專利名稱：數(shù)字式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)機(jī)保護(hù)技術(shù)，適合用在斷路器和熱繼電器中實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的過流保護(hù)。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生短路、過載、堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)時(shí)間過長等故障，從而導(dǎo)致定子繞組的溫度升高，如果溫度超出極限值，則會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命甚至燒毀電動(dòng)機(jī)，為此，需要保護(hù)電器能夠給予動(dòng)作保護(hù)，長期以來，國內(nèi)外一直都非常重視電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器的開發(fā)和研制，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的努力，電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器已從雙金屬片式發(fā)展到電子式，又向以微型計(jì)算機(jī)為核心智能式邁進(jìn)，盡管如此，各種電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器的保護(hù)方式尚未發(fā)生變革，無一例外地采用間接保護(hù)。如，雙金屬片式熱保護(hù)器采用雙金屬片作為測(cè)量元件，由雙金屬片構(gòu)成的測(cè)量元件被串聯(lián)于被保護(hù)的負(fù)載電路中，其中通過負(fù)載電流而發(fā)熱彎曲，當(dāng)彎曲到一定程度后，動(dòng)觸點(diǎn)斷開控制電路，再經(jīng)其他電器分?jǐn)嘭?fù)載電路，使電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備得到過載保護(hù)；電子式熱保護(hù)器和以計(jì)算機(jī)為核心智能式熱保護(hù)器均采用電流互感器測(cè)量被保護(hù)回路的電流，前者利用阻容充放電電路模擬電動(dòng)機(jī)的負(fù)載波動(dòng)，當(dāng)過載一定時(shí)間后，充電電容器上的電壓達(dá)到比較器的動(dòng)作閾值，輸出電路給出動(dòng)作信號(hào)，控制其他電器分?jǐn)嘭?fù)載電路；后者利用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)采集負(fù)載電流，由微型計(jì)算機(jī)按照熱保護(hù)模型進(jìn)行動(dòng)作保護(hù)，由于電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫度并不僅僅取決于負(fù)載電流，且不同電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與散熱時(shí)間常數(shù)不同，為與被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的過載特性相匹配，上述保護(hù)電器提供了一系列不同的整定參數(shù)供用戶選擇，但是在實(shí)際使用時(shí)，用戶對(duì)其所用電動(dòng)機(jī)的熱特性所知并不多，只能憑經(jīng)驗(yàn)選擇動(dòng)作整定值，同時(shí)保護(hù)模型也不完善，不能很好地與被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的允許過載特性相匹配，時(shí)常導(dǎo)致動(dòng)作失誤。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)之不足，本發(fā)明的目的提供一種數(shù)字式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器，為使保護(hù)電器的熱保護(hù)特性能真正地與被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的允許過載特性相一致，采用了一種以數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)算原理計(jì)算定子繞組的電阻，據(jù)此推算出定子繞組的溫度，從而有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)的過流故障。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)方法，硬件結(jié)構(gòu)是一種以嵌入式計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器為計(jì)算核心，配外圍控制、測(cè)量和接口電路，利用直流電源在定子繞組上疊加一很小的直流電流，并定時(shí)加以采集，再以數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)，將直流電流抽取出來以計(jì)算出定子繞組的電阻，進(jìn)而根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出定子繞組的溫度，以此作為動(dòng)作保護(hù)的判據(jù)，硬件結(jié)構(gòu)具體聯(lián)接(如附圖所示)。
本發(fā)明數(shù)字式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)方法，包括下列步驟數(shù)據(jù)采集1為被保護(hù)電動(dòng)機(jī)，2、3、4為扼流圈，5、6、7為直流電源，扼流圈2、3、4分別與直流電源5、6、7相串聯(lián)，而后并接在A、B、C三相定子繞組上，從而在定子繞組上疊加了一很小的直流電流，利用電流互感器8、9、10分別采集三相直流回路的電流，直流電流經(jīng)多路數(shù)據(jù)采集單元11后送入以單片機(jī)或DSP為核心的數(shù)字化測(cè)量與處理單元12。
