三相电机系统、单相电机系统、运行状态检测装置和方法

三相电机系统、单相电机系统、运行状态检测装置和方法
【专利摘要】提供一种三相电机系统、单相电机系统、电机运行状态检测装置和方法。该电机运行状态检测装置包括：电阻器网络，能够连接到电机定子的三相绕组，并且设置有检测点对；测量单元，用于测量能够反映检测点对之间的电阻值的物理量；以及绕组状态确定单元，用于根据所测量的物理量的值确定绕组的运行状态；其中，电阻器网络和检测点对被布置为三相绕组中的每一相绕组的通断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另一组合所导致的检测点对之间的电阻值。
【专利说明】三相电机系统、单相电机系统、运行状态检测装置和方法

【技术领域】
[0001] 本公开一般地涉及电机断相保护领域，尤其涉及一种星形连接的三相电机系统、 单相电机系统，以及电机运行状态检测装置和方法。

【背景技术】
[0002] 电机损坏主要是由于电机在断相状态下运行引起的。电机断相主要包括：电机绕 组本身断开引起的断相、三相交流电源与电机端子之间连接线路断开引起的断相，以及交 流电源各相线中发生的断相或逆相。要进行电机运行保护，则需要准确并及时地对上述几 种情况的发生进行检测。
[0003] 在一种已知方案中，考虑到电机在绕组本身故障情况下运行会导致绕组的异常发 热，通过检测绕组的异常温升来检测绕组的损坏。具体地，通过在安装电机时在绕组处安装 的温度传感器来检测温升。或者，考虑到温度对电阻阻值的影响，通过估计电机定子绕组的 电阻值来间接地确定定子绕组温升，从而检测绕组是否损坏。
[0004] 在另一种已知方案中，利用光电耦合器，在交流电源的三相接触器闭合时对各相 线电压进行耦合，通过脉冲相差算法检测三相电源的断相和逆相故障。


【发明内容】

[0005] 然而，在上述第一种已知方案中，绕组的温升也可能是由于过载等问题引起的，因 而依据绕组温度变化来确定绕组断相可能是不准确的。此外，通过估计绕组电阻来检测断 相的方法需要建立复杂的数学模型和算法，增加了检测成本。再者，这种方案只对绕组断相 进行检测，而没有考虑由于电源故障引起的电机断相运行，因而无法全面地对电机运行状 态进行检测。
[0006] 此外，在上述第二种已知方案中，由于使用了光电耦合器，则在应用于星形连接的 电机时，会因为电机定子产生的反电动势而无法检测到三相接触器与电机定子之间发生的 线路断开。此外，这种方案只对电源状态进行检测，而不能检测电机绕组的断相，因而也无 法全面地对电机运行状态进行检测。
[0007] 鉴于存在的问题，本发明的一个目的是提供一种电路结构简单、算法简单、能够准 确地检测出由于电机绕组断相而发生的电动机运行故障的检测装置、使用其的电机系统。
[0008] 此外，本发明的另一个目的是提供一种电路结构简单、算法简单、能够准确地检测 出各种原因引起的电机运行故障，并且准确性不受定子反向电动式影响的检测装置、使用 其的电机系统。
[0009] 此外，本发明的再一个目的是提供一种电路结构简单、算法简单、能够准确地检测 出由于电源故障引起的电机运行故障，并且准确性不受定子反向电动式影响的检测装置、 使用其的电机系统。
[0010] 根据本公开的一个方面，提供一种检测装置，用于检测电机运行状态，包括：电阻 器网络，能够连接到电机定子的三相绕组，并且设置有检测点对；测量单元，用于测量能够 反映检测点对之间的电阻值的物理量；以及绕组状态确定单元，用于根据所测量的物理量 的值确定绕组的运行状态；其中，电阻器网络和检测点对被布置为三相绕组中的每一相绕 组的通断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另一组合所导致的检测点 对之间的电阻值。
[0011] 在根据本公开的实施例中，电阻器网络可以包括第一电阻器、第二电阻器、第三电 阻器和第四电阻器，并且按照第三、第一、第二和第四电阻器的顺序串联连接。串联电阻器 组的两端以及第一和第二电阻器的连接点被配置为分别与电机定子的三相绕组连接。并且 第三和第一电阻器的连接点以及第二和第四电阻器的连接点可以用作检测点对。
[0012] 在根据本公开的实施例中，测量单元可以包括：分压单元；直流电源，经由分压单 元连接到检测点对中的第一检测点；以及电压测量单元，用于测量第一检测点处的电压值 作为物理量。其中，检测点对中的第二检测点可以被接地。
[0013] 在根据本公开的实施例中，检测装置还可以包括：控制单元，用于在电机从交流电 源断开的情况下，启动检测装置的检测。
[0014] 在根据本公开的实施例中，控制单元可以被进一步配置为在检测装置初始化之 后、交流电源接通之前启动检测装置的检测。
[0015] 在根据本公开的实施例中，控制单元可以被进一步配置为在电机处于周期性断电 期间启动检测装置的检测。
[0016] 在根据本公开的实施例中，绕组状态确定单元可以被进一步配置为根据测量的预 定数量的物理量的平均值确定绕组的运行状态。
[0017] 在根据本公开的实施例中，检测装置还可以包括交流电源检测单元。交流电源检 测单元可以包括：线电压计算单元，用于计算各相线之间的线电压；以及电源状态确定单 元，用于根据所计算的线电压确定交流电源的工作状态。
[0018] 在根据本公开的实施例中，线电压计算单元可以包括第一和第二差分运算放大 器。该第一和第二差分运算放大器的正向和反向输入端共同连接到三相电源的其中一个相 线。该第一和第二差分运算放大器的剩余的输入端分别经由电阻器连接到另外两个相线。 并且，该第一和第二差分运算放大器的输出端连接到电源状态确定单元。
