CN115902433A - 缺相检测方法、缺相检测系统、压缩机以及制冷设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了缺相检测方法、缺相检测系统、压缩机以及制冷设备，缺相检测方法包括：将预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段；在每个时段检测转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若某一相在至少两个时段内均存在缺相风险，则判定该相存在缺相故障；在预定位阶段结束后进入稳定运行阶段，估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ，比较Δθ与设定边界值，根据比较检测结果作进一步分析。本发明在预定位阶段和稳定运行阶段采用不同的缺相检测逻辑，有效提高缺相检测的可靠性，既可以检测出单相缺相，也可以检测出两相缺相或三相缺相。

Description

缺相检测方法、缺相检测系统、压缩机以及制冷设备

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及缺相检测方法、缺相检测系统、压缩机以及制冷设备。

背景技术

压缩机所用三相电机的缺相故障是指电机的三相接线中的某一相或多相接触不良或断路，导致电机无法正常运转。若某一相发生缺相，则该相电流为零，另外两相线电流会增大，未断相的绕组电流迅速增加，三相电流不均衡或过大。

目前，压缩机永磁同步电机控制中，转子的位置角是不可缺少的必要变量。由于压缩机结构和工作环境的限制，难以安装机械式位置传感器，所以广泛采用无传感器算法。但是，由于基于反电动势检测的无位置传感器控制算法无法在电机静止时估计转子的位置，需要在电机处于静止状态时采用转子预定位的方法来确定转子位置。转子预定位是指，通过在永磁同步电机的定子中依次产生大小固定、方向可调的多个电流矢量，利用定子绕组电流与转子相互作用产生的电磁转矩，将转子拖动至设定位置实现转子预定位的方法。这就导致电机在预定位和稳定运行两个阶段转子电流的性质差异很大，在转子预定位阶段三相电流是不平衡的，如果在预定位阶段和稳定运行阶段均采用相同的缺相故障检测逻辑，可靠性不高，容易导致误报。

例如，现有技术中公开的一种基于电流平衡检测的电机缺相故障检测方法，该方法通过在预先设定好的几个电流检测点比较实际电流值与参考电流值大小的方式，判断某相是否存在缺相故障。这种检测方法没有考虑到在转子预定位阶段三相电流不平衡的特性，而且对电流的离散采样方式，也容易造成误报。

因此，如何设计能够检测准确、计算简单的缺相检测方法是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有检测方法易误报的缺陷，本发明提出缺相检测方法、缺相检测系统、压缩机以及制冷设备，能够提高缺相检测的可靠性，既可以检测出单相缺相，也可以检测出两相缺相或三相缺相。

本发明采用的技术方案是，设计缺相检测方法，包括：

将预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段；

在每个时段检测转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若某一相在至少两个时段内均存在缺相风险，则判定该相存在缺相故障。

进一步的，预定位阶段的缺相风险分析方式为：

在当前时段内持续检测所述转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据所述三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流小于所述单相电流缺相风险阈值且保持对应的设定时间t，则判定该相在当前时段内存在缺相风险；

其中，0<t<当前时段的时长。

在一些实施例中，当某一相在前一时段内已经被判定存在缺相风险、且在该时段之后的任意时段内再次被判定存在缺相风险时，判定该相存在缺相故障。

进一步的，缺相检测方法还包括：

在预定位阶段结束后进入稳定运行阶段；

估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；

当增量Δθ大于设定边界值时，判断转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若否，则该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若是，则该相的缺相故障计数自增；

和/或当增量Δθ不大于设定边界值时，检测转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若是，则该相的缺相风险计数自增。

进一步的，在该相的缺相故障计数自增之后，判断是否缺相故障计数达到设定故障计数阈值，若是，则判定该相存在缺相故障，若否，则返回重新估算增量Δθ。

进一步的，在该相的缺相风险计数自增之后，判断是否所述缺相风险计数达到设定风险计数阈值，若是，则判定该相存在缺相风险，若否，则返回重新估算增量Δθ。

进一步的，稳定运行阶段的缺相风险分析方式为：

持续检测转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流在转子连续旋转设定角度θ1的时间内保持小于单相电流缺相风险阈值，则判定该相存在缺相风险。

