一种基于电流峭度的电机启动堵转检测方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种基于电流峭度的电机启动堵转检测方法。


背景技术：

2.电机作为动力来源，被广泛使用在各行各业，如各种机床、电动汽车、高铁机车、工厂动力设备、给排水设备、电梯、电风扇、空调等等。由于电机应用的工况条件复杂以及保护措施不完善，经常遇到电机转子被堵转的情况，例如电机转子上传动机构被抱死或者变速齿轮因异物或故障导致堵转、电梯传动链条被卡死、传送装置的皮带卡住、水泵流体介质结冰或者泥沙堵转等等。一旦发生堵转，电机的电流急剧上升，其远大于额定工作电流，甚至能达到额定电流的十几倍。巨大的电流导致电机功耗急剧增加，电机内部的温度快速上升，电机线圈绝缘漆损坏，导致电机内部短路，进一步增大的电机的电流，严重时甚至会引起火灾。目前，现有文献中给出的堵转检测技术普遍采用检测电机转速、电机反电动势、电机内部温度以及电机电流等方案。采用电机转速和电机内部温度来检测堵转方案，需要在电机的内部或者转轴上增加检测元件，导致电机结构复杂，进而影响整个电机的设计和制造工艺，增加成本和复杂性。采用反电动势方案检测堵转，一方面需要准确可靠的数学模型通过反电动势计算出转速；另一方面，当转速较低时，反电动势的值较小，采样得到的数据信噪比不高，容易受到噪声的干扰，需要复杂的信号处理方法，导致软件算法复杂，成本高。采用电流检测堵转，由于获取数据方面，无需改变结构而广泛使用。但现有方案往往只是检测电流的峰值大小来判断是否发生堵转，通过与出厂前测试获得的电机堵转电流参考值进行比较，进而判断水泵是否发生启动堵转。该方案主要存在以下问题：其一，电机老化及工作环境的差异等原因导致堵转电流漂移；其二，仅依靠启动电流峰值单点参数判断，会导致的误判及失效，降低判断的可靠性、鲁棒性和抑制干扰的能力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种基于电流峭度的电机启动堵转检测方法。本发明具有判断准确，结构简单，成本低廉的优点。
4.本发明的技术方案：一种基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，包括如下步骤：
5.步骤一、在电机正常软启动时，以采样周期ts为间隔对电机电流有效值进行采样，并计算采样数据的峭度和平均值
6.步骤二、在电机启动转堵检测时，同样以采样周期ts为间隔对电机电流有效值i
soft
(t)进行采样，并计算采样数据的峭度ir和平均值
7.步骤三、判断是否小于等于阈值β，若不是则认定电机正常软启动，若是
则进入步骤d；
8.步骤四、计算判断ψ是否小于等于阈值θ，若是则认定电机电机启动转堵故障。
9.上述的基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，步骤一中的采样过程是确定电机电流有效值的最大值出现时刻获取时间内的电流有效值的数据，组成数组
10.前述的基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，步骤二中的采样过程是确定电机电流有效值i
soft
(t)的最大值出现时刻获取时间内电流有效值i
soft
(t)的数据，组成数组
11.前述的基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，在电机正常软启动时，先判断电机运行工况是否发生改变，确认电机没有处于堵转及其他过载等非正常情况之后，再执行采样工作，控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。
12.前述的基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，在电机启动转堵检测时，先将软启动阻抗接入电机电源线，保证堵转时电流始终处于安全范围。
13.前述的基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，步骤四中，判断ψ是否大于等于阈值θ，若不是，则电机处于正常软启动状态，判断软启动定时是否结束，如果是，则控制器短路电机电源线上软启动阻抗，水泵进入正常工作程序；否则，等待。
14.与现有技术相比，本发明通过检测电机软启动特定时间窗口内电流峭度，并与正常软启动电流峭度进行分析，实现对电机是否存在堵转故障进行精准检测。本发明提出的电机启动堵转检测方法将电机运行工况发生改变时的正常软启动电流峭度作为基准值，能有效提高该算法适应不同工况环境以及抑制电机老化导致参数漂移及快速检测堵转的能力。本发明的硬件结构简单，只采样分析电流数据，成本低。此外本发明增加软启动阻抗有效限制启动电流，保证堵转时电流始终处于安全范围，保证电机安全可靠；本发明获取软启动电流窗口时间内电流峭度作为判别依据，算法简单的同时能有效降低误判，提高诊断的可靠性、鲁棒性和抑制干扰的能力。本发明获取工况发生改变(如工作环境改变、电机发生老化等)时的电机软启动电流峭度作为堵转检测的基准参考，能自适应电机工况及参数变化导致的堵转电流漂移。
