电动机被应用在驱动各种移动部件的多种应用中。电动机通常具 有用于调整并监控电动机的操作(例如转速)的相关控制单元。
电动机可以临时工作在过负荷条件下，但如果随着这种负荷条件 的不断持续导致电动机变得过热，就可能导致损坏该电机。由于过热 导致损坏定子线圈的绝缘是最严重的情况。
公知的有多种用于保护电动机不受热过负荷影响的解决方案。一 种公知的解决方案是基于电机电流的1..3相测量，以及通过使用RC 等效电路来模拟电机的受热。最熟悉并最常用的技术实现方式是直接 耦合双金属继电器(热继电器)，或经由变流器将双金属继电器耦合 到主电路上。
一种公知的解决方案是在电机内部设置或与电机连接热保险开 关，该开关在达到给定的温度限定后跳开，并中断流过电动机的电流。 更先进的方案是一种电子单元，该电子单元利用温度传感器来测量电 动机的温度，并触发电机的断开。这种可供选择的方式直接取决于用 各种传感器所进行的温度检测。问题是正确地放置传感器有一定困难。 这种保护的反应相对较慢。
在数值保护中，数据要被处理成数值模式，即，数字模式。用A/D 转换器将模拟的测量数据转换成数字形式。实际的测量和保护功能是 通过微处理器来实现的。热过负荷保护装置测量电机或要保护的其它 对象(例如电缆或变压器)的相电流(负荷电流)的均方根(rms)值， 并计算取决于温度的工作时间。该热工作时间可以与标准IEC 60255-8 相一致：
$t=\tau \ln \frac{I^2-{I_p}^2}{I^2-{I_b}^2}$
其中，
t＝工作时间
τ＝时间常数
Ip＝过负荷前的负荷电流
I＝负荷电流
Ib＝工作电流(最大的容许持续电流)
热时间常数τ是由要保护的对象达到温度θ所需要的时间来确定 的，温度θ是要保护的对象被提供有恒定电流时的稳态温度θs的给定 部分(例如，63％)。工作电流I p是最大的容许持续电流，其也对应 于最高的容许温度，即，稳态温度θs。该最高的容许温度是跳开电平。 可供选择的，可以由相电流来计算要保护的对象上的热负荷相对于满 (100％)热负荷的相对值。当相对热负荷达到100％的值时进行跳开。
因此，数字热保护装置常与大量的计算联系在一起，而这些大量 的计算需要有效的处理器以及快速且昂贵的外围电路，如存储器。现 有技术中的解决方案采用了还具有内置数学处理器的有效的处理器、 浮点部件(FPU)或用于在确定的时间内执行实时计算的对应部件。也 已经采用了模拟浮点数字部件具有库函数的有效的处理器。还存在利 用专用集成电路ASIC电路实现算法的实现方式，从而在后面不能改编 程序。因此，不能对这种专用电路进行改变，但是如果要改变操作的 话就需要新的电路。还存在如下的实现方式，其中，依次地测量/计算 电流、计算预热、重复测量等。这种实现方式不能确保进行完全地实 时保护(非连续测量)，但能够采用效率稍差的处理器。

因此，本发明的目的是提供一种用于对电气设备进行热保护的方 法，以及一种用于实现该方法的设备，使得与保护有关的计算能够被 减少，并且处理器和外围电路的技术需求能够被降低。利用由独立权 利要求中记载的内容表征的方法和系统实现了本发明的目的。在从属 权利要求中描述了本发明的优选实施例。
在本发明中，如果电机在当前的负荷电流下持续操作，则还实时 地计算由热过负荷所导致产生的跳开时间。可以将该信息通知给操作 员，这样，该操作员在该电机以及该电机内可能有关的处理停止之前 就会注意到可能出现的该时间来进行任何维护或补救工作。
根据本发明，将用于计算跳开时间的数学方程式或算法及其操作 数编程，使其适用于采用定点运算的X位，优选地X＝32的处理器系 统，从而使得当在处理器系统中运行该程序时结果或临时结果永远不 会超出X位值。
