CN1866659A - 三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正的方法及装置。其方法是通过三相交流电动机电源缺相和相序检测装置实时检测三相交流电源相位序列，判断外电源是否缺相和相序是否改变。针对由固态继电器拖动的三相交流电动机运行中的电源缺相检测的特点，本发明提出了进一步检测的方法及装置。通过对控制系统电源相和非控制系统电源相的检测和判断，防止了因运行中的三相电动机和固态继电器内所构成的回路而引起的误判。其装置根据市售的微处理器和数字信号处理器的特点设计而成。本发明公开的方法及装置具有简洁有效、安全可靠而成本低廉的优点，为三相交流电动机的正常工作提供了完善的保护。

Description

三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正的方法及装置

技术领域

本发明涉及三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正技术领域，特别针对固态继电器拖动的三相交流电动机运行中的电源缺相检测给出了进一步检测的方法和装置。本发明应用于所有三相交流电动机的电源缺相检测和相序纠正。

背景技术

三相交流电动机在运行中如果电源突然缺了一相，电机中的电流会因相位失衡而剧增，将电机烧坏。如该电机由固态继电器拖动，则固态继电器很可能烧坏。为防止电机或固态继电器因缺相而损坏，必须有一种结构简单、安全可靠而又成本低廉的方法实时进行电源缺相检测和相序纠正。

另外由于固态继电器的固有特性，当电机运行中三相电源的一相断缺时，余下的两相电源电流会经由电机及固态继电器形成回流，从而影响的电源缺相检测的判断结果。

还有三相交流电动机的三个电源输入端，如果在安装或维修时，连接位置有所改变，可能造成电机输入电源相序的改变，使电机运行方向发生变化而影响其正常运行。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种简单有效的检测电源缺相和进行相序纠正的方法及装置，以保护电机正常运行。

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种三相交流电动机电源缺相检测方法。该方法可以使三相交流电动机在外电源缺相时被及时地检测出来并使电机得到有效的保护。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种在外电源相序变化时控制系统能及时发现此变化并改变电机控制指令而保证电机正常运行的三相交流电动机相序纠正的方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正的装置，使控制系统在外电源发生缺相和相序改变时，能实时检测到缺相的发生和相序的改变，并改变三相交流电动机的控制指令。

作为本发明第一方面的三相交流电动机电源缺相检测的方法，其通过一控制系统进行缺相检测，该方法包括如下步骤：

1、三相交流电源正常时，控制系统按正常工作方式控制三相交流电动机；

2、三相交流电动机在静止或运行中发生电源缺相时，通过电源缺相和相序检测模块按步骤2.1所述方法实时检测到电源缺相的发生，进入缺相工作状态，禁止电机工作，并发出三相交流电源缺相报警；

2.1、当电源缺相和相序检测模块的两个输出信号Vu和Vv中的任何一个方波信号变为直流恒定信号时，即判定电源中有一相缺失，否则电源无异常；

3、由固态继电器拖动的三相交流电动机在运行中，当三相交流电源缺相时，通过控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.1所述方法或通过非控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.2所述方法实时检测到电机运行中电源缺相的发生，进入缺相工作状态，禁止电机工作，并发出三相交流电源缺相报警；

3.1、当控制系统电源相缺相检测模块的输出信号在电机运行中比正常运行时明显减小，即判定控制系统电源相的两相中有一相缺相，否则电源无异常；

3.2、当非控制系统电源相缺相检测模块的输出信号在电机运行中比正常运行时大幅减小，即判定非控制系统电源那一相缺相，否则电源无异常；

4、当三相交流电源恢复正常时，通过电源缺相和相序检测模块按步骤2.1所示方法或通过控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.1所示方法或通过非控制系统相缺相检测模块按步骤3.2所示方法实时检测到电源恢复正常，回复正常工作状态，取消三相交流电源缺相报警并回复步骤1所述状态。

作为本发明第一方面的三相交流电动机相序纠正的方法，其通过一控制系统进行相序纠正，该方法包括如下步骤：

当三相交流电源相序发生改变时，控制系统通过电源缺相和相序检测模块检测到该检测模块的两个输出信号Vu和Vv的相位序列发生改变时，即判定电源相序发生改变；进而改变电机控制指令将原先的开阀和关阀指令互换保证电机正常运行；

