專利名稱：熱過負(fù)荷保護(hù)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于保護(hù)電氣設(shè)備特別是電機(jī)不受過熱影響的熱過負(fù)荷保護(hù)。
電機(jī)被應(yīng)用在驅(qū)動各種運(yùn)動部件的多種應(yīng)用場合中。電機(jī)通常具有其相應(yīng)的控制單元，用以調(diào)整并監(jiān)控電機(jī)的操作，例如轉(zhuǎn)速。
電機(jī)可以短時間工作在過負(fù)荷條件下，但如果隨著這種負(fù)荷條件的不斷持續(xù)導(dǎo)致電機(jī)變得過熱，就可能導(dǎo)致?lián)p壞該電機(jī)。由于過熱導(dǎo)致?lián)p壞定子線圈的絕緣是最嚴(yán)重的情況。
公知的有多種用于保護(hù)電機(jī)不受熱過負(fù)荷影響的解決方案。一種公知的解決方案是基于電機(jī)電流的1..3相測量，以及通過使用RC等效電路來模擬電機(jī)的受熱。最早被采用且最常用的技術(shù)實現(xiàn)方式是將雙金屬片繼電器(熱繼電器)直接或經(jīng)由變流器耦合到主電路上。
一種公知的解決方案是在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置或與電機(jī)連接熱保險開關(guān)，該開關(guān)在達(dá)到給定的溫度限定后跳開，并中斷流過電機(jī)的電流。更先進(jìn)的方案是采用電子單元，該電子單元利用溫度傳感器來測量電機(jī)的溫度，并觸發(fā)電機(jī)的斷開。這種可供選擇的方式直接取決于各種傳感器所進(jìn)行的溫度檢測。所存在的問題是正確放置傳感器的困難。這種保護(hù)的反應(yīng)相對較慢。
在數(shù)值保護(hù)中，數(shù)據(jù)要被處理成數(shù)值模式，即數(shù)字模式。用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。實際的測量和保護(hù)功能是通過微處理器來實現(xiàn)的。熱過負(fù)荷保護(hù)裝置測量電機(jī)或要保護(hù)的其它對象(例如電纜或變壓器)的相電流(負(fù)荷電流)的均方根(rms)值，并計算取決于溫度的工作時間。該熱工作時間可以與標(biāo)準(zhǔn)IEC 60255-8相一致t=τlnI2-Ip2I2-Ib2]]>其中，t＝工作時間
τ＝時間常數(shù)Ip＝過負(fù)荷前的負(fù)荷電流I＝負(fù)荷電流Ib＝工作電流(最大的容許持續(xù)電流)熱時間常數(shù)τ是由保護(hù)對象達(dá)到溫度θ所需要的時間來確定的，溫度θ占保護(hù)對象被提供有恒定電流時的穩(wěn)態(tài)溫度θs的給定的百分比(例如，63％)。工作電流Ip是容許的最大持續(xù)電流，其也對應(yīng)于容許的最高溫度，即穩(wěn)態(tài)溫度θs。該容許的最高溫度是跳開溫度閾值?？晒┻x擇的，可以由相電流來計算保護(hù)對象上的熱負(fù)荷相對于滿(100％)熱負(fù)荷的相對值。當(dāng)相對熱負(fù)荷達(dá)到100％的值時進(jìn)行跳開。
因此，數(shù)字熱保護(hù)裝置與大量的計算聯(lián)系在一起，而這些大量的計算需要高效的處理器以及快速且昂貴的外圍電路，如存儲器?，F(xiàn)有技術(shù)中的解決方案采用了還具有內(nèi)置數(shù)學(xué)處理器、浮點(diǎn)部件(FPU)或用于在確定的時間內(nèi)執(zhí)行實時計算的對應(yīng)部件的高效處理器。也已經(jīng)采用了具有模擬浮點(diǎn)數(shù)字部件的庫函數(shù)的高效處理器。還存在利用ASIC電路實現(xiàn)算法的實現(xiàn)方式，但此后不能改編程序。因此，不能對這種專用電路進(jìn)行改變，但是如果要改變操作的話就常常需要新的電路。還存在如下的實現(xiàn)方式，其中，依次地測量/計算電流、計算預(yù)熱、重復(fù)測量等。這種實現(xiàn)方式不能確保進(jìn)行完全地實時保護(hù)(非連續(xù)測量)，但能夠采用效率稍差的處理器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于對電氣設(shè)備進(jìn)行熱保護(hù)的方法，以及一種用于實現(xiàn)該方法的設(shè)備，使得與保護(hù)有關(guān)的計算能夠被減少，并且處理器和外圍電路的技術(shù)需求能夠被降低。利用獨(dú)立權(quán)利要求中限定的方法和系統(tǒng)實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。在從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明是基于對數(shù)學(xué)方程式或算法及其計算熱負(fù)荷的操作數(shù)進(jìn)行編程，使得它們適用于采用定點(diǎn)運(yùn)算的X位，優(yōu)選X＝32的處理器系統(tǒng)，這樣使得當(dāng)程序在處理器系統(tǒng)中運(yùn)行時結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過X位值。測量到的電流優(yōu)選地被按比例換算成0到Y(jié)范圍內(nèi)的單位值，其中Y表示額定電流的Y/100％，優(yōu)選地Y＝65000，從而，計算與實際的電流范圍無關(guān)。
