CN105425055B - 输入缺相检测装置和方法以及多相交流输入电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输入缺相检测装置、输入缺相检测方法和多相交流输入电子设备。输入缺相检测装置包括：整流和滤波单元，用于对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；直流电压采样单元，用于对整流和滤波单元输出的直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；输入缺相判定单元，用于对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行快速傅里叶变换FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相。无需附加的强电检测电路，在轻负载或空载时能检测出输入缺相，并且在输入电压波动等情况下能可靠工作。
Description
技术领域
本发明涉及输入缺相检测技术，更具体地，涉及输入缺相检测装置、输入缺相检测方法以及多相交流输入电子设备。
背景技术
对于使用多相交流输入的电子设备，输入缺相检测是一种基本的可靠性保护功能。通常的输入缺相检测方法是通过直接对多相交流输入电压进行测量，或者通过附加的整流电路将整流电压转换成脉冲信号或模拟信号，再通过隔离光耦将相关信号发送至处理器，由处理器进行逻辑运算和判断。然而这种方法需要附加的输入电压强电检测电路，带来绝缘空间、成本、电路可靠性等问题。此外，在一些使用多相交流输入的电子设备中，利用已有的主电路整流电路，通过检测整流电路的直流电压纹的波幅值大小或直流电压纹波的持续单调时间来判断是否发生输入缺相。例如，在专利文献CN102778612A中，用于检测输入缺相的装置包括：电力输入单元，其施加三相交流电压；整流单元，其对由所述电力输入单元施加的交流电压进行整流；滤波单元，其对经整流的电压进行带通滤波并且根据经滤波的电压计算纹波电压的幅值；以及输入缺相检测单元，其根据纹波电压的幅值来判定是否已经发生了输入缺相，具体地，在纹波电压的幅值小于预定值的情况下，判定未发生输入缺相，在纹波电压的幅值大于预定值的情况下，判定已经发生输入缺相。此外，在专利文献CN102419400中公开了一种三相输入设备输入缺相检测方法，对三相输入设备的三相输入电压进行整流滤波后得到直流母线电压，对直流母线电压按照一定的时间间隔进行采样，当采样电压值中出现连续n个单调的采样电压时，记录一次输入缺相，在时间T内检测到的输入缺相次数大于缺相设定值时，判断为输入缺相，否则判断为输入不缺相，在采样电压值不存在任意连续n个单调的采样电压值时，判断为输入不缺相。然而上述的缺相检测方法通常只有在多相交流输入电子设备工作到高负载时才能检测出输入缺相，多相交流输入电子设备存在单相输入时带重负载损坏的风险，而且当多相交流输入电子设备工作在输入电压不稳定、输入不平衡、负载振荡或者加载卸载瞬态等状态时，存在错误检出故障的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明旨在提供一种输入缺相检测装置、输入缺相检测方法以及多相交流输入电子设备，无需附加的输入电压强电检测电路，能够在多相交流输入电子设备带轻负载或空载时检测出输入缺相，并且在输入电压波动、输入不平衡、负载振荡以及加载卸载瞬态下都能可靠工作。
解决技术问题的技术方案
本发明提供了一种输入缺相检测装置，包括：整流和滤波单元，用于对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；直流电压采样单元，用于对整流和滤波单元输出的直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；输入缺相判定单元，用于对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行快速傅里叶变换(FFT)运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相。
优选地，输入缺相判定单元可以包括：提取模块，对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为非正常频率成分；比较模块，将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值与第一阈值相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值与第二阈值相比较；累加模块，当第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值大于第一阈值并且第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值大于第二阈值时，将输入缺相事件的次数加1；判定模块，当预定时间内累加模块中输入缺相事件的次数达到预定次数时，判断发生输入缺相。
优选地，第一阈值可以是根据第一频率与第二频率的差值来确定的，第二阈值可以是根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定的。例如，第一阈值可以在3和4之间，第二阈值可以不小于2伏特。在50Hz电源供电的情况下，第一频率可以为300Hz，第二频率可以为100Hz。在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。多相交流输入电压可以是三相交流输入电压。
本发明还提供了一种多相交流输入电子设备，包括上述输入缺相检测装置。所述多相交流输入电子设备可以是变频器。
本发明还提供了一种输入缺相检测方法，包括：对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；对直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；对采样直流电压信号进行FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相。
优选地，对采样直流电压信号进行FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相可以包括：对采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为非正常频率成分；将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值与第一阈值相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值与第二阈值相比较；当第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值大于第一阈值并且第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值大于第二阈值时，将输入缺相事件的次数加1；当预定时间内输入缺相事件的次数达到预定次数时，判断发生输入缺相。