數(shù)據(jù)處理數(shù)字化測(cè)量與處理單元是整個(gè)熱保護(hù)器的核心，其中單片機(jī)或DSP根據(jù)控制程序，定時(shí)采集直流回路的瞬時(shí)電流，由于扼流圈不能完全濾凈交流電流，因此該電流中還包含少量的交流分量，為此采用數(shù)字濾波算法如小波變換或快速傅立葉變換抽取出直流電流分量，進(jìn)而再計(jì)算出定子繞組的電阻和溫度。
計(jì)算方法多路數(shù)據(jù)采集單元采集的是直流回路的電流，但由于扼流圈的濾波能力有限，因此該電流既含有直流分量，也含有交流分量。由于數(shù)字濾波的濾波效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬濾波器，因此在數(shù)字化測(cè)量與處理單元中，可根據(jù)小波變換或快速傅立葉變換從被測(cè)電流中抽取出直流分量，再則按下面的計(jì)算方法求出電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻RR=EI-RL]]>式中 E——電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓的實(shí)部；I——電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓的虛部；RL——扼流圈的電阻。
在計(jì)算出R后，再根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫度θθ=1α(RR0-1)]]>式中 R0——溫度為0℃時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻；α——電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻溫度系數(shù)。
如果θ大于定子材料絕緣等級(jí)所對(duì)應(yīng)的極限允許溫度，則給予動(dòng)作保護(hù)。
本保護(hù)方法既可以對(duì)對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，也可以對(duì)非對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，如只對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，在實(shí)施方案時(shí)，也可以僅在A、B、C三相中的任一相或二相或者任二相之間疊加直流電流，即將扼流圈與直流電源串接后并在某相繞組上或某二相繞組之間，再測(cè)量直流回路的電流，通過多路數(shù)據(jù)采集單元11和數(shù)字化測(cè)量與處理單元12同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過熱保護(hù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所提出的電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器具有很快的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度僅為1個(gè)工頻周期，不僅能滿足一般過載保護(hù)的需要，還能滿足堵轉(zhuǎn)、短路等快速保護(hù)的需要，且不受負(fù)載波動(dòng)影響。同時(shí)，在實(shí)際使用時(shí)，用戶無需根據(jù)被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格和容量選擇動(dòng)作整定值，保護(hù)電器所提供的保護(hù)特性能夠完全與被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的允許過載特性相匹配，具有使用方便、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明數(shù)字式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)方法硬件裝置結(jié)構(gòu)原理圖。
圖中1—被保護(hù)電動(dòng)機(jī)；2、3、4—電流扼流圈；5、6、7—直流電源；8、9、10—電流互感器；11—多路數(shù)據(jù)采集單元；12—數(shù)字化測(cè)量與處理單元
具體實(shí)施例方式接入本保護(hù)器后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行后，一個(gè)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能幾乎毫無影響的直流電流將疊加在定子繞組上，這個(gè)電流與直流電源回路中的直流電流相等。盡管扼流圈對(duì)交流電流有抑制作用，但因其感抗有限，故直流回路還含有少量的交流電流成份。直流回路的電流可由電流互感器8、9、10和多路數(shù)據(jù)采集單元11及數(shù)字化測(cè)量與處理單元12進(jìn)行測(cè)量和處理，從而從中抽取出直流電流分量，以便計(jì)算出定子繞組的電阻和溫度。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，如因過載、短路、堵轉(zhuǎn)或起動(dòng)時(shí)間過長等故障而導(dǎo)致溫度升高，則其定子繞阻的電阻將按照R＝R0(1+αθ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系增大。定子繞組是由銅線繞制而成的，其電阻溫度系數(shù)約為4‰，如果它在正極限溫度40℃下長期運(yùn)行在額定負(fù)載下，其溫度一般不超過105℃(E級(jí)絕緣)，一旦過載，它的溫度將上升，如果達(dá)到了E級(jí)絕緣的極限允許溫度120℃，這時(shí)繞組的電阻升高了6％，導(dǎo)致直流回路的直流電流下降。如果電動(dòng)機(jī)未工作在正極限溫度下，或者工作在額定負(fù)載以下，定子繞組的電阻要將在環(huán)境溫度和105℃之間，這樣過流后溫度達(dá)到正極限溫度時(shí)，定子繞組的電組將升高6～64％，直流電流的下降幅度更加明顯了。