[0019] 在根据本公开的实施例中，该第一和第二差分运算放大器的该剩余的输入端分别 经由根据本公开的电阻器网络中的电阻器连接到另外两个相线。
[0020] 在根据本公开的实施例中，电源状态确定单元可以被进一步配置为通过根据线电 压计算电源电压的有效值，并与标称值相比较来确定电源的工作状态。
[0021] 根据本公开的一个方面，还提供一种检测装置，用于检测交流电源状态，包括：线 电压计算单元，用于计算各相线之间的线电压；以及电源状态确定单元，用于根据所计算的 线电压确定电源的工作状态。
[0022] 在根据本公开的实施例中，线电压计算单元可以包括第一和第二差分运算放大 器；第一和第二差分运算放大器的正向和反向输入端共同连接到三相电源的其中一个相 线，第一和第二差分运算放大器的剩余的输入端分别经由电阻器连接到另外两个相线；并 且第一和第二差分运算放大器的输出端连接到电源状态确定单元。
[0023] 在根据本公开的实施例中，电源状态确定单元可以被进一步配置为通过根据线电 压计算电源电压的有效值，并与标称值相比较来确定电源的工作状态。
[0024] 根据本公开的一个方面，还提供一种星形连接的三相电机系统，包括根据上面描 述的检测装置。
[0025] 根据本公开的一个方面，还提供一种单相电机系统，包括：主绕组；辅助绕组；辅 助电阻器，其一端连接至主绕组和辅助绕组的公共端，辅助电阻器的阻值依据主绕组和辅 助绕组的阻值确定；以及电阻器网络，其不同端口分别连接到主绕组和辅助绕组的非公共 端以及辅助电阻器的另一端，并且电阻器网络设置有检测点对；测量单元，用于测量能够反 映检测点对之间的电阻值的物理量；以及绕组状态确定单元，用于根据所测量的物理量的 值确定绕组的运行状态；其中，电阻器网络和检测点对被布置为主绕组和辅助绕组中每一 个的通断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另一组合所导致的检测点 对之间的电阻值。
[0026] 根据本公开的一个方面，还提供一种检测电机运行状态的方法，包括：将电阻器网 络连接到电机定子的三相绕组，并在电阻器网络上布置检测点对；测量能够反映检测点对 之间的电阻值的物理量；以及根据所测量的物理量的值确定绕组的运行状态；其中，布置 电阻器网络以及检测点对，使得三相绕组中的每一相绕组的通断状态组合之一所导致的检 测点对之间的电阻值不同于另一组合所导致的检测点对之间的电阻值。
[0027] 利用根据本公开的电机运行状态检测装置、电源检测装置和使用它们的电机系统 和方法，为利用简单的电路结构、简单的算法来准确全面的检测电机的运行状态提供了可 能。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其 它目的、特点和优点。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图 标记来表示。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。
[0029] 图1是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置的结构的框图。
[0030] 图2是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置的结构以及在星形三相 电机的检测中使用时的电路图。
[0031] 图3的（a)是三相绕组正常运行时电阻器网络与绕组所构成的闭合回路的直流等 效电路图。
[0032] 图3的（b)和（c)是对图3的（a)所示的电路进行星形连接到三角形连接的电路 变换以及串并联转换之后得到的等效电路图。
[0033] 图4的（a)是三相绕组中U相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。
[0034] 图4的（b)是对图4的（a)所不的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。
[0035] 图5的（a)是三相绕组中V相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。
[0036] 图5的（b)是对图5的（a)所示的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。
[0037] 图6的（a)是三相绕组中W相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。
[0038] 图6的（b)是对图6的（a)所示的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。
[0039] 图7的（a)是三相绕组中的U相和V相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电 路的直流等效电路图。
[0040] 图7的（b)是对图7的（a)所示的电路图进行整理后得到的电路图。
[0041] 图8的（a)是示意性示出单相电机的结构的电路图。
[0042] 图8的（b)是简化示出在单相电机上使用根据本发明实施例的检测装置的连接方 法的示意图。
[0043] 图9是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置的工作流程的流程图。
[0044] 图10是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置的结构的电路图。
