠压阈值的持续时间是否达到预先设置的欠压保护时间t₁：

若未达到欠压保护时间t₁，则不触发欠压保护；

若达到欠压保护时间t₁，则触发欠压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

B)将母线电压U_dc与预设的母线电压过压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压过压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压过压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压过压阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₂：

若未达到预过压保护时间t₂，则不触发过压保护；

若达到过压保护时间t₂，则触发过压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

所述的过流保护具体如下：

将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，将母线电流i_dc与预设的母线电流阈值进行比较：

若母线电流i_dc小于母线电流阈值，则不触发过流保护；

若母线电流i_dc大于等于母线电流阈值，则再判断母线电流i_dc连续大于等于母线电流阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₃：

若未达到过压保护时间t₃，则不触发过流保护；

若达到过压保护时间t₃，则触发过流保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

本发明是一种基于最少信号采集便可实现永磁同步电机全局全域保护的安全系统。核心的关键点在于仅需采集母线电压、母线电流及IGBT温度这三个传感器信号便可实现电机全局全域保护，在极大降低制造成本的同时也增强了控制系统鲁棒性，减少了因传感器失准而造成的故障误报停机的可能性；且本发明相较于传统永磁同步电机信号采集方案而言无须在电机本体处安装任何传感器，通过三相绕组阻值变化可测得电机本体实时温度。

本发明的有益效果是：

本发明仅通过采集母线电压、母线电流及IGBT温度这三个信号就能实现对永磁同步电机控制系统的全局全域保护。

本发明通过改良信号采集方式以减少传感器使用和利用三相绕组温升效应采集电机本体温度的方法有效解决了上述缺陷，在极大降低制造成本的同时能对永磁同步电机可靠运行起到全局全域保护的作用。

本发明仅使用一个电流传感器、一个电压传感器、一个IGBT温度传感器便可实现永磁同步电机全局全域保护，相较于传统永磁同步电机复杂的信号采集系统而言在极大降低制造成本的同时也增强了系统的鲁棒性，减少了电机因传感器失准或故障造成的误报停机现象。

本发明无须在电机本体处安装任何传感器，这使得本发明同样适用于一些不便于在电机本体中安装传感器的应用场合，且有效地减小了体积，有利于微型精密电机的开发。

附图说明

图1是传统永磁同步电机控制系统传感器布局结构图；

图2是本发明基于最少信号的永磁同步电机控制系统传感器布局结构图；

图3是本发明永磁同步电机控制系统全局全域保护技术示意图；

图4是本发明电机本体过温保护流程图；

图5是本发明欠/过压保护流程图；

图6是本发明过流保护流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明系统设置：

包括设置在三相逆变器处的温度传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电压传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电流传感器。

系统仅设置温度传感器、电压传感器和电流传感器，其他位置不设置传感器，也不设置其他类型传感器。

温度传感器、电压传感器和电流传感器均电连接到控制器。

电压传感器和电流传感器设置在整流电路中母线电容的正极和三相逆变器之间。

具体实施的永磁同步电机系统如图2所示，包括控制器、三相逆变器、永磁同步电机PMSM和整流电路；整流电路主要有并联的整流桥、母线电容构成。外部电压经整流电路连接到三相逆变器的两相输入端，三相逆变器的三相输出端和永磁同步电机PMSM连接，控制器和三相逆变器的控制端连接。

如图2中，编号1处是温度传感器实时采集三相逆变器中IGBT温度T₁的信号采集点；编号2处是电压传感器实时采集母线电压U_dc的信号采集点；编号3处是电流传感器实时采集母线电流i_dc的信号采集点；

