电机保护和控制装置、系统和/或方法与流程

本申请是非临时的并要求在2011年9月6日提交的美国临时专利申请第61/531,610号的权益，该专利申请通过引用以其全文结合在此。

版权声明

2012Cerus工业公司本专利文件披露的一部分包含受到版权保护的材料。版权所有者并不拒绝任何人对该专利文件或专利披露内容按照其在专利和商标局专利文件或记录中出现那样进行复制再现，但是其他情况下版权所有人保留所有版权权利。37CFR§1.71(d)，(e)。

技术领域

本申请涉及工业自动化系统、HVAC系统、泵送系统和类似实施方式的电机保护领域，并且具体地，涉及对此类电机提供保护和/或控制的电机起动器和相关电子设备。

背景技术：

在建筑物自动化系统、暖通（HVAC）安装、泵送系统和其他工业实施方式中，使用起动器或者起动器机制来控制和保护电机是公知的。用于电机或类似物的起动器在本领域中是熟知的。典型的起动器包括与接触器结合从而在发生不希望的操作状态时将电机从线路功率上断开的热跳闸元件。国家电气规范（NEC）将组合起动器分类为提供热过载保护和电机断开功能的设备。

传统起动器的关键部件包括一个电磁接触器和一个过载继电器。此类传统起动器的电路系统经由一个单一设备提供电机控制和电机保护功能两者，该单一设备理想地具体地被选择或者被校准用于被控制的特定电机。可以通过接触器的调制来控制电机的操作（例如，起动和停止电机等），该接触器包括通过一个通电或断电线圈机电地/电磁地操作的多个可分离触头。闭合这些触头允许线路功率来激励电机，而打开这些触头将功率从电机上切断。

如上所述，起动器还能够向电机提供热保护（即过载保护）从而保护其免受不利操作状态影响。传统起动器通常包括一个为此目的提供的过载继电器。当在一个电力未损坏的电路中超过正常满载额定电流（例如，导线携带超过额定安培数的电流）操作设备时过载状态发生。通过过载继电器参照可适用的电流跳闸点（表示为跳闸曲线，该跳闸曲线将跳闸点指定为给定电机分类的电流和时间的函数）来检测过载。持续足够长时间量的过载状态会损坏电机、导线或其他设备。术语“过载”、“过载保护”和“过载继电器”是由国家电气制造商协会（NEMA）标准ICS2定义的，其全部内容通过引用结合在此。在过去，使用加热器/探测器元件（如使用双金属继电器或热加热器元件）来实现典型的过载继电器。然而，最近已经越来越多地使用电子过载。电子过载可以包括一个电流互感器或其他电流传感器来检测和监控提供给电机的电流。

对于简单的机电电机而言，具有控制和过载保护功能的传统起动器装置通常提供了充分的电机保护，如果其性能被校准到其所保护的具体电机。电机的每个分类具有其自身的可适用过载容差和操作参数。因此，为了确保被保护的具体电机（或电机类）给予适当水平的热保护，操作电机的起动器需要采用过载继电器和被具体地选择和校准的相应的过载跳闸电路。传统的校准程序需要安装者通过在一个电子过载继电器上将一个或多个电位计拨到一个已知的参数值（如电机的额定满载安培数（“FIA”））来手动地设置一个跳闸点，按照在电机铭牌上和/或系统原理图上所指定的内容。

对于适当校准的保护设备的要求在若干起动器被散装运送到原始设备制造商（OEM）的情况下会造成一个问题，并且该OEM将许多起动器散装运送到一个工作现场。到达该工作现场的起动器常常不会被标记或标号。安装者频繁地不适当地安装这些未标号的起动器，然后在不确保起动器适当校准的情况下尝试起动附接电机。这种程序是危险的并且会导致设备损坏、人身事故或者更坏的情况。如果系统需求或设备改变，如在一个HVAC系统中，当增加一个风扇或其他设备或者改变管道系统时，或者当增加、移除一个电机或泵等或改变其安装时，会产生一个类似的问题。不能确保该起动器是或者保持被适当地校准用于其所保护和/或控制的新负载会导致意想不到的和/或不希望的后果。