作为本发明第二方面的一种三相交流电动机电源缺相和相序检测装置，该装置包括：

一电源缺相和相序检测模块。该检测模块与三相交流电源连接，将外部三相交流电源转换成有固定相位差的方波信号Vu和Vv输入处理模块；

一控制系统电源相缺相检测模块。该检测模块与控制系统电源变压器输出端连接，将控制系统电源电压经整流、分压后输入模数转换器；

一非控制系统电源相缺相检测模块。该检测模块与非控制系统电源相上穿接的电流感应器连接，将感应电压经整流、放大后输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块；

在上述装置中，所述的电源缺相和相序检测模块包括由电阻、二极管和藕合器连接而组成的电路，与三相交流外电源U、V、W三端连接输入采样信号，其输出信号输入处理模块。所述处理模块为MCU或DSP处理器。所述藕合器可为光电藕合器或微小型变压器。

控制系统电源相缺相检测模块包括由整流器、电阻、稳压管和电容连接而组成的电路，与控制系统电源变压器输出端连接输入采样信号，其输出信号输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块。

非控制系统电源相缺相检测模块包括由整流器、电阻、电容和放大器连接而组成的电路，与非控制系统电源相上穿接的电流感应器连接，输入感应电压，其输出信号输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块。

本发明将外部三相交流电源的三个输入端U、V、W分别接入电源缺相和相序检测模块输入端u、v、w。外电源中U、V两相分别通过R1、D1和耦合器1及R2、D2和耦合器2在R3和R4上分别形成方波信号输出Vu和Vv。外电源正常时，Vu和Vv的波形为有固定相位差的方波信号。当外电源缺相时，Vu和Vv其中之一或两者都变为直流恒定信号(高电平或低电平信号)。将Vu和Vv输入处理模块(MCU或DSP)即可按上述方法步骤2.1所述判定电源缺相，而由处理模块发指令停止电机运行以防止事故。

当外电源正常时，电源缺相和相序检测模块的输出信号Vu和Vv有固定的相位差。而当三相电动机因安装维修改变了三相电源的接线而使其输入电源的相序改变时，Vu和Vu的相位序列也会发生改变。处理模块按上述三相交流电动机相序纠正的方法改变电机控制指令而使电机正常运行。在实际应用中，电源缺相和相序检测模块中的耦合器可用光电耦合器或微小型变压器实现，以达到隔离外部高电压和高低电压转换的需要。

由固态继电器拖动的三相电机在电机运行中，如其中的一相电源断缺，余下的两相电源的电流会经由电机及固态继电器形成回流，从而影响上述的断相检测的判断结果。

对固态继电器拖动的三相交流电动机在电机运行中的缺相检测，本发明给出了进一步检测的方法和装置。通过控制系统电源相缺相检测模块和非控制系统相缺相检测模块，按上述方法步骤3.1及3.2检测固态继电器拖动的三相电机运行中的缺相。将从固态继电器的电源输入端的控制系统电源相U、V连接控制系统电源变压器，该变压器输出电压经控制系统电源相缺相检测模块送入模数转换器ADC转换成数字信号后送入处理模块。另一路将非控制系统电源相W穿接一个电流感应器，感应器输出信号经非控制系统电源相缺相检测模块，送入ADC转换成数字信号后输入处理模块。处理模块根据以上两个检测电路的输出检测是否比正常值明显减小判定缺相的发生。

由于市售的MCU或DSP大多带有多通道模数转换器，所以这是一种结构简单、安全可靠而又成本低廉的方法和装置。

附图说明

图1为本发明的电源缺相和相序检测模块原理图。

图2为本发明一个电源缺相和相序检测模块的应用实例。

图3为本发明电源缺相和相序检测模块输出信号图。

图3(A)为本发明的U相超前V相的波形和相位序列图。

图3(B)为本发明的U相滞后V相的波形和相位序列图。

图4为本发明电源缺相检测流程图。

图5为本发明电源相序检测及纠正流程图。

图6为本发明三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正原理图。

图7为本发明控制系统电源相缺相检测模块电路图。

图8为本发明非控制系统电源相缺相检测模块电路图。

图9为本发明固态继电器拖动的三相电机运行中缺相检测流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

按图6所示，为一种三相交流电动机电源缺相检测和相序纠正原理图，图中所示三相交流电动机电源缺相和相序检测装置包括一与三相交流电源连接的电源缺相和相序检测模块、一与控制系统电源变压器连接的控制系统电源相缺相检测模块和一与电流感应器连接的非控制系统电源相缺相检测模块。

