电机故障检测方法和装置以及电机故障保护系统技术领域
本发明涉及机电变换器的控制和调节领域，具体而言涉及一种电
机故障检测方法和装置以及电机故障保护系统。
背景技术
由于电机使用场合及成本的要求，电机的驱动器通常采用仅采集
电机电流的方式进行电机转速的控制。在一些要求较高的复杂使用环
境中，要求驱动器具备缺相、相间短路等故障检出保护功能。如果加
装额外的保护装置，将带来成本上的增加。
现有的电机故障检测方法通常采集电机三相瞬时交流电流，然后
通过例如绝对值运算和均方根等效运算计算出三相电流值，再根据计
算出的电流值和所设定的判断阈值判断是否发生故障。这样的方法存
在的问题是由于采集的电流是交流瞬时值，通常无法进行直接判断，
需要转换为有效值。为了计算得到电流有效值需要采集一定时间的瞬
时值，以及进行复杂的数学运算，这些延长了故障检出的时间。此外，
电流传感器存在零点偏置问题，判断阈值不可能设置为零，阈值选择
太小容易出现误保护，阈值选择太大容易漏保护或不保护。
发明内容
针对现有技术的不足，一方面，本发明提供一种电机故障检测方
法，所述电机故障检测方法包括：获取电机电流；基于所述电机电流
获取电机负序电流值；以及基于所述电机负序电流值与预定阈值的大
小关系确定电机是否发生故障。
在本发明的一个实施例中，所述基于所述电机负序电流值与预定
阈值的大小关系确定电机是否发生故障进一步包括：比较所述电机负
序电流值与所述预定阈值的大小关系，当所述电机负序电流值大于所
述预定阈值的次数超过上限阈值时，确定所述电机发生故障。
在本发明的一个实施例中，所述基于所述电机电流获取电机负序
电流值进一步包括：将所述电机电流的瞬时电流值变换到两相静止坐
标系；将所述静止坐标系中的电流值变换到负序坐标系；滤除负序坐
标系中的负序电流信号之外的其他信号；以及采用负序电流直流值或
通过计算得到负序电流幅值作为所述电机负序电流值。
另一方面，本发明还提供一种电机故障检测装置，所述电机故障
检测装置包括电机电流采集单元、负序电流检测单元和故障确定单
元，其中，所述电机电流采集单元配置为获取电机电流；所述负序电
流检测单元配置为基于所述电机电流获取电机负序电流值；以及所述
故障确定单元配置为基于所述电机负序电流值与预定阈值的大小关
系确定电机是否发生故障。
在本发明的一个实施例中，所述故障确定单元进一步包括比较单
元和计数单元，其中，所述比较单元配置为比较所述电机负序电流值
与所述预定阈值的大小关系，并将比较结果发送给所述计数单元；以
及所述计数单元配置为当所述电机负序电流值大于所述预定阈值时
增大计数值，并且当所述计数值超过上限阈值时，置位故障标志位。
在本发明的一个实施例中，所述计数单元进一步配置为：当所述
电机负序电流值不大于所述预定阈值时减小计数值，并且当所述计数
值为零时复位所述故障标志位。
在本发明的一个实施例中，所述负序电流检测单元进一步包括静
止坐标变换单元、负序坐标变换单元和滤波单元，其中，所述静止坐
标变换单元配置为将所述电机电流的瞬时电流值变换到两相静止坐
标系；所述负序坐标变换单元配置为将所述静止坐标系中的电流值变
换到负序坐标系；以及所述滤波单元配置为滤除负序坐标系中的负序
电流信号之外的其他信号以得到负序电流直流值作为所述电机负序
电流值。
在本发明的一个实施例中，所述负序电流检测单元还包括计算单
元，所述计算单元配置为计算负序电流幅值以作为所述电机负序电流
值。
再一方面，本发明还提供一种电机故障保护系统，所述电机故障
保护系统包括上述任一项所述的电机故障检测装置，并基于所述电机
故障检测装置的检测结果对电机进行控制，以实现对电机的故障保
护。
在本发明的一个实施例中，所述电机故障保护系统还包括母线电
压采集单元、克拉克/帕克(clark/park)变换单元、转速位置估算单
元、转速闭环控制单元、电流闭环控制单元、电压指令计算单元、空
间矢量脉宽调制(SVPWM)信号产生单元以及三相脉宽调制(PWM)
变换器单元。
本发明所提供的电机故障检测方法和装置以及电机故障保护系
统基于电机瞬时交流电流中含有的负序电流成分进行故障检测，无需
进行长时间的瞬时电流采集和复杂的运算，因而能够实时检测电机故
障，缩短故障保护延时，实现更安全更高效的故障保护。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附
图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了根据本发明实施例的电机故障检测方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例的故障确定步骤的流程图；
图3示出了根据本发明实施例的电机故障检测装置的结构框图；
