基于转子电阻的电机热保护

文档序号:97442 发布日期:2021-10-12 浏览:13次 >En<

阅读说明:本技术 基于转子电阻的电机热保护 (Motor thermal protection based on rotor resistance ) 是由 R.S.科尔比 于 2021-03-22 设计创作,主要内容包括:电机过载保护装置配有热监测器,可根据转子电阻估计值确定预期的转子温度升高值。热监测器通过使用根据转子电阻估计值计算出的转子温度升高值和电机热状态估计值之间的相关性来确定预期的转子温度升高值。相关性可以通过将线拟合到多个点并确定该线的斜率来导出,其中每个点由转子温度升高估计值和相应的电机热状态估计值组成的有序对来定义。然后,在给定转子电阻估计值和相应的电机热状态估计值的情况下,热监测器可以使用该转子温度斜率来确定转子温度升高值。在一些实施例中,如果转子温度升高值超过预期的转子温度升高值大于预定义阈值,热监测器发出警报和/或采取校正动作。(The motor overload protection device is equipped with a thermal monitor that determines an expected rotor temperature rise based on an estimated rotor resistance value. The thermal monitor determines an expected rotor temperature increase value by using a correlation between a rotor temperature increase value calculated from the rotor resistance estimate value and a motor thermal state estimate value. The correlation may be derived by fitting a line to a plurality of points and determining the slope of the line, wherein each point is defined by an ordered pair of an estimate of the rotor temperature rise and a corresponding estimate of the thermal state of the motor. The thermal monitor may then use the rotor temperature slope to determine a rotor temperature rise value given the rotor resistance estimate and the corresponding motor thermal state estimate. In some embodiments, the thermal monitor issues an alarm and/or takes corrective action if the rotor temperature increase exceeds the expected rotor temperature increase by more than a predefined threshold.)

基于转子电阻的电机热保护

技术领域

本公开涉及一种感应电机,尤其涉及基于转子电阻估计值来监测和保护这种电机免受热过载的方法和系统。

背景技术

感应电机因其低成本、高效率和高可靠性等优点而广泛应用于工业领域。典型的感应电机包括其上具有多个绕组的固定部件或定子,以及可旋转地设置在定子内的旋转部件或转子。向定子绕组施加正弦或交流电压会感应出旋转磁场,从而导致转子旋转。感应电机通常在单相和三相电压下运行,尽管也两相感应电机也是可用的。

大多数感应电机采用过载保护装置来保护电机免受过电流、热过载和诸如此类影响。过载保护装置检测电机中的过大电流或发热,并中断电机电源以防止损坏发生。这些装置可以包括断路器、过载继电器和其他类型的电路中断装置,这些装置通常具有与电机的电源线串联连接的电阻元件。当电阻元件变得过热时,过载保护装置切断电机的电源。

虽然在感应电机热过载保护领域已经取得了许多进展,但是很容易理解,仍然需要不断的改进。

发明内容

本公开的实施例涉及用于监测和保护感应电机免受热过载状况影响的系统和方法。该方法和系统提供了一种配备有热监测器的电机过载保护装置,该热监测器可以根据转子电阻估计值来确定预期的转子温度升高值。热监测器通过使用基于转子电阻估计值的转子温度升高估计值与电机热状态估计值之间的关系或相关性来确定预期的转子温度升高值。该关系或相关性可以通过将线拟合到多个点并确定该线的斜率来导出,每个点通过由转子温度升高估计值和相应的电机热状态估计值组成的有序对来定义。在给定转子电阻估计值和相应的电机热状态估计值的情况下,该斜率(也可被称为转子温度斜率)然后可被热监测器用于确定转子温度升高值。在一些实施例中,如果转子温度升高值超过预期的转子温度升高值大于预定义阈值,则热监测器发出警报和/或采取校正动作。

一般而言,在一个方面,本公开的实施例涉及一种保护感应电机免受热过载状况影响的方法。该方法尤其包括根据感应电机的转子电阻估计值计算转子温度升高估计值,以及计算感应电机的电机热状态估计值。该方法还包括导出热状态估计值和转子温度升高估计值之间的相关性,并根据感应电机的新的转子电阻估计值计算新的温度升高估计值。该方法还包括计算感应电机的新的电机热状态估计值,以及使用相关性和新的电机热状态计算感应电机的预期转子温度升高值。该方法然后包括检查新的温度升高估计值是否超过预期的转子温度升高值大于感应电机的预定义的转子温度升高阈值,并且响应于新的温度升高估计值超过预期的转子温度升高值大于预定义的转子温度升高阈值执行校正动作。