进一步的，缺相检测方法还包括：判断是否至少有一相存在缺相故障，若是，则执行停机保护，所有计数清零。

在一些实施例中，单相电流缺相风险阈值为三相电流绝对值之和的1/4。

本发明还提出了缺相检测系统，包括：

采样模块，其在预定位阶段和/或稳定运行阶段采集转子的三相电流；

计算模块，其接收采样模块反馈的三相电流并计算单相电流缺相风险阈值；

逻辑判断模块，其将预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段，在每个时段根据三相电流和单相电流缺相风险阈值分析各相是否存在缺相风险，当某一相在至少两个时段内存在缺相风险时，判定该相存在缺相故障。

进一步的，缺相检测系统还包括：转子位置角估算模块，其估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；逻辑判断模块在稳定运行阶段接收转子的三相电流和增量Δθ；

当增量Δθ大于设定边界值时，逻辑判断模块判断转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若否，则该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若是，则该相的缺相故障计数自增；

和/或当增量Δθ不大于设定边界值时，逻辑判断模块根据三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若是，则该相的缺相风险计数自增。

本发明还提出了压缩机，包括：电机，该压缩机采用上述的缺相检测方法对电机进行缺相检测。

本发明还提出了制冷设备，该制冷设备具有上述的压缩机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该缺相检测方法针对转子在预定位阶段的电流特性设计对应的缺相检测逻辑，把转子预定位阶段分成若干个时段，在每个时段检测转子的三相电流，若某一相在至少两个时段内存在缺相风险，则判断该相存在缺相故障，预定位阶段采用不同于稳定运行阶段的缺相检测逻辑，避免预定位阶段误报缺相故障的问题；

2、在稳定运行阶段引入转子位置角的增量辅助缺相故障检测，估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ，比较Δθ与设定边界值，根据比较检测结果作进一步分析，提高缺相检测的可靠性。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明缺相检测方法的流程示意图；

图2是本发明缺相检测系统的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的缺相检测方法适用于三相电机，三相电机常见用在压缩机中。发明人经过研究发现电机上电之后进入预定位阶段，采用转子预定位的方式使转子磁场与定子线圈磁场对齐，此阶段定子线圈中的电流往往不对称，某些时刻某一相的电流值甚至可能设定为零。因此，在预定位阶段——即三相电机的上电阶段，无法采用检测某一相电流值是否为零的方法对电机进行缺相检测。

基于上述研究，发明人针对转子在预定位阶段的电流特性设计对应的缺相检测逻辑，将预定位阶段的运行时间分成若干个时段，在每个时段持续检测转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若某一相在至少两个时段内存在缺相风险，则判断该相存在缺相故障，以提高缺相检测的准确性。

应当理解的是，上文中提到的“预定位阶段的运行时间”可以预先通过实验统计得到，“若干个”是指两个以上。以预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成N个时段为例，电机上电后随着工作时间的加长，从第1个时段进入到第2个时段，再从第3个时段进入到第4个时段，以此类推，依次经过各个时段之后，最后进入到第N个时段，在第N个时段结束后，电机进入稳定运行阶段。实际应用中，预定位阶段的运行时间可以分成若干个时长相同或时长不同的时段，根据具体使用需求设计，本发明对此不作特殊限制。

在一些实施例中，预定位阶段的缺相风险分析方式为：

在当前时段内持续检测转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流小于单相电流缺相风险阈值且保持对应的设定时间t，则判定该相在当前时段内存在缺相风险。

需要说明的是，0<t<当前时段的时长，t的取值越小，越容易被判定存在缺相风险，每个时段的设定时间t可以取值不同，当然，若各个时段的时长相同，每个时段的设定时间t也可以取值相同。另外，根据三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值的方式可以是在三相电流绝对值之和的基础上取一定比例的值作为单相电流缺相风险阈值，即单相电流缺相风险阈值＝三相电流绝对值之和×比例系数，比例系数应当低于1/3，在本发明的一个具体应用实例中，取三相电流绝对值之和的1/4作为单相电流缺相风险阈值。

