CN102288827B - 电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路及其方法，该检测电路由恒流源及开关电路连接构成，恒流源控制端口与控制恒流源电流输出的外部的恒流源控制信号相连，恒流源的电流输出端口与开关电路的输出端口相连，开关电路的控制端口与外部的开关控制信号相连，开关电路的输出端口分别与异步电机的三相绕组相连接，该检测方法通过控制恒流源输出恒流电流以及开关电路的输出端口用以测量绕组电阻值、温度和开路或短路状态。本发明电路简单且方法便于实现，解决了控制器在电机绕组温度发生变化后无法获得电机绕组实时电阻值的问题，从而改善了电机控制器的控制精度，对电机及其控制器起到更好的保护作用，减少了安全事故的发生。

Description

电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路及其方法
技术领域
本发明属于电机领域，尤其是一种电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路及其方法。
背景技术
异步电机在使用过程中，经常因为绕组的异常状态，如温度过高、开路、短路等原因导致损坏电机或其他电力设备，严重时可能带来安全事故。目前，电机绕组状态的检测电路和方法通常是在电机内部预埋一个温度传感器来测量绕组温度，但这种方式存在如下缺点：1、测出的温度值仅为绕组的局部温度，不能反映电机绕组的整体温度；2、对电机的机械加工要求非常高，在很多电机上不能安装实现；3、如果传感器或连接传感器线路损坏，则无法修理，只能替换整个电机。
随着变频器或其他控制器在电机上的广泛使用，电机绕组的电阻值已经成为影响控制器的控制精度的关键指标之一。在实际使用中，电机绕组的电阻值会随温度的变化而发生变化，如果可以实时检测到电机绕组的电阻值，可以大大改善控制器的控制精度和准确性。但是，目前还有没有更好地对电机绕线电阻的阻值、温度及开路或短路状态进行检测的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路及其方法，该发明将恒流源和开关电路与电机绕组连接在一起对电机绕组的阻值、温度或状态进行实时检测，能够及时发现电机故障并停止电机工作，从而达到保护电机的目的。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路，由恒流源及开关电路连接构成，恒流源控制端口与控制恒流源电流输出的外部恒流源控制信号输出端口相连，开关电路的控制端口与外部的开关控制信号输出端口相连，开关电路的输出端口分别与异步电机的三相绕组相连接；
所述的开关电路包括六个开关管，六个开关管的栅极分别与外部的开关控制信号相连接，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极相连接并作为输出端口U连接到异步电机的绕组A和恒流源的电流输出端口上，开关管Q2的源极与开关管Q5的漏极相连接并作为输出端口V连接到异步电机的绕组B上，开关管Q3的源极与开关管Q6的漏极相连接并作为输出端口W连接到异步电机的绕组C上，开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的源极与电源“公共端”相连；
所述的恒流源由三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、稳压管D1、电阻R1、电阻R2连接构成，外部恒流源控制信号输出端口通过电阻R2连接到三极管Q7的发射极上，三极管Q7的基极与+5V电源相连接，三极管Q7的集电极与稳压管D1的正极以及三极管Q8、三极管Q9的基极相连接，稳压管D1的负极与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的发射极通过电阻R1与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口通过二极管D2连接到开关电路的输出端口U，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口还通过二极管D2与异步电机的绕组A相连接。
而且，所述的开关管Q1-Q6为变频器IGBT开关器件。
而且，所述的外部的恒流源控制信号和开关控制信号为微处理器或数字电路产生的数字信号0或1。
一种电机绕组阻值的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；
步骤3：根据异步电机的特性，其三相绕组的电阻值基本相同，即可求出电机三相绕组的电阻值RA、RB、RC。
而且，所述控制开关管Q4打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，将外部的开关控制信号V4设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；所述控制开关管Q5打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部的开关控制信号V5设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；控制恒流源输出恒流电流的方法为：将外部的恒流源控制信号设为0，则恒流源输出恒流电流；所述的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6分别控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
一种电机绕组温度的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：采用如权利要求4所述的电机绕组阻值的实时检测方法，计算常温或已知温度下的三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤2：采用如权利要求4所述的电机绕组阻值的实时检测方法，实时计算三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤3：按照以下公式检测电机绕组的温度：
