專利名稱：變頻電動機保護(hù)采樣信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在電廠、石化、鋼鐵等領(lǐng)域中高頻電動機保護(hù)裝置的采樣信號處理方 法，和采用本方法的保護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
基于電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制通信技術(shù)實現(xiàn)的變頻技術(shù)，其基本原理是把50Hz 頻率的工頻電源整流成直流，再斬波還原成交流，還原后的交流電源頻率根據(jù)流體流量調(diào) 節(jié)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過變頻技術(shù)調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，使電動機功率做到“按需分配”，進(jìn)而 實現(xiàn)流體流量高效調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高效率、節(jié)能降耗的目的。同時，電動機進(jìn)行變頻改造 后還可大幅度降低電動機啟動電流，從而達(dá)到改善電動機運行環(huán)境的目的。因此，基于以上 優(yōu)點，目前越來越多的工礦企業(yè)在進(jìn)行高壓電動機變頻調(diào)速技術(shù)的改造。目前現(xiàn)場電機改為變頻器方式采用的改造方式多為工變頻互切方式，系統(tǒng)架構(gòu)如 圖1所示當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者工況要求進(jìn)入工頻供電時，變頻器通過PLC自動完成或手 動完成變頻狀態(tài)到工頻狀態(tài)的切換；同理，在工頻運行時，需要重新投入變頻時也可自動或 手動完成工頻狀態(tài)到變頻狀態(tài)的切換。當(dāng)電動機處于工頻運行工況時，常規(guī)電動機保護(hù)能夠滿足現(xiàn)場使用要求。當(dāng)電動 機處于變頻運行工況時，由于附加了變頻器裝置，變頻器的輸入和輸出電流在頻率、相位以 及相角都沒有必然的聯(lián)系，因此，對于使用變頻器的電動機來說，不應(yīng)將變頻器納入差動保 護(hù)的范圍，應(yīng)只單獨保護(hù)電動機，差動保護(hù)范圍為始端電流互感器應(yīng)置于變頻器的輸出端， 而非電源開關(guān)側(cè)，末端電流互感器置于電動機的中性點側(cè)。電動機在變頻工況運行時，變頻器輸出頻率范圍一般可以達(dá)到0. 5Hz 120Hz，現(xiàn) 場實際調(diào)頻運行范圍一般在15Hz 50Hz，運行范圍一般在20Hz 35Hz附近。而目前常 用的微機保護(hù)裝置均是根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機保護(hù)通用技術(shù)條件設(shè)計的，即采用固定頻率50Hz 采樣進(jìn)行數(shù)字采樣計算，不能滿足加裝變頻器后的電動機微機保護(hù)要求，現(xiàn)場迫于技術(shù)問 題只能采用傳統(tǒng)繼電器方式(方式復(fù)雜且無法實現(xiàn)自動化功能)或干脆放棄差動保護(hù)，這 對電動機本身的安全運行產(chǎn)生了較大的影響。因此，現(xiàn)場應(yīng)用對電動機微機保護(hù)裝置提出 了更高的要求。要求電動機微機保護(hù)裝置可以實現(xiàn)當(dāng)電動機加裝變頻器后的電動機保護(hù)功 能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能適用于現(xiàn)場采用高壓變頻器后的電動機差動及后備 保護(hù)配置方法，以及一種能保證采樣穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的采樣信號處理方法，用于變頻電動 機保護(hù)裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是在電動機和母線相連接的進(jìn)線側(cè)安 裝第一組CT(電流互感器)，在電動機機端安裝第二組CT，在電動機中性點安裝第三組CT ；