根据前述实施例中的一个或多个,转子电阻估计值根据感应电机的复数电机输入导纳的实部和转差率值获得,并且复数电机输入导纳根据同步参考系中的电机电压和电流确定,其中电机电压定向在同步参考系的Q轴上。根据一个或多个前述实施例,导出相关性包括将线拟合到多个点以及确定该线的斜率,每个点通过由转子温度升高估计值和相应的电机热状态估计值组成的有序对定义。根据一个或多个前述实施例,计算感应电机的预期的转子温度升高值包括将斜率应用于新的电机热估计值,执行校正动作包括切断感应电机的电源和发出警报中的一个或多个,并且在电机过载保护装置或边缘装置之一中执行对感应电机的预期的转子温度升高值的计算。

一般而言,在另一方面,本公开的实施例涉及一种用于保护感应电机免受热过载状况影响的装置。该装置尤其包括处理器和通信耦合到该处理器的存储单元。存储单元在其上存储计算机可读指令,用于使处理器特别是根据感应电机的转子电阻估计值计算温度升高估计值,以及计算感应电机的电机热状态估计值。计算机可读指令还使处理器计算感应电机的预期的转子温度升高值,并检查温度升高估计值是否超过预期的转子温度升高值大于感应电机的预定义的转子温度升高阈值。计算机可读指令还使处理器响应于温度升高估计值超过预期的转子温度升高值大于预定义的转子温度升高阈值而执行校正动作。

根据前述实施例中的任何一个或多个,计算机可读指令进一步使处理器根据感应电机的复数电机输入导纳的实部和转差率值获得转子电阻估计值,以及使处理器根据同步参考系中的电机电压和电流确定复数电机输入导纳,其中电机电压定向在同步参考系的Q轴上。根据前述实施例中的任何一个或多个,计算机可读指令还使处理器导出感应电机的热状态估计值与转子温度升高估计值之间的相关性,以及使处理器通过将相关性应用于电机热估计值来计算预期的转子温度升高值。根据前述实施例中的任何一个或多个,计算机可读指令进一步使处理器通过执行切断感应电机的电源和发出警报中的一个或多个来执行校正动作,并且该装置是电机过载保护装置或边缘装置之一。

一般而言,在另一方面,本公开的实施例涉及包含程序逻辑的非暂时性计算机可读介质。当通过一个或多个计算机处理器的操作来执行时,程序逻辑使一个或多个计算机处理器尤其根据感应电机的转子电阻估计值来计算转子温度升高估计值,以及计算感应电机的电机热状态估计值。程序逻辑进一步使一个或多个处理器导出热状态估计值与转子温度升高估计值之间的相关性,计算感应电机的新的电机热状态估计值,以及使用相关性和新的电机热状态计算感应电机的预期的转子温度升高值。然后,程序逻辑使一个或多个处理器检查新的温度升高估计值是否超过预期的转子温度升高值大于感应电机的预定义的转子温度升高阈值,以及响应于新的温度升高估计值超过预期的转子温度升高值大于预定义的转子温度升高阈值执行校正动作。

根据前述实施例中的任何一个或多个,程序逻辑还使一个或多个处理器从感应电机的复数电机输入导纳的实部和转差率值获得转子电阻估计值,以及进一步使一个或多个处理器根据同步参考系中的电机电压和电流确定复数电机输入导纳,其中电机电压定向在同步参考系的Q轴上。根据前述实施例中的任何一个或多个,程序逻辑进一步使一个或多个处理器通过将线拟合到多个点并确定该线的斜率来导出相关性,每个点通过由转子温度升高估计值和相应的电机热状态估计值组成的有序对定义。根据前述实施例中的任何一个或多个,程序逻辑进一步使一个或多个处理器通过将斜率应用于新的电机热估计值来计算感应电机的预期的转子温度升高值,并通过执行切断感应电机的电源和发出警报中的一个或多个来执行校正动作。

附图说明

通过参考各种实施例,可以获得上文简要概述的本公开的更详细的描述,其中一些实施例在附图中示出。虽然附图示出了本公开的选定实施例,但是这些附图不应被认为是对其范围的限制,因为本公开可以允许其他同等有效的实施例。