电源缺相和相序检测模块将外部三相交流电源转换成有固定相位差的方波信号Vu和Vv。该模块(见附图1)包括由电阻R1-R4、二极管D1-D4、藕合器1、2构成。电阻R1和R2一端分别连接外电源U、V相，另一端接二极管D1、D3的正极，二极管D1、D3的负极分别与二极管D2、D4的负极并接后，分别接藕合器1、2的一个输入端，W相接二极管D2、D4的正极和藕合器1、2的另一个输入端，藕合器1、2的一个输出端分别输出有固定相位差的方波信号Vu和Vv，另一个输出端分别通过电阻R3和R4接地。

图2为电源缺相和相序检测模块的应用实例，使用光电耦合器做耦合器1、2。该光电耦合器隔离外部380V交流电源与内部控制系统的电源，并实现高低电压信号转换。三相交流电动机缺相和相序检测模块经转换后的信号输入MCU或DSP处理模块，处理模块实时检测该信号。

参见图4，当处理模块检测到方波信号Vu、Vv中任何一个为直流恒定信号时，则判断外电源缺相。若控制系统处于缺相工作状态，则继续检测Vu、Vv。若不处于缺相工作状态，则进入缺相工作状态，禁止三相交流电机工作，发出三相电源缺相报警；当处理模块检测到Vu、Vv均为方波信号，如控制系统原先处于缺相工作状态则改为正常工作状态，并取消三相电源缺相报警。控制系统处于正常工作状态时，电动机正常运行，控制系统继续检测Vu、Vv。

同时，处理模块检测此两路信号Vu、Vv的相位序列变化，其方法如下：由图3(A)和图3(B)的波形，可得出图示的Vu、Vv相位序列，其中“0”为低电平，“1”为高电平。当相位序列发生变化，如从图3(A)变为图3(B)或从图3(B)变为图3(A)，处理模块即可断定外电源相序发生了变化。参见图5，当处理模块检测到外电源相序变化后，其电机控制指令就要调整，用原先的开阀指令来关阀，而用原先关阀指令来开阀。

上述装置可以用来对所有三相交流电动机的电源缺相进行检测，检测到相序的改变并自动纠正相序以保证电机正常运行。

对于由固态继电器拖动的三相交流电动机在运行中的电源缺相检测实施方法如下：把三相电源分成两类，一类是控制电源相，另一类是非控制电源相。在使用三相电机的场合，控制系统的电源都来自三相电源中的两相，这两相称为控制系统电源相，剩下的一相与控制系统电源无关，称之为非控制系统电源相。

参见图6，固态继电器拖动的三相交流电动机在运行中的电源缺相检测由三相交流电动机电源缺相和相序检测装置中的控制系统电源相缺相检测模块和非控制系统电源相缺相检测模块实施：

控制系统电源相缺相检测模块与控制系统电源变压器的输出端连接，以检测控制系统电源电压的变化。该电压信号经模数转换后，输入处理模块MCU/DSP；

非控制系统电源相缺相检测模块与一串接于固态继电器的电源输出端的非控制电源相中的电流感应器连接，以检测非控制电源相中的电流变化信号。该信号经模数转换后，输入处理模块MCU/DSP；

一处理模块MCU/DSP与电源缺相和相序检测模块、控制电源相缺相检测模块及非控制系统电源相缺相检测模块连接，接受此三模块的输出信号；

一电机驱动模块与固态继电器(或交流接触器)及处理模块连接，处理模块通过该电机驱动模块控制固态继电器或交流接触器的工作状态。

参见图9，当电动机运行时，对于非控制系统电源相这一相，电机电流会在固态继电器输出端至电机电源输入端的电线上穿接一个电流感应器上产生感应电压，该感应电压信号经非控制系统电源相缺相检测模块(参见图8)整流放大后送入处理模块MCU或DSP的ADC，对模数转换后的数值进行判断，如果转换数值比正常情况低很多，说明该相电流很小，就可判断非控制电源相缺相。

当电动机运行时，对于控制电源相的两相，当其中的一相断缺时，由于固态继电器的固有特性，电动机和固态继电器的回路仍然存在。控制电路电源仍然能够得到足够的能量支持控制电路的正常工作，但其电压必然比这相电源短缺前有所下降。为判断控制系统电源相的两相中的一相断缺，控制系统电源相缺相检测模块从控制系统电源变压器输入采样信号，经整流后通过电阻分压送入ADC(参见图7)。对该电压信号模数转换后的数值变化进行检测，如果检测到数值大幅降低，就可判断控制电源相中的一相的断缺。

如果控制电源相中的两相都断缺，控制电路就会失电而使得电机停止运转。

通过上述方法。在仅增加很少的元器件和硬件成本的基础上，利用市售MCU或市售DSP的片上资源，可靠地检测出由固态继电器拖动地三相电机在运行中一相断缺的故障。

由图9缺相检测流程图可以得知：通过控制系统电源相检测和非控制系统电源相缺相检测二条途径都会输出电源缺相警报，都能测出三相电动机运转情况下的缺相并及时地禁止电动机运行，避免事故发生。

