電機智能啟動(dòng)器的設計和實(shí)現

1 引 言 

三相交流異步電動(dòng)機因其結構簡(jiǎn)單、成本低廉、運行可靠、維護方便、機械性能滿(mǎn)足大多數生產(chǎn)機械的要求等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應用于各大工廠(chǎng)，已經(jīng)成為動(dòng)力設備的主力軍，但是由于電動(dòng)機故障而產(chǎn)生的直接或間接損失也是逐年增加，因此對電動(dòng)機保護算法研究和保護裝置的設計已經(jīng)越來(lái)越受到廠(chǎng)商和專(zhuān)家的關(guān)注。目前就電動(dòng)機的故障種類(lèi)而言，可分為內部故障與外部故障兩種。電動(dòng)機的常規外部故障保護，無(wú)論從理論還是從診斷與保護的實(shí)現手段上都比較完善。因此電動(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，常見(jiàn)的內部故障可以分為對稱(chēng)和不對稱(chēng)兩大類(lèi)。近年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究主要在兩個(gè)方面：一方面是追尋在保護理論上的突破；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)信號處理的方法和微機保護技術(shù)的現代保護方式進(jìn)化。

本文在分析電動(dòng)機故障原理的基礎上設計了電動(dòng)機正、負序電流的硬件檢測電路，提出了反時(shí)限和定時(shí)限相結合的軟件保護算法，不僅實(shí)現了信號處理方法和微機保護技術(shù)的有機結合，而且還解決了電動(dòng)機關(guān)閉后智能再啟動(dòng)問(wèn)題。對廣州富利明公司提供的37 kW鼓風(fēng)電動(dòng)機進(jìn)行現場(chǎng)試驗，以驗證系統的正確性和完備性，并分析和總結了軟件算法的優(yōu)越性以及電動(dòng)機關(guān)閉后智能再啟動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。

2 電動(dòng)機保護原理分析

根據對稱(chēng)分量法，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。因此，可以利用過(guò)電流檢測來(lái)實(shí)現對稱(chēng)故障的診斷和保護。假設已知不對稱(chēng)三相電流各為IA，IB，IC，電流的正序、負序、零序分量分別為IA+，IA-，IA0(以A相為例)。根據對稱(chēng)分量法，有以下關(guān)系：

式中，運算子α=ej120，α2=ej240，且有1+α+α2=0，α3=1。

當電動(dòng)機正常運行時(shí)負序和零序電流沒(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。

2.1 非對稱(chēng)故障保護

對于斷相、逆相、定子繞組、相間短路及三相電流等不對稱(chēng)故障，均能引起較大的負序電流，所以將負序過(guò)電流保護作為不對稱(chēng)故障的主保護。負序電流濾序器的等效電路如圖1所示。為了使濾序器的輸出只與負序電流有關(guān)，電路的參數選擇如下： 。則濾序器的輸出電壓為：

由于系統正常運行時(shí)零序電流幾乎為零，將式(1)代入式(2)中整理得：

式(3)表明濾序器輸出電壓只與負序電流有關(guān)。當電動(dòng)機正常運行，濾序器的輸出電壓為零，即USC=0。當電動(dòng)機發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)，濾序器輸出電壓USC≠0，如式(3)所示。因為只有在故障情況下才有負序分量，所以選取合適的電路參數和判斷門(mén)限，可以使保護的靈敏度得到很大的提高。

2.2 對稱(chēng)性故障保護

對于過(guò)載、堵轉、三相短路等對稱(chēng)故障，電動(dòng)機的主要損害是出于電流增大引起的熱效應，并且此時(shí)系統中只存在正序電流，所以采用正序電流作為保護算法的判斷準則。我們知道電動(dòng)機允許過(guò)電流通過(guò)時(shí)間與其電流值的大小成反比關(guān)系，即電流值越大，其允許通過(guò)的時(shí)間越短。為了充分發(fā)揮電動(dòng)機的效益，又不至于使電動(dòng)機長(cháng)時(shí)間過(guò)熱而損壞，本文采用反時(shí)限和定時(shí)限相結合的過(guò)流保護策略。具體保護方式如圖2所示。

3 系統硬件實(shí)現框圖

所設計的基于C8051F005的電動(dòng)機保護裝置的硬件結構如圖3所示。

系統主要由單片機、RMS轉換電路、電流電壓信號轉換電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、鍵盤(pán)、液晶顯示電路、ModBus通信電路、控制電路、電源等部分組成。CPU采用8位單片機C8051F005，其內部具有8路12位A／D轉換器，A／D轉換周期可達50 μs。保護裝置取電動(dòng)機的三相電流，然后轉換為電壓信號，經(jīng)過(guò)濾波及整形電路改善波形、消除直流和高次諧波信號，進(jìn)入RMS轉換電路，得到電壓信號的有效值后送人12位A／D轉換器。CPU根據當前實(shí)時(shí)采集的電壓數據和用戶(hù)設定的保護動(dòng)作的整定值進(jìn)行比較分析、判斷電動(dòng)機當前的運行狀態(tài)、是否將發(fā)生故障以及發(fā)生故障的類(lèi)型，控制保護動(dòng)作的輸出，同時(shí)將發(fā)生的故障類(lèi)型、故障數據記錄及故障發(fā)生的時(shí)間按照ModBus協(xié)議規則上傳給上位計算機系統。