实际上，由于预定位阶段的各个时段是按照前后顺序，当某一相在前一时段内已经被判定存在缺相风险、且在该时段之后的任意时段内再次被判定存在缺相风险时，已经满足在至少两个时段内均存在缺相风险的条件，因此直接判定该相存在缺相故障，不需要再继续进行下一个时段的缺相风险判断。即在预定位阶段中，当有任意一相第二次被判定存在缺相风险时，直接判定该相存在缺相故障，执行停机保护。

在本发明提出的一些实施例中，发明人针对稳定运行阶段的转子工作特性设计对应的缺相检测逻辑，引入转子位置角的增量辅助缺相故障检测，估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ，比较Δθ与设定边界值，根据比较检测结果作进一步分析，提高缺相检测的可靠性。

具体来说，缺相检测方法还包括：

在预定位阶段结束后，电机启动并开始加速，进入中高速的稳定运行阶段，电机运行在该速度下，可以通过检测到的电机反电动势稳定估算出转子位置角度，设计反电动势观测器如下：

式中，u_αβ为电机输入控制电压，i_αβ由三相电流经坐标变换得出，l_s为定子电感，R_s为定子电阻，e_αβ为反电动势，θ为转子位置角，ω_r为转子电角速度，ψ_f为电机磁链。

将上式改写为增量式，即可得到位置角θ的增量Δθ：

根据上式，估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；

当增量Δθ大于设定边界值时，说明转子位置角θ的变化比较大，在此基础上结合判断转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险来确认该相是否故障，若某一相之前没有被判定过存在缺相风险，则说明该相的位置角增量Δθ处于正常范围内，该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若某一相之前已经被判定存在缺相，则说明该相的位置角增量Δθ存在异常，该相的缺相故障计数自增；

当增量Δθ不大于设定边界值时，说明转子位置角增量Δθ在当前控制周期下偏小，有发生缺相故障的可能性，在此基础上结合检测转子的三相电流来分析各相是否存在缺相风险，若某一相的电流存在缺相风险，则该相的缺相风险计数自增。

需要说明的是，设定边界值是指预先设定好的一个控制周期Ts内Δθ的最大值，其取值可以通过实验统计得到，自增是指当前计数的基础上自动加一。上述缺相检测方法在稳定运行阶段持续进行，三相电流中的每相电流的缺相故障计数均单独计数，任意一相的缺相故障计数自增之后，判断是否缺相故障计数达到设定故障计数阈值，若是，则判定该相存在缺相故障，若否，则返回重新估算增量Δθ。任意一相的缺相风险计数自增之后，判断是否缺相风险计数达到设定风险计数阈值，若是，则判定该相存在缺相风险，若否，则返回重新估算增量Δθ。

为了及时对电机进行保护，缺相检测方法还包括：实时判断是否至少有一相存在缺相故障，若是，则执行停机保护，所有计数清零。即在预定位阶段和稳定运行阶段中，只要有某一相电流被判定存在缺相故障，电机就会执行停机保护，后续的检测、判断动作均停止，缺相风险计数和缺相故障计数均清零。

在本发明提出的一些实施例中，稳定运行阶段的缺相风险分析方式为：

持续检测转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流在转子连续旋转设定角度θ1的时间内保持小于单相电流缺相风险阈值，则判定该相存在缺相风险。

需要说明的是，在稳定运行阶段以转子连续旋转设定角度θ1的时间作为保持时间，以提高缺相判断的准确性，其原因是在稳定运行阶段，电流的变化与转子的转动情况紧密相关，且转子的位置角θ能够被实时估算到，若某一相电流在转子连续旋转设定角度θ1的时间内保持小于单相电流缺相风险阈值，则说明在转子转动过程中，该相电流在转子转过θ1角度的时间内偏小，存在缺相风险。当然，在实际应用中，也可以将连续旋转设定角度θ1的时间直接设计为设定保持时间，本发明对此不作特殊限制。

