一种低成本的电机过载保护电路

1.本发明涉及电机过载保护领域，具体涉及一种低成本的电机过载保护电路。


背景技术：

2.电机的过载保护是确保电机可靠运行的关键保护之一。目前常用的电机过载保护方案主要有以下几种手段。
3.1.采用热继电器保护。利用热特性和电机相近的干簧管制成热继电器，将其串联在电机电路中。当电流过大，热继电器核心原件发热后，切断电路，从而达到保护的目的。但该方案的保护精度较差，可靠性不能保证。
4.2、智能型过载保护：使用单片机，检测三相电流值，实现电机智能化综合保护，集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定，能支持多种通讯协议，如modbus、profibus等，价格相对较高，用于较重要场合；在低成本、价格敏感的场合不适用。
5.3、热保护型：在电机中埋入测温元件，根据电动机绕组的温度进行保护，但由于测温元件的滞后性，在出现短时的大电流过载时容易导致电机绕组受损，存在可靠性问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种低成本的电机过载保护电路，通过低成本的硬件电路检测电流，并通过多项式拟合电机的反时限过载曲线，可实现精确的过载保护效果。
7.一种低成本的电机过载保护电路，包括电流检测及调理电路,区间判定电路、热量计算电路、信号选通电路和积分及比较保护电路，所述电流检测及调理电路与区间判定电路和热量计算电路连接，所述区间判定电路和热量计算电路连接再与信号选通电路连接，所述信号选通电路再与积分及比较保护电路连接；
8.所述保护电路的工作流程如下：
9.步骤一：根据电机散热特性确定过载和消载曲线；
10.步骤二：通过电流检测及调理电路输出三相合成电流的平均值，并对电压进行信号的调理，
11.具体为电流传感器检测电机的三相电流，通过其中三相不控的二级管整流桥后，再经过rc滤波，输出三相合成电流的平均值，最后通过差分放大电路，对该电压进行信号的调理，同时调整该电压信号的参考电位；
12.步骤三：通过区间判定电路输出与电流所处的区间一一对应的组合逻辑信号，
13.具体为将反映电流大小的电压信号和若干个参考电压信号进行依次比较，输出对应的数字信号，通过优先译码的方式，将相应数量的数字信号进行精简，输出的与电流所处的区间一一对应；
14.步骤四：对步骤三中输出信号ai的组合逻辑进行译码；
15.步骤五：构造热量计算电路，包括消载热量和过载热量yi计算电路，
16.具体为通过同相比例和反相比例电路，将反映电流平均值的电压信号接到输入
端，使得若干个输出电压信号和输入电压信号满足一次函数关系；
17.步骤六：结合步骤四译码逻辑输出以及步骤五消载热量和过载热量计算电路的输出，通过信号选通电路对热量选通后，再通过积分及比较保护电路进行积分并与过载保护参考电压比较，输出保护信号。
18.优选的，所述步骤三中，参考电压信号的数量和具体大小根据用户需求设置。
19.优选的，所述步骤五中，具体的函数关系，需要符合用户设置的电机过载特性曲线。
20.优选的，所述步骤六中，信号选通电路的数字输入端来自于电流区间判定及逻辑译码电路输出的组合逻辑信号，模拟信号输入端来自于线性拟合热量计算电路的输出，组合逻辑信号和模拟信号需要和电机过载特性曲线一一对应。
21.优选的，所述积分及比较保护电路包括积分器和比较器，积分器的输入来自于信号选通电路的输出，对输出的电压模拟信号进行积分后接至比较器，比较器将其和参考信号进行比较，当积分器的输出到达参考信号时，比较器的输出电平信号翻转，输出保护信号。
22.优选的，所述电流检测及调理电路包括二极管整流电路、rc滤波电路和差分比例电路，所述的二极管整流电路由三相不控整流电路构成，所述的rc滤波电路由第一电阻r1和第一电容c1并联构成，且rc滤波电路并联在所述三相不控整流电流的输出端,所述差分比例电包括第二电阻r2，第二电阻r2的一端连接至第一电容c1的正端，第二电阻r2的另一端与第一运放u1的反相端相连, 第三电阻r3的一端与第一电容c1的负端相连，另一端与第一运放u1的同相端相连,第四电阻r4的一端与第一运放u1的同相端相连，另一端接地,第五电阻 r5跨接在第一运放u1的反相端和输出端之间。
