感应电动机的长启动保护的制作方法

所公开的实施方式总体上涉及感应电动机，并特别地涉及用于检测并保护这种感应电动机免受长启动条件的方法和系统。

发明背景

感应电动机由于它们的低成本和高效率和可靠性等等优点而被广泛用于工业应用。典型的感应电动机包括固定构件或定子，其具有在其上的多个线圈以及可旋转地设置在定子内的旋转构件或转子。将正弦电压或交流电压施加到定子线圈引入使转子旋转的旋转磁场。感应电动机通常以单相和三相电压下工作，但是双相感应电动机也是可用的。

存在用于启动感应电动机的各种技术。一个这种技术是直接在线(DOL)启动，其中电动机的终端被直接连接到电源供应，电源通常被连接到AC市电。利用DOL启动，三相感应电动机可在启动之后立即消耗其额定满载电流的五到八倍之间，被称为“转子堵转”电流。随着电动机加速，负载电流略有下降，直到电动机达到其全速的70％到80％，其后负载电流朝着电动机的正常运转电流急速下降。电动机达到全速所需要的时间被称为“启动”时间并可持续几秒，这取决于电动机的尺寸和驱动系统的惯性。

保护感应电动机免受电流过载的多数电动机过载保护设备在将电力从电动机断开之前考虑上述启动时间。这些设备(其可包括断路器、过载继电器和其他类型的电路中断设备)通常基于设备的“脱扣级别”而延迟脱扣几秒，以适应启动时间。更高的脱扣级别可被用于具有更高的惯性负载的电动机等等，其中一些过载保护设备允许在脱扣之前多达30秒以使得电动机达到全速，被称为“长启动”。

有时候，电动机由于过载、电动机损坏或其他原因而失速或以其他方式不能够适当地启动。当这发生时，电动机仍然消耗转子堵转电流，但是因为电动机已经失速或卡阻而不旋转或启动。然而，在现有过载保护设备中，失速启动通常不被区别于长启动。这些过载保护设备通常允许失速电动机继续消耗转子堵转电流，直到脱扣之前的指定启动时段到期。电动机线圈中的转子堵转电流的这种延长的间隔可损坏电动机和电源电路，生成余热，(尤其是如果电动机冷却系统不工作时，当电动机失速时通常如此)，并在允许随后的重启之前需要较长的冷却时段。

为了解决上述问题，某些高端过载保护设备使用可存在于电源电压和电动机电流之间的相移的分析，以检测失速启动。其他过载保护设备使用转速计来直接测量电动机速度并从而检测失速启动。例如，可使用转子条谐波等来估计电动机速度。然而，除了增加复杂度和成本之外，这些技术的一些(例如，使用转子条谐波来估计电动机速度等)在瞬态条件期间不像在电动机启动期间一样工作。

因此，存在对于检测并保护感应电动机免受失速启动条件影响的改进方式的需求。

公开的实施方式的概述

本文公开的实施方式针对用于检测并保护感应电动机免受失速启动条件影响的方法和系统。方法和系统提供了包括能够区分长启动和失速启动条件的失速启动检测器的电动机过载保护设备。失速启动检测器使用电动机相电流来确定电动机是否正在正确地启动或已经失速。这使得过载保护设备马上识别失速启动条件并立即脱扣，而不是允许电动机在启动时段期间继续消耗转子堵转电流。这种过载保护设备可以是断路器、过载保护继电器或其他类型的电路中断设备，并可与包括双相电动机、三相电动机等的任何合适的多相感应电动机一起使用。且因为只有电动机相电流被用于检测失速启动，所以本文公开的电动机过载保护设备不要求电压相移信息和/或电动机速度测量，从而简化电动机的整体管理。

在一些实施方式中，本文公开的过载保护设备的失速启动检测器利用以下事实：事实上，大多数的多相感应电动机在它们的相电压和电流之间具有轻微的不平衡。这种不平衡可使用公知的对称分量变换建模为相序的三个平衡集。在具有相位“a”、“b”和“c”的三相电动机中，例如，可使用具有相序“a-b-c”的一个不平衡集、具有相序“a-c-b”的第二不平衡集和具有对齐的所有三个相位的另一个平衡集来表示相位不平衡。被称为正相序、负相序和零相序的平衡集然后分别可被用于计算失速指标。