在上述三相交流电动机缺相和相序检测装置中所述的控制系统电源相缺相检测模块，参见图7，由整流器、电阻、稳压二极管及滤波电容连接组成。

控制系统电源变压器的输出端接整流器的输入端，整流器的一个输出端接地，另一个输出端接一电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R2、稳压二极管DZ和电容C1的一端并接后输出至处理模块的ADC，电阻R2、稳压二极管DZ和电容C1的另一端并接后接地。

参见图8，所述非控制系统电源相缺相检测模块由整流器、电阻、电解电容及运算放大器连接而成。整流器的输入端接电流感应器，其一个输出端接地，另一个输出端接电阻R1、电解电容C1的正端、运算放大器的输入端，电阻R1的另一端和电解电容C1的负端接地，运算放大器的输出端连接处理模块的ADC。

综上所述，本发明公开的方法和装置能有效地检测三相交流电源在电机运行或静止时电源缺相和相序改变的发生，并通过本发明所述方法保护电机并维持其正常运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1、三相交流电动机电源缺相检测的方法，其通过一控制系统进行缺相检测，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1]、三相交流电源正常时，控制系统按正常工作方式控制三相交流电动机；

2]、三相交流电动机在静止或运行中发生电源缺相时，通过电源缺相和相序检测模块按步骤2.1]所述方法实时检测到电源缺相的发生，进入缺相工作状态，禁止电机工作，并发出三相交流电源缺相报警；

2.1]、当电源缺相和相序检测模块的两个输出信号Vu和Vv中的任何一个方波信号变为直流恒定信号时，即判定电源中有一相缺失，否则电源无异常；

3]、由固态继电器拖动的三相交流电动机在运行中，当三相交流电源缺相时，通过控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.1]所述方法或通过非控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.2]所述方法实时检测到电机运行中电源缺相的发生，进入缺相工作状态，禁止电机工作，并发出三相交流电源缺相报警；

3.1]、当控制系统电源相缺相检测模块的输出信号在电机运行中比正常运行时明显减小，即判定控制系统电源相的两相中有一相缺相，否则电源无异常；

3.2]、当非控制系统电源相缺相检测模块的输出信号在电机运行中比正常运行时大幅减小，即判定非控制系统电源那一相缺相，否则电源无异常；

4]、当三相交流电源恢复正常时，通过电源缺相和相序检测模块按步骤2.1]所示方法或通过控制系统电源相缺相检测模块按步骤3.1]所示方法或通过非控制系统相缺相检测模块按步骤3.2]所示方法实时检测到电源恢复正常，回复正常工作状态，取消三相交流电源缺相报警并回复步骤1]所述状态。

2、三相交流电动机相序纠正的方法，其通过一控制系统进行相序纠正，其特征在于，该方法包括如下步骤：

当三相交流电源相序发生改变时，控制系统通过电源缺相和相序检测模块检测到该检测模块的两个输出信号Vu和Vv的相位序列发生改变时，即判定电源相序发生改变，进而改变电机控制指令将原先的开阀和关阀指令互换保证电机正常运行。

3、一种三相交流电动机电源缺相和相序检测装置，其特征在于，该装置包括：

一电源缺相和相序检测模块。该检测模块与三相交流电源连接，将外部三相交流电源转换成有固定相位差的方波信号Vu和Vv输入处理模块；

一控制系统电源相缺相检测模块。该检测模块与控制系统电源变压器输出端连接，将控制系统电源电压经整流、分压后输入模数转换器；

一非控制系统电源相缺相检测模块。该检测模块与非控制系统电源相上穿接的电流感应器连接，将感应电压经整流、放大后输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的电源缺相和相序检测模块包括由电阻、二极管和藕合器连接而组成的电路，与三相交流外电源U、V、W三端连接输入采样信号，其输出信号输入处理模块。所述处理模块为MCU或DSP处理器。所述藕合器可为光电藕合器或微小型变压器。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的控制系统电源相缺相检测模块包括由整流器、电阻、稳压管和电容连接而组成的电路，与控制系统电源变压器输出端连接输入采样信号，其输出信号输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的非控制系统电源相缺相检测模块包括由整流器、电阻、电容和放大器连接而组成的电路，与非控制系统电源相上穿接的电流感应器连接，输入感应电压，其输出信号输入模数转换器，转换为数字信号后输入处理模块。

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