本發明涉及一種缺相檢測方法及系統，屬于電力電子與電機控制技術領域。。

背景技術：

現有的缺相檢測方法種類較多，一般都采用硬件電路實現，但是對于有些成熟的電路進行改造，增加硬件電路不太合適。

另外，無刷雙饋電機在啟動和運行時，也需要進行缺相檢測；

無刷雙饋電機結構特殊，區別于普通電機，其定子端有兩套定子繞組，一套稱之為功率繞組，一般設計為高壓，直接連接高壓電網，另一套稱之為控制繞組，一般設計為低壓，低壓繞組通過控制器接低壓電網，利用該控制器可以實現對電機的調速。同普通交流電機相比，該電機無碳刷及換向器，可以實現以小容量低壓控制器控制大功率高壓電機，因此該電機在風電，水電，風機水泵變頻驅動等領域應用前景廣泛。

由于結構上的特殊性，無刷雙饋電機的控制技術較普通電機也更為復雜，其轉子轉速由功率和控制側的電流頻率共同決定，也就是說，要實現無刷雙饋電機的正常運行及調速，控制器需要輸入至控制繞組的電壓信號與功率繞組的電壓信號的幅值、相位及頻率密切相關，而且功率側或是控制側任意一邊輸入電信號的改變都會影響電機的運行狀態。例如功率側或是控制側任何一側出現缺相的情況，不僅會導致電機無法正常運行，還會影響到另外一側控制繞組的電壓電流狀態。

無刷雙饋電機控制側繞組通過控制器接低壓380V電網，類似于普通變頻電機調速系統，因此其控制側輸入缺相的檢測方法可以直接參考現有技術。

無刷雙饋電機功率側由于接高壓電網，電壓等級高，功率大，缺相運行對電機本體、高壓電網都有較大危害，而且還有可能對控制側繞組以及控制器造成影響。因此無刷雙饋電機功率側的缺相保護對于整個控制系統的安全運行至關重要。

無刷雙饋電機控制系統中，電機功率側是通過一個功率開關連接高壓電網，電壓一般在6KV或是10KV以上，由于電壓等級高，無法直接通過分壓電阻分壓，而且功率沒有經過整流電路，因此現有的普遍用于通用變頻器的缺相檢測及保護方法不再有效，例如專利CN201010294959中描述的基于直流母線的缺相檢測方法。此外，由于無刷雙饋電機兩套繞組的特殊結構，其電機控制算法較常規電機更為復雜，對DSP的資源消耗大，因此要求缺相檢測方法要簡單有效，避免使用復雜運算(例如專利CN200810135263和專利CN201510438932中所使用了多次坐標變換)占用大量的DSP資源從而影響控制算法的正常執行。

因此，有必要設計一種新的缺相檢測方法及系統。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種缺相檢測方法及系統，該缺相檢測方法易于實施，計算量小，是一種缺陷檢測的通用方法。

發明的技術解決方案如下：

一種缺相檢測方法，包括以下步驟：

步驟1：根據采集的三相電壓值或電流值Sa，Sb，Sc實時計算三相平均值Savg及最大值Smax；有：

Savg＝(|Sa|+|Sb|+|Sc|)/3；---公式1；

Smax＝Max(|Sa|，|Sb|，|Sc|)；---公式2；

Max(.)為求取最大值的函數；

Sa，Sb，Sc分別為A，B，C相的相電壓或相電流值；

步驟2：分別對Smax和Savg值進行濾波處理，得到得到Smaxf1與Savgf1；

步驟3：計算Smaxf1與Savgf1的換算值Smaxf與Savgf；有

Smaxf＝K1*Smaxf1；

Savgf＝K2*Savgf1；

K1和K2均為換算系數；

步驟4：計算電壓缺相檢測判斷系數Kx；

Kx＝(Smaxf-Savgf)/Smaxf；

步驟5：基于Kx進行缺相判斷；

若Kx大于缺相故障閾值Ks，則判定出現缺相；否則不存在缺相故障；

Ks取值在10％～20％之間。

K1＝1.05125，K2＝1.57298。

Ks＝15％。

步驟2中的濾波是指平均值濾波(即采樣幾個周波的電壓數據，然后求取平均值)。

針對無刷雙饋電機，功率開關KM1合閘前，基于電網電壓實施缺相檢測：

檢測電網三相電壓幅值Ua，Ub和Uc作為輸入代入公式1和公式2，并執行后續步驟，從而判定功率側電源是否存在缺相故障。

針對無刷雙饋電機，控制系統在保證控制側輸出接觸器KM2及啟動電路斷開的情況下，閉合功率側的功率開關KM1，則此時功率繞組上將產生勵磁電流，利用控制系統原有的功率側電流檢測裝置以及控制器的DSP的AD采樣功能采集功率繞組的三相電流信號ia，ib，ic，基于功率繞組電流進行缺相檢測：