t2=[R2*(K+t1)/R1]-K
其中：K表示0℃时导线电阻温度系数的倒数，铜取235，铝取228；
R1表示t1℃时导线电阻；
R2表示t2℃时导线电阻。
一种电机绕组状态的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；
步骤3：控制开关管Q6打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V2，进而求出电机绕组A和C的电压VAC及电机绕组A和C的电阻RAC；
步骤4：根据异步电机的特性，当RAB和RAC的其中一项的数值异常并超过规定的范围，则表示绕组开路或短路。
而且，将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，将外部的开关控制信号V4设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；所述控制开关管Q5打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部的开关控制信号V5设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；所述控制开关管Q6打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5设为0，外部的开关控制信号V6设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5关闭，开关管Q6打开；控制恒流源输出恒流电流的方法为：将外部的恒流源控制信号设为0，则恒流源输出恒流电流；所述的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6分别控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过控制恒流源输出恒流电流以及开关电路的输出端口用以测量绕组电阻值和状态，能够实时准确地检测出电机绕组的阻值、温度和开路或短路状态，从而可以快速地识别出电机的故障，实现对电机的保护作用功能。
2、本发明能够实时检测电机绕组的电阻值，可以更准确地分析电机的绕组损耗和感应电动势，更好地提高变频器控制的精确性和稳定性，从而使电机在满足力矩匹配的同时始终运行在高效节能的状态
Figure GDA00003359962100041
。同时能够更准确地计算出电机实际的机械转矩，尤其对于起重机的超载保护领域，大大提高了计算负载的精度。
3、本发明能够实时检测电机绕组的温度值，当电机绕组的温度过高时，可以快速识别电机绕组温度异常，及时停止电机的工作，从而达到保护电机的目的，可广泛应用在电机的温度保护领域中。
4、本发明能够实时检测出电机绕组的短路或开路状态，当测量出来的电机绕组电阻值出现异常并超过规定范围，则及时停止电机工作，从而达到保护电机的目的。
5、本发明的检测电路结构简单并且检测方法便于实现，解决了控制器在电机绕组温度发生变化后无法获得电机绕组实时电阻值的问题，从而大大改善了电机控制器的控制精度，同时对于电机及其控制器起到更好的保护作用，大大减少了安全事故的发生。
附图说明
图1是本发明的检测电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种异步电机绕组电阻值、绕组状态的实时检测电路，如图1，由恒流源及开关电路连接构成。恒流源控制端口与外部的恒流源控制信号C相连，该控制信号C用于控制恒流源电流的输出，恒流源的电流输出端口I通过二极管与开关电路的输出端口U相连，开关电路的控制端口与外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6相连，上述开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6可以控制不同绕组电阻值和绕组状态的测量，开关电路的输出端口U、V、W分别与异步电机的三相绕组A、B、C相连。上述外部的控制信号C、V1、V2、V3、V4、V5、V6可以由微处理器或数字电路产生的数字信号0或1。
开关电路包括六个开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6，开关管采用变频器IGBT开关器件，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的栅极分别与外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6相连接，上述开关控制信号可以控制不同绕组电阻值和状态的测量。开关管Q1的发射极与开关管Q4的集电极相连接并作为输出端口U连接到异步电机的绕组A和恒流源的电流输出端口上，开关管Q2的发射极与开关管Q5的集电极相连接并作为输出端口V连接到异步电机的绕组B上，开关管Q3的发射极与开关管Q6的集电极相连接并作为输出端口W连接到异步电机的绕组C上，开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的发射极与电源“公共端”相连。
恒流源包括三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、稳压管D1、电阻R1、电阻R2连接构成，外部的恒流源控制信号C通过电阻R2连接到三极管Q7的发射极上，三极管Q7的栅极与+5V电源相连接，三极管Q7的集电极与稳压管D1的正极以及三极管Q8、三极管Q9的栅极相连接，稳压管D1的负极与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的发射极通过电阻R1与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口通过二极管D2连接到开关电路的输出端口，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口还通过二级管D2与异步电机的绕组A相连接。在本实施例中，恒流源的电流输出为100mA。