附图说明
15.图1是为电机软启动电路原理图；
16.图2是为正常软启动电流和转速时间变化曲线图；
17.图3是堵转故障时软启动电流和转速时间变化曲线图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依
据。
19.实施例：一种基于电流峭度的电机启动堵转检测方法，包括电机正常软启动电流峭度获取算法和电机启动堵转检测算法两部分，电机正常软启动电流峭度获取算法包括如下步骤：
20.(1)判断电机运行工况是否发生改变(例如工作环境改变以及电机运行时间过长导致老化等)？如果是，则进入步骤(2)；否则，无需设置新的软启动电流参数，程序退出；
21.(2)确认电机当前没有处于堵转及其他过载等非正常情况之后，手动按下正常软启动电流峭度获取模式按键，执行软启动电流峭度获取程序，进入步骤(3)；
22.(3)控制器将软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。同时以采样周期ts为间隔开始对电机电流有效值进行采样；
23.(4)确定的最大值出现时刻
24.(5)获取时间内的电流有效值数据，组成数组计算其中：为的峭度；为平均值，满足：
25.(6)将保存到内存中，作为电机启动堵转识别算法的参考值。
26.(7)指示已成功更新软启动电流峭度并断开电源，电机停机；
27.(8)程序退出；
28.电机启动堵转识别算法，包括如下步骤：
29.(1)进入电机启动堵转识别程序；
30.(2)软启动阻抗接入电机电源线，电机开始软启动。同时以采样周期ts为间隔开始对电机电流有效值i
soft
(t)进行采样；
31.(3)获取i
soft
(t)的最大值及出现时刻
32.(4)获取时间内的电流有效值数据，组成数组计算数组平均值和峭度
33.(5)判断(其中β为设定阈值，例如：0.1，0.2)是否成立？如果是，进入步骤(6)；否则，进入步骤(8)；
34.(6)计算
35.(7)判断ψ≤θ(其中θ为很小正阈值，例如：0.05、0.1)是否成立？如果是，进入步骤
(10)；否则，进入步骤(8)；
36.(8)电机处于正常软启动状态，判断软启动定时是否结束？如果是，进入步骤(9)；否则，等待；
37.(9)闭合并联在软启动阻抗上的常开触点，软启动阻抗被短路，电机进入正常工作程序，进入步骤(11)；
38.(10)控制器断开电源接触器，报警电机启动堵转故障，进入步骤(11)；
39.(11)堵转识别程序退出；
40.为了进一步的阐述本发明的技术方案，图1所示为电机软启动电路原理图，主要包括常开接触器km1、电流有效值检测电路、三相软启动阻抗z、常开接触器km2、电机、控制器、按键s1、按键s2、按键s3、km1线圈及驱动电路和km2线圈及驱动电路。常开接触器km1用于接通或断开三相380v交流电，其线圈受控制器输出端口out1控制。当out1为高电平时，km1线圈通电，km1触点闭合。当out1为低电平时，km1线圈断电，km1触点断开。常开接触器km2用于短路三相软启动阻抗z，其线圈受控制器输出端口out2控制。当out2为高电平时，km2线圈通电，km2触点闭合，三相软启动阻抗z被短接，电机结束软启动，进入全压工作状态。当out2为低电平时，km2线圈断电，km2触点断开，三相软启动阻抗z接入电源线中，电机处于软启动状态。电流有效值检测电路用于检测电机的工作电流有效值。三相软启动阻抗z串联在电源线中，用于限制电机的启动电流，实现电机的软启动。开关s1为正常软启动电流峭度获取模式按键，连接到控制器输入端口in1。在电机运行工况发生改变(如工作环境改变、水泵发生老化等)时，手动按下s1，控制器执行电机正常软启动电流峭度获取算法。开关s2为电机运行启动按键，连接到控制器输入端口in2，用于启动运行。当控制器内存中不存在时，s2功能被屏蔽。此时按下开关s2，系统会提示用户系统中没有保存用户必须先按下s1执行正常软启动电流峭度获取算法。当控制器内存中存在的情况下，按下s2正常启动。开关s3为停止按键，连接到控制器输入端口in3。当按下s3时，控制器输出端口out1和out2为低电平，km1线圈和km2线圈断电，km1和km2的触点断开，电机停止运行。km1线圈驱动电路用于驱动km1线圈，受控制器输出端口out1的控制。当out1为高电平时，km1线圈通电；当out1为低电平时，km1线圈断电。km2线圈驱动电路用于驱动km2线圈，受控制器输出端口out2的控制。当out2为高电平时，km2线圈通电；当out2为低电平时，km2线圈断电。控制器通过获取开关s1、s2和s3的开关状态执行不同的功能程序。控制器在发现s1按下时执行正常软启动电流峭度获取算法，执行完毕之后，控制器显示已经成功获取软启动电流峭度，之后自动停机；当发现s2按下时，在已经获取软启动电流峭度的条件下，控制器执行正常的电机运行程序；当发现s3按下时，控制器执行停机操作。