將ia，ib，ic代入公式1和公式2，并執行后續步驟，從而判定功率繞組是否存在缺相故障。

在無刷雙饋電機的啟動過程中：

(1)實時采集電網三相電壓幅值Ua，Ub和Uc并基于電網電壓實施缺相檢測；

同時，(2)采集功率繞組的三相電流信號ia，ib，ic；分別進行基于功率繞組電流進行缺相檢測。

一種缺相檢測系統，包括無刷雙饋電機、控制器、變壓器、啟動裝置、預充電裝置、電網電壓檢測裝置、功率側電流檢測裝置、接觸器KM1和KM2；

無刷雙饋電機的三相功率繞組通過接觸器KM1接電網；

電網電壓檢測裝置和功率側電流檢測裝置均與控制器相連，電網電壓檢測裝置用于檢測電網的a、b、c相相電壓；功率側電流檢測裝置用于檢測功率繞組的a、b、c相相電流；

電網接變壓器的原邊，變壓器的副邊依次通過預充電裝置、控制器、接觸器KM2接無刷雙饋電機的控制繞組；啟動裝置與控制繞組相連；

采用權利要求7所述的缺相檢測方法判斷電路中是否存在缺相。

所述的控制器為交直交電源變換器，控制器中的主控制芯片為DSP。

所述的接觸器KM1和KM2均受控于DSP。

本發明具有以下特點：

1)本發明根據無刷雙饋電機控制系統的結構及實際運行特點，在電機功率繞組通電前完成功率繞組輸入電源缺相檢測，確保電機上電前電網電壓正常。

2)在電機運行前完成功率繞組缺相檢測，能夠確保電機功率繞組缺相不會造成電機啟動時控制側控制繞組及所連接的控制設備出現危險。

3)在電機運行過程中對功率繞組缺相狀態進行實時監測與缺相故障處理，確保電機的運行安全。

4)本發明所述缺相檢測方法在現有控制系統的基礎上即可實現，沒有額外增加硬件裝置，成本低，可實施性強。

5)本發明利用對三相電壓，電流采樣值求取最大值和平均值等數據處理方法來判斷系統缺相，軟件實現簡單有效，既不會占用DSP過多的資源，對無刷雙饋電機的矢量控制造成影響，又能夠快速有效的檢測出缺相故障。

6)本發明所述方法不僅適用于無刷雙饋電機，對有兩套繞組通電，其中一套繞組直接接電網的電機均適用(如有刷雙饋電機)。

本發明結合無刷雙饋電機的特殊結構及控制要求，將缺相保護分三個步驟進行，確保電機在上電前沒有電源缺相故障存在，在啟動前沒有功率繞組故障存在，而且在運行過程中對缺相故障進行實時的判斷與處理，從而全方位的保證了控制系統的安全運行，能夠有效避免無刷雙饋電機缺相強行啟動對電機控制側帶來的危害。

本發明所述的缺相檢測方法無需新增整流或電阻分壓等硬件裝置，也無需對現有的無刷雙饋電機控制系統進行改動，而是合理利用了控制系統原有的硬件資源(功率側電壓檢測裝置，功率側電流檢測裝置，功率開關，控制系統DSP)，因此成本低，可實施性強。

本法明所述的缺相檢測方法軟件實施難度小，僅僅對電壓電流采樣值進行最大值，平均值求取以及濾波運算，計算量小，沒有使用到資源消耗大的坐標變換運算或是其他復雜函數運算，因此植入原有控制軟件當中，不會對原有控制軟件的控制性能造成影響。