一种电机绕组阻值的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；具体过程如下：
将开关电路的外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，外部的开关控制信号V4设为1，即开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；将恒流源控制信号C设为0，恒流源输出100mA。此时采集恒流源输出口的电压值（图中
Figure GDA00003359962100061
端），记为开关管的压差VQ4，由于六个开关管在相同电流流过时，他们的电压差是相同的，因此开关管电压记作Vq。
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；具体过程为：
将开关电路的外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部控制信号V5设为1，即开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；将恒流源控制信号C设为0，恒流源输出100mA。此时采集恒流源输出口的电压值（图中
Figure GDA00003359962100062
端），记为开关管的压差V1，该压差V1=VAB+Vq，因此求出电机绕组A和B的电压VAB，因为电流源供电电流100mA，因此可以求出RAB。
步骤3：根据异步电机的特性，其三相绕组的电阻值基本相同，即可求出电机三相绕组的电阻值RA、RB、RC。
一种异步电机绕组温度值的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：采用电机绕组阻值的实时检测方法，计算常温或已知温度下的三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤2：采用电机绕组阻值的实时检测方法，实时计算三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤3：按照以下公式检测电机绕组的温度：
t2=[R2*(K+t1)/R1]-K
其中：K表示0℃时导线电阻温度系数的倒数，铜取235，铝取228；
R1表示t1℃时导线电阻；
R2表示t2℃时导线电阻。
通过上述步骤可以实时测量当前电机绕组的温度t2，当温度t2过高时可以快速识别电机绕组温度异常，及时停止电机的工作，从而达到保护电机的目的，可广泛应用在电机的故障保护领域中。
一种异步电机绕组状态的实时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；该步骤的具体过程如下：
将开关电路的外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，外部的开关控制信号V4设为1，即开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；将恒流源控制信号C设为0，恒流源输出100mA。此时采集恒流源输出口的电压值（图中
Figure GDA00003359962100071
端），记为开关管的压差VQ4，由于六个开关管在相同电流流过时，他们的电压差是相同的，因此开关管电压记作Vq。
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；该步骤的具体过程为：
将开关电路的外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部控制信号V5设为1，即开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；将恒流源控制信号C设为0，恒流源输出100mA。此时采集恒流源输出口的电压值（图中
Figure GDA00003359962100072
端），记为开关管的压差V1，该压差V1=VAB+Vq，因此求出电机绕组A和B的电压VAB，因为电流源供电电流100mA，因此可以求出RAB。
步骤3：控制开关管Q6打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V2，该压差V2=VAC+Vq，进而求出电机绕组A和C的电压VAC及电机绕组A和C的电阻RAC；该步骤的具体过程为：
将开关电路的外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5设为0，外部控制信号V6设为1，即开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5关闭，开关管Q6打开；将恒流源控制信号C设为0，恒流源输出100mA。此时采集恒流源输出口的电压值（图中端），记为开关管的压差V2，该压差V2=VAC+Vq，因此求出电机绕组A和C的电压VAC，因为电流源供电电流100mA，因此可以求出RAC。
步骤4：根据异步电机的特性，三相绕组的电阻值基本相同，当RAB和RAC的其中一项的数值异常并超过规定的范围，则表示绕组开路或短路。
通过上述异步电机绕组状态的实时检测，通过该测量值可以快速识别电机绕组异常，及时停止电机工作，从而达到保护电机的目的，可广泛应用在电机的故障保护领域中。
本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例。凡是根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路，其特征在于：由恒流源及开关电路连接构成，恒流源控制端口与控制恒流源电流输出的外部恒流源控制信号输出端口相连，开关电路的控制端口与外部的开关控制信号输出端口相连，开关电路的输出端口分别与异步电机的三相绕组相连接；