利用電流互感器和多路數(shù)據(jù)采集單元及數(shù)字化測(cè)量與處理單元可測(cè)量和計(jì)算出直流電流，并換算出定子繞組的溫度，一旦超過120℃，則給出保護(hù)信號(hào)，切斷電源，也可在溫度將接近120℃時(shí)，給出預(yù)警信號(hào)，以引起操作人員注意。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)方法，其特征在于該方法包括下列步驟數(shù)據(jù)采集1為被保護(hù)電動(dòng)機(jī)，2、3、4為扼流圈，5、6、7為直流電源，扼流圈2、3、4分別與直流電源5、6、7相串聯(lián)，而后并接在A、B、C三相定子繞組上，從而在定子繞組上疊加了一很小的直流電流，利用電流互感器8、9、10分別采集三相直流回路的電流，直流電流經(jīng)多路數(shù)據(jù)采集單元11后送入以單片機(jī)或DSP為核心的數(shù)字化測(cè)量與處理單元12數(shù)據(jù)處理數(shù)字化測(cè)量與處理單元是整個(gè)熱保護(hù)器的核心，其中單片機(jī)或DSP根據(jù)控制程序，定時(shí)采集直流回路的瞬時(shí)電流，由于扼流圈不能完全濾凈交流電流，因此該電流中還包含少量的交流分量，為此采用數(shù)字濾波算法如小波變換或快速傅立葉變換抽取出直流電流分量，進(jìn)而再計(jì)算出定子繞組的電阻和溫度；計(jì)算方法多路數(shù)據(jù)采集單元采集的是直流回路的電流，但由于扼流圈的濾波能力有限，因此該電流既含有直流分量，也含有交流分量。由于數(shù)字濾波的濾波效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬濾波器，因此在數(shù)字化測(cè)量與處理單元中，可根據(jù)小波變換或快速傅立葉變換從被測(cè)電流中抽取出直流分量。
2.按照權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于按下面的計(jì)算方法求出電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻RR=EI-RL]]>式中E——電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓的實(shí)部；I——電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓的虛部；RL——扼流圈的電阻；在計(jì)算出R后，再根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫度θθ=1α(RR0-1)]]>式中R0——溫度為0℃時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻；α——電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻溫度系數(shù)；如果θ大于定子材料絕緣等級(jí)所對(duì)應(yīng)的極限允許溫度，則給予動(dòng)作保護(hù)。
3.按權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于本保護(hù)方法既可以對(duì)對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，也可以對(duì)非對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，如只對(duì)稱性故障進(jìn)行保護(hù)，在實(shí)施方案時(shí)，可以僅在A、B、C三相中的任一相或二相或者任二相之間疊加直流電流，即將扼流圈與直流電源串接后并在某相繞組上或某二相繞組之間，再測(cè)量直流回路的電流，通過多路數(shù)據(jù)采集單元11和數(shù)字化測(cè)量與處理單元12同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過熱保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)機(jī)保護(hù)技術(shù)，以嵌入式計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器為計(jì)算核心，配外圍控制、測(cè)量和接口電路，利用直流電源在定子繞組上疊加一很小的直流電流，并定時(shí)加以采集，再以數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)，將直流電流抽取出來以計(jì)算出定子繞組的電阻，進(jìn)而根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出定子繞組的溫度，以此作為動(dòng)作保護(hù)的判據(jù)，優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所提出的電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器具有很快的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度僅為1個(gè)工頻周期，不僅能滿足一般過載保護(hù)的需要，還能滿足堵轉(zhuǎn)、短路等快速保護(hù)的需要，且不受負(fù)載波動(dòng)影響。保護(hù)電器所提供的保護(hù)特性能夠完全與被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的允許過載特性相匹配，具有使用方便、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02H7/085GK1540830SQ200310104968
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者馬少華, 蔡志遠(yuǎn), 厲偉, 王儉 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)