有益效果：

本發明的缺相檢測方法及系統，是一種通用的缺相檢測方法，能適用于采用三相交流電壓供電的用電設備。本發明針對無刷雙饋電機的功率繞組缺相檢測問題，利用變頻器自身的控制軟件在無刷雙饋電機功率繞組上電前對功率側三相電壓采樣值進行軟件處理，根據處理后的電壓值可以判斷功率側輸入電源是否缺相，然后在電機啟動前對功率繞組通電，對功率繞組上產生的勵磁電流采樣值進行處理，根據處理后的電流值可以判斷電機繞組是否缺相(即繞組損壞或是接線斷開)，最后在電機啟動后同時對功率側電源電壓以及功率繞組電流進行持續的缺相檢測。本方法在原有無刷雙饋電機控制系統的基礎上，無需額外增加硬件，節約成本，而且軟件計算過程簡單，檢測結果可信度高。既能夠判斷出功率側輸入電源是否缺相，還能夠檢測出電機功率繞組是否缺相，從而可以快速定位缺相故障源，同時可以有效確保用戶的使用安全，避免缺相強行啟動或是運行過程中缺相檢測不及時引發的事故。

附圖說明

圖1為無刷雙饋電機控制系統結構圖；

圖2為電壓正常時(不缺相)的電網三相電壓波形圖；

圖3為電壓正常時(不缺相)的電壓平均值與最大值波形；

圖4為電壓正常時(不缺相)的濾波后的電壓平均值與最大值波形；

圖5為電壓正常時(不缺相)的系數統一后的電壓平均值與最大值波形；

圖6為缺相時系數統一后的平均值與最大值波形。

具體實施方式

以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明：

實施例1：無刷雙饋電機控制系統如圖1，本法明結合無刷雙饋電機控制系統的特殊結構及控制要求，將無刷雙饋電機功率側的缺相檢測分為三個步驟：

第一步是功率側高壓輸入電源的電壓缺相檢測，該檢測在無刷雙饋電機控制系統上電后就可以進行，無需無刷雙饋電機本體通電。

第二步是無刷雙饋電機運行前的功率繞組電流缺相檢測，該檢測在無刷雙饋電機啟動前，通過閉合功率繞組功率開關對功率繞組通電來進行檢測。

第三步是無刷雙饋電機運行過程中的缺相檢測，該檢測在電機正常運行后一直進行。

下面以一套具體的無刷雙饋電機控制系統做為實施案例，來具體闡述本發明的原理及實施方法。

本法明所述的無刷雙饋電機控制系統的電機功率側繞組通過功率開關KM1接高壓電網，控制側繞組通過控制器輸出接觸器KM2連接控制器，控制器由低壓供電，通過變壓器與高壓側隔開，控制系統中還包含預充電路、啟動電路、無刷雙饋電機等等。

此外，為實現無刷雙饋電機的變頻調速控制，本控制系統還包括各環節的信號檢測裝置，與本發明專利相關的信號檢測裝置主要包括功率側并網功率開關兩端的電壓傳感器，功率繞組的電流傳感器。

本發明主要利用了無刷雙饋電機控制系統原有的功率側電壓，電流檢測裝置，通過控制系統的DSP采集功率側的電壓電流進行系統缺相判斷。具體原理及方法如下所述：

1、功率側電源缺相檢測

1)控制系統上電后(預充電完成，自檢通過)，由于本實施案例中為10KW三相交流電，因此正常情況下，電網電壓信號應如圖2所示，其中Ua，Ub，Uc分別代表電網三相電壓幅值(該波形由仿真軟件生成，用來模擬標準的電網電壓，以方便本發明方案的描述，下同)。

2)本發明在功率開關KM1合閘前，利用控制系統原有的功率側電壓檢測裝置以及控制器的DSP的AD采樣功能采集功率開關前端的高壓電網的電壓信號Ua，Ub，Uc，并且對每個采樣點采集到的Ua，Ub，Uc實時求取最大值及絕對值的平均值，求取最大值的具體方法為將采樣到的Ua與Ub進行比較，然后將二者中的較大值賦給Umax，再將Uc與Umax進行比較，并將二者的較大值再次賦給Umax，則Umax為某一采樣時刻電網三相電壓的最大值。求取絕對值的平均值方法為Uavg＝(|Ua|+|Ub|+|Uc|)/3，Umax與Uavg的波形如圖3所示。

3)分別對Umax和Uavg值進行軟件濾波，得到Umaxf1與Uavgf1。正常情況下，Umax，和Umaxf1，Uavg和Uavgf1的波形如圖4所示，由圖可見最終Umaxf1的值為7766V，Uavgf1的值為5190V。其中具體的軟件濾波方法有很多種，本方案采用平均值濾波法，即采樣幾個周波的電壓數據，然后求取平均值(選用其他濾波方法也不影響本發明的實施)。本案例采樣頻率為4KHz。