41.图1所示为电机软启动电路的工作原理如下：
⑴
系统通电处于待机状态时，输出端口out1和out2均为低电平。控制器通过键盘扫描程序实时检测按键的状态，在发现s1按下后，控制器执行正常软启动电流峭度获取算法。此时，控制器使能软启动定时器运行，用于设定软启动时间。与此同时，控制器输出端口out1为高电平，km1线圈通电，km1的三相触点闭合，380v三相交流电接入电机。由于out2为低电平，km2触点保持断开状态，三相软启动阻抗z串联在电源线上，电机处于软启动状态。控制器通过ad实时采样电流有效值检测电路的
值，获取软启动阶段电流随时间的变化关系直至软启动定时结束。通过对软启动阶段电流的分析，获取峰值的出现时刻及窗口时间内的峭度并将其作为电机启动堵转识别的基准参考值存储于处理器的内存中。
⑵
在基准参考值已经存在的条件下，控制器通过键盘扫描程序发现s2按下后，控制器执行电机启动堵转检测算法。控制器使能软启动定时器运行。与此同时，控制器输出端口out1为高电平，km1线圈通电，km1的三相触点闭合，380v三相交流电接入水泵。由于out2为低电平，km2触点保持断开状态，三相软启动阻抗z串联在电源线上，电机处于软启动状态。控制器通过ad实时采样电流有效值检测电路的输出值i
soft
(t)，求出i
soft
(t)最大值出现时刻计算窗口时间内i
soft
(t)的峭度xr，进而计算无纲量通过判断ψ与设定的一个很小正阈值参数θ之间的关系(例如θ为0.05或0.1)，进而识别电机运行是否处于启动堵转故障状态。当满足ψ≤θ时，认为电机处于启动堵转故障，控制器输出端口out1为低电平，km1线圈断电，km1的三相触点断开，停机并报警堵转故障。当ψ＞θ时，电机处于正常启动状态，其状态一直持续到软启动定时结束。一旦软启动结束时，控制器输出端口out2为高电平，km2线圈通电，km2的三相触点闭合，结束软启动状态进入全压正常运行状态。
⑶
无论控制器是在执行正常软启动电流峭度获取算法还是执行电机启动堵转检测算法，只要发现s3按下后，out1和out2为低电平，立即停机。
42.图2所示为正常软启动电流和转速时间变化曲线图，图中相关参数说明如下：为正常软启动电流随时间t的关系曲线、为正常软启动转速随时间t的关系曲线、为达到最大值对应的时间、in为电机额定电流值、nts为软启动数据观测窗口时间、n为窗口时间内采样数据的数量、ts为采样周期、为软启动结束时间。
43.正常软启动时，已经确保了电机的工况不会出现堵转等情况。软启动开始时，由于电机等效电路的电磁惯性较小，软启动电流从零快速上升到但由于三相阻抗z的限流作用，可以控制的大小满足其中：α为大于零的数，具体数值可由实际情况确定。通过控制α的取值，可以保证电机的合成启动转矩不至过大也不至过小，实现电机能以一定的加速度正常软启动运行。加之电机机械转动惯性远大于电路的电磁惯性，所以在转速可忽略不计。但在合成转矩作用下，转速持续增加，其反电动势也持续增大，电流在持续减小。因反电动势的持续增大，故在下降程度逐渐减小，曲线逐渐平坦。但是，在观测窗口时间内，曲线变化明显。
44.图3所示为堵转故障时软启动电流和转速时间变化曲线图，图中相关参数说明如下：i
soft
(t)为堵转故障时软启动电流随时间t的关系曲线、n
soft
(t)为堵转故障时软启动转
速随时间t的关系曲线、为i
soft
(t)达到最大值对应的时间、为软启动堵转故障电流稳定值、为正常软启动电机电流的最大值、nts为软启动数据观测窗口时间、n为窗口时间内采样数据的数量、ts为采样周期、为软启动结束时间。
45.当电机堵转时，n
soft
(t)与时间轴重合，保持为零，其反电动势为零。由于电机等效电路的电磁惯性较小，软启动时电流从零快速上升，并在时刻到然后稍有下降，并快速达到堵转稳定电流由于正常软启动时间内转速很小，所以与差距很小。而由电机等效电路模型可知，模型中的漏电感和励磁电感很小，电机堵转时软启动的峰值电流与差距同样很小。所以有，的值差距很小。同理，和的差距同样很小。但是，图2和图3所示波形曲线在观测窗口时间和内，曲线变化明显，而i
soft
(t)变化不明显。通过峭度的定义及数学意义可知，一段区间内变化明显的波形其峭度很大，而变化不明显的波形其峭度很小。所以，有
46.由上述图1和图2分析可知，电机正常软启动电流和堵转故障软启动电流i
soft
(t)在各自时间窗口和内峭度差距很大，有因而，在获取正常软启动阶段电流峭度作为基准参考的基础上，求解实际工况软启动阶段电流的峭度xr及无纲量通过判断ψ与阈值θ(其中θ很小，例如：0.05、0.1)之间的关系，进而判断实际工况是否为堵转，实现电机的堵转快速识别和保护，提高电机的工作寿命和安全性。
47.综上所述，本发明通过检测电机软启动特定时间窗口内电流峭度，并与正常软启动电流峭度进行分析，实现对电机是否存在堵转故障进行精准检测。本发明提出的电机启动堵转检测方法将电机运行工况发生改变时的正常软启动电流峭度作为基准值，能有效提高该算法适应不同工况环境以及抑制电机老化导致参数漂移及快速检测堵转的能力。