图1A和1B示出了根据本公开实施例的、配备有热监测器的示例性的电机过载保护装置;

图2示出了根据本公开实施例的、示例性的热监测器;

图3A和3B示出了根据本公开实施例的、示例性的电机的电路模型;

图4A和4B示出了根据本公开实施例的、同步参考系中的示例性的电机电压和电流;

图5示出了显示根据本公开实施例的、示例性的转子电阻估计值的数据图;

图6示出了根据本公开实施例的、示例性的监测电机温度的方法的流程图;

图7示出了根据本公开的实施例的、示例性的获得转子温度估计值的方法的流程图;

图8示出了根据本公开的实施例的、示例性的获得电机热状态估计值的方法的流程图;

图9示出了根据本公开的实施例的、示例性的将转子温度估计值与电机热状态估计值相关联的方法的流程图;

图10示出了根据本公开的实施例的、示例性的转子温度升高值相对于热状态和相应的线斜率的曲线图;

图11示出了根据本公开实施例的、没有阻塞的风扇相对于时间的测量的定子绕组温度升高值、示例性的转子温度升高值和计算的热状态的曲线图;

图12示出了根据本公开的实施例的、部分阻塞的风扇相对于时间的测量的定子绕组温度升高值、示例性的转子温度升高值和计算的热状态的曲线图;和

图13示出了根据本公开的实施例的、完全没有阻塞的风扇相对于时间的测量的定子绕组温度升高值、示例性的转子温度升高值和计算的热状态的曲线图。

在可能的情况下,使用相同的附图标记来表示附图中相同的元件。然而,在一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例,而无需具体叙述。

具体实施方式

本说明书和附图说明了本公开的示例性实施例,并且不应被视为限制,权利要求限定了本公开的范围,包括等同物。在不脱离本说明书和权利要求书的范围(包括等同物)的情况下,可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作上的改变。在一些情况下,没有详细示出或描述公众所知的结构和技术,以免混淆本公开。此外,只要可行,参考一个实施例详细描述的元件及其相关方面可以包括在没有具体示出或描述它们的其他实施例中。例如,如果参考一个实施例详细描述了元件,而没有参考第二实施例描述该元件,则该元件仍然可以被声明为包括在第二实施例中。

在高水平上,本公开的实施例提供了一种将电机温度升高值与电机热状态相关联以检测可能指示受损的电机冷却的异常电机温度升高的方法。实施例提供了使用简化的电机模型来计算电机输入导纳、根据转子槽谐波来估计电机速度/转差率、计算转子温度升高值以及将转子温度升高值与电机热状态相关联的系统和方法。然后,可将这些系统和方法部署于过载保护装置中,以监测和保护感应电机免受热过载状况的影响。

现在参考图1A,根据本文公开的一个或多个实施例,示出了用于例如感应电机的交流电机102的电机管理系统100的功能图。该示例中的电机102是典型的三相感应电机,其具有定子(未明确示出)、可旋转地设置在定子内的转子(未明确示出),并且由具有相“a”、“b”、“c”的三相线电压和电流驱动。尽管示出了三相电机,但是应当理解,在不脱离所公开的实施例的范围的情况下,也可以使用两相或其他类型的多相感应电机。

可以看出,电机管理系统100具有多个组件,包括电源模块104、电机控制器106、电压和电流传感器108以及过载保护装置110。交流主电源112通过电源模块104为电机102提供电压和电流,外部控制系统114通过电机控制器106提供对电机102的整体控制。这种类型的布置通常用于各种商业和住宅应用中。例如,在HVAC系统中,电机102可以是风扇电机,其驱动风扇以使空气通过空气管道,外部控制系统114可以是恒温器,其控制HVAC系统以保持期望的温度和湿度。

在一般操作中,电源模块104,例如可以是智能电源模块(Intelligent PowerModule,IPM),将来自交流主电源112的交流电压和电流转换成运行电机102所需的三相电压和电流。电机控制器106通常是微控制器单元(microcontroller unit,MCU),其被编程以控制电源模块104,从而为相电压和电流产生适当的振幅和相角。这些振幅和相角可以由电机控制器106使用对电机102中的实际相电压和电流的实时或接近实时的测量导出,实时或接近实时的测量由电压和电流传感器108提供。可以使用任何合适的传感器108,包括霍尔效应传感器、电流互感器及诸如此类,其能够实时或接近实时地测量电机102中的相电压和电流。过载保护装置110例如可以是断路器、过载继电器及诸如此类,一旦检测到电机102中的过载状况,过载保护装置110就将电源模块104从电机102断开或移除。