4將所述三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置或著將第一組CT和第三組CT接一臺普通保 護(hù)裝置，將第二組CT和第三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置；在電動機變頻運行時，第 二組CT和第三組CT的采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)；在變頻器退出、電動機工頻運行時，第一組 CT和第三組CT采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)，其特征是變頻電動機保護(hù)裝置將采集到的電流信 號利用傅氏算法的正交性進(jìn)行濾波，消除直流分量和各高次諧波分量的影響，采用實時頻 率跟蹤方法，調(diào)整采樣中斷時間，保證每個周波采樣點數(shù)固定，然后計算得到變頻下相關(guān)模 擬量的穩(wěn)態(tài)幅值。其中，第二組CT可以是磁平衡CT，直接反映電動機中性點和機端的差流，在電動 機進(jìn)線的中性點安裝第三組CT ；在電動機變頻運行時，第二組的采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)； 在變頻器退出、電動機工頻運行時，第一組CT和第三組CT采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)。磁平衡CT差動保護(hù)是電動機機端和中性點側(cè)的同名相穿過同一個CT，利用磁勢 平衡原理實現(xiàn)差動保護(hù)；電流平衡的電動機縱聯(lián)差動保護(hù)容易受到機端CT和中性點側(cè)CT 傳變特性不一致，或兩側(cè)CT 二次電纜長度相差很大而產(chǎn)生的不平衡電流，有可能會造成保 護(hù)誤動。而磁平衡差動利用一次勵磁安匝平衡原理，可以徹底消除電動機白啟動和外部故 障短路暫態(tài)過程中電流差動保護(hù)的誤動作。變頻電動機保護(hù)裝置設(shè)有保護(hù)CT和專用測量CT，所述兩個CT內(nèi)部串聯(lián)同時采集 輸入的電流信號；當(dāng)電流較小時保護(hù)裝置采用專用CT的測量信號進(jìn)行測頻，當(dāng)電流較大情 況下保護(hù)裝置自動切換到保護(hù)CT的測量信號測頻。如圖4所示，給出一種CT串聯(lián)方法保 護(hù)CT的A相回路和專用測量CT的A相回路串聯(lián)，保護(hù)CT的C相回路和專用測量CT的C 相回路串聯(lián)。其中，考慮到諧波分量和其他非周期分量的影響，變頻電動機保護(hù)裝置對安裝在 電動機機端的第二組CT采集到的機端電流信號利用傅氏算法的正交性先進(jìn)行濾波，以消 除直流分量和各高次諧波分量的影響。其中，測頻方法采用過零點測頻算法和傅氏測頻算法相結(jié)合的方式初始采樣頻 率則是通過過零點測頻算法得到，然后采用傅氏測頻算法通過初始采樣頻率進(jìn)行迭代收斂 后即可得到當(dāng)前頻率值；所述過零點算法即判斷當(dāng)采樣點值大于等于零，而前一個采樣點 值小于零時作為一個過零點記下當(dāng)前計數(shù)器值，等下一個周波檢測到另一個過零點時通過 計數(shù)器值可以得到實際波形的頻率。傅氏測頻算法表達(dá)如下假設(shè)某信號x(t)表示為x(t) = xmsin(a +2 ji ft)設(shè)當(dāng)前時刻對應(yīng)的相角為thl，幅值為ul，2點前采樣時刻對應(yīng)的相角為th2，幅值 為u2，則sm{th2-th\)- "2sin(溈2)ulcos(thl)-w2cos(^z2)ulsin(thl)
u\u2其中:ulsin(thl)、ulcos (thl)、u2sin (th2)、u2cos (th2)分別對應(yīng)其離散傅里葉 瞬時值；當(dāng)相角差較小時，sin(th2-thl) = th2-thl，而th2-thl即相角差對應(yīng)的頻差，因 此，通過初始采樣頻率進(jìn)行迭代收斂后即可得到當(dāng)前頻率值。本發(fā)明的有益效果是裝置將
5采集到的電流信號進(jìn)行傅氏濾波，消除了直流分量和各高次諧波分量的影響。采用保護(hù)CT 和專用測量CT相結(jié)合的電流測頻，頻率測量采用了軟件過零點測頻算法和傅氏測頻算法 相結(jié)合的方式。同時，裝置進(jìn)行實時測頻和實時頻率跟蹤后，充分考慮到CT的幅頻特性，采 用了幅值自動補償功能，大大提高了采樣的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，從而實現(xiàn)了變頻電動機的差 動及后備保護(hù)功能。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為高壓變頻器系統(tǒng)架構(gòu)2為本發(fā)明實施方式一的電動及保護(hù)配置3為本發(fā)明實施方式二的電動機保護(hù)配置4為保護(hù)裝置內(nèi)的一種CT接線型式圖5為CT幅頻特性圖示意圖
