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

發(fā)明內容
為了解決以上電動機保護裝置結構之不足，本發(fā)明的目的提供一種數(shù)字式電動機熱保護器，為使保護電器的熱保護特性能真正地與被保護電動機的允許過載特性相一致，采用了一種以數(shù)字化測量技術和數(shù)字濾波技術為基礎的測算原理計算定子繞組的電阻，據(jù)此推算出定子繞組的溫度，從而有效地保護電動機的過流故障。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的電動機熱保護方法，硬件結構是一種以嵌入式計算機或數(shù)字信號處理器為計算核心，配外圍控制、測量和接口電路，利用直流電源在定子繞組上疊加一很小的直流電流，并定時加以采集，再以數(shù)字濾波技術為基礎，將直流電流抽取出來以計算出定子繞組的電阻，進而根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出定子繞組的溫度，以此作為動作保護的判據(jù)，硬件結構具體聯(lián)接(如附圖所示)。
本發(fā)明數(shù)字式電動機熱保護方法，包括下列步驟數(shù)據(jù)采集1為被保護電動機，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，直流電流經多路數(shù)據(jù)采集單元11后送入以單片機或DSP為核心的數(shù)字化測量與處理單元12。
數(shù)據(jù)處理數(shù)字化測量與處理單元是整個熱保護器的核心，其中單片機或DSP根據(jù)控制程序，定時采集直流回路的瞬時電流，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，進而再計算出定子繞組的電阻和溫度。
計算方法多路數(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遠高于模擬濾波器，因此在數(shù)字化測量與處理單元中，可根據(jù)小波變換或快速傅立葉變換從被測電流中抽取出直流分量，再則按下面的計算方法求出電動機定子繞組的電阻RR=EI-RL]]>式中 E——電動機定子繞組電壓的實部；I——電動機定子繞組電壓的虛部；RL——扼流圈的電阻。
在計算出R后，再根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出電動機定子繞組的溫度θθ=1α(RR0-1)]]>式中 R0——溫度為0℃時，電動機定子繞組的電阻；α——電動機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所對應的極限允許溫度，則給予動作保護。
本保護方法既可以對對稱性故障進行保護，也可以對非對稱性故障進行保護，如只對稱性故障進行保護，在實施方案時，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)字化測量與處理單元12同樣對電動機進行過熱保護。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明所提出的電動機熱保護器具有很快的響應速度，響應速度僅為1個工頻周期，不僅能滿足一般過載保護的需要，還能滿足堵轉、短路等快速保護的需要，且不受負載波動影響。同時，在實際使用時，用戶無需根據(jù)被保護電動機的規(guī)格和容量選擇動作整定值，保護電器所提供的保護特性能夠完全與被保護電動機的允許過載特性相匹配，具有使用方便、動作可靠等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明數(shù)字式電動機熱保護方法硬件裝置結構原理圖。
圖中1—被保護電動機；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)字化測量與處理單元
具體實施例方式接入本保護器后，當電動機在運行后，一個對電動機運行性能幾乎毫無影響的直流電流將疊加在定子繞組上，這個電流與直流電源回路中的直流電流相等。盡管扼流圈對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)字化測量與處理單元12進行測量和處理，從而從中抽取出直流電流分量，以便計算出定子繞組的電阻和溫度。當電動機在運行過程中，如因過載、短路、堵轉或起動時間過長等故障而導致溫度升高，則其定子繞阻的電阻將按照R＝R0(1+αθ)的對應關系增大。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℃下長期運行在額定負載下，其溫度一般不超過105℃(E級絕緣)，一旦過載，它的溫度將上升，如果達到了E級絕緣的極限允許溫度120℃，這時繞組的電阻升高了6％，導致直流回路的直流電流下降。如果電動機未工作在正極限溫度下，或者工作在額定負載以下，定子繞組的電阻要將在環(huán)境溫度和105℃之間，這樣過流后溫度達到正極限溫度時，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)字化測量與處理單元可測量和計算出直流電流，并換算出定子繞組的溫度，一旦超過120℃，則給出保護信號，切斷電源，也可在溫度將接近120℃時，給出預警信號，以引起操作人員注意。
權利要求
1.一種數(shù)字式電動機熱保護方法，其特征在于該方法包括下列步驟數(shù)據(jù)采集1為被保護電動機，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，直流電流經多路數(shù)據(jù)采集單元11后送入以單片機或DSP為核心的數(shù)字化測量與處理單元12數(shù)據(jù)處理數(shù)字化測量與處理單元是整個熱保護器的核心，其中單片機或DSP根據(jù)控制程序，定時采集直流回路的瞬時電流，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，進而再計算出定子繞組的電阻和溫度；計算方法多路數(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遠高于模擬濾波器，因此在數(shù)字化測量與處理單元中，可根據(jù)小波變換或快速傅立葉變換從被測電流中抽取出直流分量。
2.按照權利要求1所述的計算方法，其特征在于按下面的計算方法求出電動機定子繞組的電阻RR=EI-RL]]>式中E——電動機定子繞組電壓的實部；I——電動機定子繞組電壓的虛部；RL——扼流圈的電阻；在計算出R后，再根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出電動機定子繞組的溫度θθ=1α(RR0-1)]]>式中R0——溫度為0℃時，電動機定子繞組的電阻；α——電動機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所對應的極限允許溫度，則給予動作保護。
3.按權利要求1所述的保護方法，其特征在于本保護方法既可以對對稱性故障進行保護，也可以對非對稱性故障進行保護，如只對稱性故障進行保護，在實施方案時，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)字化測量與處理單元12同樣對電動機進行過熱保護。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動機保護技術，以嵌入式計算機或數(shù)字信號處理器為計算核心，配外圍控制、測量和接口電路，利用直流電源在定子繞組上疊加一很小的直流電流，并定時加以采集，再以數(shù)字濾波技術為基礎，將直流電流抽取出來以計算出定子繞組的電阻，進而根據(jù)電阻溫度系數(shù)推算出定子繞組的溫度，以此作為動作保護的判據(jù)，優(yōu)點，本發(fā)明所提出的電動機熱保護器具有很快的響應速度，響應速度僅為1個工頻周期，不僅能滿足一般過載保護的需要，還能滿足堵轉、短路等快速保護的需要，且不受負載波動影響。保護電器所提供的保護特性能夠完全與被保護電動機的允許過載特性相匹配，具有使用方便、動作可靠等優(yōu)點。
文檔編號H02H7/085GK1540830SQ200310104968
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月30日 優(yōu)先權日2003年10月30日
發(fā)明者馬少華, 蔡志遠, 厲偉, 王儉 申請人:沈陽工業(yè)大學