在一些实施方式中，失速指标可以是用于正序的电流大小和用于负序的电流大小的比率。该比率基于电动机速度而变化并可被使用作为电动机的状态的指示。随着电动机速度从零开始增长，正序电流大小降低并且负序电流大小增长，导致逐渐小的比率。如果比率保持大致上相同，那么电动机没在加速也没在减速。因此，通过查找在启动期间的正相序电流大小和负相序电流大小的比率中的变化(降低)，失速启动检测器可能够检测电动机是在正确地启动还是存在其失速。

在一些实施方式中，失速启动检测器可通过获得电动机启动期间的电动机相电流的测量结果来实施以上检测。例如，可使用连接至电动机终端的电流传感器来测量电动机相电流的大小而获得该测量。传感器优选地能够以足够高的采样率测量电动机相电流，以允许失速启动检测器近乎实时地计算正序电流大小和负序电流大小。失速启动检测器然后可使用这些测量结果以使用公知的对称分量变换来推导出正序电流大小和负序电流大小。正序电流大小和负序电流大小的比率然后可被监控以检测启动间隔期间的任何变化。因此，例如，如果失速启动检测器检测到比率在降低，则这意味着电动机在加速并因此正确启动。另一方面，如果失速启动检测器检测到比率在启动间隔的至少一部分(例如，50％)之内不变化，则这意味着电动机未在加速并可能失速，这种情况下，过载保护设备可立即脱扣以将电动机从电源断开。

在一些实施方式中，除了正序电流大小和负序电流大小的比率不变化之外，失速启动检测器还可需要所测量的相电流为电动机满载电流的至少两倍，以便确保电动机正在消耗转子堵转电流以指示故障。在一些实施方式中，失速启动检测器还可人工地注入或以其他方式在电动机相电压之间产生不平衡，以便确保可使用相序的三个平衡集来正确地对电动机相电流进行建模。

总的来说，一方面，所公开的实施方式涉及检测多相感应电动机中的失速启动的方法。除了别的之外，该方法包括：获得在感应电动机的启动间隔期间的电动机相电流的测量结果；使用电动机相电流的测量结果推导出在启动间隔期间电动机相电流的正序的大小；以及使用电动机相电流的测量结果推导出在启动间隔期间电动机相电流的负序大小。该方法还包括使用正序的大小和负序的大小计算失速指标，并如果失速指标满足预定标准则去除提供给感应电动机的电力。

总的来说，在另一方面，所公开的实施方式涉及用于检测多相感应电动机中的失速启动的检测器。除了别的之外，检测器包括：电动机电流采集模块，其被配置成获得感应电动机的启动间隔期间的电动机相电流的测量结果；以及正序和负序模块，其被配置成将电动机相电流转换成正相序电流和负相序电流。检测器还包括失速指示模块，其被配置成推导出正电流相序的大小和负相序电流的大小的比率。检测器被配置成如果比率在启动间隔期间与先前获取的比率保持大致上未变化则使感应电动机从电源移除。

总的来说，在又一方面，所公开的实施方式涉及用于多相感应电动机的电动机管理系统。除了别的之外，该系统包括：电源，其被配置成将电力提供给感应电动机；以及控制器，其被连接到电源并被配置成控制由电源提供给感应电动机的电力。系统还包括过载保护设备，其被连接至电源并被配置成计算在感应电动机的启动期间来自被提供至感应电动机的电力的正相序电流大小和负相序电流大小。过载保护设备还被配置成基于正相序电流大小和负相序电流大小的比率来去除提供给感应电动机的电力。

附图简述

通过阅读下文的详细描述并且通过参考附图，公开的各实施方式的上述和其他优点将变得明显，在附图中：

图1是根据所公开的实施方式的一些实现的感应电动机管理系统的框图；

图2A和图2B是根据所公开的实施方式的一些实现的用于分别使用正相序和负相序的感应电动机的电路模型；

图3是根据所公开的实施方式的一些实现的失速启动检测器的框图；

图4是根据所公开的实施方式的一些实现的用于计算正相序和负相序的方法的流程图；以及

图5是根据所公开的实施方式的一些实现的用于检测失速启动的方法的流程图。

公开的实施方式的具体描述

首先，应认识到，结合所公开的实施方式的多个方面的实际真正的商业应用的开发将需要许多实施的具体决定以实现开发者对于商业实施方式的最终目标。这种实施的具体决定可以包括，并且很可能并不限于，与系统相关的、商业相关的、政府相关的以及其他限制相符合，这可根据具体实施、位置且不时地改变。虽然开发者的努力在绝对意义上可能是复杂的且耗时的，但尽管如此，这种努力将仍然是获得本公开的益处的本领域技术人员的例行任务。

