一种缺相检测方法及系统与流程

本发明涉及一种缺相检测方法及系统，属于电力电子与电机控制技术领域。。

背景技术：

现有的缺相检测方法种类较多，一般都采用硬件电路实现，但是对于有些成熟的电路进行改造，增加硬件电路不太合适。

另外，无刷双馈电机在启动和运行时，也需要进行缺相检测；

无刷双馈电机结构特殊，区别于普通电机，其定子端有两套定子绕组，一套称之为功率绕组，一般设计为高压，直接连接高压电网，另一套称之为控制绕组，一般设计为低压，低压绕组通过控制器接低压电网，利用该控制器可以实现对电机的调速。同普通交流电机相比，该电机无碳刷及换向器，可以实现以小容量低压控制器控制大功率高压电机，因此该电机在风电，水电，风机水泵变频驱动等领域应用前景广泛。

由于结构上的特殊性，无刷双馈电机的控制技术较普通电机也更为复杂，其转子转速由功率和控制侧的电流频率共同决定，也就是说，要实现无刷双馈电机的正常运行及调速，控制器需要输入至控制绕组的电压信号与功率绕组的电压信号的幅值、相位及频率密切相关，而且功率侧或是控制侧任意一边输入电信号的改变都会影响电机的运行状态。例如功率侧或是控制侧任何一侧出现缺相的情况，不仅会导致电机无法正常运行，还会影响到另外一侧控制绕组的电压电流状态。

无刷双馈电机控制侧绕组通过控制器接低压380V电网，类似于普通变频电机调速系统，因此其控制侧输入缺相的检测方法可以直接参考现有技术。

无刷双馈电机功率侧由于接高压电网，电压等级高，功率大，缺相运行对电机本体、高压电网都有较大危害，而且还有可能对控制侧绕组以及控制器造成影响。因此无刷双馈电机功率侧的缺相保护对于整个控制系统的安全运行至关重要。

无刷双馈电机控制系统中，电机功率侧是通过一个功率开关连接高压电网，电压一般在6KV或是10KV以上，由于电压等级高，无法直接通过分压电阻分压，而且功率没有经过整流电路，因此现有的普遍用于通用变频器的缺相检测及保护方法不再有效，例如专利CN201010294959中描述的基于直流母线的缺相检测方法。此外，由于无刷双馈电机两套绕组的特殊结构，其电机控制算法较常规电机更为复杂，对DSP的资源消耗大，因此要求缺相检测方法要简单有效，避免使用复杂运算(例如专利CN200810135263和专利CN201510438932中所使用了多次坐标变换)占用大量的DSP资源从而影响控制算法的正常执行。

因此，有必要设计一种新的缺相检测方法及系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种缺相检测方法及系统，该缺相检测方法易于实施，计算量小，是一种缺陷检测的通用方法。

发明的技术解决方案如下：

一种缺相检测方法，包括以下步骤：

步骤1：根据采集的三相电压值或电流值Sa，Sb，Sc实时计算三相平均值Savg及最大值Smax；有：

Savg＝(|Sa|+|Sb|+|Sc|)/3；---公式1；

Smax＝Max(|Sa|，|Sb|，|Sc|)；---公式2；

Max(.)为求取最大值的函数；

Sa，Sb，Sc分别为A，B，C相的相电压或相电流值；

步骤2：分别对Smax和Savg值进行滤波处理，得到得到Smaxf1与Savgf1；

步骤3：计算Smaxf1与Savgf1的换算值Smaxf与Savgf；有

Smaxf＝K1*Smaxf1；

Savgf＝K2*Savgf1；

K1和K2均为换算系数；

步骤4：计算电压缺相检测判断系数Kx；

Kx＝(Smaxf-Savgf)/Smaxf；

步骤5：基于Kx进行缺相判断；

若Kx大于缺相故障阈值Ks，则判定出现缺相；否则不存在缺相故障；

Ks取值在10％～20％之间。

K1＝1.05125，K2＝1.57298。

Ks＝15％。

步骤2中的滤波是指平均值滤波(即采样几个周波的电压数据，然后求取平均值)。

针对无刷双馈电机，功率开关KM1合闸前，基于电网电压实施缺相检测：

检测电网三相电压幅值Ua，Ub和Uc作为输入代入公式1和公式2，并执行后续步骤，从而判定功率侧电源是否存在缺相故障。

针对无刷双馈电机，控制系统在保证控制侧输出接触器KM2及启动电路断开的情况下，闭合功率侧的功率开关KM1，则此时功率绕组上将产生励磁电流，利用控制系统原有的功率侧电流检测装置以及控制器的DSP的AD采样功能采集功率绕组的三相电流信号ia，ib，ic，基于功率绕组电流进行缺相检测：