根据本公开的实施例,过载保护装置110配备有热监测器116,该热监测器116监测并保护电机102免受热过载状况的影响。热监测器116通常基于转子电阻随着转子温度而增加的观察来操作,并且该增加趋向于线性。因此,转子温度,或者更确切地说,其中的变化,可以通过估计转子电阻进行估计。特别地,可以使用在正常的电机运行条件下获得的转子电阻估计值来建立正常电机运行条件下的转子温度升高模型。该模型设定了正常电机运行条件下的预期的转子温度升高值或将预期到的温度升高。此后,热监测器116可以定期获得电机的转子温度升高估计值,并确定这些估计值中的任何一个是否超过预期的转子温度升高值大于预定义阈值。如果是,热监测器116发出警报和/或根据需要采取校正动作,包括立即切断电机102的电源。该模型可以由过载保护装置110内的热监测器116建立,或者可以在外部建立(例如,作为电机表征过程的一部分),并将结果提供给过载保护装置110。

图1B示出了电机管理系统100’,其中热监测器116位于连接到系统100’的边缘装置118中,而不是过载保护装置110中。边缘装置118为电机管理系统100’提供入口或进入点,以将收集的关于电机102的数据传送到外部系统,例如监控和数据采集(supervisorycontrol and data acquisition,SCADA)系统120。通信可以通过通信链路122进行,通信链路122可以是有线或无线链路,例如Wi-Fi、蓝牙、GPRS、CDMA、卫星等。数据也可以由边缘装置118转发到其他系统,包括基于云的系统124(其可以是私有的企业云),用于由数据分析服务126进一步处理。任何类型的边缘装置都可以用作边缘装置118,只要该装置对于这里讨论的目的具有足够的处理能力。合适的边缘装置的例子包括网关、路由器、路由交换机、集成接入装置(integrated access devices,IADs)以及各种MAN和WAN接入装置。

图2示出了可用于实现过载保护装置110和/或边缘装置118的示例性计算系统200。示例性计算系统200具有典型的系统架构,该系统架构包括可通信地耦合到随机存取存储器(random-access memory,RAM)204或其他动态存储装置的CPU 202,以及允许CPU202与外部系统或网络通信的输入/输出接口206。诸如非易失性存储器(例如闪存驱动器)磁盘等的计算机可读存储装置208通信地耦合到CPU 202并为其存储程序和数据。这些计算组件202-208以本领域众所周知的方式操作,因此为了经济起见,这里省略了详细描述。

驻留在存储装置208上的程序和计算机可读指令中有用于热监测器116的计算机可读指令。在所示的例子中,热监测器116具有或由被描述为离散块的多个功能或模块组成。本领域普通技术人员当然会理解,在不脱离所公开的实施例的范围的情况下,任何一个块可以被分成几个组成块,并且两个或更多个块可以根据需要被组合成单个块。

在图2的示例中,热监测器116包括电压和电流获取模块210,其操作以获得电机电压和电流的样本,以及参考系变换模块212,其操作以将电机电压和电流从静止参考系变换到旋转参考系,以及随后变换到同步参考系。还有操作以确定电机转差率和速度的电机转差率和速度模块214,以及操作以导出电机输入导纳的输入导纳模块216。热监测器116另外包括转子电阻模块218和电机热状态模块220,转子电阻模块218操作以获得转子电阻估计值,电机热状态模块220操作以获得电机102的电机热状态估计值。还存在转子温度升高模块222和相关性模块224,转子温度升高模块222操作以获得转子温度升高估计值,相关性模块224用于将转子温度升高值与电机热状态相关联。转子温度升高监测器226操作以将转子温度升高估计值与预期的转子温度升高值进行比较,并且如果差值超过预定义阈值,则采取一个或多个动作。

在一些实施例中,相关性模块224是可选模块(由虚线表示),其可以与热监测器116分开实现,例如通过基于云的数据分析服务128,并且由此产生的相关性被提供给热监测器116。