还应理解，本文中公开的和教导的各实施方式容易受到许多且不同的修改和替换形式的影响。因此，诸如但不限于“一(a)”等的单数术语的使用，并不旨在限制项目的数量。类似地，在文字描述中使用的诸如但不限于“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“左(left)”、“右(right)”、“上部(upper)”、“下部(lower)”、“下(down)”、“上(up)”、“侧(side)”等的任何关系术语是为了在具体参照附图时清楚描述的目的，并且不旨在限制本发明的范围。

现在参考图1，根据本文所公开的一个或多个实施方式示出了用于诸如感应电动机的AC电动机102的电动机管理系统100的框图。在本示例中的电动机102是典型的三相感应电动机，其具有定子(未明确示出)、可旋转地放置在定子内并通过三相电流Ia、Ib和Ic驱动的转子(未明确示出)。尽管示出了三相电动机，但应理解，在不脱离所公开的实施方式的范围的情况下还可使用双相或其他类型的多相感应电动机。如可看出的，电动机管理系统100具有若干个主组件，包括电源模块104、控制器106、电流传感器108和过载保护设备110。AC市电112通过电源模块104为电动机102提供电力，且外部控制系统114通过控制器106提供对电动机102的总控制。

在一般操作中，例如可以是智能功率模块(IPM)的电源模块104将来自AC市电112的AC功率转换成用于启动并运行电动机102的三相电流Ia、Ib和Ic。控制器106通常是被编程为控制电源模块104以产生用于相电流Ia、Ib和Ic的适当的大小和相位角的微控制器单元(MCU)。这些大小和相位角可使用由电流传感器108提供的电动机102中的实际相电流Ia’、Ib’和Ic’的实时或接近实时的测量而通过控制器106得到。可使用能够实时或近似实时地测量电动机102中的相电流Ia’、Ib’和Ic’的任何合适的电流传感器108，包括霍尔效应传感器、电流变换器等。过载保护设备110(其例如可以是断路器、过载继电器等)在电动机102中检测到过载电流之后将电源模块104与电动机102断开或以其他方式去除。

根据所公开的实施方式，过载保护设备110包括失速启动检测器116，该失速启动检测器116被配置成检测并区分电动机102中的容许长启动和有问题的失速启动。该失速启动检测器116可被实现为过载保护设备110中的软件、硬件或软件和硬件的结合。失速启动检测器116能够通过电动机相电流的分析来确定电动机102是正在加速或减速，或者其是否正在保持近似不变的速度，这意味着电动机102已经失速。这种信息然后可由过载保护设备110使用以在检测到失速启动条件之后就将电动机102与电源模块104断开或以其他方式去除，而不是等待满足过载电流条件。只使用相电流来检测失速电动机的能力避免了对获得电压相移信息、电动机速度测量或者可使电动机更昂贵和/或不实用的其他信息的需要。

可参考图2A和图2B描述失速启动检测器116的操作，其示出分别表示用于三相感应电动机102的一个相位的阻抗的电路模型200a和200b。这些模型基于以下认知：实际上，多数多相感应电动机在它们的相电压和电流之间具有轻微的不平衡。通过采用公知的对称分量变换，相位不平衡可被表示为相位序电流的三个平衡集：正相序“a-b-c”、负相序“a-c-b”和零相序。大部分的感应电动机在没有中性导体的情况下被连接，因此出于本公开的目的，可忽略零相序电流的影响。使用对称分量变换并将产生的正相序和负相序电压施加至它们各自的电路产生了更准确的电动机模型。

首先参考图2A，电路模型200a表示正相序电流的阻抗。在该模型中，U_PS是正相序电压，I_PS是正相序电流，R_s是定子电阻，X_s是定子漏电抗，X_m是磁化电抗，R_fe是磁化电阻，X_r是转子漏电抗以及R_r是转子电阻。如由可变电阻R_r(1–s)/s表示的，这个转子电阻可根据电动机102的速度而变化。电动机102的速度是由转差率s表示的，当电动机停止时其具有1的值，而当电动机全速运行时其接近零。当转差率为1时，可变电阻是0，且用于正序电流的转子电阻仅为R_r。当转差率接近0(例，0.05)时，用于正序电流的转子电阻近似地为20R_r。转子电阻中的该变化是由感应电动机表现出的高启动电流的主要原因。

图2B示出表示用于负相序电流的阻抗的电路模型200b。在该模型中，U_NS是负相序电压，I_NS是负相序电流，R_s还是定子电阻，X_s还是定子漏电抗，X_m还是磁化电抗，R_fe还是磁化电阻，X_rNS是负序转子漏电抗，以及R_rNS/(2–s)是如根据电动机102的速度变化的转子电阻。