优选地，将测量到的电流按比例换算成0到Y范围内的单位值， 其中Y表示额定电流的Y/100％，优选地Y＝65000，从而该计算与实 际的电流范围无关。
本发明能够用效率较差的处理器和较少的存储器来进行跳开时间 的计算，从而能够降低功耗、产品成本和设备的实际尺寸。计算可以 用简单且可转换的代码来实现，其不需要数学处理器或数学库。但是， 即使处理器采用32位定点运算，热负荷也可以用接近64位浮点数值 计算的精度来进行计算。
附图说明
接下来，将参考附图结合优选实施例更详细地描述本发明，附图 中：
图1是说明了根据本发明实施例的过负荷保护的示例性方框图，
图2是说明了图1中所示设备的工作的示例性信号示意图；和
图3是说明了图1中所示设备的工作的示例性流程图。

图1中，热过负荷保护设备耦合在电动机M或其它要保护的电气 设备与三相电源电流源L1、L2和L3之间。S1是主电源开关，例如， 手动控制的，S2是通过过负荷保护设备控制并用跳开信号TRIP控制的 释放开关。过负荷保护设备1利用电流测量单元10测量电机M中电源 电流源的每一相L1、L2和L3的电流负荷，其例如基于变流器。此外， 过负荷保护装置1可以包括用于测量相电压的测量单元11。而且，过 负荷保护设备1优选地包括用户界面，即，人机界面(HMI)12，其具 有显示器13和键盘14。另外，过负荷保护设备1可以包括连接到局域 网(例如，以太网)的数据通信单元15、总线(例如，Profibus)或 其它的数据通信介质17。
关于本发明，最主要的功能是与保护和控制单元16有关。过负荷 保护设备1是由微处理器系统实现的，上面的大部分单元都是由适当 的微处理器软件和外围电路如存储器电路实现的。利用数字/模拟转换 器(A/D)将由电流和电压测量单元提供的测量值转换成数值，即数字 值。根据本发明基本原理，微处理器系统采用定点运算，优选的是32 位员算。适当的处理器类型例如是具有32位RISC指令集的通用处理 器，如ARM7/9或M68k序列。
应认识到，上面描述的结构仅是用于实现本发明的热过负荷保护 设备的一种例子。
过负荷保护设备1保护电机M不受过热影响，从而不受过热所带 来的任何损害。该保护设备是基于根据测量到的相电流计算电机上的 热负荷。接下来，将通过图2和3的例子解释该保护设备的通常工作 过程。通过闭合开关S1和S2，相导体L1、L2和L3连接到电机M上。 电流测量单元10测量各相的电流(图3中的步骤31)，控制单元16 通过利用定点运算根据相电流计算电机M上的热负荷(步骤32)。
尽管计算热负荷所采用的算法本身对本发明来说并不是不可缺少 的，但接下来的内容包括对适用于定点运算的解决方案的描述。用于 一相的数学方程式可以如下所示：
${\Theta }_k=\mathrm{\Delta T}*\frac{i^2}{C}+(1-\frac{\mathrm{\Delta T}}{R*C})*{\Theta }_{k-1}$
其中
Θ＝热负荷，优选为0到200％，优选地对应于0到2.4的数值范 围
ΔT＝热负荷计算的间隔，优选地采用毫秒
R＝电气设备的冷却因数，优选地为1到10
C＝跳开级别因数
i＝测量到的负荷电流
因数C优选地是跳开级别因数t6，其表示相对于电机的实际起动 时间对电机设定的最长的起动时间。因数C例如可以是1.7(×实际起 动时间)。在本发明的基本实施例中，跳开级别因数t6乘以一常数， 优选地是29.5，或者通过公式(1/k)*Te*(Ia/In)2来计算，其中，Ia ＝起动电流，In＝额定电流，Te＝允许的起动时间，以及k＝常数。当 希望工作时间曲线相当于跳开级别和t6时间组合的曲线时，常数k＝ 1.22(工作时间取决于IEC 60947-4-1的要求)。优选地，测量到的 电流被按比例换算成0到Y范围内的单位值，其中Y表示额定电流的 Y/100％，优选地，Y＝65000，从而，计算就与实际的电流范围无关。