优选地，第一阈值可以是根据第一频率与第二频率的差值来确定的，第二阈值可以是根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定的。例如，第一阈值可以在3和4之间，第二阈值可以不小于2伏特。在50Hz电源供电的情况下，第一频率可以为300Hz，第二频率可以为100Hz。在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。多相交流输入电压可以是三相交流输入电压。
本发明的有益效果
本发明提出的输入缺相检测装置、输入缺相检测方法和多相交流输入电子设备至少具有如下优点：
1、无需附加的硬件检测电路，特别是输入电压强电检测电路，从而节省了空间和成本并且具有更高的可靠性；
2、可以在多相交流输入电子设备带轻负载或空载时检测出输入缺相，从而更好地保护多相交流输入电子设备；以及
3、当多相交流输入电子设备工作在输入电压不稳定、输入不平衡、负载振荡或者加载卸载瞬态等状态时，避免了错误检出故障的风险。
附图说明
通过阅读本发明实施例的以下详细描述并且参考附图将更好地理解本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的输入缺相检测装置的结构框图。
图2示出了根据本发明实施例的输入缺相检测装置中的输入缺相判定单元的结构框图。
图3示出了根据本发明实施例的变频器的结构框图。
图4示出了根据本发明实施例的输入缺相检测方法的流程图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。贯穿附图，相同参考数字用于指示相同元件。
图1示出了根据本发明实施例的输入缺相检测装置的结构框图。本发明提供的输入缺相检测装置100可以用于多相交流输入电子设备的输入缺相检测。例如，多相交流输入电子设备可以是变频器、伺服驱动器、UPS等。如图1所示，输入缺相检测装置100可以包括整流和滤波单元101、直流电压采样单元102和输入缺相判定单元103。
整流和滤波单元101对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号。多相交流输入电压可以是三相交流输入电压。
直流电压采样单元102对整流和滤波单元101输出的直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号。在本实施例中，在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。
输入缺相判定单元103对直流电压采样单元102输出的采样直流电压信号进行FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相。输入缺相判定单元103可以由微处理器来实现。在微处理器进行处理之前可以先对接收到的信号进行A/D转换。
在本实施例中，直流电压采样单元102和输入缺相判定单元103可以由多相交流输入电子设备自身的直流电压检测电路和微处理器来实现。
图2示出了根据本发明实施例的输入缺相检测装置中的输入缺相判定单元103的结构框图。如图2所示，输入缺相判定单元103可以包括提取模块1031、比较模块1032、累加模块1033和判定模块1034。
提取模块1031对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为非正常频率成分。在50Hz电源供电的情况下，第一频率可以为300Hz，第二频率可以为100Hz。本文中，所谓的直流电压纹波的基波频率信号幅值也可以由与幅值成比例的有效值等其他数值来代替。
比较模块1032将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的比值U1/U0与第一阈值K相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的差值U1-U0与第二阈值Y相比较。优选地，可以根据第一频率与第二频率的差值来确定第一阈值K，根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定第二阈值Y。例如，电压检测精度越差，或者缺相时希望触发保护的负载越大，则第二阈值Y越大。在本实施例中，第一阈值K可以在3和4之间，第二阈值Y可以不小于2伏特。
累加模块1033当第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的比值U1/U0大于第一阈值K并且第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的差值U1-U0大于第二阈值Y时，将输入缺相事件的次数加1。
判定模块1034当预定时间T内累加模块1033中输入缺相事件的次数达到预定次数N时，判断发生输入缺相。在判断发生输入缺相之后，可以采取相应的控制与保护，并且可以报警。在本实施例中，时间T可以为500毫秒，N可以为50次。如果要实现更高的敏感度，N可以为25次。
图3示出了根据本发明实施例的变频器300的结构框图。变频器300包含了图1的输入缺相检测装置100。如图3所示，变频器300除了包括整流和滤波单元101、直流电压采样单元102和输入缺相判定单元103之外，还可以包括逆变单元301。关于整流和滤波单元101、直流电压采样单元102和输入缺相判定单元103，上文中已参考图1和图2做出详细描述，在此不再赘述。在本实施例中，逆变单元301根据输入缺相判定单元103的判断结果，决定如何将整流和滤波单元101输出的直流电压信号逆变成交流电压信号并输出。例如，输入缺相判定单元103在判定发生了输入缺相时，可以向逆变单元301发送控制与保护信号，逆变单元301根据所述控制与保护信号可以停止将整流和滤波单元101输出的直流电压信号逆变成交流电压信号并输出或者限制额输出。优选地，输入缺相判定单元103在判定发生了输入缺相时还可以进行报警。
图4示出了根据本发明实施例的输入缺相检测方法的流程图。本发明提供的输入缺相检测方法可以用在多相交流输入电子设备中。例如，在多相交流输入电子设备可以是变频器、伺服驱动器、UPS等。输入缺相检测方法可以包括：对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；对直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；以及对采样直流电压信号进行FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相。
以下参考图4对本发明提供的输入缺相检测方法进行详细描述。
在步骤401，对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号。多相交流输入电压可以是三相交流输入电压。
在步骤402，对直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号。在本实施例中，在采样之后可以执行滤除噪声操作，然后判断已采样点数是否大于预定的数值，如果是，则进行至步骤403，否则返回步骤402继续采样。在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。
在步骤403，对采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1作为非正常频率成分。在50Hz电源供电的情况下，第一频率可以为300Hz，第二频率可以为100Hz。