图3A和3B示出了帮助解释热监测器116的操作基础的电路模型300a和300b。首先参考图3A,电路模型300a代表交流电机,如电机102的示例性稳态等效电路。在该模型中,V1是电机输入电压,R1和X1代表定子电阻和漏电抗,I1是通过这些部件的电流,R2和X2代表转子电阻和漏电抗,I2是通过这些部件的电流,GC代表分流电阻,Xm和Im代表磁化电抗和电流,s代表电机转差率。在大多数电机应用中,R1、X1和X2以及GC的值相对于磁化电抗Xm和转子电阻R2的值可以忽略不计,因此可以将其忽略。其结果是图3B的简化等效电路模型300b,其中忽略了可忽略的成分R1、X1和X2以及GC。电机的复数导纳Y可表示为等式(1):

从等式(1)可以看出,导纳的实部Yreal等于转子电阻R2与电机转差率s之比的倒数,而导纳的虚部Yimag等于磁化电抗Xm的倒数。因此,转子电阻R2可以用电机转差率s和导纳的实部Yreal来表示,如等式(2)所示:

R2=s/Yreal (2)

实导纳Yreal和虚导纳Yimag可由电机电压和电流确定。然而,电机电压和电流是三相时变信号Va,Vb,Vc和Ia,Ib,Ic,这些信号在计算上很难进行电机控制分析。通过将这些信号转换成静止参考系中的静止电压和电流Vx、Vy和Ix、Iy(例如使用克拉克变换)可以使这些信号的分析在计算上更容易管理,这在本领域是众所周知的。通过将静止的电压和电流转换成同步参考系中的交轴和直轴的电压和电流VQ、VD和IQ、ID,可以实现进一步的计算简化(例如使用帕克变换)。将同步参考系电压矢量(VQ,VD)定向到同步参考系的Q轴,使得D轴电压VD具有零平均值,这允许从分析中方便地省略该项。图4A和4B说明了上述同步参考系电压和电流。

参考图4A,电压波形捕获400示出了转换到同步参考系之后的电机电压(或采样数据)。在该示例中,波形402是交轴电压VQ,线404是交轴电压VQF的滤波和平滑版本,而波形406是直轴电压VD,并且线408是直轴电压VDF的滤波和平滑版本。如线408所示,将同步参考系电压矢量(VQ,VD)定向到Q轴使得直轴电压VD具有零平均值。在一些实施例中,锁相环(aphase-locked loop,PLL)或等效的计算机制用于将同步参考系电压矢量(VQ,VD)定向到Q轴。

图4B示出了电机电流(或其采样数据)的电流波形捕获410,该电流波形捕获410是由转换到同步参考系并将电压矢量定向到Q轴而产生的。在该示例中,波形412是交轴电流IQ,线414是交轴电流的滤波和平滑版本IQF,而波形416是直轴电流ID,线418是直轴电流的滤波和平滑版本IDF。等式(1)中的实部和虚部导纳Yreal和Yimag可以用交轴和直轴电压和电流(或其滤波形式)来表示,如等式(3)和(4)所示:

至于电机转差率s,可以使用多种已知技术中的任何一种来确定这个量。在一个示例中,可以通过以下方式来估计电机转差率s,即对电机电流执行快速傅立叶变换(FastFourier Transform,FFT)以将电流从时域转换到频域,然后在电流频谱中定位对应于转子槽谐波的峰值频率。然后,根据等式(5)中所示的众所周知的关系,对应于转子槽谐波的频率可用于确定电机转差率s。

在等式(5)中,fsh是对应于转子槽谐波的峰值频率,k是表示槽谐波阶数的整数(例如1、2、3等),R代表转子中的槽(或条)数,p代表电机中的极数,f1代表交流主电源频率。电机转差率s可由该等式确定,然后与电机的实际导纳Yreal一起使用,以根据等式(2)获得转子电阻估计值。

图5示出了在测量的定子绕组温度范围内,对于特定的10马力感应电机,根据等式(2)获得的转子电阻估计值的曲线图500。在图中,水平轴代表测量的定子绕组温度,单位为摄氏度,垂直轴代表转子电阻,单位为欧姆。标记为502的数据点表示在70%电机负载下获得的转子电阻估计值,标记为504的数据点表示在90%电机负载下获得的转子电阻评估值,标记为506的数据点表示在110%电机负载下获得的转子电阻估计值。可以看出,转子电阻估计值通常随着定子温度的升高而增加,并且这种增加往往是线性的。虽然定子温度与转子温度不完全相关(例如由于电机不同部分之间的热滞后),转子电阻估计值和定子温度之间的线性跟踪强烈表明,转子电阻估计值可以有效地用于至少获得转子温度的变化。