将ia，ib，ic代入公式1和公式2，并执行后续步骤，从而判定功率绕组是否存在缺相故障。

在无刷双馈电机的启动过程中：

(1)实时采集电网三相电压幅值Ua，Ub和Uc并基于电网电压实施缺相检测；

同时，(2)采集功率绕组的三相电流信号ia，ib，ic；分别进行基于功率绕组电流进行缺相检测。

一种缺相检测系统，包括无刷双馈电机、控制器、变压器、启动装置、预充电装置、电网电压检测装置、功率侧电流检测装置、接触器KM1和KM2；

无刷双馈电机的三相功率绕组通过接触器KM1接电网；

电网电压检测装置和功率侧电流检测装置均与控制器相连，电网电压检测装置用于检测电网的a、b、c相相电压；功率侧电流检测装置用于检测功率绕组的a、b、c相相电流；

电网接变压器的原边，变压器的副边依次通过预充电装置、控制器、接触器KM2接无刷双馈电机的控制绕组；启动装置与控制绕组相连；

采用权利要求7所述的缺相检测方法判断电路中是否存在缺相。

所述的控制器为交直交电源变换器，控制器中的主控制芯片为DSP。

所述的接触器KM1和KM2均受控于DSP。

本发明具有以下特点：

1)本发明根据无刷双馈电机控制系统的结构及实际运行特点，在电机功率绕组通电前完成功率绕组输入电源缺相检测，确保电机上电前电网电压正常。

2)在电机运行前完成功率绕组缺相检测，能够确保电机功率绕组缺相不会造成电机启动时控制侧控制绕组及所连接的控制设备出现危险。

3)在电机运行过程中对功率绕组缺相状态进行实时监测与缺相故障处理，确保电机的运行安全。

4)本发明所述缺相检测方法在现有控制系统的基础上即可实现，没有额外增加硬件装置，成本低，可实施性强。

5)本发明利用对三相电压，电流采样值求取最大值和平均值等数据处理方法来判断系统缺相，软件实现简单有效，既不会占用DSP过多的资源，对无刷双馈电机的矢量控制造成影响，又能够快速有效的检测出缺相故障。

6)本发明所述方法不仅适用于无刷双馈电机，对有两套绕组通电，其中一套绕组直接接电网的电机均适用(如有刷双馈电机)。

本发明结合无刷双馈电机的特殊结构及控制要求，将缺相保护分三个步骤进行，确保电机在上电前没有电源缺相故障存在，在启动前没有功率绕组故障存在，而且在运行过程中对缺相故障进行实时的判断与处理，从而全方位的保证了控制系统的安全运行，能够有效避免无刷双馈电机缺相强行启动对电机控制侧带来的危害。

本发明所述的缺相检测方法无需新增整流或电阻分压等硬件装置，也无需对现有的无刷双馈电机控制系统进行改动，而是合理利用了控制系统原有的硬件资源(功率侧电压检测装置，功率侧电流检测装置，功率开关，控制系统DSP)，因此成本低，可实施性强。

本法明所述的缺相检测方法软件实施难度小，仅仅对电压电流采样值进行最大值，平均值求取以及滤波运算，计算量小，没有使用到资源消耗大的坐标变换运算或是其他复杂函数运算，因此植入原有控制软件当中，不会对原有控制软件的控制性能造成影响。