技术实现要素：

当起动器在本领域中熟知时，本实施例提供了新颖和非显而易见的改进来解决申请人已经发现的伴随常规产品提供和传统安装的问题。本实施例可以提供整合的新颖和非显而易见功能，或者作为一个独立式过载继电器设备，或者合并到一个单一起动器外壳中，从而提供超越传统起动器的有效成本节约、便利安装/操作以及其他优势和/或改进的改进的保护。

具体而言，可以提供改进的过载和起动器来提供加强的和基本上自动地应用的电机保护功能，无论该过载或起动器是否是初始地校准的或者适当地校准的。可以提供基本上自动的保护，正如在一个符合本申请的安全起动器中所实现的。这样一个安全起动器可以被设计成用于保护和控制电机，即使有人还没有基于满载运行电流/安培数（FLA）设置跳闸点，或者没有校准起动器。起动器可以被设计成用于通过在其他可能参数中测量这些起动电流特性并且将其与已知的电机起动状态值进行比较来保护电机自动地免受一个过载状态影响。可以使用（至少部分地使用）测量参数（如涌入电流）来确定电机的运行电流是否落入（或者保持在）可接受的电流值的一个或多个预定义的比率或范围内。如果是，那么可以假定电机适当地运行。如果运行电流在预定义的范围之外，起动器可以提供一个故障和/或警告告示/消息来指示其校准失调并且需要重新进行校准，和/或其可以跳闸并且继电器可以切断通往电机的功率，从而降低设备损坏的风险。最后，可以向最终用户提供一个跳线开关和/或其他输入接口从而选择如果检测到问题，该起动器是否将告示和/或跳闸。

如在此所描述的，集成在智能起动器中的电子过载部件或过载部件可以被配置成用于提供各种有利的电机保护特征，包括但不限于锁定转子保护、循环故障保护、校准失调保护、失速保护和最大起动时间保护等。这一功能能够被内置到过载继电器和/或采用此类过载的起动器并且通过其是可自动地获得的。通过安装一个自动地提供此类电机保护特征的安全起动器，可以基本上确定该起动器能够在首次起动时提供至少一个初始水平的电机保护和控制功能，无论该起动器是否是校准的或者适当地校准的。在此披露的起动器也能够基本上启用一个或多个电机保护特征作为电机运行期间一个自动的、不间断的保护水平。可以使用（至少部分地使用）一个合适的微控制器和/或基于微控制器的控制板来监控这些指定参数和启动适当程序用于错误处理、故障告示和电子部件调制从而保护电机和/或相关设备。

本发明的附加方面和优势将从下面参考附图对优选实施例进行的详细描述中变得明显。

附图说明

图1展示了一个符合所要求保护的主题的起动器装置的实施例。

图2展示了一个符合所要求保护的主题的起动器实施例的系统原理图的实施例。

图3描绘了一个展示符合所要求保护的主题的保护特性的电流-时间曲线的实施例。

具体实施方式

以下说明披露了各种实施例和符合用于在应用，如建筑物自动化、工业系统自动化、暖通（HVAC）安装以及包括电机和由电机驱动的电子机械设备（如泵、风扇、输送带等）的控制和保护的应用中使用（至少部分地使用）的启动器装置、系统和方法的功能，仅举几个示例性系统是出于说明而非限制的目的而给出的。

具体地，本申请的主题和在此描述的具体起动器实施例优选地适用于为电机提供基本上自动的保护，无论该保护设备是否是初始地校准的或者准确地校准的。本领域技术人员将认识到可以将目前所描述的有利功能体现为一个独立过载（如一个电子过载继电器），或者包括此类过载保护作为一个部件的一个起动器或组合起动器实施例。