让我们来举例检验32位定点运算。上面描述的数学方程式或算法 以及其计算热负荷的操作数都被编程，使其适用于采用32位定点运算 的处理器系统，从而使得当在处理器系统中运行程序时，结果或临时 结果永远不会超出32位值。
下面是用这种方式构成并换算的计算方程式的例子
thRes＝((ΔT＊(i2/C)+ROUNDING)/MSEC) +(((((MSEC＊SCALING)-((ΔT＊SCALING)/(R＊C)))/SPART1)＊th)/SPART2) +thFract
其中，操作数的值例如如下所示
thRes＝对应于0到24000的数值范围的热负荷0到200％
ROUNDING＝例如是500
MSEC＝例如是1000
SCALING＝例如是10000
SPART1＝例如是SCALING/10
SPART2＝例如是SCALING/100
thFract＝前面计算的thRes除以常数，例如常数＝SCALING＝ 10000。
ROUNDING相当于十进制的舍入。MSEC按比例将毫秒换算成秒。 SCALING是精确比例。项SPART1和SPART2的乘积表示时间单位(优选 为毫秒级)的比例，它们被分成两部分，以保持计算的精度。
因为比例(在该例子中，比例在0到24000的范围内)的缘故， 热负荷的结果thRes太高了，因此它被按比例减小以表示每个所采用 的单位值的热负荷，在该例子中减小到0到2.4的范围内
Θ＝thRES/10000
该商值Θ作为参数thFract被保存起来，并在下一次的计算中被 采用。对0到100％热负荷的计算精度优于热负荷的0.1％。
图2的曲线图表示计算得到的热负荷Θ随时间t的函数。当电机 M从冷态起动时，其开始加热。同样地，计算得到的热负荷Θ随时间 函数增加。当热负荷Θ增加到给定设定的报警等级Alarm_level时， 控制单元16可以例如经由用户界面12-14或通信单元15给操作员发 出报警(图3中的步骤35和36)。控制单元16还可以持续地或在给 定的等级之后计算跳开前的剩余时间(time-to-trip)，并将其通知 操作员(图3中的步骤33和34)。
根据本发明的原理，通过利用采用定点整数算法，优选为32位的 处理器来计算跳开时间τ。作为计算的基础而采用的数学方程式可以如 下所示：
τ＝R＊C＊In(a)
$a=1-\left(\frac{{\Theta }_{\mathrm{trip}}-\Theta }{i^2-\Theta }\right)$
其中
Θtrip＝用于热负荷的跳开等级
Θ＝计算得到的热负荷
τ＝到Θ达到跳开等级Θtrip时的估计时间
ΔT＝热负荷计算的间隔
R＝电气设备的冷却因数
C＝跳开级别t6因数
i＝测量到的电流
方程式和其操作数被编程到微处理器系统中，从而使得结果或临 时结果永远不会超出32位值。
在本发明的优选实施例中，各算子如下所示：
Θ＝计算得到的热负荷0到200％，对应于0-2.4的数值范围
ΔT＝采用毫秒的用于热负荷计算的间隔
R＝在1到10范围内的电气设备的冷却因数
C＝乘以一常数，优选为29.5，或通过公式(1/k)*Te*(Ia/In)2计 算得到的跳开级别t6因数，其中，Ia＝起动电流，In＝额定电流，Te ＝允许的起动时间，以及k＝常数。当希望工作时间曲线相当于跳开级 别和t6时间组合的曲线时，常数k＝1.22(工作时间取决于IEC 60947-4-1的要求)。
可以通过利用正态函数的小子集，或者可以通过利用查找表来计 算自然对数，In(a)函数。小数学函数和查找表之间的选择是根据最优 化需要和所需的确定性等级来确定的。当使用查找表时该计算的确定 性为100％。
可以用下面的形式写出自然对数I n(a)：
In(a).·.