在步骤404，将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的比值U1/U0与第一阈值K相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U1相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值U0的差值U1-U0与第二阈值Y相比较，如果U1/U0＞K并且U1-U0＞Y，则进行至步骤405，否则进行至步骤406。优选地，可以根据第一频率与第二频率的差值来确定第一阈值K，根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定第二阈值Y。例如，电压检测精度越差，或者缺相时希望触发保护的负载越大，则第二阈值Y越大。在本实施例中，第一阈值K可以在3和4之间，第二阈值Y可以不小于2伏特。
在步骤405，将输入缺相事件的次数加1。
在步骤406，判断预定时间T内输入缺相事件的次数是否达到预定次数N，如果是，则认为发生输入缺相，执行相应的控制与保护并且报警，否则返回步骤402。在本实施例中，时间T可以为500毫秒，N可以为50次。如果要实现更高的敏感度，N可以为25次。
本发明提供的输入缺相检测装置、输入缺相检测方法和多相交流输入电子设备利用多相交流输入电子设备中已有的直流电压信号，使用FFT算法提取直流电压信号中的正常频率成分和非正常频率成分，通过对这两种频率成分进行比对来判断是否发生输入缺相，因此无需附加的强电检测电路，节省了空间和成本并且具有更高的可靠性，可以在多相交流输入电子设备带轻负载或空载时检测出输入缺相，以更好地保护多相交流输入电子设备，并且当多相交流输入电子设备工作在输入电压不稳定、输入不平衡、负载振荡或者加载卸载瞬态等状态时仍然能够正常工作，避免了错误检出故障的风险。
虽然以上通过优选实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于上述特定实施例，在不背离本发明精神及其实质情况下，本领域普通技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，而这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围之内。
Claims (14)
1.一种输入缺相检测装置，包括：
整流和滤波单元，用于对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；
直流电压采样单元，用于对整流和滤波单元输出的直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；
输入缺相判定单元，用于对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行快速傅里叶变换FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相，
其中，所述输入缺相判定单元包括：
提取模块，对直流电压采样单元输出的采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为非正常频率成分；
比较模块，将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值与第一阈值相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值与第二阈值相比较；
累加模块，当第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值大于第一阈值并且第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值大于第二阈值时，将输入缺相事件的次数加1；
判定模块，当预定时间内累加模块中输入缺相事件的次数达到预定次数时，判断发生输入缺相。
2.根据权利要求1所述的输入缺相检测装置，其中，所述第一阈值是根据第一频率与第二频率的差值来确定的，所述第二阈值是根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定的。
3.根据权利要求1所述的输入缺相检测装置，其中，所述第一阈值在3和4之间，所述第二阈值不小于2伏特。
4.根据权利要求1所述的输入缺相检测装置，其中，在50Hz电源供电的情况下，第一频率为300Hz，第二频率为100Hz。
5.根据权利要求1所述的输入缺相检测装置，其中，在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。
6.根据权利要求1所述的输入缺相检测装置，其中，所述多相交流输入电压是三相交流输入电压。
7.一种多相交流输入电子设备，包括根据权利要求1所述的输入缺相检测装置。
8.根据权利要求7所述的多相交流输入电子设备，其中，所述多相交流输入电子设备为变频器。
9.一种输入缺相检测方法，包括：
对多相交流输入电压进行整流和滤波，得到直流电压信号；
对直流电压信号进行采样，得到采样直流电压信号；
对采样直流电压信号进行快速傅里叶变换FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相，
其中，对采样直流电压信号进行快速傅里叶变换FFT运算，以提取直流电压信号的正常频率成分和非正常频率成分，并通过将所述正常频率成分与非正常频率成分进行比对来判断是否输入缺相包括：
对采样直流电压信号进行FFT运算，以分别提取第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为正常频率成分，并提取第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值作为非正常频率成分；
将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值与第一阈值相比较，并将第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值与第二阈值相比较；
当第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的比值大于第一阈值并且第二频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值相对于第一频率的直流电压纹波的基波频率信号幅值的差值大于第二阈值时，将输入缺相事件的次数加1；
当预定时间内输入缺相事件的次数达到预定次数时，判断发生输入缺相。
10.根据权利要求9所述的输入缺相检测方法，其中，所述第一阈值是根据第一频率与第二频率的差值来确定的，所述第二阈值是根据电压检测精度和缺相时希望触发保护的负载大小来确定的。
11.根据权利要求9所述的输入缺相检测方法，其中，所述第一阈值在3和4之间，所述第二阈值不小于2伏特。
12.根据权利要求9所述的输入缺相检测方法，其中，在50Hz电源供电的情况下，第一频率为300Hz，第二频率为100Hz。
13.根据权利要求9所述的输入缺相检测方法，其中，在正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于3，在非正常频率成分的信号周期内，直流电压信号的采样点数不小于6。
14.根据权利要求9所述的输入缺相检测方法，其中，所述多相交流输入电压是三相交流输入电压。
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