本發(fā)明能夠用效率較差的處理器和較少的存儲器來進(jìn)行熱負(fù)荷的計算，從而依次降低功耗、產(chǎn)品成本和設(shè)備的物理尺寸。計算可以用簡單且可轉(zhuǎn)換的代碼來實現(xiàn)，其不需要數(shù)學(xué)處理器或數(shù)學(xué)庫。但是，即使處理器采用32位定點(diǎn)運(yùn)算，熱負(fù)荷也可以用接近64位浮點(diǎn)數(shù)值計算的精度來進(jìn)行計算。


接下來，將參考附圖結(jié)合優(yōu)選實施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖1是說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的過負(fù)荷保護(hù)的示例性方框圖，圖2是說明了圖1中所示設(shè)備的工作的示例性信號圖；和圖3是說明了圖1中所示設(shè)備的工作的示例性流程圖。
具體實施例方式
圖1中，熱過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備耦合在電機(jī)M或其它要保護(hù)的電氣設(shè)備與三相電源電流源L1、L2和L3之間。S1是主電源開關(guān)，例如，手動控制的，S2是通過過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備控制并用跳開信號TRIP控制的釋放開關(guān)。過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1利用電流測量單元10測量電機(jī)M中電源電流源的每一相L1、L2和L3的電流負(fù)荷，例如基于變流器進(jìn)行測量。此外，過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1可以包括用于測量相電壓的測量單元11。而且，過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1優(yōu)選地包括用戶界面，即，人機(jī)界面(HMI)12，其具有顯示器13和鍵盤14。另外，過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1可以包括連接到局域網(wǎng)(例如，以太網(wǎng))的數(shù)據(jù)通信單元15、總線、現(xiàn)場總線(例如，Profibus DP)或其它的數(shù)據(jù)通信介質(zhì)17。
關(guān)于本發(fā)明，最主要的功能與保護(hù)和控制單元16有關(guān)。過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1是由微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)的，上述單元中的大部分都是由適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鬈浖屯鈬娐啡绱鎯ζ麟娐穼崿F(xiàn)的。利用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(A/D)將由電流和電壓測量單元提供的測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)值，即數(shù)字值。根據(jù)本發(fā)明的基本原理，微處理器系統(tǒng)采用定點(diǎn)運(yùn)算，優(yōu)選的是32位運(yùn)算。適當(dāng)?shù)奶幚砥黝愋屠缡蔷哂?2位RISC指令集的通用處理器，如ARM7/9或M68k系列。
應(yīng)認(rèn)識到，上面描述的結(jié)構(gòu)僅是用于實現(xiàn)本發(fā)明的熱過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備的一個例子。