所述的开关电路包括六个开关管，六个开关管的栅极分别与外部的开关控制信号相连接，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极相连接并作为输出端口U连接到异步电机的绕组A和恒流源的电流输出端口上，开关管Q2的源极与开关管Q5的漏极相连接并作为输出端口V连接到异步电机的绕组B上，开关管Q3的源极与开关管Q6的漏极相连接并作为输出端口W连接到异步电机的绕组C上，开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的源极与电源“公共端”相连；
所述的恒流源由三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、稳压管D1、电阻R1、电阻R2连接构成，外部恒流源控制信号输出端口通过电阻R2连接到三极管Q7的发射极上，三极管Q7的基极与+5V电源相连接，三极管Q7的集电极与稳压管D1的正极以及三极管Q8、三极管Q9的基极相连接，稳压管D1的负极与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的发射极通过电阻R1与+15V电源相连接，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口通过二极管D2连接到开关电路的输出端口U，三极管Q8、三极管Q9的集电极作为恒流源的电流输出端口还通过二极管D2与异步电机的绕组A相连接。
2.根据权利要求1所述的电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路，其特征在于：所述的开关管Q1-Q6为变频器IGBT开关器件。
3.根据权利要求1所述的电机绕组的阻值、温度、状态的实时检测电路，其特征在于：所述的外部的恒流源控制信号和开关控制信号为微处理器或数字电路产生的数字信号0或1。
4.一种利用如权利要求1所述的实时检测电路进行电机绕组阻值的实时检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；
步骤3：根据异步电机的特性，其三相绕组的电阻值基本相同，即可求出电机三相绕组的电阻值RA、RB、RC。
5.根据权利要求4所述的电机绕组阻值的实时检测方法，其特征在于：所述控制开关管Q4打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，将外部的开关控制信号V4设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；所述控制开关管Q5打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部的开关控制信号V5设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；控制恒流源输出恒流电流的方法为：将外部的恒流源控制信号设为0，则恒流源输出恒流电流；所述的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6分别控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
6.一种利用如权利要求1所述的实时检测电路进行电机绕组温度的实时检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用如权利要求4所述的电机绕组阻值的实时检测方法，计算常温或已知温度下的三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤2：采用如权利要求4所述的电机绕组阻值的实时检测方法，实时计算三相绕组的阻值RA、RB、RC；
步骤3：按照以下公式检测电机绕组的温度：
t2=[R2*(K+t1)/R1]-K
其中：K表示0℃时导线电阻温度系数的倒数，铜取235，铝取228；
R1表示t1℃时导线电阻；
R2表示t2℃时导线电阻。
7.一种利用如权利要求1所述的实时检测电路进行电机绕组状态的实时检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：控制开关管Q4打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的压差Vq；
步骤2：控制开关管Q5打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V1，该压差V1=VAB+Vq，进而求出电机绕组A和B的电压VAB及电机绕组A和B的电阻RAB；
步骤3：控制开关管Q6打开并使恒流源输出恒流电流，采集恒流源输出口的电压值V2，进而求出电机绕组A和C的电压VAC及电机绕组A和C的电阻RAC；
步骤4：根据异步电机的特性，当RAB和RAC的其中一项的数值异常并超过规定的范围，则表示绕组开路或短路。
8.根据权利要求7所述的电机绕组状态的实时检测方法，其特征在于：所述控制开关管Q4打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V5、V6设为0，将外部的开关控制信号V4设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6关闭，开关管Q4打开；所述控制开关管Q5打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V6设为0，外部的开关控制信号V5设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6关闭，开关管Q5打开；所述控制开关管Q6打开方法为：将外部的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5设为0，外部的开关控制信号V6设为1，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5关闭，开关管Q6打开；控制恒流源输出恒流电流的方法为：将外部的恒流源控制信号设为0，则恒流源输出恒流电流；所述的开关控制信号V1、V2、V3、V4、V5、V6分别控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
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