另外，根据三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值的方式可以是在三相电流绝对值之和的基础上取一定比例的值作为单相电流缺相风险阈值，即单相电流缺相风险阈值＝三相电流绝对值之和×比例系数，比例系数应当低于1/3，在本发明的一个具体应用实例中，取三相电流绝对值之和的1/4作为单相电流缺相风险阈值。

如图1所示，在本发明的一个具体应用实例中，将预定位阶段的运行时间分为时长相同的两个时段，单相电流缺相风险阈值为三相电流绝对值之和的1/4，设定时间t为预定位阶段的运行时间的1/4，缺相控制方法的流程如下。

步骤S1、开始缺相故障检测；

步骤S2、判断是否电机处于预定位阶段，若是，则进行步骤S3，若否，则进行步骤S10；

步骤S3、计算三相电流绝对值之和的1/4；

步骤S4、判断是否处于预定位阶段的前半段，若是，则进行步骤S5，若否，则进行步骤S7；

步骤S5、判断是否有某一相电流小于三相电流绝对值之和的1/4，且保持了预定位阶段的运行时间的1/4，若是，则进行步骤S6；

步骤S6、判定该相存在缺相风险；

步骤S7、处于预定位阶段的后半段；

步骤S8、判断是否有某一相电流小于三相电流绝对值之和的1/4，且保持了预定位阶段的运行时间的1/4，若是，则进行步骤S9；

步骤S9、判定该相存在缺相故障，进行步骤S22；

步骤S10、估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；

步骤S11、判断是否增量Δθ>设定边界值，若是，则进行步骤S12，若否，则进行步骤S18；

步骤S12、判断转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若是，则进行步骤S13，若否，则进行步骤S15；

步骤S13、该相缺相风险计数清零；

步骤S14、该相缺相故障计数清零，进行步骤S22；

步骤S15、该相的缺相故障计数自增；

步骤S16、判断是否缺相故障计数达到设定故障计数阈值，若是，则进行步骤S17；

步骤S17、判定该相存在缺相故障，进行步骤S22；

步骤S18、判断是否有某一相电流小于三相电流绝对值之和的1/4，且保持了转子连续旋转设定角度θ1的时间，若是，则进行步骤S19；

步骤S19、该相的缺相风险计数自增；

步骤S20、判断是否缺相风险计数达到设定风险计数阈值，若是，则进行步骤S21；

步骤S21、判定该相存在缺相风险；

步骤S22、判断三相中是否至少有一相存在缺相故障，若是，则进行步骤S23；

步骤S23、执行停机保护，所有计数清零。

如图2所示，本发明还提出了缺相检测系统，包括：

采样模块，其在预定位阶段和/或稳定运行阶段采集转子的三相电流；

计算模块，其接收采样模块反馈的三相电流并计算单相电流缺相风险阈值；

逻辑判断模块，其将预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段，在每个时段根据三相电流和单相电流缺相风险阈值分析各相是否存在缺相风险，当某一相在至少两个时段内存在缺相风险时，判定该相存在缺相故障。

在一些实施例中，缺相检测系统还包括：转子位置角估算模块，其估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；逻辑判断模块在稳定运行阶段接收转子的三相电流和增量Δθ；

当增量Δθ大于设定边界值时，逻辑判断模块判断转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若否，则该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若是，则该相的缺相故障计数自增；

当增量Δθ不大于设定边界值时，逻辑判断模块根据三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若是，则该相的缺相风险计数自增。

需要指出的是，缺相风险计数和缺相故障计数均通过计数器进行计数，逻辑判断模块执行的缺相检测逻辑与上文中缺相检测方法的流程相同，在此不做赘述。为了使工作人员尽快发现电机缺相故障，在执行停机保护的同时，缺相检测系统向外发出报警信号。