两个电路模型200a和200b之间的主要区别在于表示转子电阻R_r的电路的部分。当转差率是1时，意味着电动机102停止，负相序具有与正相序的转子电阻R_r相同的转子电阻。但是当转差率接近0(例如，0.05)时，意味着电动机102正全速运行，负相序具有只比0.5R_r多一点的转子电阻，然而用于正相序的转子电阻近似为20R_r。该差值有助于解释为什么电动机相电压中的不平衡(其是引起负相序电压的原因)常常是感应电动机的难题。当失速的时候，电动机在所有速度时对负相序电压展示出基本上与其对正相序电压展示的相同的低阻抗。因此，假设转子堵转电流在满载运行电流的6和8倍之间时，只有5％的负相序电压大小将导致当运行时电动机中的多30％到40％的电流。

上述显著点在于，可使用负相序表示电压不平衡，其转而允许根据本文所公开的实施方式检测的失速电动机条件。因此，重要的是，一定量的不平衡存在于被馈送到电动机102的相电压中。多数实际电动机实现通常具有小于0.5％的相位不平衡(在460VAC处2伏特)。该相位不平衡虽然小却足以产生负相序电流，其中负相序电流的准确大小取决于若干个电动机特性，包括不平衡的量。在典型的电动机中，例如，负相序电流的大小落入电动机满载运行电流的2％和5％之间。作为一个选择方案，例如，在一些实施方式中，可通过将阻抗添加到一个相位或使用本领域技术人员已知的其他技术来有意引入相位不平衡。

根据所公开的实施方式，失速启动检测器116通过利用馈送感应发动机的不平衡的三相电压正相序电流和负相序电流的大小之间的比率基于电动机的速度而变化这个发现来检测失速电动机条件。具体地，随着电动机速度从零增加，负相序电流大小增加，正相序电流大小变小，且比率降低。这允许失速启动检测器116基本上通过监控电流大小的比率的变化来确定电动机102是否正在加速并因此正确地启动还是其已经失速。可通过对三相电流应用公知的对称分量变换来计算这些电流大小(参见，例如，AIEE Transactions第37卷部分II第1027-1140页(1918)上的“Method of Symmetrical Co-Ordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks”。

一旦知道了正相序电流大小和负相序电流大小，则失速启动检测器116可使用这些电流大小以通过计算正相序电流大小和负相序电流大小的比率来推导出失速指标SI，例如，SI＝10/1。失速启动检测器116然后可在电动机启动间隔期间监控该失速指标以确定电动机102是否正在正确启动或是其已经失速。如果失速指标在电动机启动间隔期间变化(下降)，则电动机102正在加速并因此正确启动。变化很大程度上不受定子电阻的变化的影响并同样与电流大小的具体值无关。假设在电动机启动间隔期间这些因素和参数保持不变，其也与电压不平衡的百分比以及其他因素和参数无关，包括电动机具体参数。因此，通过检查在电动机启动期间的失速指标中的变化，失速启动检测器116可确定电动机102是否正在正确启动还是已经失速。

在图3中示出了根据一些实施方式的失速启动检测器116的示例性实现。如在图3中可看到的，示例性失速启动检测器116具有被描绘为离散的框的若干个功能模块，包括电动机电流采集模块302、正相序和负相序模块304以及失速指示模块306。可选的相电压不平衡产生模块300也可被包括在一些实施方式中以确保在提供给电动机102的相电压中的不平衡。本领域的普通技术人员当然将会理解，在前的框300-306的任何一个可被分成若干个组成框，以及这些框中的两个或更多个在不脱离所公开的实施方案的范围的情况下可根据需要被合并为单个框。

在一般操作中，可选的相电压不平衡产生模块300负责用于在提供给电动机102的相电压中引入不平衡。如上所述，可使用本领域的普通技术人员已知的任何合适的方法(包括通过在一个相位中引入阻抗)来引入这种相位不平衡。相电流采集模块302负责采集并存储电动机相电流Ia’、Ib’和Ic’的大小和相位角度。这些大小和相位角可由相电流采集模块302从参考图1先前讨论的电流传感器108获得。