以及
图4示出了根据本发明实施例的电机故障保护系统的结构框图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为
彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明
可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避
免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局
限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完
全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发
明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”
也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术
语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、
整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其
它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。
在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详
细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详
细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施
方式。
本发明提供一种电机故障检测方法。图1示出了根据本发明实施
例的电机故障检测方法100的流程图。如图1所示，电机故障检测方
法100包括如下步骤：
步骤101：获取电机电流；
步骤102：基于电机电流获取电机负序电流值；以及
步骤103：基于电机负序电流值与预定阈值的大小关系确定电机
是否发生故障。
当电机(例如同步电机，包括永磁同步电机)正常运行时，电机
三相电流中基本不存在负序电流成分。当电机发生故障例如发生缺相
或其他含有负序电流成分的三相不对称(例如相间短路)等故障时，
负序电流成分将显著增加。通过采集并求解电机瞬时交流电流中含有
的负序电流成分，判断负序电流的值是否超过预定阈值，来检出例如
电机缺相及类似三相不对称等故障，可以无需像现有方法中那样为得
到电流有效值而进行一定时间的瞬时电流值的检测，也无需复杂的数
学运算，因此能够实时检测例如缺相或类似三相不对称等电机故障，
缩短故障保护延时，从而实现更安全更高效的故障保护。本领域普通
技术人员可以理解，可以根据实际需要设定上述预定阈值。
根据本发明的一个实施例，步骤102可以进一步包括：将电机电
流的瞬时电流值变换到两相静止坐标系；将静止坐标系中的电流值变
换到负序坐标系；滤除负序坐标系中的负序电流信号之外的其他信
号；以及采用负序电流直流值作为将与预定阈值进行比较的电机负序
电流值，或者通过计算得到负序电流幅值作为将与预定阈值进行比较
的电机负序电流值。直接采集到的电机电流为瞬时电流值，将其进行
简单的坐标变换或加上简单计算，可以很容易得出将与预定阈值进行
比较以进行电机故障判定的电机负序电流值。
根据本发明的一个实施例，步骤103可以进一步包括：比较电机
负序电流值与预定阈值的大小关系，当电机负序电流值大于预定阈值
的次数超过上限阈值时，确定电机发生故障。图2示出了根据本发明
实施例的故障确定步骤103的流程图。如图2所示，故障确定步骤
103可以进一步包括如下步骤：
步骤201：确定电机负序电流值(例如负序电流幅值)是否大于
预定阈值，如果是则进行步骤202，否则进行步骤203；
步骤202：增大计数值(例如图2中示出为将计数值加1)并继
续进行步骤204，其中计数值初始值可以设置为0，并且计数值可以
视为电机负序电流值大于预定阈值的次数；
步骤203：减小计数值(例如图2中示出为将计数值减1)并继
续进行步骤205；
步骤204：确定计数值是否超过上限阈值，如果是则进行步骤
206，其中上限阈值可以表示进行故障判定所要求的电机负序电流值
大于预定阈值的最高次数，其可以根据实际需要进行设定；
步骤205：确定计数值是否等于零，如果是则进行步骤207；
步骤206：置位故障标志位，例如将故障标志位(例如缺相标志
位)置位为1，表示确定电机发生了故障；
步骤207：复位故障标志位，例如将故障标志位复位为0，表示