所有信号采集点采集信号后均传入控制器进行处理，判断永磁同步电机存在何种故障，能否可靠运行。

如图2和图3所示，全局全域保护过程具体如下：

通过温度传感器实时采集三相逆变器中IGBT温度T_ntc，通过电压传感器实时采集母线电压U_dc，通过电流传感器实时采集母线电流i_dc，然后进行以下判断：

根据电压传感器采集的母线电压U_dc判断永磁同步电机是否存在过压、欠压、输入缺相的故障，从而准确地触发实施欠压保护、过压保护、输入缺相保护；

根据电流传感器采集的母线电流i_dc判断永磁同步电机是否存在过流现象，从而准确触发实施过流保护；

将电压传感器采集的母线电压U_dc与电流传感器采集的母线电流i_dc进行结合判断永磁同步电机是否存在失速、堵转、电机缺相、过载、电机本体过温的故障，从而准确触发实施失速保护、堵转保护、电机缺相保护、过载保护、电机本体过温保护；

经温度传感器采集的IGBT温度T_ntc便可识别电机本体是否存在过温现象，从而准确触发控制过温保护。

具体实施中，三种创新保护流程如下：

如图4所示，电机本体过温保护过程具体如下：

永磁同步电机上电进入运行状态后，便开始实时执行电机本体过温检测；

1)将电压传感器实时采集的母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

2)三相电压重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电压U_dc结合处理得到三相电压U_a、U_b、U_c；

3)将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

4)三相电流重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电流i_dc结合处理得到三相电流i_a、i_b、i_c；

5)根据三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流i_a、i_b、i_c利用欧姆定律分别得到三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c；

欧姆定律公式如下式所示：

式中，R为电阻阻值，U为电压，I为电流。

6)将三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c分别代入以下电阻温升公式得到三相绕组的各相绕组的实时温度：

式中，T_nml是常温下一相绕组的温度；T_ntc是永磁同步电机启动前温度传感器传回的温度，近似等于一相绕组初始温度；R_nml是常温下一相绕组的阻值；R是一相绕组的实时阻值；T是一相绕组的实时温度；常数235适用于铜线绕组，对于铝线绕组常数则为225。

7)将三相绕组的实时温度值取均值后得到三相绕组均温T，将三相绕组均温T与预设的温度阈值T^*进行比较：

若三相绕组均温T小于温度阈值T^*，则不触发欠压保护；

若三相绕组均温T大于等于温度阈值T^*，则触发电机本体过温保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

如图5所示，欠/过压保护过程具体如下：

永磁同步电机上电进入运行状态后，便开始实时执行欠/过压检测；

将电压传感器实时采集母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，并实时分别和预设的母线电压欠压阈值和母线电压过压阈值进行比较判断：

A)将母线电压U_dc与预设的母线电压欠压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压欠压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压欠压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压欠压阈值的持续时间是否达到预先设置的欠压保护时间t₁：

若未达到欠压保护时间t₁，则不触发欠压保护；

若达到欠压保护时间t₁，则触发欠压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

B)同时将母线电压U_dc与预设的母线电压过压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压过压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压过压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压过压阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₂：

若未达到预过压保护时间t₂，则不触发过压保护；

若达到过压保护时间t₂，则触发过压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

如图6所示，过流保护过程具体如下：

永磁同步电机上电进入运行状态后，便开始实时执行过流检测；

将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，将母线电流i_dc与预设的母线电流阈值进行比较：

若母线电流i_dc小于母线电流阈值，则不触发过流保护；

若母线电流i_dc大于等于母线电流阈值，则再判断母线电流i_dc连续大于等于母线电流阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₃：

若未达到过压保护时间t₃，则不触发过流保护；

若达到过压保护时间t₃，则触发过流保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

经过实施例测试，本发明可广泛应用于风机电机场合，调速范围广，速度精度高，可批量推广。

Claims (8)

1.一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统，其特征在于：

包括设置在三相逆变器处的温度传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电压传感器；

包括设置在整流电路和三相逆变器之间母线上的电流传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统，其特征在于：所述系统仅设置所述的温度传感器、电压传感器和电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统，其特征在于：所述的温度传感器、电压传感器和电流传感器均连接到控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于最少信号检测的PMSM全局全域保护系统，其特征在于：所述的电压传感器和电流传感器设置在整流电路中母线电容的正极和三相逆变器之间。