在一些实施例中,转子温度的变化,特别是转子温度升高值Trise,可以使用等式(6)中所示的关系来估计:

在等式(6)中,Rinit是在电机启动后不久并且电机开始变热前获得的初始或“冷”的转子电阻估计值,而α是电机特定金属(例如铝、铜等)的电阻温度系数。热监测器116因此可以通过获得电机运行期间任何给定点处的转子电阻的估计值Trise来获得转子温度升高的估计值。如果转子温度升高估计值超过预期的转子温度升高值大于预定义阈值,热监测器116可以自动发出警报和/或采取校正动作。在一些实施例中,可以使用多个预定义的阈值,每个阈值指示逐渐升高的热过载水平,并导致不同的校正动作。这样,热监测器116可以提供更精细的方法来监测和保护电机免受热过载状况的影响。

现在转到图6,示出了可结合热监测器116使用的方法600的流程图。方法600通常从框602开始,在框602处,根据正常电机运行条件下的转子电阻估计值来计算转子温度升高估计值。在框604处,在正常电机运行条件下获得(计算)电机热状态估计值。在框606处,在热状态估计值和转子温度升高估计值之间导出或以其他方式获得相关性。然后,该相关性可作为电机的正常电机运行条件下转子温度升高模型的基础。热监测器116然后将新的转子温度升高估计值与由模型持续预测的预期转子温度升高估计值进行比较,以监测和检测潜在的热过载状况,如方框608所示。

在框608处,根据转子电阻估计值计算或获得新的转子温度升高估计值,并且在框610处,计算新的电机热状态估计值。然后,在框612处使用新的热状态估计值和相关性或模型来计算预期的转子温度升高值。在框614处,确定新的转子温度升高估计值是否超过预期的转子温度升高值大于预定义阈值。如果不是,则方法600返回到框608,以继续监测潜在的热过载状况。如果是,则在框616处采取一个或多个校正动作,例如切断电机的电源、发出警报、诸如此类。方法600可随后继续进一步处理或返回到框608,以依靠特定应用继续监测潜在的热过载状况。

图7示出了方法700的流程图,该方法700可用于结合热监测器116计算上述转子温度升高估计值。方法700通常从框702开始,在框702中,捕获或以其他方式获取电机相电压Va、Vb、Vc和电流Ia、Ib、Ic的波形。在一些实施例中,在15秒的采样间隔内以5000个样本/秒的采样速率捕获波形,尽管当然可以使用其他采样间隔和采样速率。一般来说,采样间隔和采样速率应该足够高,以允许从电机电压和电流中识别转子槽谐波(见框708)。在框704中,使用克拉克变换或类似技术将时变电压和电流波形(或其采样数据)变换到静止参考系。

在框706处,确定波形是否已经稳定到稳态条件。如果没有,则丢弃样本,并且方法700返回到框702以进行另一个波形捕获。如果已经稳定,则在方框708处,计算交流主电源频率和电机转差率。在一些实施例中,通过以下方式来获得电机转差率,即对电机电流执行FFT以定位对应于转子槽谐波的峰值频率,然后解析等式(5)以确定电机转差率s。

在框710处,PLL或类似的计算设备运行或以其他方式应用于静止参考系电压和电流Vx、Vy和Ix、Iy,这具有将静止电压Vx锁定到交流主电源频率的效果。结果是,当在框712处将静止参考系电压和电流Vx、Vy和Ix、Iy转换至同步参考系时,电压矢量(VQ、VD)被定向到同步参考系的Q轴。这使得D轴电压VD的平均值为零,如图4A所示。从三相变量到静止的两相变量,再到同步系变量的转换有多种定义。等式(6)和(7)中示出了一个这样的集合:

同步参考系电压和电流VQ、VD和IQ、ID(见图4A和4B)然后被用于根据等式(3)和(4)在框714处计算复数电机输入导纳的实部和虚部。在一些实施例中,仅波形的后一半(或其采样数据),并且优选地仅其最后四秒,用于计算实部和虚部导纳,从而避免外来噪声或干扰,例如,由于滤波器设定时间,外来噪声或干扰有时会出现在波形的前面。

在框716处,根据等式(2)根据输入导纳的实部计算转子电阻估计值。然后,在框718处,可以根据等式(6)根据转子电阻估计值计算转子温度升高估计值。然后,在正常电机运行条件下获得的转子温度升高估计值能够与在正常运行条件下获得的电机热状态估计值配对,以导出它们之间的相关性,该相关性可用于对转子温度升高进行建模。如前所述,建模可以由过载保护装置110内的热监测器116来执行,或者可以作为电机表征过程的一部分在外部执行,并且随后将结果提供给过载保护装置110。