[0045] 图11是示出根据本公开实施例的线电压计算单元的结构的电路图。
[0046] 图12是示出根据本公开实施例的对三相电源进行检测的过程的流程图。
[0047] 图13是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装的过程的流程图。
[0048] 图14是示出根据本公开实施例的电机绕组和电源检测处理执行时序的时序图。

【具体实施方式】
[0049] 下面参照附图来说明本发明的实施例。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中 省略了与本发明无关的、本领域技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
[0050] 对电机运行状态的检测可以大略分为对电机定子绕组状态的检测以及对三相电 源的供电状态检测。其中，对电机定子绕组状态的检测基于这样的构思：如果构造一个电阻 器网络，使其与电机定子的各相绕组组成闭合回路，则可以通过为该电阻器网络设置特定 的结构并为电阻器网络中的电阻器选择相应的电阻值，使得能够在该电阻器网络中至少存 在一对检测点，当定子各相绕组中至少之一发生断相故障时，在该对检测点之间的电阻值 发生变化。从而，可以通过测量该电阻值，或者测量能够反映该电阻值的其它物理量来确定 绕组的状态。
[0051] 图1是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置100的结构的框图。电机 运行状态检测装置100包括：电阻器网络101、测量单元102以及绕组状态确定单元103。
[0052] 电阻器网络101能够连接到电机定子的三相绕组（U相、V相和W相)，并设置有检 测点对a和b。当电阻器网络101已经连接到电机的三相绕组时，电阻器网络101与三相绕 组的电阻一起构成新的电阻网络。当适当地布置电阻器网络和检测点对时，三相绕组的通 断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另一组合导致的检测点对之间的 电阻值。至于如何具体地设置电阻器网络的结构和各电阻器的阻值并且适当地选择检测点 对的位置，以达到三相绕组的通断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另 一组合导致的检测点对之间的电阻值的效果，本领域技术人员可以通过有限次的计算或实 验来进行设计。
[0053] 测量单元102测量能够反映检测点对a和b之间的电阻值的物理量，并将所测量 的物理量输入到绕组状态确定单元103。例如，测量单元102可以使用本领域已知的各种方 法直接测量检测点a和b之间的电阻值，也可以通过测量检测点a和b之间的诸如电压的 其它物理量来间接反映该电阻值。
[0054] 直接对检测点a和b之间的电阻值进行测量，例如，可以依据不同的测量方式，诸 如直流条件下的电阻测量（R=U/I)或者交流条件下的电阻测量（R=P/I 2)等来实现。相应地， 测量单元102可以采用不同的方式来实现，只要能够测量出检测点对间电阻的阻值即可。
[0055] 绕组状态确定单元103根据获得的物理量的值来确定定子绕组是正常运行还是 断相运行。如果是断相运行，状态确定单元103还可以根据获得的物理量值的大小得知具 体是哪一(些）相绕组断相。可以通过在模拟实验或计算中分别断开不同的绕组，预先获得 不同断相情况下检测点对a和b之间的电阻值或者其它能够反应该电阻值的物理量值，以 供状态确定单元103作为确定状态的基准。
[0056] 下面结合图2描述电机运行状态检测装置200的电路结构以及应用于三相星形连 接电机检测时的实例。检测装置200是检测装置100的一个示例性实现方式，但检测装置 100的实现不限于这种方式。
[0057] 如图2所示，三相电源(其三相线为LI、L2和L3)为星形连接的电机供电。这里， 定子三相绕组（U、V和W)的绕组电阻基本相等，统一用Rs表示。N表示三相电源的中性线。
[0058] 在图2的实施例中，电阻器网络包括电阻器Rl、R2、R3和R4,且与定子绕组连接。 如图2可见，电阻器Rl、R2、R3和R4与绕组电阻Rs构成了闭合回路。具体地，电阻器R3、 R1、R2和R4按顺序串联连接，且得到的串联电阻器组的一端与绕组U连接，另一端与绕组W 连接，且绕组V连接在电阻器R1和R2的连接点处。将位于电阻器R1和R3之间的点a以 及位于电阻器R2和R4之间的点b配置为检测点对。从而，测量单元可以对检测点a和b 之间的电阻值进行测量。
[0059] 可以理解，在图2所示的电阻器网络中，要使得当不同相的绕组发生断相时检测 点a和b之间的电阻能够取到不同的阻值，可以使电阻器R1、R2、R3和R4的取值相对于三 相绕组不对称。相似地，在其它电阻网络的实现方式中，要使得当不同相的绕组发生断相时 检测点a和b之间的电阻能够取到不同的阻值，可以使检测点对a和b之间的电阻器网络 的结构(包括拓扑和所取电阻值）相对于三相绕组不对称。在本实例中，可以取Rl=l〇MQ、 R2=9M Ω、R3=1M Ω 且 R4=10M Ω。
[0060] 下面利用图3至图7,结合图2中所示的电阻器网络实例详细说明在绕组的连接 状态改变时，检测点a和b之间的电阻值Rab的变化。图2所示的电阻器网络是示例性的。 本领域技术人员可以通过参考以下结合图3至图7对示例电阻器网络的分析，得到构造符 合检测点间电阻值变化要求的其它电阻器网络的启示。