23.本发明的优点在于：通过低成本的硬件电路检测电流，并通过多项式拟合电机的反时限过载曲线，可实现精确的过载保护效果。
附图说明
24.图1为本发明的过载保护电路系统原理图；
25.图2为本发明的电机过载曲线图；
26.图3为本发明的热量
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电流关系曲线图；
27.图4为本发明的电流检测电路示意图；
28.图5为本发明的电压参考信号生成电路示意图；
29.图6为本发明的比较电路示意图；
30.图7为本发明的译码电路示意图；
31.图8为本发明的消载热量计算电路示意图；
32.图9为本发明的过载热量计算电路示意图；
33.图10为本发明的热量选通积分电路示意图；
具体实施方式
34.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
35.如图1至图10所示，一种低成本的电机过载保护电路，其包括电流检测及调理电路,区间判定电路、热量计算电路、信号选通电路和积分及比较保护电路，所述电流检测及调理电路与区间判定电路和热量计算电路连接，所述区间判定电路和热量计算电路连接再与信号选通电路连接，所述信号选通电路再与积分及比较保护电路连接；
36.所述保护电路的工作流程如下：
37.步骤一：根据电机散热特性确定过载和消载曲线；
38.步骤二：通过电流检测及调理电路输出三相合成电流的平均值，并对电压进行信号的调理，
39.具体为电流传感器检测电机的三相电流，通过其中三相不控的二级管整流桥后，再经过rc滤波，输出三相合成电流的平均值，最后通过差分放大电路，对该电压进行信号的调理，同时调整该电压信号的参考电位；
40.步骤三：通过区间判定电路输出与电流所处的区间一一对应的组合逻辑信号，
41.具体为将反映电流大小的电压信号和若干个参考电压信号进行依次比较，输出对应的数字信号，通过优先译码的方式，将相应数量的数字信号进行精简，输出的与电流所处的区间一一对应；
42.步骤四：对步骤三中输出信号ai的组合逻辑进行译码；
43.步骤五：构造热量计算电路，包括消载热量和过载热量yi计算电路，
44.具体为通过同相比例和反相比例电路，将反映电流平均值的电压信号接到输入端，使得若干个输出电压信号和输入电压信号满足一次函数关系；
45.步骤六：结合步骤四译码逻辑输出以及步骤五消载热量和过载热量计算电路的输出，通过信号选通电路对热量选通后，再通过积分及比较保护电路进行积分并与过载保护参考电压比较，输出保护信号。
46.所述步骤三中，参考电压信号的数量和具体大小根据用户需求设置。
47.所述步骤五中，具体的函数关系，需要符合用户设置的电机过载特性曲线。
48.所述步骤六中，信号选通电路的数字输入端来自于电流区间判定及逻辑译码电路输出的组合逻辑信号，模拟信号输入端来自于线性拟合热量计算电路的输出，组合逻辑信号和模拟信号需要和电机过载特性曲线一一对应。
49.所述积分及比较保护电路包括积分器和比较器，积分器的输入来自于信号选通电路的输出，对输出的电压模拟信号进行积分后接至比较器，比较器将其和参考信号进行比较，当积分器的输出到达参考信号时，比较器的输出电平信号翻转，输出保护信号。
50.所述电流检测及调理电路包括二极管整流电路、rc滤波电路和差分比例电路，所述的二极管整流电路由三相不控整流电路构成，所述的rc滤波电路由第一电阻r1和第一电容c1并联构成，且rc滤波电路并联在所述三相不控整流电流的输出端,所述差分比例电包括第二电阻r2，第二电阻r2的一端连接至第一电容c1的正端，第二电阻r2的另一端与第一运放u1的反相端相连,第三电阻 r3的一端与第一电容c1的负端相连，另一端与第一运放u1的同相端相连,第四电阻r4的一端与第一运放u1的同相端相连，另一端接地,第五电阻r5跨接在第一运放u1的反相端和输出端之间。
51.具体实施方式及原理：
52.本方案以特定的过载反时限曲线来说明具体的实施方式。