過負(fù)荷保護(hù)設(shè)備1保護(hù)電機(jī)M避免過熱及由過熱所帶來的任何損害。該保護(hù)設(shè)備是基于根據(jù)測量到的相電流計算電機(jī)上的熱負(fù)荷。接下來，將通過圖2和3的例子解釋該保護(hù)設(shè)備大體的工作過程。通過閉合開關(guān)S1和S2，相導(dǎo)體L1、L2和L3連接到電機(jī)M上。電流測量單元10測量各相的電流(圖3中的步驟31)，控制單元16利用定點(diǎn)運(yùn)算根據(jù)相電流計算電機(jī)M上的熱負(fù)荷(步驟32)。在一相的熱負(fù)荷計算中用到的數(shù)學(xué)方程式可以如下所示Θk=ΔT*i2C+(1-ΔTR*C)*Θk-1]]>其中Θ＝熱負(fù)荷，優(yōu)選為0到200％優(yōu)選地對應(yīng)于0到2.4的數(shù)值范圍ΔT＝熱負(fù)荷計算的間隔，優(yōu)選地采用毫秒R＝電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)，優(yōu)選地為1到10C＝跳開級別因數(shù)i＝測量到的負(fù)荷電流因數(shù)C優(yōu)選地是跳開級別因數(shù)t6，其表示相對于電機(jī)的實際起動時間對電機(jī)設(shè)定的最長的起動時間。因數(shù)C例如可以是1.7(×實際起動時間)。在本發(fā)明的基本實施例中，跳開級別因數(shù)t6乘以一常數(shù)，優(yōu)選地是29.5，或者通過公式(1/k)*Te*(Ia/In)2來計算，其中，Ia＝起動電流，In＝額定電流，Te＝允許的起動時間，以及k＝常數(shù)。當(dāng)希望工作時間曲線相當(dāng)于跳開級別和t6時間組合的曲線時，常數(shù)k＝1.22(工作時間取決于IEC60947-4-1的要求)。優(yōu)選地，測量到的電流被按比例換算成0到Y(jié)范圍內(nèi)的單位值，其中Y表示額定電流的Y/100％，優(yōu)選地，Y＝65000，從而，計算就與實際的電流范圍無關(guān)。
讓我們來舉例檢驗32位定點(diǎn)運(yùn)算。根據(jù)本發(fā)明，上面描述的數(shù)學(xué)方程式或算法以及其計算熱負(fù)荷的操作數(shù)都被編程為適用于采用32位定點(diǎn)運(yùn)算的處理器系統(tǒng)，這樣使得當(dāng)在處理器系統(tǒng)中運(yùn)行所述程序時，結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超出32位值。
下面是用這種方式構(gòu)成并換算的計算方程式的例子thRes＝((ΔT*(i2/C)+ROUNDING)/MSEC)+(((((MSEC*SCALING)-((ΔT*SCALING)/(R*C)))/SPART1)*th)/SPART2)+thFract其中，操作數(shù)的值例如如下所示thRes＝對應(yīng)于0到24000的數(shù)值范圍的熱負(fù)荷0到200％
ROUNDING＝例如是500MSEC＝例如是1000SCALING＝例如是10000SPART1＝例如是SCALING/10SPART2＝例如是SCALING/100thFract＝前面計算的thRes除以常數(shù)，例如常數(shù)＝SCALING＝10000。
ROUNDING相當(dāng)于十進(jìn)制的舍入。MSEC按比例將毫秒換算成秒。SCALING是精確比例。項SPART1和SPART2的乘積表示時間單位(優(yōu)選為毫秒級)的比例，它們被分成兩部分，以保持計算的精度。
因為比例(在該例子中，比例在0到24000的范圍內(nèi))的緣故，熱負(fù)荷的結(jié)果thRes太高了，因此它被按比例減小以表示每個所采用的單位值的熱負(fù)荷，在該例子中減小到0到2.4的范圍內(nèi)Θ＝thRES/10000該商值Θ作為參數(shù)thFract被保存起來，并在下一次的計算中被采用。對0到100％熱負(fù)荷的計算度優(yōu)于熱負(fù)荷的0.1％。
圖2的曲線圖表示計算得到的熱負(fù)荷Θ隨時間t變化的函數(shù)。當(dāng)電機(jī)M從冷態(tài)起動時，其開始加熱。同樣地，計算得到的熱負(fù)荷Θ以時間函數(shù)的形式增加。當(dāng)熱負(fù)荷Θ增加到給定的設(shè)定報警等級Alarm_level時，控制單元16可以例如經(jīng)由用戶界面12-14或通信單元15給操作員發(fā)出報警(圖3中的步驟35和36)?？刂茊卧?6還可以持續(xù)地或在給定的等級之后計算跳開前的剩余時間(跳開時間)，并將其通知操作員(圖3中的步驟33和34)。當(dāng)熱負(fù)荷Θ增加到給定的設(shè)定跳開等級Trip(優(yōu)選地為電機(jī)上熱負(fù)荷的100％)時，控制單元16觸發(fā)跳開信號TRIP，以控制開關(guān)S2打開，從而電機(jī)M從三相電源L1、L2和L3上斷開(圖3中的步驟37和38)。如果跳開之后剩余的電機(jī)熱容量太低(例如，低于60％)，則保護(hù)設(shè)備1可以防止電機(jī)重新起動，直到電機(jī)冷卻到給定的等級(重新起動禁止)或冷卻給定的時間為止(圖3中的步驟39和40)。為了起動，信號TRIP再次被連接至無效狀態(tài)，開關(guān)S2被閉合。