顾名思义，正相序和负相序模块304负责用于将相电流Ia’、Ib’和Ic’转换为正相序电流和负相序电流。零相序电流也出现，但是由于在大部分感应电动机中缺少中性导体而在本文中可被忽略。在一些实施方式中，正相序和负相序模块304可通过从电动机相电流中确定相电流的基频ω、相电流的大小和主导相序(a-b-c或a-c-b)来转换电动机相电流Ia’、Ib’和Ic’。模块304然后可使用主导相序a-b-c或a-c-b作为正相序来产生正相序电流I(+)和负相序I(-)电流而在基频ω处对电动机相电流进行对称分量变换。

失速指示模块306在那之后使用正序电流大小和负序电流大小的瞬时分析来确定电动机102是否正在正确启动还是已经失速。具体地，失速指示模块306通过采用正相序电流和负相序电流的比率、然后检查该比率在电动机启动间隔期间是否变化(减少)或保持大致上不变来计算失速指标。在一些实施方式中，除了查看比率中的变化的缺乏之外，失速指示模块306还可要求电动机相电流在启动间隔期间具有电动机满载电流的大小的至少两倍的大小。该要求确认电动机102正在消耗转子堵转电流并因此是真的失速。

经由根据一些实施方式的流程图400在图4中提供了正相序和负相序模块304的操作的其他细节。该流程图400示出了用于使用三相电流大小的采样来确定三相系统的正序分量和负序分量的示例性方法。流程图400通常始于框402，其中三相电流的采样(例如，来自模数转换器)通过数字低通过滤器，从而余下的信号主要地表示相电流的基本50/60Hz正弦波。在框404处，过滤的相电流被用于测量在相位a、相位b和相位c的零交叉之间的时间。这三个时间间隔然后被平均并乘以二，以获取过滤的相电流的基础时段。

接着，在框406处，确定在一个基础时段上的每个过滤的相电流的峰值大小。例如，这可通过识别所过滤的相位a的正向零交叉(即，其中电流从负的大小到正的大小的零交叉)、然后确定哪个过滤的相电流(b或c)具有下一个正向零交叉来完成。如果相位b具有下一个正向零交叉，则主导相序是a-b-c(即，正)。如果相位c具有下一个正向零交叉，则主导相序是a-c-b(即，负)。

此后，在框410处，进行了主导相序是否为a-c-b的确定。如果确定为是，则在余下步骤中交换用于相位b和相位c的数据。否则，在框414处，测量从相位a的正向零交叉开始直到相位b和相位c的下一个正向零交叉的时间。在框416处，例如，通过用360乘以来自框414的零交叉之间的时间并然后除以来自框402的零交叉之间的时间，计算相对于相位a的相位b和相位c的相位角(单位为度)。

一旦完成上述步骤，在框418处，使用来自框416的相位角和来自框406的峰值大小来计算每个相位的相量表示。对于相位a，相位角度可被考虑为零。然后在框420处计算三相系统的正相序分量和负相序分量。在一些实施方式中，三相系统的正序分量可通过执行下列矢量计算来计算：I(+)＝1/3*(I(a)+I(b)*1∠120+I(c)*1∠240)。在一些实施方式中，三相系统的负序分量可通过执行下列矢量计算来计算：I(-)＝1/3*(I(a)+I(b)*1∠240+I(c)*1∠120)。

到目前为止，已经为公开的实施方式描述了若干个具体实现。接下来，现在在图5中的是以流程图500的形式的总指南，其可被用于实现所公开的实施方式的一个或多个。流程图500通常始于在框502处的可选步骤，其中，可将不平衡引入被提供给电动机的相电压中，以便允许使用负相序电流。在框504处，获得电动机相电流Ia’、Ib’和Ic’的测量，并在框506处使用对称分量变换将电动机相电流转换成正相序电流和负相序电流。在框508处，获得正相序电流和负相序电流的大小的比率，其为使用对称分量变换计算的。然后在框510处，可通过将该比率与先前获得的比率进行比较来将该比率用作为失速指标。

在框512处进行了该比率是否从先前获得的比率已经变化(下降)的确定。如果确定为是，那么电动机被认为正在正确地启动，且流程图500返回到框502处的开始。如果确定为否，那么在框514处进行电动机相电流是否为电动机满载电流的至少两倍的确定。如果确定为否，那么电动机不消耗转子堵转电流并因此不被认为真的失速，且流程图500再次返回到框502处的开始。如果确定为是，那么电动机被认为真的失速，且过载保护设备脱扣以将电动机从电源去除或以其他方式断开。

尽管已经说明和描述了本公开的特定方面、实现和应用，但是应当理解，本公开不限于本文所公开的精确结构和构成，并且各种修改、改变和变化可以从上述描述中变得明显而不偏离如所附权利要求中限定的所公开的实施方式的精神和范围。