基于FPGA的電動(dòng)機微機保護實(shí)現方法

0　引　言
電動(dòng)機內部故障的診斷與檢測是電動(dòng)機保護 的主要研究方向。近年來(lái),其研究主要集中在兩方 面:一方面是追尋保護理論上的突破,逐步由定性 說(shuō)明到定量分析;另一方面是在實(shí)現手段上的發(fā)展,逐步由常規保護方式向基于先進(jìn)信號處理方法 和微機保護技術(shù)的現代保護方式進(jìn)化。本文基于 對電動(dòng)機保護原理的分析和研究,利用FPGA系統 設計實(shí)現了最小二乘法數字保護算法。以FPGA 芯片為核心所設計的電動(dòng)機微機保護裝置,不僅克 服了傳統的繼電器式電動(dòng)機裝置的缺點(diǎn),而且比普 通微機保護裝置響應速度快,截斷誤差小。
1　電動(dòng)機繼電保護的原理
電動(dòng)機的內部故障可以分為對稱(chēng)故障和不對 稱(chēng)故障兩種。對稱(chēng)故障包括過(guò)載、堵轉、短路等; 不對稱(chēng)故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、 三相不平衡等。根據對稱(chēng)分量原理,當電動(dòng)機發(fā) 生對稱(chēng)故障時(shí),會(huì )出現明顯的過(guò)流[ 1 ] 。因此,可 以利用過(guò)電流檢測來(lái)實(shí)現對稱(chēng)故障的診斷與保 護。當電動(dòng)機發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí),其定子電流可 以分解為正序、負序和零序分量,其中負序和零序 電流在電動(dòng)機正常運行時(shí)沒(méi)有或很小,一旦出現 必然表示出現了故障。因此利用電流中的負序和 零序分量來(lái)鑒別各類(lèi)不對稱(chēng)故障具有很高的靈敏度和可靠性。 電動(dòng)機的微機保護主要通過(guò)測量電量(電 流、電壓及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等)來(lái)監測電動(dòng)機的運行狀 態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權所有,根據以上分析,電動(dòng)機發(fā)生對稱(chēng)故障的主要特 征是出現電流幅值增大,而發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)的 主要特征是出現負序和零序電流分量[ 2 ] 。根據 這一結論,可將電動(dòng)機的保護分解成過(guò)流保護、負 序電流保護和零序電流保護三個(gè)部分。由此可基 本覆蓋電動(dòng)機的所有常見(jiàn)故障類(lèi)型,并可以針對 電動(dòng)機的以上三種主要保護提出電動(dòng)機的綜合保 護方案。
2　基于FPGA的微機保護系統硬件
根據電動(dòng)機保護基本工作原理,首先必須測 出所保護元件上的電氣參數,再與給定的正常標 準值進(jìn)行比較,以判斷元件是否發(fā)生故障或是否 運行在不正常狀態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權所有,從而確定保護裝置是否應該 動(dòng)作跳閘或發(fā)信號。因此,完整的保護裝置應包 括三大部分:測量比較部分、邏輯判斷部分、執行 部分。其各部分的邏輯關(guān)系可用圖1表示。

電動(dòng)機微機保護裝置的硬件系統采用模塊化 結構,如圖2所示。

FPGA芯片代替傳統單片機(MCU)成為整個(gè) 裝置的核心,完成模擬信號的調理濾波、采樣、模 擬/數字轉換、頻率和相位測量、開(kāi)關(guān)量信號輸入/ 輸出、通信、系統計時(shí)、數據計算、邏輯判斷等功能。 鍵盤(pán)顯示模塊負責人機會(huì )話(huà)。通過(guò)發(fā)光二極 管可以實(shí)時(shí)顯示被保護電動(dòng)機的電流、電壓、頻率 和斷路器的狀態(tài)等外部信號及裝置的工作狀態(tài)、 動(dòng)作類(lèi)型等詳細信息。通過(guò)鍵盤(pán)可以修改整定 值、查詢(xún)動(dòng)作記錄,并可以就地操作斷路器。 摸擬量采集模塊由電壓形成回路、采樣保持 ( S/H) 電路、模擬低通濾波器和A /D 轉換器 MAX197組成,其作用是將來(lái)自現場(chǎng)的交流量轉 換為處理器模塊可以處理的數字量信號。