在一个方面，符合本主题，可以通过一个起动器控制模块（SCM）实施例和相关技术的一个或多个实施例来启用（至少部分地启用）起动器功能。SCM可以包括多个部件，如电度表底座和自定义接口印制电路板组件，从而协作性地促进电机控制和/或保护。可以进一步采用、选择和/或配置包括该SCM的特定电子设备，从而促进对特定预期的操作环境/应用的优化，如基本上表示能量管理起动器（例如，用于HVAC实施方式等）、建筑物自动化起动器（例如，用于工业控制应用等）或智能泵送起动器（例如，用于泵送控制应用等）。如在此使用的，术语“起动器控制模块”或“SCM”指的是实际印制电路板和相关控制板电子设备和机械接口，而不是整个集成起动器控制器。例如，可以将一个SCM实施例连同集成过载继电器和任何所需的电磁接触器集成到一个单一整体式外壳中以包括一个电机起动器。然而，也可以模块化提供和/或采用一个SCM实施例，这样使得可以将其作为与第三方提供的接触器、过载继电器和/或外部电流传感器等一起工作的独立部件来使用。

图1展示了一个符合本主题的起动器控制模块的实施例。特别参见图1，起动器控制模块100被描绘为包括控制板102和电度表底座104。图1的电度表底座104包括三个电流传感器实施例106a至106c。控制板102包括与存储器110功能地耦合的微处理器108，该存储器可以包括固件指令和/或可编程存储器存储。控制板102还可以包括用户接口组件112。图1所示的用户接口组件实施例112包括两个用户可选择开关114a至114b，也包括适用于向用户指示起动器控制模块100的当前操作模式的指示灯指示器116。起动器控制模块100也被描绘为具有接线端子板118，仅展示了输入/输出接线接口的一个示例。本领域技术人员很容易认识到也可以采用符合本主题的附加的、替代的或者比图1中所示的部件更少的部件。

为了进一步说明，并且为了便于讨论，图2展示了适用于（至少部分地适用于）实施和/或体现所要求保护的主题的一个起动器实施例的原理图。用于这样一个起动器实施例的基于微处理器的印制电路板可以采用独特定制的固件来（至少部分地）提供所期望的有利功能。可以将其体现为一个能够容纳建筑物自动化控制逻辑和通信的起动器控制板。特别参见图2，三相电机200在三相电力线224上运行。图2的起动器实施例包括类似于图1中所描绘的以及先前所描述的控制板102和电度表底座104。如图2所示，电度表底座104可以包括电流传感器。当然，可以单独使用符合本主题的电流传感器（如电流互感器），不需要该电度表底座的额外的部件。在图2所示的实施例中，该电流传感器被描绘为监控线路电流的电流互感器（然而，本领域技术人员将认识到也可以实施符合该要求保护的主题的替代电流感测机制）。电流传感器106提供一个电流测量信号、电压或适用于过载保护目的（和/或电路计量，如果此类功能是所期望的）的其他输出222。虽然图2展示了一个电流传感器106，应当理解的是可以从一个或多个三相电力线224测量电流。

继续图2中所示的起动器实施例，控制板102还可以包括用户接口控件，如控制开关208、210。控制开关208、210可以允许用户在通过手动命令或者来自远程控制器驱动的命令来操作该起动器实施例之间进行选择，如可以在一个建筑物自动化系统中实施。因此，控制板102可以被配置成用于接收多个控制输入，如自动降低命令212、自动升高命令214和停机命令216。也可以通过控制板102产生适当的输出信号，如运行状态信号218或故障信号220。

符合本主题，可以采用电机控制板102经由接触器202（包括可分离触头228）的协同操作来控制和保护电机200。如在图2的起动器实施例中所展示的，可以包括在电度表底座104中所描绘的电流互感器106的过载继电器可以使用电流测量222用于经由接触器202对电机200提供过载保护。控制板102通过输入信号212、214、216和/或用户接口开关208、210依照指示监控操作状态并且适当地控制接触器。

继续图2，控制板102还可以包括一个状态输出继电器从而提供运行状态指示218作为一个内置特征。此类实施例可以使用相同的传感器用于替代功能的多个方面。例如，可以使用电流传感器106来提供过载保护和运行状态指示218。此类实施例的功能可以包括基于所监控的电流222（该电流为满载安培数（FLA）的至少一个预先指定的百分比）自动感测状态告示。