在實施例中，操作員可以將控制單元16控制到越級(override)狀態(tài)中，其中跳開等級被加倍(越級跳開等級)。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員很明顯的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可以用各種方式來實現(xiàn)本發(fā)明的基本理論。因此，本發(fā)明和其實施例并不局限于上面的例子，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣設(shè)備，特別是電機(jī)(M)的熱過負(fù)荷保護(hù)的設(shè)備，該設(shè)備包括用于測量提供給電氣設(shè)備(M)的至少一個負(fù)荷電流的裝置(10)、用于根據(jù)所述至少一個負(fù)荷電流計算電氣設(shè)備上的熱負(fù)荷的裝置(16)、以及用于當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到給定的閾值時斷開電流源(L1、L2、L3)的裝置(S2)，其特征在于，所述用于計算電氣設(shè)備上的熱負(fù)荷的裝置(16)包括采用X位，優(yōu)選的是X＝32的定點(diǎn)運(yùn)算的處理器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于將測量到的電流按比例換算成0到Y(jié)范圍內(nèi)的單位值的裝置，其中Y表示額定電流的Y/100％，和用于利用數(shù)學(xué)方程式計算熱負(fù)荷的裝置，該數(shù)學(xué)方程式與其操作數(shù)一起被編程到結(jié)構(gòu)化的微處理器系統(tǒng)中，從而使得結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過X位值。
2.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其特征在于，該數(shù)學(xué)方程式為Θk=ΔT*i2C+(1-ΔTR*C)*Θk-1]]>其中Θ＝熱負(fù)荷；ΔT＝熱負(fù)荷計算的間隔；R＝電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)；C＝跳開級別因數(shù)。
3.如權(quán)利要求2中所述的設(shè)備，其特征在于，使用下面的操作數(shù)值中的一個或多個Θ＝0到200％優(yōu)選對應(yīng)于0到2.4的數(shù)值范圍；ΔT＝采用毫秒的熱負(fù)荷計算的間隔；R＝在1到10范圍內(nèi)的電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)；C＝跳開級別因數(shù)；i＝測量到的電流。
4.如權(quán)利要求1、2或3中所述的設(shè)備，其特征在于，與其操作數(shù)一起被構(gòu)成為使得熱負(fù)荷計算的結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過32位值的數(shù)學(xué)方程式為thRes＝((ΔT*(i2/C)+ROUNDING)/MSEC)+(((((MSEC*SCALING)-((ΔT*SCALING)/(R*C)))/SPART1)*th)/SPART2)+thFract其中，thRes＝熱負(fù)荷；ΔT＝熱負(fù)荷計算的間隔；R＝電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)；C＝跳開級別因數(shù)；i＝按比例換算成單位值的測量到的電流；ROUNDING＝舍入因數(shù)；MSEC＝時間單位比例；SCALING＝精確比例；SPART1＝部分比例；SPART2＝部分比例；thFract＝前面計算的熱負(fù)荷thRes除以常數(shù)。
5.如權(quán)利要求4中所述的設(shè)備，其特征在于，使用下面的操作數(shù)值中的一個或多個thRes＝0到200％優(yōu)選對應(yīng)于0到24000的數(shù)值范圍；ΔT＝采用毫秒的熱負(fù)荷計算的間隔；R＝1到10；i＝按比例換算到0到65000，對應(yīng)于0到650％的額定電流之間的單位值的測量到的電流；ROUNDING＝500MSEC＝1000SCALING＝10000SPART1＝SCALING/10SPART2＝SCALING/100thFract＝前面計算的thRes除以常數(shù)SCALING。
6.如權(quán)利要求3、4或5中所述的設(shè)備，其特征在于，C是跳開級別因數(shù)t6乘以一常數(shù)，該常數(shù)優(yōu)選地是29.5，或者C是通過公式(1/k)*Te*(Ia/In)2來計算，其中，Ia＝起動電流，In＝額定電流，Te＝允許的起動時間，以及k＝常數(shù)，優(yōu)選地k＝1.22。