具體實施例方式目前現(xiàn)場電機改為變頻器方式采用的改造方式多為工變頻互切方式，運行方式如 圖2所示，即當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者工況要求進(jìn)入工頻供電時，變頻器通過PLC自動完成或 手動完成變頻狀態(tài)到工頻狀態(tài)的切換；同理，在工頻運行時，需要重新投入變頻時也可自動 或手動完成工頻狀態(tài)到變頻狀態(tài)的切換。出線斷路器之間設(shè)計閉鎖，確保不會出現(xiàn)變頻回 路與工頻回路同時閉合。工頻運行時電動機差動及后備保護(hù)只需要在CT1和CT3之間實現(xiàn)， 經(jīng)過變頻改造后，本發(fā)明需要在變頻器的末端即電動機的機端處安裝CT2。根據(jù)現(xiàn)場高壓電動機裝設(shè)CT的情況，通常有兩種差動保護(hù)配置方案。第一種是常 規(guī)的兩側(cè)差動保護(hù)，圖2所示進(jìn)線側(cè)安裝第一組CT，即CT1，電動機機端和中性點各裝一 組CT，即CT2和CT3。電動機變頻運行時，旁路開關(guān)K3斷開，Kl、K2閉合，差動保護(hù)裝置采 用CT2與CT3構(gòu)成采樣值差動保護(hù)，CT1提供過流速斷等保護(hù)功能；當(dāng)變頻器退出、電動機 工頻運行時，旁路開關(guān)K3閉合，Kl、K2斷開，差動保護(hù)裝置采用CT1與CT3構(gòu)成差動保護(hù)， 差動保護(hù)范圍擴大。M是電機，變頻器是CONVERTER其中，保護(hù)裝置內(nèi)設(shè)有保護(hù)CT和專用測量CT，兩個CT輸入端并聯(lián)且內(nèi)部串聯(lián)同時 采集輸入的電流信號，比如如圖4所示的保護(hù)CT的A相回路和專用測量CT的A相回路串 聯(lián)，保護(hù)CT的C相回路和專用測量CT的C相回路串聯(lián)。裝置所選專用測量CT對0. 05 3倍額定電流有較高的精度，同時該CT能在20倍額定電流下不燒毀，當(dāng)電流較小時保護(hù)裝 置采用專用CT的測量信號進(jìn)行測頻，當(dāng)電流較大情況下保護(hù)裝置自動切換到保護(hù)CT的測 量信號測頻，從而大大提高了測頻精度。第二種是磁平衡式差動保護(hù)，如圖3所示進(jìn)線側(cè)安裝一組CT，即CT1，電動機機端 裝設(shè)一組磁平衡式CT即CT2，電動機機端電纜與中性點引出電纜安裝的CT即CT3 —進(jìn)一出 同時穿過磁平衡式CT。磁平衡式CT2直接反應(yīng)差流，它構(gòu)成的過流保護(hù)就是差動保護(hù)。如 果有條件在電動機中性點處裝設(shè)一組CT。則當(dāng)變頻器退出、旁路線路接入時，CT1與CT3可 構(gòu)成差動保護(hù)，差動保護(hù)范圍擴大。本發(fā)明將電動機機端和中性點側(cè)CT分別接入微機保護(hù)裝置，裝置將采集到的機端電流信號進(jìn)行傅氏濾波，消除直流分量和各高次諧波分量的影響。為了得到變頻率下的 穩(wěn)態(tài)值，通過實時測量系統(tǒng)頻率，采用實時頻率跟蹤技術(shù)，調(diào)整每個采樣中斷時間，保證每 個周波24點采樣，然后采用全周傅氏算法和幅值自動補償方式得到變頻率下相關(guān)狀態(tài)量 的幅值，從而實現(xiàn)變頻電動機差動和后備保護(hù)功能。傅氏測頻算法假設(shè)某信號x(t)表示為x(t) = xmsin(a +2 ji ft)設(shè)當(dāng)前時刻對應(yīng)的相角為thl，幅值為ul，2個采樣點前一采樣時刻對應(yīng)的相角為 th2，幅值為u2，則sin(th 2 — thl)
權(quán)利要求
變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，在電動機和母線相連接的進(jìn)線側(cè)安裝第一組CT(電流互感器)，在電動機機端安裝第二組CT，在電動機中性點安裝第三組CT；將所述三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置或著將第一組CT和第三組CT接一臺普通保護(hù)裝置，將第二組CT和第三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置；在電動機變頻運行時，第二組CT和第三組CT的采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)；在變頻器退出、電動機工頻運行時，第一組CT和第三組CT采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)，其特征是變頻電動機保護(hù)裝置將采集到的電流信號利用傅氏算法的正交性進(jìn)行濾波，消除直流分量和各高次諧波分量的影響，采用實時頻率跟蹤方法，調(diào)整采樣中斷時間，保證每個周波采樣點數(shù)固定，然后計算得到變頻下相關(guān)模擬量的穩(wěn)態(tài)幅值。