[0061] 图3的（a)是三相绕组正常运行（即不存在断相故障）时电阻器网络与绕组所构成 的闭合回路的直流等效电路图。在图3的（a)所不情形中，二相绕组U、V、W不存在断相， 因而，三相绕组分别与串联电阻器组的两端以及R1和R2的连接点连接。图3的（b)和（c) 是对图3的（a)所示的电路进行星形连接到三角形连接的电路变换以及串并联转换之后得 到的等效电路图。从图3的（c)可知，在三相绕组正常连接的情况下，Rab的值如式（1)所 示：
[0062] Rab=Ra，+Rb，+(R1，+R2,）/7(R3, +3Rs+R4,） (1)
[0063] 其中，1^'、诎'、1?1'、1?2'、1?3'和1?4'是经过上述变换所得到的等效电阻值。由于 该变换对本领域技术人员来说是熟知的，因而在此省略其详细说明。
[0064] 图4的（a)是三相绕组中U相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。图4的（b)是对图4的（a)所示的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。 如图4的（b)可知，在U相绕组发生断相，其它两相绕组正常运行的情况下，Rab的值如式 (2) 所示：
[0065] Rab=Rl+R2//(2Rs+R4) (2)
[0066] 图5的（a)是三相绕组中V相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。图5的（b)是对图5的（a)所示的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。 从图5的（b)可知，在V相绕组发生断相，其它两相绕组正常运行的情况下，Rab的值如式 (3) 所示：
[0067] Rab=(R1+R2)//(R3+2Rs+R4) (3)
[0068] 图6的（a)是三相绕组中W相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电路的直流 等效电路图。图6的（b)是对图6的（a)所示的电路进行串并联转换后得到的等效电路图。 从图6的（b)可知，在W相绕组发生断相，其它两相绕组正常运行的情况下，Rab的值如式 (4) 所示：
[0069] Rab=Rl// (R3+2Rs)+R2 (4)
[0070] 图7的（a)是三相绕组中的U相和V相发生断相时电阻器网络与绕组所构成的电 路的直流等效电路图。图7的（b)是对图7的（a)所不的电路图进行整理后得到的电路图。 经过对图7的（a)和（b)进行观察可知，除了 U相和V相发生断相的情形，实际上，在任意两 相发生断相而第三相正常运行的情形下，Rab的值都如式（5)所示：
[0071] Rab=Rl+R2 (5)
[0072] 根据上面的式（1)?（5)可以清楚地看出，对应于绕组的不同状态，Rab有不同的 电阻值，因而可以通过测量Rab或能够反映 Rab的值的其它物理量来确定电机各相绕组的 运行状态。
[0073] 根据式（1)?（4)可知，绕组的电阻值Rs会影响绕组正常和单相断相情况下的检 测点间电阻值Rab。因此，在一些实施例中，尽量将R1、R2、R3和R4的阻值取高，例如，取为 具有兆欧（ΜΩ )级的高阻值电阻。这样做的好处之一是：由于绕组电阻Rs通常只具有几欧 或几十欧的阻值，所以绕组电阻Rs随着绕组温度的升降而发生的变化不会对Rab的测量乃 至电机运行状态确定的准确性产生明显影响。甚至，在一些实施例中，在计算不同绕组状态 检测点对之间的电阻值时，可以忽略绕组电阻Rs。
[0074] 在一些实施例中，可以对反映检测点之间电阻的电压值进行测量。例如，可以在交 流电源停止对电机供电时，通过经由电阻器网络向三相绕组提供直流电，然后测量检测点 处的电压来间接检测检测点对之间的电阻值变化。例如，可以经由分压电阻从检测点对中 的第一检测点向检测网络提供直流电，并将第二检测点接地。在这种情况下，第一检测点处 的电压值将反映出检测点对之间的电阻值变化，进而反映出所连接的三相绕组的正常或断 相状态。
[0075] 具体地，测量单元102可以被实现为包括：分压单元；直流电源，经由分压单元连 接到检测点对中的第一检测点；以及电压测量单元，在检测点对中的第二检测点接地的情 况下，检测第一检测点处的电压值，以作为确定绕组状态的参数。
[0076] 返回参考图2。提供直流电压Vdd的开关电源201 (作为"直流电源"的实例）经 由分压电阻器Rdiv (作为"分压单元"的实例）连接到电阻器网络上的检测点对中的检测点 a (作为"第一检测点"的实例)。虽然这里以开关电源201作为直流电源的实例，但本领域 技术人员可以理解：可以根据需要使用本领域熟知的各种其它直流电源。直流电源Vdd例 如可以是12V、18V或24V等。
[0077] 在电阻器网络上的另一检测点b (作为"第二检测点"的实例)被接地时，检测点对 间的电阻Rab与分压电阻器Rdiv对Vdd进行分压，由于分压电阻器R div阻值固定，所以电阻 Rab上的电压值，即在检测点a处的电压值与电阻Rab成比例。因而，可以对检测点a处的 电压值进行测量，作为确定绕组状态的参数。分压电阻器R div的阻值可以依据Rab的可能 阻值预先确定，一般取与电阻器网络中的电阻器同样级别的电阻，例如兆欧级电阻。
[0078] 在图2的实例中，分压单元实现为分压电阻器Rdiv。但分压单元的实现方式不限于 此。例如，也可以是其它串并联电阻网络等。
[0079] 这里，包括分压单元的测量单元102只是测量单元的一个实例。在不同的实施例 中，测量单元102还可以包括其它元件，可以使用不同于分压构思的配置。