In(c)＝In(e10)+In(a)＝＞
In(c)＝10+In(a)
其结果是，在本发明的实施例中，通过换算后的方程式来计算算 子a和跳开时间τ
a＝1＊e10_SCALING-(Θtrlp-Θ)＊e10_SCALING/(i2/PUCOMP-Θ))
τ＝(R＊C＊(log(a)＊SCALING-(LN_e10＊SCALING)))/-SCALING
其中
因数e10_SCALING(例如，22026)近似按比例换算为e10(例如， 22026.47)。
LN_e10表示函数In(e10)。例如，LN_e10＝10表示函数In(e10)＝ 10。
i＝按比例换算成单位值的测量到的电流，例如换算到0到65000 的范围内，对应于额定电流的0到650％，
SCALING是精确比例，其值(例如，10000)取决于所需的精确度。
PUCOMP是每单位补偿(例如，10000)。
可以以更慢的速率来计算跳开时间值τ的估计值，例如，比热负 荷慢10倍的速率。但是，一秒钟至少应计算一次τ值。结果的精确度 优于+/-1秒。
表1中表示出查找表的一个例子。
Uint32 logTab[]＝{
0，     55452， 62383， 66438， 69315， 71546， 73369， 74911， 76246， 77424， 78478，
79431， 80301， 81101， 81842， 82532， 83178， 83784， 84355， 84896， 85409， 85897，
86362， 86807， 87232， 87641， 88033， 88410， 88774， 89125， 89464， 89792， 90109，
90417， 90715， 91005， 91287， 91561， 91828， 92087， 92341， 92587， 92828， 93064，
93294， 93518， 93738， 93953， 94164， 94370， 94572， 94770， 94964， 95155， 95342，
95525， 95705， 95882， 96056， 96227， 96395， 96561， 96723， 96883， 97041， 97196，
97348， 97499， 97647， 97793， 97937， 98079， 98218， 98356， 98492， 98627， 98759，
98890， 99019， 99146， 99272， 99396， 99519， 99640， 99760， 99878， 99995， 100111，
100225，100338，100450，100560，100670，100778，100885，100991，101095，101199，101301，
}；
表1
在该表中，算子a的值起到256序列中的指数的作用。如果a＜256， 则取出表中的第一个值，即0。如果a＝256，则取出表中的第二个值， 即55452；当a＝512时，取出表中的第三个值，即62383，等等。该 表替代了函数In(a)的计算结果，在示例性的情况下，还考虑到了 SCALING因数。
当热负荷Θ增加到给定的设定的跳开等级ΘTrip(优选地为电机上 热负荷的100％)时，控制单元16触发跳开信号TRIP，其控制开关S2 打开，从而电机M从三相电源L1、L2和L3上断开(图3中的步骤37 和38)。如果跳开之后剩余的电机热容量太低(例如，低于60％)， 则保护设备1可以防止新的重新起动，直到电机冷却到给定的等级(重 新起动禁止)或在给定的时间期间(图3中的步骤39和40)。为了起 动，信号TRIP再次被连接至无效状态，开关S2被闭合。在实施例中， 操作员可以将控制单元16控制到越级(override)状态中，其中跳开 等级被加倍(越级跳开等级)。
对于本领域的技术人员很明显的是，随着技术的进步，可以用各 种方式来实现本发明的基本理论。因此，本发明和其实施例并不局限 于上面的例子，而是可以在权利要求的范围内进行改变。