图8示出了方法800的流程图,该方法可用于结合热监测器116计算或以其他方式获得电机热状态估计值。大多数电机过载保护装置采用热模型,通常是一阶模型,其可用于估计电机热状态。这种模型在本领域是众所周知的。热状态是利用电机RMS电流的平方获得的,通常是在标准化的单位(p.u.)的基础上提供的,例如,从0到1p.u.或者从0%到100%。

在图8的示例中,方法800通常从框802开始,在框802处,例如通过将电机热状态mtrThermState设置为零来初始化mtrThermState,并且定义或以其他方式设定电机的加热热时间常数τTH和额定电机电流In。在框804处,捕获或以其他方式获取电机的电流波形。在一些实施例中,以5000个样本/秒的采样率捕获三个连续波形,尽管当然可以使用不同数量的波形和采样率。在框806处,在100ms的时间间隔内计算平均电机RMS电流IRMS。在框808处,例如通过将平均RMS电流除以标称电流Ipu=IRMS/In来计算单位电流Ipu。在一些实施例中,平均RMS电流IRMS大约每100ms更新一次。在框810处,如下所示更新mtrThermState:

如果电机正在加热:

如果电机正在冷却:

在等式(10)中,coolTCRatio可能为0.25(以反映电机停止时传热效率较低的事实),mtrThermState(i)是当前的热状态,mtrThermState(j)是以前的热状态。或者,电机热状态mtrTermState可以被定义为mtrThermState(j+1)=mtrThermState(j)+…,其中(j)项表示以前的电机热状态,(j+1)项表示更新的电机热状态。一般来说,因为热模型的冷却时间常数可能不同于加热时间常数,所以热状态应该大约每100ms更新一次,以反映电机是在加热(运行)还是冷却。然后,可以使用这些热状态估计,根据上述内容导出与转子温度升高估计的相关性。

图9示出了方法900的流程图,该方法可用于结合热监测器116导出或计算热状态估计值和转子温度升高估计值之间的相关性。方法900通常从框902开始,在框902处,根据正常运行条件下的转子电阻估计值来计算转子温度升高估计值。在框904处,确定转子温度升高估计值是否示出转子温度相对于先前的转子温度升高估计值正在增加(即电机越来越热)。如果没有(即电机没有变得更热),则方法900返回到框902以计算另一个转子温度升高估计值。如果增加了,则在框906处,计算电机热状态估计值,并且在框908处,使用电机热状态估计值和转子温度升高估计值形成有序对。

在框910处,确定有序对是否满足一个或多个接受标准或者是否有效。接受标准可以包括,例如,转子温度升高估计值是否小于预定最小值(例如40开尔文),以及热状态估计值是否小于预定义的最小值(例如0.4p.u.)。根据具体应用,如果任一标准或两个标准都不满足,意味着电机没有显著发热,则方法900返回到框902以计算另一转子温度升高估计值。如果满足任一标准或两个标准,再次取决于特定应用,然后在框912处,重复上述过程,直到已经累积了预定义数量的有序对。在一些实施例中,需要至少25个有序对(即N≥25),但是根据具体应用,可以使用更少或更多的有序对。

在框914处,热状态估计值与转子温度升高估计值之间的相关性是通过绘制有序对并通过所绘制的对确定拟合的直线段的斜率来导出或计算的。然后,在框916处,可以使用该斜率对正常运行条件下的电机的转子温度升高进行建模。例如,对于给定的热状态,对应于该热状态的预期转子温度升高值可以使用如下标准线性方程y=mx+b来计算,其中m是直线的斜率,b是y截距:

Trise,expected=slope×mtrThermState+offset (11)

图10示出了曲线图1000,其示出了热状态估计值与转子温度升高估计值之间的示例性相关性。在图中,横轴表示热状态,纵轴表示转子温度升高估计值。数据点1002、1004和1006分别表示具有完全阻塞、部分阻塞和未阻塞风扇的电机的热状态和转子温度升高估计值的有序对,而线1008、1010和1012是穿过完全阻塞、部分阻塞和未阻塞的数据点的线。在不同的线1008、1010和1012之间可以看到清晰的分离,没有任何交叉,从而证实了使用线的斜率来预测给定热状态的转子温度升高值的可行性。然后,通过未阻塞的数据点拟合的线1012的斜率可用于对正常电机运行条件下的预期转子温度升高进行建模。在优选实施例中,数据点不应该聚集在一起,而是应该沿着热状态轴跨越至少0.2p.u.,以提供更精确的斜率。