[0080] 在图2的实例中，用于根据测量的物理量的值确定绕组的运行状态的绕组状态确 定单元是通过MCU (微处理器）202来实现的。本领域技术人员可以了解，绕组状态确定单 元的例子不限于此，例如还可以是搭建的专用电路结构等。这里，顺带提及，开关电源201 除了提供直流电源Vdd之外，还可以用于向MCU202供电，诸如5V或3. 3V。
[0081] 如图2中所示，在直流电源接通后，检测点a处的电压被经由MCU202的ADC输入 端输入到MCU202。在MCU202中可以首先对获得的电压值进行模数转换，将电压值转换为用 若干位二进制数表示的参数，以便于MCU202进行处理。然后，将模数转换后的电压值与预 存的多个特定电压值进行比较，以确定绕组的运行状态。具体地，当模数转换后的电压值等 于特定阈值，或以一定程度靠近特定阈值的情况下，将绕组状态确定为与该特定电压值相 对应的状态。
[0082] 在一些实施例中，可以对检测点a处的电压进行预定数量的采样，并将经过模数 转换后的电压的平均值与特定电压值进行比较，以确定绕组的状态。这样做的好处是可以 避免因偶然事件造成的误判断。
[0083] 在一个实施例中，电机运行状态检测装置200还可以包括控制单元，用于控制电 机运行状态检测装置200启动或结束检测处理。具体地，控制单元在电机从交流电源断开 时，启动检测装置200的检测。例如，控制单元基于绕组检测需求，响应于交流电源断开，接 通测量单元中的直流电源，并启动绕组状态确定单元。
[0084] 如图2的示例中，在电源Vdd与分压电阻器Rdiv之间还连接有启动开关K。启动开 关K响应于来自MCU202 (作为"控制单元"的实例）的检测启动信号接通直流电源Vdd的供 电，从而开始获得反映电阻Rab的检测点对a和b之间的电压值，这里是检测点a处的电压 值。MCU202根据来自三相电源的三相接触器的信号确定三相接触器的断开或闭合。在三相 接触器断开即交流电源不对电机供电的情况下，MCU202经由其输入/输出管脚I/O向测量 单元，具体地，向测量单元中的启动开关K发送检测启动信号。
[0085] 在一个实施例中，MCU202可以进行控制，以在检测装置初始化之后，并在交流电源 接通之前，启动检测装置的检测。同时，或可选择地，例如，MCU202可以进行控制，以在电机 处于周期性断电期间启动检测装置的检测。这特别可以应用于空调压缩机应用中。具体地， 在空调压缩机由于环境温度达到要求而处于周期性关闭期间，进行绕组状态检测。
[0086] 在一个实施例中，作为断相保护，当检测到绕组发生断相故障时，MCU202可以进行 控制以断开交流电源的三相接触器(如图2中从MCU202指向三相接触器的箭头所示)。
[0087] 从图2所示的实例中可以看出在电阻器网络中采用较高阻值的电阻的另一个优 点是可以地对交流高压和直流低压进行良好的隔离/去耦。
[0088] 图2中示出了在星形连接的三相电机中使用根据本发明实施例的检测装置的例 子。下面，参考图8说明根据本发明实施例的检测装置也可以用于单相电机。
[0089] 图8的（a)是示意性示出单相电机的结构的电路图。单相电机包括两个绕组，即 主绕组和辅助绕组R tt。如图8的（a)所示连接在R、C端之间的为单相电机的主绕组， 连接在S、C之间的为单相电机的辅助绕组。经研究发现，如果通过增加辅助电阻器Rt，使 其一端与作为主绕组和辅助绕组公共点的C点连接，则可以构造出类似于星形连接的三相 电机的构造。如图8的（b)中所示。
[0090] 图8的（b)是简化示出在单相电机上使用根据本发明实施例的检测装置的连接方 法的示意图。主绕组、辅助绕组的非公共端分别与根据本发明实施例的检测装置的电阻器 网络中的两个连接点相连，而辅助电阻器Rt的一端与主绕组和辅助绕组的公共端连接，另 一端与电阻器网络的剩余一个连接点相连。电阻器Rt的电阻值可以通过有限次的实验或 计算，基于辅助绕组和主绕组的阻值来确定。在图8 (b)的实施例中，检测装置采用了图2 中所示的电阻器网络结构，但本领域技术人员会了解：可以使用根据本公开中说明的任何 实施例的检测装置来检测单相电阻器，只要按照上述说明构造辅助电阻器，并与检测器的 电阻器网络适当连接即可。
[0091] 下面结合图9来描述电机运行状态检测装置的工作流程。
[0092] 图9是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置的工作流程的流程图。以 图2中所示的检测装置200为例，在步骤S901中，MCU202确定电机是否断电，即确定三相 接触器是否断开。MCU202可以根据来自三相接触器的信号做出该确定。当确定为电机没 有被提供交流电时(步骤S901中为"是")，则进入到步骤S903, MCU202经由输入/输出管 脚（I/O管脚)发出检测启动信号以启动检测装置的检测。而当确定为正在为电机提供交流 电时(步骤S901中为"否")，在需要启动对电机绕组的检测的情况下，则进行到步骤S902， MCU202发出关断三相接触器的命令。然后，在三相接触器关断后进入到步骤S903,启动检 测装置。
[0093] 例如，如在图2所示的实施例中，启动开关K响应于MCU202启动检测的请求(检测 启动信号）而闭合，以接通开关电源201，向分压电阻器R div以及电阻器网络与绕组组成的 闭合回路（由于这里检测点b接地，因此实际上就是对分压电阻和检测点之间的电阻Rab) 提供直流电。在启动开关K闭合期间，在检测点a处保持输出反映 Rab阻值的直流电压值。 该电压值被提供到MCU202的模数转换（ADC)管脚。
[0094] 在步骤S904中，MCU202按照预定的间隔对检测点a处的电压值进行采样，并利用 其包含的ADC模块将采样到的电压值转换为数字信号，以便于MCU202进行处理。