本发明提出的缺相检测方法可以应用在压缩机中，该压缩机采用上述的缺相检测方法对电机进行缺相检测。

本发明还提出了具有上述压缩机的制冷设备，制冷设备包括但不限于冰箱等。

需要注意的是，上述所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.缺相检测方法，其特征在于，包括：

将预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段；

在每个时段检测转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若某一相在至少两个时段内均存在缺相风险，则判定该相存在缺相故障。

2.根据权利要求1所述的缺相检测方法，其特征在于，所述预定位阶段的缺相风险分析方式为：

在当前时段内持续检测所述转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据所述三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流小于所述单相电流缺相风险阈值且保持对应的设定时间t，则判定该相在当前时段内存在缺相风险；

其中，0<t<当前时段的时长。

3.根据权利要求1所述的缺相检测方法，其特征在于，当某一相在前一时段内已经被判定存在缺相风险、且在该时段之后的任意时段内再次被判定存在缺相风险时，判定该相存在缺相故障。

4.根据权利要求1所述的缺相检测方法，其特征在于，还包括：

在所述预定位阶段结束后进入稳定运行阶段；

估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；

当所述增量Δθ大于设定边界值时，判断所述转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若否，则该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若是，则该相的缺相故障计数自增；

和/或当所述增量Δθ不大于设定边界值时，检测所述转子的三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若是，则该相的缺相风险计数自增。

5.根据权利要求4所述的缺相检测方法，其特征在于，在该相的缺相故障计数自增之后，判断是否所述缺相故障计数达到设定故障计数阈值，若是，则判定该相存在缺相故障，若否，则返回重新估算所述增量Δθ。

6.根据权利要求4所述的缺相检测方法，其特征在于，在该相的缺相风险计数自增之后，判断是否所述缺相风险计数达到设定风险计数阈值，若是，则判定该相存在缺相风险，若否，则返回重新估算所述增量Δθ。

7.根据权利要求4所述的缺相检测方法，其特征在于，所述稳定运行阶段的缺相风险分析方式为：

持续检测所述转子的三相电流；

计算检测得到的三相电流绝对值之和；

根据所述三相电流绝对值之和确定单相电流缺相风险阈值；

若某一相电流在所述转子连续旋转设定角度θ1的时间内保持小于所述单相电流缺相风险阈值，则判定该相存在缺相风险。

8.根据权利要求1至7任一项所述的缺相检测方法，其特征在于，还包括：判断是否至少有一相存在缺相故障，若是，则执行停机保护，所有计数清零。

9.根据权利要求2或7所述的缺相检测方法，其特征在于，所述单相电流缺相风险阈值为所述三相电流绝对值之和的1/4。

10.缺相检测系统，其特征在于，包括：

采样模块，其在预定位阶段和/或稳定运行阶段采集转子的三相电流；

计算模块，其接收所述采样模块反馈的三相电流并计算单相电流缺相风险阈值；

逻辑判断模块，其将所述预定位阶段的运行时间按照前后顺序分成若干个时段，在每个时段根据所述三相电流和所述单相电流缺相风险阈值分析各相是否存在缺相风险，当某一相在至少两个时段内存在缺相风险时，判定该相存在缺相故障。

11.根据权利要求10所述的缺相检测系统，其特征在于，还包括：转子位置角估算模块，其估算每个控制周期Ts内转子位置角θ的增量Δθ；所述逻辑判断模块在稳定运行阶段接收所述转子的三相电流和所述增量Δθ；

当所述增量Δθ大于设定边界值时，所述逻辑判断模块判断所述转子的三相电流中是否有某一相已经被判定存在缺相风险，若否，则该相的缺相风险计数和缺相故障计数均清零，若是，则该相的缺相故障计数自增；

和/或当所述增量Δθ不大于设定边界值时，所述逻辑判断模块根据所述三相电流并分析各相是否存在缺相风险，若是，则该相的缺相风险计数自增。

12.压缩机，包括：电机，其特征在于，所述压缩机采用权利要求1至9任一项所述的缺相检测方法对所述电机进行缺相检测。

13.制冷设备，其特征在于，所述制冷设备具有权利要求12所述的压缩机。

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