4)將Umaxf與Uavgf分別通過比例系數K1，K2統一到電網相電壓峰值上，Umaxf＝K1*Umaxf1，Uavgf＝K2*Uavgf1，其中K1為電網相電壓峰值Vp與Umaxf1的比值，K2為電網相電壓峰值Vp與Uavg1的比值，本例中，功率側為10KV電網，因此Vp＝10000/1.732*1.414＝8164V，則K1＝Vp/Umax＝1.05125，K2＝Vp/Umax＝1.57298。最終求得Umaxf＝1.05125*7766＝8164.1≈Vp，Uavgf＝1.57298*5190＝9163.7≈Vp，對應的波形如圖5所示。由圖可見，正常狀態下，本發明所述方法求得的Umaxf與Uavgf的值與Vp應近似相等。

5)當電網電源出現缺相時，本案例假設電網電壓出現Uc相缺相情況，其中Ub，Uc信號與正常狀態相同，而Uc信號一直為0。則按照本發明所述步驟2～4利用仿真軟件仿真，其中K1，K2不再重新計算，而是直接使用步驟4中的值(K1＝1.05125,K2＝1.57298)。可以求得Umaxf與Uavgf的波形如圖6所示。可見此時Umaxf為7431V，Uavgf為5414V，二者不再近似相等。

6)求取電壓缺相檢測判斷系數Ku＝(Umaxf-Uavgf)/Umaxf，其中Ku可以用來當做功率側高壓電源缺相的判斷依據，由前面分析可知，當電網電源正常時，Ku近似為0，而當發生Ua相缺相時，Ku＝(7431-5414)/7431＝27％。因此將Ku的值與一設定的缺相故障閾值(本發明設為15％，因為國家標準允許電網電壓存在一定范圍內的波動，而本方法是按照標準10KV電壓進行的數據分析，在電網電壓存在一定范圍波動的情況下，按照本方法計算的結果不再為0)進行比較，當檢測到Ku值超過15％時，認定系統出現缺相故障。(其他幾種缺相狀態的計算結果類似，本發明在此不再詳述)

2、功率繞組缺相檢測

本步驟所述缺相檢測發生在電網電壓缺相檢測通過后，電機啟動之前，由電機學原理，在無刷雙饋電機啟動前給功率側繞組通電網三相交流電壓，則功率側繞組上只會產生勵磁電流(電流值的大小為電壓除以感抗2πf*Lm)，由于此時電機尚未啟動，即控制側繞組處于開路裝態，而且控制器沒有同時在控制繞組上施加電信號，因此即使此時功率側繞組由于斷線或是其他情況導致缺相，也不會對電機以及控制側控制器產生危害。因此本步驟能夠避免電機在功率側缺相的情況下強行啟動對電機及控制器造成不可預知的危害。具體實施方法如下：

1)控制系統在保證控制側輸出接觸器KM2及啟動電路斷開的情況下，閉合功率側的功率開關KM1，則此時功率繞組上將產生勵磁電流。本法明利用控制系統原有的功率側電流檢測裝置以及控制器的DSP的AD采樣功能采集功率繞組的三相電流信號ia，ib，ic。

2)參考本前面功率側電源缺相檢測中方法，對ia，ib，ic信號進行一些列的處理與計算，最終得到imaxf與iavgf，以及電流缺相檢測判斷系數Kx＝(imaxf-iavgf)/imaxf，類似的，當檢測到Kx超過15％時，認定系統出現控制繞組缺相故障。(具體計算過程以及仿真波形由于同步驟1中類似，本方案不再詳述)

3、運行過程中的缺相檢測。

本步驟所述的缺相檢測發生在電機運行過程中，即當控制系統在控制電機啟動前，按照步驟1與步驟2所述方法檢測到電源以及電機功率繞組均沒有缺相故障后，可以運行電機啟動。然后在電機啟動過程中，按照同樣的方法對步驟1和步驟2中所述的電網電壓與功率繞組電流進行實時的缺相檢測判斷(具體方法不變)。當檢測到系統發生缺相故障后，立刻斷開控制側輸出接觸器以及功率側開關，以避免控制器及電機損壞，確保整個控制系統的安全。

按照本發明提供的功率側缺相檢測方法對無刷雙饋電機控制系統的功率側進行缺相檢測及保護，可以確保電機的安全運。