图11示出了根据本发明实施例的、未阻塞风扇的测量的定子绕组温度升高值、示例性的转子温度升高值和计算的电机热状态的曲线图1100。在图中,横轴表示时间(小时),左轴表示温度升高值(摄氏度),右轴表示热状态(p.u.)。线1102代表定子温度升高值,线1104代表电机热状态,线1106代表转子温度升高值。数据是在18小时内获得的。可以看出,表示转子温度升高的线1106基本上跟踪表示电机热状态的线1104。

图12示出了类似于图11的曲线图1100的另一曲线图1200,除了这一次风扇被部分堵塞。线1202代表定子温度升高值,线1204代表电机热状态,线1206代表转子温度升高值。在该示例中,表示电机热状态的线1204没有改变,但是由于转子上的冷却空气减少,表示转子温度升高的线1206相对于图11中的线1106增加了。例如,如果差值大于第一预定义阈值,则电机可能正在经历热过载状况的开始。在这种情况下,热监测器116可以简单地发出警报。

图13示出了类似于图11的曲线图1100的另一曲线图1300,除了这一次风扇被完全堵塞。线1302代表定子温度升高值,线1304代表电机热状态,线1306代表转子温度升高值。再次,代表电机热状态的线1304没有改变,但是由于转子上的冷却空气显著减少,表示转子温度升高的线1306相对于图11中的线1106显著增加。例如,如果差值大于第二预定义阈值,则电机可能处于热过载状态。在这种情况下,热监测器可以采取一个或多个校正动作,包括切断电机电源、发出警报,诸如此类。

在前面的讨论中,参考了各种实施例。然而,本公开的范围不限于具体描述的实施例。相反,所描述的特征和元素的任何组合,无论是否与不同的实施例相关,都被设想来实现和实践所设想的实施例。此外,尽管实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优点,但是特定的优点是否由给定的实施例实现并不限制本公开的范围。因此,前面的方面、特征、实施例和优点仅仅是说明性的,并且不被认为是所附权利要求的要素或限制,除非在权利要求中明确陈述。

本文公开的各种实施例可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此,各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式,或结合软件和硬件方面的实施例,这些方面通常都被称为“电路”、“模块”、或“系统”。此外,各方面可以采取包含在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式,该计算机可读介质具有包含在其上的计算机可读程序代码。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备,或前述的任何合适的组合。非暂时性计算机可读介质的更具体的例子(非穷举列表)可以包括下列:具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(random access memory,RAM)、只读存储器(read-only memory,ROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory,EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(compact disc read-only memory,CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适的组合。包含在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质来传输,包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等,或前述的任何合适的组合。

用于执行本公开各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来编写。此外,这种计算机程序代码可以使用单个计算机系统或通过彼此通信的多个计算机系统来执行,例如使用专用局域网(private area network,PAN)、局域网(local area network,LAN)、广域网(wide area network,WAN)、因特网等。虽然前面的各种特征是参照流程图和/或框图描述的,但是本领域普通技术人员将理解,流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机逻辑实现(例如计算机程序指令、硬件逻辑、两者的组合等)。通常,计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器。此外,使用处理器执行这样的计算机程序指令产生了能够执行流程图和/或框图框中指定的功能或动作的机器。

附图中的流程图和框图说明了本公开的各种实施例的可能实现的架构、功能和/或操作。在这点上,流程图或框图中的每个框可以表示模框、代码段或代码部分,其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意,在一些替代实施方式中,方框中提到的功能可以不按图中提到的顺序发生。例如,连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行,或者这些框有时可以以相反的顺序执行,这取决于所涉及的功能。还将注意到,框图和/或流程图说明的每个框以及框图和/或流程图说明中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

应当理解,以上描述旨在说明性的,而非限制性的。通过阅读和理解以上描述,许多其他实施例是显而易见的。尽管本公开描述了具体示例,但是应当认识到,本公开的系统和方法不限于这里描述的示例,而是可以在所附权利要求的范围内进行修改来实施。因此,说明书和附图被认为是说明性的,而不是限制性的。因此,本公开的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

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