3.1 RMS轉換電路

AD637是一款高精度TRMS／DC轉換器，可以計算各種復雜波形的真有效值，其附加誤差僅為1％，并且在實(shí)際應用中惟一的外部調整元件為平均電容CAV，其影響到求平均值的時(shí)間、低頻精度、輸出波紋水平及輸出穩定時(shí)間。所以本系統采用AD637有效值檢測器將輸入的交流電壓信號轉換為直流電壓，然后通過(guò)A／D轉換器采樣得到電動(dòng)機的電壓。電路圖如圖4所示。

3.2 電機控制電路

本模塊的開(kāi)關(guān)執行器件是模塊內嵌的固態(tài)繼電器SSR，有兩種方式提供SSR的觸發(fā)信號。第一種方式由單片機控制，P1.6輸出一個(gè)控制信號(高電平)，激勵光電耦合器導通，從而控制固態(tài)繼電器閉合。第二種方式由外部觸發(fā)信號Con控制，外部觸發(fā)信號為直流電壓信號，直接加在模塊內部的控制繼電器線(xiàn)圈的兩端，當外部信號存在時(shí)，固態(tài)繼電器閉合，關(guān)閉電動(dòng)機。通過(guò)這兩種方式可以實(shí)現對電動(dòng)機的實(shí)時(shí)控制。具體電路圖如圖5所示。

4 軟件算法設計

軟件設計采用模塊化設計思想，把系統軟件劃分為鍵盤(pán)顯示、通信、電流采集處理及電機保護算法等模塊。

4.1 負序電流軟件保護算法

本文根據負序量的特征作為保護的依據，制定出反時(shí)限保護特性方程：t2=T2／[(I2／KCM)2-1]。T2為負序保護時(shí)間常數；KCM為負序保護動(dòng)作門(mén)檻；I2為負序電流值；t2為出現負序電流后，系統延時(shí)多少時(shí)間實(shí)施保護動(dòng)作。

對于嚴重的不平衡故障(反相、斷相等)，具有高靈敏度KCM，短延時(shí)t2，但是為了躲開(kāi)斷路器跳、合閘及其他暫態(tài)干擾，根據實(shí)際情況，系統選取KCM=1.25。

由于實(shí)際供電電源總存在一定不對稱(chēng)，即使在正常運行時(shí)，電動(dòng)機也有一定的負序電流，所以負序保護必須躲過(guò)這一不平衡電流。在電動(dòng)機正常運行及啟動(dòng)過(guò)程中，允許三相電壓之間有持續性的5％以?xún)鹊恼`差，此時(shí)測量I2比較小，得到的t2比較大。但是對于三相電源嚴重不對稱(chēng)的情況，I2將變得比較大，得到的t2比較小，所以為了保證負序電流保護可靠地動(dòng)作，系統設定了一個(gè)參考時(shí)間t2′，當t2<t2′時(shí)，保護動(dòng)作才執行。

4.2 速斷電流軟件保護算法

速斷保護也稱(chēng)短路保護。由于電動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)，電機電流會(huì )從0增加到額定電流的4～7倍，啟動(dòng)完成后，電機電流會(huì )降為其額定電流值的附近。為了在這段時(shí)間防止電機發(fā)生故障，必須在這段時(shí)間單獨設定速斷保護算法。系統本身設定一個(gè)速斷定值Ip及電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)間Ts，算法實(shí)現如下：

(1) 在100ms內，如果電機電流從0增加到額定電流的2倍以上，系統將自動(dòng)將速斷定值抬高一倍。啟動(dòng)完成后，速斷定值自動(dòng)恢復原值。

(2) 若在100ms內，電機電流超過(guò)速斷定值的兩倍，則速斷保護立即執行。

4.3 過(guò)流軟件保護算法

過(guò)流保護主要在電機正常啟動(dòng)后投入使用，主要針對過(guò)流、堵轉、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)或者無(wú)法啟動(dòng)等故障，根據實(shí)際試驗，過(guò)流定值一般為2～4倍額定電流?？紤]到此時(shí)電機發(fā)熱已經(jīng)比較嚴重，并且由于電動(dòng)機本身熱積累的緣故，所以采用定時(shí)限過(guò)流保護算法，即保護時(shí)間采用IS／IN=2時(shí)所對應的時(shí)刻。

4.4 過(guò)熱軟件保護算法

過(guò)熱保護在電動(dòng)機正常啟動(dòng)后自動(dòng)投入使用，主要針對系統過(guò)負荷故障設計的。但是為了充分發(fā)揮電動(dòng)機的過(guò)載能力，避免頻繁啟停，所以采用反時(shí)限保護措施。

根據文獻[2]中的介紹電動(dòng)機熱積累模型，本文采用具有反時(shí)限特性的過(guò)流保護發(fā)熱模型的動(dòng)作判據如下式所示：

式中，IN為電機的額定電流，T為電動(dòng)機發(fā)熱時(shí)間常數。

軟件流程圖如圖6所示。

5 基于本系統的電機保護試驗

電動(dòng)機微機保護系統設計完成后，需要對系統的各項功能進(jìn)行試驗。本系統根據廣州富利明公司提供的37 kW鼓風(fēng)電動(dòng)機進(jìn)行了現場(chǎng)試驗。

交流電嵌表(型號為CIE-2600)用于測量三相交流電的電流和電壓，與所設計系統測得數據進(jìn)行比較。同時(shí)通過(guò)增加電路中的負載，可以模擬出各種類(lèi)型故障，檢驗各種保護動(dòng)作和保護算法。對電流的檢測結果如表1所示。

從表中數據可以看出，電流的最大測量誤差均不會(huì )超過(guò)