有益效果：

本发明的缺相检测方法及系统，是一种通用的缺相检测方法，能适用于采用三相交流电压供电的用电设备。本发明针对无刷双馈电机的功率绕组缺相检测问题，利用变频器自身的控制软件在无刷双馈电机功率绕组上电前对功率侧三相电压采样值进行软件处理，根据处理后的电压值可以判断功率侧输入电源是否缺相，然后在电机启动前对功率绕组通电，对功率绕组上产生的励磁电流采样值进行处理，根据处理后的电流值可以判断电机绕组是否缺相(即绕组损坏或是接线断开)，最后在电机启动后同时对功率侧电源电压以及功率绕组电流进行持续的缺相检测。本方法在原有无刷双馈电机控制系统的基础上，无需额外增加硬件，节约成本，而且软件计算过程简单，检测结果可信度高。既能够判断出功率侧输入电源是否缺相，还能够检测出电机功率绕组是否缺相，从而可以快速定位缺相故障源，同时可以有效确保用户的使用安全，避免缺相强行启动或是运行过程中缺相检测不及时引发的事故。

附图说明

图1为无刷双馈电机控制系统结构图；

图2为电压正常时(不缺相)的电网三相电压波形图；

图3为电压正常时(不缺相)的电压平均值与最大值波形；

图4为电压正常时(不缺相)的滤波后的电压平均值与最大值波形；

图5为电压正常时(不缺相)的系数统一后的电压平均值与最大值波形；

图6为缺相时系数统一后的平均值与最大值波形。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：无刷双馈电机控制系统如图1，本法明结合无刷双馈电机控制系统的特殊结构及控制要求，将无刷双馈电机功率侧的缺相检测分为三个步骤：

第一步是功率侧高压输入电源的电压缺相检测，该检测在无刷双馈电机控制系统上电后就可以进行，无需无刷双馈电机本体通电。

第二步是无刷双馈电机运行前的功率绕组电流缺相检测，该检测在无刷双馈电机启动前，通过闭合功率绕组功率开关对功率绕组通电来进行检测。

第三步是无刷双馈电机运行过程中的缺相检测，该检测在电机正常运行后一直进行。

下面以一套具体的无刷双馈电机控制系统做为实施案例，来具体阐述本发明的原理及实施方法。

本法明所述的无刷双馈电机控制系统的电机功率侧绕组通过功率开关KM1接高压电网，控制侧绕组通过控制器输出接触器KM2连接控制器，控制器由低压供电，通过变压器与高压侧隔开，控制系统中还包含预充电路、启动电路、无刷双馈电机等等。

此外，为实现无刷双馈电机的变频调速控制，本控制系统还包括各环节的信号检测装置，与本发明专利相关的信号检测装置主要包括功率侧并网功率开关两端的电压传感器，功率绕组的电流传感器。

本发明主要利用了无刷双馈电机控制系统原有的功率侧电压，电流检测装置，通过控制系统的DSP采集功率侧的电压电流进行系统缺相判断。具体原理及方法如下所述：

1、功率侧电源缺相检测

1)控制系统上电后(预充电完成，自检通过)，由于本实施案例中为10KW三相交流电，因此正常情况下，电网电压信号应如图2所示，其中Ua，Ub，Uc分别代表电网三相电压幅值(该波形由仿真软件生成，用来模拟标准的电网电压，以方便本发明方案的描述，下同)。

2)本发明在功率开关KM1合闸前，利用控制系统原有的功率侧电压检测装置以及控制器的DSP的AD采样功能采集功率开关前端的高压电网的电压信号Ua，Ub，Uc，并且对每个采样点采集到的Ua，Ub，Uc实时求取最大值及绝对值的平均值，求取最大值的具体方法为将采样到的Ua与Ub进行比较，然后将二者中的较大值赋给Umax，再将Uc与Umax进行比较，并将二者的较大值再次赋给Umax，则Umax为某一采样时刻电网三相电压的最大值。求取绝对值的平均值方法为Uavg＝(|Ua|+|Ub|+|Uc|)/3，Umax与Uavg的波形如图3所示。

3)分别对Umax和Uavg值进行软件滤波，得到Umaxf1与Uavgf1。正常情况下，Umax，和Umaxf1，Uavg和Uavgf1的波形如图4所示，由图可见最终Umaxf1的值为7766V，Uavgf1的值为5190V。其中具体的软件滤波方法有很多种，本方案采用平均值滤波法，即采样几个周波的电压数据，然后求取平均值(选用其他滤波方法也不影响本发明的实施)。本案例采样频率为4KHz。