2.如據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是所述第 二組CT可以是磁平衡CT，直接反映電動機中性點和機端的差流，在電動機進(jìn)線的中性點安 裝第三組CT ；在電動機變頻運行時，第二組的采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)；在變頻器退出、電動 機工頻運行時，第一組CT和第三組CT采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)。
3.如權(quán)利要求1所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是變頻電 動機保護(hù)裝置設(shè)有保護(hù)CT和專用測量CT，所述兩個CT內(nèi)部串聯(lián)同時采集輸入的電流信號； 當(dāng)電流較小時保護(hù)裝置采用專用CT的測量信號進(jìn)行測頻，當(dāng)電流較大情況下保護(hù)裝置自 動切換到保護(hù)CT的測量信號測頻。
4.如權(quán)利要求3所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是保護(hù)CT 的A相回路和專用測量CT的A相回路串聯(lián)，保護(hù)CT的C相回路和專用測量CT的C相回路 串聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號據(jù)的處理方法，其特征是考慮 到諧波分量和其他非周期分量的影響，變頻電動機保護(hù)裝置對安裝在電動機機端的第二組 CT采集到的機端電流信號利用傅氏算法的正交性先進(jìn)行濾波，以消除直流分量和各高次諧 波分量的影響。
6.如權(quán)利要求1所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是采用過 零點測頻算法和傅氏測頻算法相結(jié)合的方式，初始采樣頻率則是通過過零點測頻算法得 到，然后采用傅氏測頻算法通過初始采樣頻率進(jìn)行迭代收斂后即可得到當(dāng)前頻率值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是采用 過零點測頻算法和傅氏測頻算法相結(jié)合的方式初始采樣頻率則是通過過零點測頻算法得 到，然后采用傅氏測頻算法通過初始采樣頻率進(jìn)行迭代收斂后即可得到當(dāng)前頻率值；所述 過零點算法即判斷當(dāng)采樣點值大于等于零，而前一個采樣點值小于零時作為一個過零點記 下當(dāng)前計數(shù)器值，等下一個周波檢測到另一個過零點時通過計數(shù)器值可以得到實際波形的 頻率。
8.如權(quán)利要求7所述的變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，其特征是傅氏測 頻算法表達(dá)如下假設(shè)某信號χ (t)表示為χ (t) = xmsin ( α +2 π ft)設(shè)當(dāng)前時刻對應(yīng)的相角為thl，幅值為ul，2點前采樣時刻對應(yīng)的相角為th2，幅值為 u2，則
全文摘要
變頻電動機保護(hù)裝置采樣信號的處理方法，在電動機和母線相連接的進(jìn)線側(cè)安裝第一組CT，在電動機機端安裝第二組CT，在電動機中性點安裝第三組CT；將所述三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置或著將第一組CT和第三組CT接一臺普通保護(hù)裝置，將第二組CT和第三組CT接入一臺變頻電動機保護(hù)裝置；在電動機變頻運行時，第二組CT和第三組CT的采樣電流構(gòu)成差動保護(hù)；變頻電動機保護(hù)裝置將采集到的電流信號利用傅氏算法的正交性進(jìn)行濾波，消除直流分量和各高次諧波分量的影響，采用實時頻率跟蹤方法，調(diào)整采樣中斷時間，保證每個周波采樣點數(shù)固定，然后計算得到變頻下相關(guān)模擬量的穩(wěn)態(tài)幅值。本發(fā)明提高了采樣的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
文檔編號H02H7/085GK101976820SQ20101027049
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者嚴(yán)偉, 周正權(quán), 沈全榮, 石鐵洪 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司;南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司