53.根据电机的散热特性制定其过(消)载曲线，本例以如图2所示的过载特性曲线来说明。图中，横轴表示电流大小，纵轴表示时间。当时间为正时，表示从电机冷却状态到过热所需要的时间，如q1所示，称之为过载曲线。当时间为负时，表示电机从过热状态退回至冷却状态所需要的时间，如q2所示，称之为消载曲线。不同电流下，过载和消载时间均会不同，假设电机过热状态时，其累计的热量为单位1，则根据上述的过载和消载曲线，不同电流下，单位时间累计的热量为时间的倒数，曲线如图3所示。
54.通过电流检测传感器检测电机的电流ia,ib,ic,并将电流检测传感器的输出的电压信号u1，u2，u3，通过二极管整流，并经过rc滤波，得到电压信号的平均值uave，所述的二极管整流实现方式如图4所示，第一、第三、第五二极管(d1、d3、d5)的阴极接在一起，第二、第四、第六二极管(d2、d4、d6)的阳极接在一起，第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连，第三二极管的阳极和第四二极管的阴极相连，第五二极管的阳极和第六二极管的阴极相连，电流传感器输出的三相电压信号分别从第一、三、五二极管的阳极输入；
55.所述的rc滤波方式如如图4所示，第一电容c1的正端连接至第五二极管的阴极，负端连接至第六二极管的阳极，第一电阻r1和第一电容c1并联，第一电阻r1两端的电压即为滤波信号uave，由于uave参考电位对地是浮动的，因此需要通过差分比例电路将其转化为对地的参考信号；
56.差分比例电路具体实现方式如图4所示：第二电阻r2的一端连接至第一电容c1的正端，第二电阻r2的另一端与第一运放u1的反相端相连,第三电阻r3 的一端与第一电容c1的负端相连，另一端与第一运放u1的同相端相连,第四电阻r4的一端与第一运放u1的同相端相连，另一端接地,第五电阻r5跨接在第一运放u1的反相端和输出端之间,第一运放u1的输出即为调理后的电流信号，该信号用于判定电机的过载量。
57.根据上述原理，需要根据电流大小来确定单位时间累计的热量，因此首先需要判定电流所处的区间，如图5所示，采用电阻分压的模式，生成过载和消载曲线上的若干个横坐标的电压参考信号，rui的一端连接电源正端，和rdi串联后，连接至电源负端，两电阻中间点电压即为参考信号vi，本例中i＝0,1,2
…
15。
58.将反映电流大小的电压信号vcur和参考信号vi相比较，如图6所示，vcur 连接至若干个运放的反相端，参考信号vi连接至运放的同相端，当vcur大于 vi时，输出低电平0，反之输出高电平1，根据输出信号ai的电平组合即可确定电流所处的区间范围。
59.对以上述输出组合逻辑信号进行优先译码，本例中采用74ls148芯片来实施方案，但本发明的保护范围并不仅局限于该芯片型号，凡是采用类似的译码方案，均在保护范围；
60.具体方法如下，采用两片74ls148芯片构成16
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4优先译码器，将上一步骤中的组合逻辑信号ai按图7中顺序分别接至芯片i和芯片ii中的输入端，第i 芯片的使能端接地，第i芯片的扩展端eo与第ii芯片的使能端ei相连，第i 芯片和第ii芯片的输出端y0经过与门后输出选择信号s0，第i芯片和第ii芯片的输出端y1经过与门后输出选择信号s1，第i芯片和第ii芯片的输出端y2 经过与门后输出选择信号s2，第i芯片的gs端作为输出选择信号s3，经过连接后，该电路的真值表如下所示：
[0061][0062]
构造热量计算电路。消载热量计算电路和过载热量电路如图8和图9所示。
[0063]
对热量选通后，进行积分并比较，输出保护信号，本例采用了74hc4067 16 通道模拟选通芯片，但本发明的保护范围并不仅局限于，凡是采用模拟选通方案，均在保护范围内。
[0064]
基于上述，本发明通过低成本的硬件电路检测电流，并通过多项式拟合电机的反时限过载曲线，可实现精确的过载保护效果。
[0065]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。