[0095] 当采样够预先确定的N个采样时，在步骤S905中，MCU202对N个采样值求平均值。 在实际应用中，根据需要N可以取大于等于1的整数。
[0096] 在步骤S906中，MCU202将所取得的平均值与特定的阈值进行比较，当该平均值等 于特定阈值，或以一定程度靠近特定阈值的情况下，确定为电机当前状态为该特定阈值所 对应的运行状态(步骤S906中为"是")，则在步骤S907中得到不同的状态确定结果。而如 果所取得的平均值不等于或靠近任何一个特定阈值的情况下(步骤S906中为"否")，流程 回到步骤S904, MCU202重新开始进行采样。
[0097] 在步骤S907中示出了不同的确定结果以及其确定依据。其中，"Thn。/ "Thv"、"THW"以及"Thuvw"分别表示在电机绕组处于正常运行状态、U相断相状态、V相断相 状态、W相断相状态以及至少两相断相状态的情况下，测量单元所测量的物理量(这里是其 采样值经模数转换之后求平均得到的平均值)应该达到的标准值，可以通过如参考图3到图 7说明的电路变换和计算，以及相应物理量之间的转换(如电阻到电压）进行求取。" Λ "表 示距特定阈值的距离(靠近程度)，例如Λ =± IV或者±1ΜΩ。对于针对不同情况的阈值，Λ 的大小可以是相同的也可以是不同的。在确定绕组运行状态后，检测流程结束。
[0098] 上文中讨论了对电机的绕组运行状态进行检测的装置和方法。在其它实施例中， 为了防止由于三相电源断相或逆相产生的问题，还可以在电机运行状态检测装置中增加三 相电源检测单元。三相电源检测单元可以包括：线电压计算单元，用于计算各相线之间的线 电压；以及电源状态确定单元，用于根据所计算的线电压确定电源的工作状态。例如，电源 状态确定单元可以利用获得的线电压来计算电源电压的有效值（RMS )。然后，可以通过与已 知的正常工作时的有效值(标称值）进行比较来确定电源的工作状态。
[0099] 图10是示出根据本公开实施例的电机运行状态检测装置1000的电路结构的电路 图。这里只对图10中与图2不同的部分进行说明，省略相同部分的描述。与图2所示电机 运行状态检测装置200相比，电机运行状态检测装置1000进一步设置了三相电源检测单 元。在图10所示实施例中，分别由线电压计算单元1003和MCU1002来实现三相电源检测 单元的线电压计算单元和电源状态确定单元。
[0100] 在图10的实例中，线电压计算单元1003计算各相线之间的线电压。线电压计算 单元1003的三个输入端连接在由电阻器R1至R4组成的串联电阻器组的三个连接点处，基 于从这三个点获得的交流输入来计算第一相线L1和第二相线L2以及第三相线L3和第二 相线L2之间的线电压和V m2。然后，线电压计算单元1003将线电压和Vm2输入 到MCU1002。在这里，MCU1002用作电源状态确定单元的实例，其可以根据计算的线电压计 算RMS，然后通过与预定阈值进行比较，进一步确定三相电源的欠压/过压、断相、逆相或者 不平衡。
[0101] 线电压计算单元1003可以采用本领域已知的各种结构、方式来构造，只要能够计 算出各相线之间的线电压即可。且线电压计算单元1003在电机运行状态检测装置中的连 接不限于图10中的实例。事实上，线电压计算单元1003连接到已有的电阻器网络R1至R4 处是为了充分利用已有器件，从而减小使用的器件数目，也可以单独为线电压计算单元设 置专用的电阻器等器件。此外，作为一种电机运行状态检测装置的实例，可以在不存在对绕 组断相检测的布置的情况下，在电路中单独布置用于进行电源检测的三相电源检测单元。
[0102] 下面结合图11描述根据本发明实施例的线电压计算单元1100的示意结构。如图 11所示，线电压计算单元1100包括两个反向放大器。其中，按图中示例性示出的位置，上方 的反向放大器的正向输入端与下方反向放大器的反向输入端连接，并共同连接到三相电源 的第二相线L2。此外，上方反向放大器的反向输入端和下方反向放大器的正向输入端分别 经由电阻器R3和R4连接到另外两个相线L1和L3。
[0103] 根据图11中所示的电路结构，可以得到下面的等式组（6):
[0104] VL1-VL2=K1XVL1L2；
[0105] VL3-VL2=K2XVL3L2;以及
[0106] VL1+VL2+VL3=0 (6)
[0107] 其中，K1和K2是电路增益。
[0108] 因此，可以得到三相线的线电压VU、'2、VU的值为：
[0109] VL1=2/3 X ΚΙ X VL1L2-l/3 X K2 X VL3L2 ；
[0110] VL2=-l/3 X ΚΙ X VL1L2-2/3 X K2 X VL3L2 ;以及
[0111] VL3=-l/3 X ΚΙ X VL1L2+2/3 X K2 X VL3L2 〇
[0112] 基于获得的线电压，可以确定三相电源是否存在断相或逆相。
[0113] 图11中例示而非限制地描述了线电压计算单元的结构。本领域技术人员可以理 解：也可以使用正向放大器和/或其它电路元件来搭建线电压计算单元，只要将线电压或 者相电压变换为MCU能够识别和检测的低电压即可。在使用差分运算放大器来搭建线电压 计算单元，且该线电压计算单元包括第一和第二差分运算放大器时，使得第一和第二差分 运算放大器的正向和反向输入端连接，并共同连接到三相电源的其中一个相线。并且，使得 第一和第二差分运算放大器的剩余的输入端分别经由电阻器连接到另外两个相线。