如先前所描述的，在此所描述的电子过载和起动器实施例优选地适用于为电机提供基本上自动的保护，无论该保护设备是否是初始地校准的或者准确地校准的。本领域技术人员将认识到可以将目前所描述的有利功能体现为一个独立过载（如一个电子过载继电器），或者包括此类过载保护作为一个部件的一个起动器或组合起动器实施例。通过在此所描述的实施例的硬件、软件和/或固件部件之间的协作可以启用（至少部分地启用）包括但不限于锁定转子保护、周期故障保护、校准失调保护、失速保护和最大起动时间保护等的电机保护特征。可用于检测和保护每个预期的和/或潜在故障状态的方法、试探法和程序实施例可以直接编程到固件中和/或编程到在基于微处理器的控制板上或其可访问的存储器内存储的机器可执行指令中（例如，表示状态机器过程和/或逻辑）或相关电子设备内的其他适当的位置。给定被监控的输入电流、随时间变化的电流响应和任何指示过载保护的提供的FLA设置，本实施例能够通过执行所存储的指令来自动地提供所期望的电机保护和/或控制。

为了（至少部分地）启用在此描述的保护功能，过载和/或起动器（下文中的“保护和控制设备”）能够监控在启动和/或操作期间由电机牵引的电流。可以使用电流互感器或过载的其他电流感测部件来监控电流。然后将所监控的电流与用于被控制/保护的特定电机的已知的、预期的电流特性进行比较。例如，被分类为跳闸级10电机的电机在启动时将表现出某些预期的电流特性并且在正常操作状态下随着时间变化被显示。类似地，预期的和/或潜在的故障状态将显示变化的电流特性，这些特性对于该分类的电机而言基本上是一致的。类似地，跳闸级20的电机根据影响该电机的操作状态也基本上表现出一致的电流牵引行为和/或特性。

图3展示了对于正常的电机操作，绘制出电流VS时间特性的电流-时间曲线的一个示例，以及各种潜在故障状态和/或未校准的电机操作的多个示意性示例。特别参见图3，在曲线图300的水平轴上绘制时间并且在垂直轴上绘制电流。曲线图300中所示的随时间变化的各种电流响应展示了正常电机起动状态308以及锁定转子状态302、最大时间故障状态304和校准失调状态306的示例。参照满载安培数（FLA）指示310展示了这些各种电流响应。

特别参见图3，当安装者或电机操作者提供（或无意中忽略了提供）一个设定FLA值时（如图3所示的FLA值310是10A），该保护方法可以开始。所提供的FLA值通常是从电机铭牌、系统原理图和/或其他方便的和易于确定的资源获得的。该FLA被提供给电机过载保护设备作为一个适当的校准程序的一部分。然而，如果不将该FLA值提供给本实施例，或者将其作为指示不符合被控制/保护的电机的实际FLA的值来提供，本实施例的自动保护功能将仍会保护该电机。通过比较一个或多个起动电流、涌入/峰值电流、超时运行电流和所指示的或设定点FLA值，以及将这些值中的某些值之间的关系与为电机指示适当或不适当操作状态的相应预期关系进行比较来检测并避免（至少部分地）不期望的操作状态。

为了参见图3说明这一概念，作为响应308，描绘了正常的电流特性。如通过响应308可以看出，在迅速地回落到FLA值310以下的一个百分比之前，初始电流在启动时快速地从零突增到一个峰值（在此展示为近似65A）。这一涌流尖峰为感应电机指示起动状态。例如，已经经验地确定大多数传统地可适用电机展现近似为FLA值的6至12倍的涌入电流尖峰。然而，随着更高效率电机的引入，代表大多数电机的涌流尖峰范围可以被更加包含地表示为FLA的5至13倍。换言之，正常操作运行电流通常下降到涌入电流的1/13和1/5之间。当起动电机时为了正确地适应预期涌入电流，过载保护设备采用以各种电机分类被众所周知的标准反跳闸曲线。这些跳闸曲线表明对过载保护的适当时间响应从而避免持续长时间周期会损坏带有过量电流的电机。例如，一条反跳闸曲线将指示在过载跳闸之前应该将电机维持在一个特定电流值处多长时间。然而，如果在涌流尖峰之后，该电流不适当地下降，或者如果运行电流不在一个可接受的范围内，那么本实施例将自动地检测此类事件作为指示故障状态和/或校准需求。