7.一種用于電氣設(shè)備，特別是電機(jī)的熱過負(fù)荷保護(hù)的方法，該方法包括測量提供給電氣設(shè)備的至少一個負(fù)荷電流，根據(jù)所述至少一個負(fù)荷電流計算電氣設(shè)備上的熱負(fù)荷，以及當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到給定的閾值等級時中斷供給電氣設(shè)備的電流源，其特征在于，將測量到的電流按比例換算成0到Y(jié)范圍內(nèi)的單位值，其中Y表示額定電流的Y/100％，利用采用定點(diǎn)運(yùn)算的X位，優(yōu)選地X＝32的處理器系統(tǒng)來計算電氣設(shè)備上的熱負(fù)荷，其中，用于熱負(fù)荷的數(shù)學(xué)方程式被編程結(jié)構(gòu)化，使得結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過X位值。
8.如權(quán)利要求7中所述的方法，其特征在于，該數(shù)學(xué)方程式為Θk=ΔT*i2C+(1-ΔTR*C)*Θk-1]]>其中Θ＝熱負(fù)荷，優(yōu)選為0到200％優(yōu)選地對應(yīng)于0到2.4的數(shù)值范圍；ΔT＝熱負(fù)荷計算的間隔，優(yōu)選地采用毫秒；R＝電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)，優(yōu)選地為1到10；C＝跳開級別因數(shù)；i＝測量到的負(fù)荷電流。
9.如權(quán)利要求7或8中所述的方法，其特征在于，與其操作數(shù)一起被構(gòu)成為使得熱負(fù)荷計算的結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過32位值的數(shù)學(xué)方程式為thRes＝((ΔT*(i2/C)+ROUNDING)/MSEC)+(((((MSEC*SCALING)-((ΔT*SCALING)/(R*C)))/SPART1)*th)/SPART2)+thFract其中，thRes＝熱負(fù)荷；ΔT＝熱負(fù)荷計算的間隔；R＝電氣設(shè)備的冷卻因數(shù)；C＝跳開級別因數(shù)；i＝按比例換算成單位值的測量到的電流；ROUNDING＝舍入因數(shù)；MSEC＝時間單位比例；SCALING＝精確比例；SPART1＝部分比例；SPART2＝部分比例；thFract＝前面計算的熱負(fù)荷thRes除以常數(shù)。
10.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于，使用下面的操作數(shù)值中的一個或多個thRes＝0到200％優(yōu)選對應(yīng)于0到24000的數(shù)值范圍；ΔT＝采用毫秒的熱負(fù)荷計算的間隔；R＝1到10；i＝按比例換算到0到65000，對應(yīng)于0到650％的額定電流之間的單位值的測量到的電流；ROUNDING＝500MSEC＝1000SCALING＝10000SPART1＝SCALING/10SPART2＝SCALING/100thFract＝前面計算的thRes除以常數(shù)SCALING。
11.如權(quán)利要求8、9或10中所述的方法，其特征在于，C是跳開級別因數(shù)t6乘以一常數(shù)，該常數(shù)優(yōu)選地是29.5，或者C是通過公式(1/k)*Te*(Ia/In)2來計算，其中，Ia＝起動電流，In＝額定電流，Te＝允許的起動時間，以及k＝常數(shù)，優(yōu)選地k＝1.22。
全文摘要
一種用于電氣設(shè)備，特別是電機(jī)(M)的熱過負(fù)荷保護(hù)(1)，它測量(10)提供給電氣設(shè)備(M)的負(fù)荷電流，并根據(jù)測量到的負(fù)荷電流計算(16)電氣設(shè)備上的熱負(fù)荷，并且當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到給定的閾值時斷開(S2)電流源(L1、L2、L3)。該保護(hù)包括采用X位，優(yōu)選地X＝32的定點(diǎn)運(yùn)算的處理器系統(tǒng)，其中，通過被編程到微處理器系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)方程式計算熱負(fù)荷，該數(shù)學(xué)方程式被構(gòu)成使得結(jié)果或臨時結(jié)果永遠(yuǎn)不會超過X位值。
文檔編號H02H6/00GK1914778SQ200580003832
公開日2007年2月14日 申請日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月2日
發(fā)明者J·奎瓦萊寧, P·厄斯特貝克 申請人:Abb有限公司