[0114] 图12示出根据本发明实施例的对三相电源进行检测的过程的流程图。在步骤 S1201中，对相线之间的线电压（'12和'%2)进行测量或计算。可以采用本领域已知的各 种方法来获得电源线电压。接下来，在步骤S1202中，利用获得的线电压计算三相电的有效 值（RMS)。接下来，在步骤S1203中，利用求取的RMS值，通过与标称有效值或预先确定的阈 值进行比较，判断电源状态是否正常。
[0115] 如果确定为电源状态是正常的（步骤S1203中为"是")，则返回步骤S1201以进行 下一次电源检测，或者根据系统要求进入其它处理。
[0116] 如果确定为电源状态不正常(步骤S1203中为"否")，则在步骤S1204中通过与标 称值或特定阈值进行比较来识别电源故障种类。例如，在步骤S1205中，可能将电源故障种 类确定为欠压/过压、断相、逆相和不平衡等。然后，电源检测处理结束。
[0117] 图13是示出图10中所示电机运行状态检测装置的检测流程的流程图。
[0118] 首先，在步骤S1301中，启动对三相电源状态的检测。在步骤S1302中，检测三相 电源是否正常。当检测出三相电源运行不正常，例如存在断相或逆相时（步骤S1302中为 "否")，处理进入到步骤S1303,进入预先定制的电源故障处理例程。当检测出三相电源正常 供电(步骤S1302中为"是"）时，在步骤S1304中，断开交流电源的三相接触器，停止对电机 供电。并且，在步骤S1305中，启动绕组检测。
[0119] 在S1306中，对检测点的电阻值或者其它物理量进行采样。按照预定规则进行处 理后(诸如模数转换和/或求取特定数量物理量的平均值)，与预先确定的阈值进行比较。
[0120] 在S1307中，依据比较结果确定绕组状态是否正常。如果绕组状态不正常(步骤 S1307中为"否")，则进行到步骤S1308,进入绕组故障处理例程。
[0121] 如果绕组状态正常(步骤S1307中为"是")，则在步骤S1309中确定是否启动电机。 如果确定为不启动电机(步骤S1309中为"否")，例如，尚未到达启动电机的定时，则在一个 实施例中，可以返回到步骤S1301，继续进行三相电源的检测。
[0122] 如果确定为启动电机(步骤S1309中为"是")，则在步骤S1310中启动电机，使电机 开始运行。电机运行状态检测结束。
[0123] 在图13所示的实施例中，例如在步骤S1304中主动断开三相接触器以进行绕组检 测。在具体实现中，也可以对三相电源的通断状态进行监视，在例如电源周期性断开的期间 启动绕组检测处理。
[0124] 图14是示出利用根据本发明实施例的电机运行状态检测装置进行绕组检测和电 源检测与电机工作的时序关系的时序图。图14中所示的工作时序尤其适用于空调压缩机 运行状态的检测。
[0125] 如图14所示，在检测装置上电初始化之后，电机通电之前的延迟期间，检测装置 可以对电机绕组进行第一次检测。在确定绕组无故障后，将电机通电，开始正常运行。在电 机通电期间，可以对三相电源的状态进行检测。随后，对于诸如空调压缩机，由于环境温度 达到预设值，压缩机断电，进入周期性停机。在周期性停机期间，压缩机可以进行自检，可以 使用检测装置对绕组状态进行检测。相似地，在正常运行期间的制冷或供热周期(通电周 期)，压缩机可以进行自检，使用检测装置对三相电源进行检测。
[0126] 从上面的实施例中可以看出，电机状态检测装置中的电源状态检测部分在交流电 源供电的情况下进行检测，而绕组状态检测部分在交流断开、直流电源供电的情况下进行 检测。由此可见，为了确保高压交流和低压直流的隔离/去耦，在电源状态检测部分和绕组 状态检测部分之间可以设置互锁机制。在上述实施例中，互锁机制是通过对三相接触器和 启动开关K的控制来实现的。
[0127] 应用上文中描述的电机运行状态检测装置，可以使用相应的电机运行状态检测方 法。在该检测方法中，布置电阻器网络并在其上布置检测点对。然后，将该电阻器网络连接 到电机定子的三相绕组。该电阻器网络和检测点对被布置为使得三相绕组中的每一相绕组 的通断状态组合之一所导致的检测点对之间的电阻值不同于另一组合所导致的检测点对 之间的电阻值。对能够反映检测点对之间的电阻值的物理量进行测量。然后，根据所测量 的物理量的值来确定绕组的运行状态。
[0128] 在前面的说明书中参照特定实施例描述了本发明。然而本领域的普通技术人员理 解，在不偏离如权利要求书限定的本发明的范围的前提下可以进行各种修改和改变。
【权利要求】
1. 一种检测装置，用于检测电机运行状态，包括： 电阻器网络，能够连接到电机定子的三相绕组，并且设置有检测点对；测量单元，用于 测量能够反映所述检测点对之间的电阻值的物理量；以及 绕组状态确定单元，用于根据所测量的物理量的值确定所述绕组的运行状态； 其中，所述电阻器网络和所述检测点对被布置为所述三相绕组中的每一相绕组的通断 状态组合之一所导致的所述检测点对之间的电阻值不同于另一所述组合所导致的所述检 测点对之间的电阻值。
2. 根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述电阻器网络包括第一电阻器、第二电阻 器、第三电阻器和第四电阻器，并且按照第三、第一、第二和第四电阻器的顺序串联连接； 其中，串联电阻器组的两端以及第一和第二电阻器的连接点被配置为分别与所述三相 绕组连接；以及 其中，所述第三和第一电阻器的连接点以及所述第二和第四电阻器的连接点能够用作 所述检测点对。
3. 根据权利要求1或2所述的检测装置，其中，所述测量单元包括：分压单元； 直流电源，经由所述分压单元连接到所述检测点对中的第一检测点；以及 电压测量单元，用于测量所述第一检测点处的电压作为所述物理量；其中，所述检测点 对中的第二检测点被接地。