4)将Umaxf与Uavgf分别通过比例系数K1，K2统一到电网相电压峰值上，Umaxf＝K1*Umaxf1，Uavgf＝K2*Uavgf1，其中K1为电网相电压峰值Vp与Umaxf1的比值，K2为电网相电压峰值Vp与Uavg1的比值，本例中，功率侧为10KV电网，因此Vp＝10000/1.732*1.414＝8164V，则K1＝Vp/Umax＝1.05125，K2＝Vp/Umax＝1.57298。最终求得Umaxf＝1.05125*7766＝8164.1≈Vp，Uavgf＝1.57298*5190＝9163.7≈Vp，对应的波形如图5所示。由图可见，正常状态下，本发明所述方法求得的Umaxf与Uavgf的值与Vp应近似相等。

5)当电网电源出现缺相时，本案例假设电网电压出现Uc相缺相情况，其中Ub，Uc信号与正常状态相同，而Uc信号一直为0。则按照本发明所述步骤2～4利用仿真软件仿真，其中K1，K2不再重新计算，而是直接使用步骤4中的值(K1＝1.05125,K2＝1.57298)。可以求得Umaxf与Uavgf的波形如图6所示。可见此时Umaxf为7431V，Uavgf为5414V，二者不再近似相等。

6)求取电压缺相检测判断系数Ku＝(Umaxf-Uavgf)/Umaxf，其中Ku可以用来当做功率侧高压电源缺相的判断依据，由前面分析可知，当电网电源正常时，Ku近似为0，而当发生Ua相缺相时，Ku＝(7431-5414)/7431＝27％。因此将Ku的值与一设定的缺相故障阈值(本发明设为15％，因为国家标准允许电网电压存在一定范围内的波动，而本方法是按照标准10KV电压进行的数据分析，在电网电压存在一定范围波动的情况下，按照本方法计算的结果不再为0)进行比较，当检测到Ku值超过15％时，认定系统出现缺相故障。(其他几种缺相状态的计算结果类似，本发明在此不再详述)

2、功率绕组缺相检测

本步骤所述缺相检测发生在电网电压缺相检测通过后，电机启动之前，由电机学原理，在无刷双馈电机启动前给功率侧绕组通电网三相交流电压，则功率侧绕组上只会产生励磁电流(电流值的大小为电压除以感抗2πf*Lm)，由于此时电机尚未启动，即控制侧绕组处于开路装态，而且控制器没有同时在控制绕组上施加电信号，因此即使此时功率侧绕组由于断线或是其他情况导致缺相，也不会对电机以及控制侧控制器产生危害。因此本步骤能够避免电机在功率侧缺相的情况下强行启动对电机及控制器造成不可预知的危害。具体实施方法如下：

1)控制系统在保证控制侧输出接触器KM2及启动电路断开的情况下，闭合功率侧的功率开关KM1，则此时功率绕组上将产生励磁电流。本法明利用控制系统原有的功率侧电流检测装置以及控制器的DSP的AD采样功能采集功率绕组的三相电流信号ia，ib，ic。

2)参考本前面功率侧电源缺相检测中方法，对ia，ib，ic信号进行一些列的处理与计算，最终得到imaxf与iavgf，以及电流缺相检测判断系数Kx＝(imaxf-iavgf)/imaxf，类似的，当检测到Kx超过15％时，认定系统出现控制绕组缺相故障。(具体计算过程以及仿真波形由于同步骤1中类似，本方案不再详述)

3、运行过程中的缺相检测。

本步骤所述的缺相检测发生在电机运行过程中，即当控制系统在控制电机启动前，按照步骤1与步骤2所述方法检测到电源以及电机功率绕组均没有缺相故障后，可以运行电机启动。然后在电机启动过程中，按照同样的方法对步骤1和步骤2中所述的电网电压与功率绕组电流进行实时的缺相检测判断(具体方法不变)。当检测到系统发生缺相故障后，立刻断开控制侧输出接触器以及功率侧开关，以避免控制器及电机损坏，确保整个控制系统的安全。

按照本发明提供的功率侧缺相检测方法对无刷双馈电机控制系统的功率侧进行缺相检测及保护，可以确保电机的安全运。