5.应用于权利要求1所述系统的基于最少信号检测的PMSM全局全域保护方法，其特征在于：

方法通过温度传感器实时采集三相逆变器中IGBT温度T_ntc，通过电压传感器实时采集母线电压U_dc，通过电流传感器实时采集母线电流i_dc，然后进行以下判断：

根据电压传感器采集的母线电压U_dc判断永磁同步电机是否存在过压、欠压、输入缺相的故障，从而触发实施欠压保护、过压保护、输入缺相保护；

根据电流传感器采集的母线电流i_dc判断永磁同步电机是否存在过流现象，从而触发实施过流保护；

将电压传感器采集的母线电压U_dc与电流传感器采集的母线电流i_dc进行结合判断永磁同步电机是否存在失速、堵转、电机缺相、过载、电机本体过温的故障，从而触发实施失速保护、堵转保护、电机缺相保护、过载保护、电机本体过温保护；

经温度传感器采集的IGBT温度T_ntc便可识别电机本体是否存在过温现象，从而准确触发控制过温保护。

6.根据权利要求5所述的基于最少信号检测的PMSM全局全域保护方法，其特征在于：所述电机本体过温保护具体如下：

1)将电压传感器实时采集的母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

2)三相电压重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电压U_dc结合处理得到三相电压U_a、U_b、U_c；

3)将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理；

4)三相电流重构：将控制器发出的PWM控制信号与母线电流i_dc结合处理得到三相电流i_a、i_b、i_c；

5)根据三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流i_a、i_b、i_c利用欧姆定律分别得到三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c；

6)将三相绕组的实时计算阻值R_a、R_b、R_c分别代入以下电阻温升公式得到各相绕组的实时温度：

式中，T_nml是常温下一相绕组的温度；T_ntc是永磁同步电机启动前温度传感器传回的温度；R_nml是常温下一相绕组的阻值；R是一相绕组的实时阻值；T是一相绕组的实时温度；

7)将三相绕组的实时温度值取均值后得到三相绕组均温T，将三相绕组均温T与预设的温度阈值T^*进行比较：

若三相绕组均温T小于温度阈值T^*，则不触发欠压保护；

若三相绕组均温T大于等于温度阈值T^*，则触发电机本体过温保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

7.根据权利要求5所述的基于最少信号检测的PMSM全局全域保护方法，其特征在于：所述欠/过压保护具体如下：

将电压传感器实时采集母线电压U_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，并实时分别和预设的母线电压欠压阈值和母线电压过压阈值进行比较判断：

A)将母线电压U_dc与预设的母线电压欠压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压欠压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压欠压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压欠压阈值的持续时间是否达到预先设置的欠压保护时间t₁：

若未达到欠压保护时间t₁，则不触发欠压保护；

若达到欠压保护时间t₁，则触发欠压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

B)将母线电压U_dc与预设的母线电压过压阈值进行比较：

若母线电压U_dc小于母线电压过压阈值，则不触发欠压保护；

若母线电压U_dc大于等于母线电压过压阈值，则再判断母线电压U_dc连续大于等于母线电压过压阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₂：

若未达到预过压保护时间t₂，则不触发过压保护；

若达到过压保护时间t₂，则触发过压保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

8.根据权利要求5所述的基于最少信号检测的PMSM全局全域保护方法，其特征在于：所述的过流保护具体如下：

将电流传感器实时采集的母线电流i_dc经滤波后传入控制器进行数据处理，将母线电流i_dc与预设的母线电流阈值进行比较：

若母线电流i_dc小于母线电流阈值，则不触发过流保护；

若母线电流i_dc大于等于母线电流阈值，则再判断母线电流i_dc连续大于等于母线电流阈值的持续时间是否达到预先设置的过压保护时间t₃：

若未达到过压保护时间t₃，则不触发过流保护；

若达到过压保护时间t₃，则触发过流保护，控制永磁同步电机系统报警停机。

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