4. 根据权利要求3所述的检测装置，还包括：控制单元，用于在所述电机从交流电源断 开的情况下，启动所述检测装置的检测。
5. 根据权利要求4所述的检测装置，其中，所述控制单元被进一步配置为在所述检测 装置初始化之后、所述交流电源接通之前的时间，启动所述检测装置的检测。
6. 根据权利要求4或5所述的检测装置，其中，所述控制单元被进一步配置为在所述电 机处于周期性断电期间，启动所述检测装置的检测。
7. 根据权利要求1至6中任一个所述的检测装置，其中，所述绕组状态确定单元被进一 步配置为根据测量的预定数量的所述物理量的平均值确定绕组的运行状态。
8. 根据权利要求1至7中任一个所述的检测装置，还包括交流电源检测单元，其中，所 述交流电源检测单元包括： 线电压计算单元，用于计算各相线之间的线电压；以及 电源状态确定单元，用于根据所述线电压确定交流电源的工作状态。
9. 根据权利要求8所述的检测装置，其中，所述线电压计算单元包括第一和第二差分 运算放大器；所述第一和第二差分运算放大器的正向和反向输入端共同连接到三相电源中 的一个相线，所述第一和第二差分运算放大器的剩余的输入端分别经由电阻器连接到另外 两个相线；并且所述第一和第二差分运算放大器的输出端连接到所述电源状态确定单元。
10. 根据权利要求9所述的检测装置，其中，所述第一和第二差分运算放大器的所述剩 余的输入端分别经由所述电阻器网络中的电阻器连接到所述另外两个相线。
11. 根据权利要求8或9所述的检测装置，其中，所述电源状态确定单元被进一步配 置为通过根据所述线电压计算电源电压的有效值，并与标称值相比较来确定电源的工作状 态。
12. -种星形连接的三相电机系统，包括：根据权利要求1至11中任一个所述的检测 装直。
13. -种单相电机系统，包括： 主绕组； 辅助绕组； 辅助电阻器，其一端连接至所述主绕组和所述辅助绕组的公共端，所述辅助电阻器的 阻值依据所述主绕组和辅助绕组的阻值确定；以及 电阻器网络，其不同端口分别连接到所述主绕组和所述辅助绕组的非公共端以及所述 辅助电阻器的另一端，并且所述电阻器网络设置有检测点对； 测量单元，用于测量能够反映所述检测点对之间的电阻值的物理量；以及 绕组状态确定单元，用于根据所测量的物理量的值确定所述绕组的运行状态； 其中，所述电阻器网络和所述检测点对被布置为所述主绕组和所述辅助绕组中每一个 的通断状态组合之一所导致的所述检测点对之间的电阻值不同于另一所述组合所导致的 所述检测点对之间的电阻值。
14. 根据权利要求13所述的单相电机系统，其中，所述电阻器网络包括第一电阻器、第 二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，并且按照第三、第一、第二和第四电阻器的顺序串联 连接； 其中，串联电阻器组的两端以及第一和第二电阻器的连接点被配置为分别与所述主绕 组和所述辅助绕组的非公共端以及所述辅助电阻器的另一端连接；以及 其中，所述第三和第一电阻器的连接点以及所述第二和第四电阻器的连接点能够用作 所述检测点对。
15. 根据权利要求13或14所述的单相电机系统，其中，所述测量单元包括： 分压单元； 直流电源，经由所述分压单元连接到所述检测点对中的第一检测点；以及 电压测量单元，用于测量所述第一检测点处的电压作为所述物理量； 其中，所述检测点对中的第二检测点被接地。
16. 根据权利要求15所述的单相电机系统，还包括：控制单元，用于在所述电机从交流 电源断开的情况下，接通所述直流电源。
17. 根据权利要求16所述的单相电机系统，其中，所述控制单元被进一步配置为在所 述电机处于周期性断电期间，接通所述直流电源。
18. 根据权利要求13至17中任一个所述的单相电机系统，其中，所述绕组状态确定单 元被进一步配置为根据测量的预定数量的所述物理量的平均值确定绕组的运行状态。
19. 根据权利要求13至18中任一个所述的单相电机系统，还包括交流电源检测单元， 其中，所述交流电源检测单元包括： 线电压计算单元，用于计算各相线之间的线电压；以及 电源状态确定单元，用于根据所述线电压确定交流电源的工作状态。
20. 根据权利要求19所述的单相电机系统，其中，所述线电压计算单元包括第一和第 二差分运算放大器；所述第一和第二差分运算放大器的正向和反向输入端共同连接到三相 电源中的一个相线，所述第一和第二差分运算放大器的剩余的输入端分别经由电阻器连接 到另外两个相线；并且所述第一和第二差分运算放大器的输出端连接到所述电源状态确定 单元。
21. 根据权利要求20所述的单相电机系统，其中，所述第一和第二差分运算放大器的 所述剩余的输入端分别经由所述电阻器网络中的电阻器连接到所述另外两个相线。
22. 根据权利要求19或20所述的单相电机系统，其中，所述电源状态确定单元被进一 步配置为通过根据所述线电压计算电源电压的有效值，并与标称值相比较来确定电源的工 作状态。
23. -种检测电机运行状态的方法，包括： 将电阻器网络连接到电机定子的三相绕组，并在所述电阻器网络上布置检测点对； 测量能够反映所述检测点对之间的电阻值的物理量；以及 根据所测量的物理量的值确定所述绕组的运行状态； 其中，布置所述电阻器网络以及所述检测点对，使得所述三相绕组中的每一相绕组的 通断状态组合之一所导致的所述检测点对之间的电阻值不同于另一所述组合所导致的所 述检测点对之间的电阻值。
【文档编号】G01R31/34GK104111419SQ201310141969
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】邓超, 戴训江 申请人:艾默生环境优化技术有限公司