确定电机没有故障。
通过上述步骤，可以简单设置电机的保护阈值(即上述的“预定
阈值”)，无需顾虑保护阈值太小易出现误保护、以及保护阈值太大易
出现漏保护或不保护的问题。因为对电机故障的确定不仅仅基于电机
负序电流与预定阈值的比较，更进一步地基于电机负序电流大于预定
阈值的次数，这样的故障确定方案更符合实际需要，故障判定的正确
率更高。
根据本发明的另一方面，还提供一种电机故障检测装置。图3示
出了根据本发明实施例的电机故障检测装置300的结构框图。如图3
所示，电机故障检测装置300包括电机电流采集单元301、负序电流
检测单元302和故障确定单元303。其中，电机电流采集单元301配
置为获取电机电流；负序电流检测单元302配置为基于电机电流获取
电机负序电流值；故障确定单元303配置为基于电机负序电流值与预
定阈值的大小关系确定电机是否发生故障。
根据本发明的一个实施例，负序电流检测单元302可以进一步包
括静止坐标变换单元3021、负序坐标变换单元3022和滤波单元3023。
其中，静止坐标变换单元3021可以配置为将电机电流的瞬时电流值
变换到两相静止坐标系；负序坐标变换单元3022可以配置为将静止
坐标系中的电流值变换到负序坐标系；滤波单元3023可以配置为滤
除负序坐标系中的负序电流信号之外的其他信号以得到负序电流直
流值作为将与预定阈值进行比较的电机负序电流值。
可选地，负序电流检测单元302还可以包括计算单元3024，计
算单元3024可以配置为计算负序电流幅值以作为将与预定阈值进行
比较的电机负序电流值。
根据本发明的一个实施例，故障确定单元303可以进一步包括比
较单元3031和计数单元3032，其中，比较单元3031可以配置为比
较电机负序电流值与预定阈值的大小关系，并将比较结果发送给计数
单元3032；计数单元3032可以配置为当电机负序电流值大于预定阈
值时增大计数值，并且当计数值超过上限阈值时，置位故障标志位。
可选地，计数单元3032可以进一步配置为：当电机负序电流值
不大于预定阈值时减小计数值，并且当计数值为零时复位故障标志
位。
可以采用上述电机故障检测装置300实施上述电机故障检测方
法200，本领域普通技术人员可以基于上述对根据本发明实施例的电
机故障检测方法200的描述理解电机故障检测装置300的工作原理，
因此此处不再赘述。此外，本领域普通技术人员可以理解，根据本发
明实施例的上述电机故障检测装置300可以通过软件、硬件或软硬件
结合的方式加以实现。
根据本发明的再一方面，还提供一种电机故障保护系统，该电机
故障保护系统包括上述的电机故障检测装置，并基于电机故障检测装
置的检测结果对电机进行控制，以实现对电机的故障保护。图4示出
了示出了根据本发明实施例的电机故障保护系统400的结构框图。如
图4所示，电机故障保护系统400包括可以构成上述电机故障检测装
置的电机电流采集单元401、负序电流检测单元402和故障确定单元
403。此外，电机故障保护系统400还可以包括母线电压采集单元404、
克拉克/帕克变换单元405、转速位置估算单元406、转速闭环控制单
元407、电流闭环控制单元408、电压指令计算单元409、空间矢量
脉宽调制信号产生单元410以及三相脉宽调制变换器单元411。通过
上述单元的工作，电机故障保护系统400可以对电机提供实时保护。
本领域普通技术人员可以理解上述电机故障保护系统400还可
以包括其他有助于电机保护的单元。此外，本领域普通技术人员也可
以理解，根据本发明实施例的上述电机故障保护系统400可以通过软
件、硬件或软硬件结合的方式加以实现。
基于上面的描述，本发明所提供的电机故障检测方法和装置以及
电机故障保护系统能够实时检测电机故障，缩短故障保护延时，实现
更安全更高效的故障保护。此外，对于电机保护阈值的设置也更为简
单，不需顾及电流传感器的零点偏置问题。因此，可以用在例如使用
电流传感器或通过其他方式检测电机电流的变频驱动器上等。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述
实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述
的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局
限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修
改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的
保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。