继续具体参加图3，展示了对锁定转子302的电流响应。在锁定转子下，电流基本上保持在峰值，或者在涌流峰值之后不会下降。如果经由电路电流监控部件检测到该状态会发生持续预定义的时间量，如三秒钟（作为但只是一个例子），会产生一个锁定转子故障，该故障可以通过告警、信号告示或跳闸来表明。

图3还展示了最大时间起动故障304，并且可以表征为峰值涌流值之后电流稳步下降，但并非足够快速地下降从而指示正常的操作特性308。如果所监控的持续电流（即使下降）不迅速地下降足以进入一个预定时间量（如允许一个跳闸级10的电机的启动过载状态的10秒钟（或者一个跳闸级20的电机的20秒钟））内的安全操作窗口（例如，在所测量的峰值的1/13和1/5之间，作为但只是一个例子），可以指示最大时间起动故障，并且经由故障告示、跳闸或其他适当的响应来处理该故障。无论FLA设置或i2t曲线，本实施例仍然可以自动地保护电机免受潜在地损害过载状态。

图3还展示了校准失调故障306的一个示例。作为但只是一个示例，为了尝试和避免过载跳闸，如果安装者不正确地指示了一个高FLA值，该状态会存在（例如，如果已经经历了一个过载跳闸，并且在其他过载跳闸发生时寻求避免重新启动系统的滋扰，安装者指示了一个高于实际FLA设置的值）。不管不适当地指示的FLA设置如何，本实施例能够检测到电机不在一个可接受的操作范围内操作。如果运行电流与峰值启动电流的比率在一个预定义可接受范围之外，本实施例会告警和/或跳闸，或者提供该设备需要校准或重新校准的适当指示。电流响应306指示一个不正确的校准，这是由于涌流尖峰（展示为20A）不在所展示的10A的FLA的5倍至13倍之间。通过本实施例，通过测量实际涌流和按照超过FLA的预期涌流乘数的外范围（作为一个示例）进行划分将其检测到。例如，如目前所展示的，如果预期涌入电流在FLA的5倍至13倍之间，用五除以所测量的涌流峰值电流，并且将其与所测量的运行电流进行比较，可以检测到校准失调故障。换言之，正常运行电流应该在峰值电流值的1/13和1/5之间。因此，无论提供一个有意地或无意地不正确的FLA值，本实施例仍将适当地起作用来保护电机或检测该偏差并且需要适当的校准。

本领域技术人员也将认识到可以使用如在此所描述的配置的实施例来采用额外的保护功能。例如，类似于锁定转子故障保护，可以通过本实施例对电机给予失速保护。在失速状态下（即使在电机启动模式已经完成后发生），预期电流将会飙升到正常可接受的操作范围之外并且保持在正常可接受的操作范围之外的尖峰值处和/或附近。这样，本实施例可以基本上帮助确保电机在一个安全操作范围内操作，无论在启动时或者进一步在操作模式期间。也可以提供符合本实施例的额外的保护水平，如循环故障保护。为了提供循环故障保护、启动器实施例或与操作向电机提供电流的接触器的起动器控制板协同工作的过载继电器实施例，所检测到的接触器起动信号的数量可以指示一个循环故障。例如，如果以每小时启动超过1200次的速度操作该接触器，可以通过故障指示和/或跳闸来指示一个循环故障。

对本领域技术人员来说明显的是可以对上面所描述的实施例的细节做出许多改变而不脱离本发明的基础原理。因此，应当仅参考以下权利要求书来确定本发明的范围。