基于MSP430F149電機保護算法的實(shí)現
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機；保護算法；MSP430F149；單片機
目前，我國高壓電動(dòng)機的保護主要有機電式和集成電路兩種，但都存在著(zhù)諸多弊病，不能很好地保護電動(dòng)機。其中，異步電動(dòng)機的機電式保護，主要以電流增大作為判據，保護原理粗略，對斷相等嚴重不對稱(chēng)故障，由于一般不出現顯著(zhù)的電流增大，從而使保護裝置難以及時(shí)動(dòng)作，造成事故擴大；集成電路式保護雖在保護原理上有所改善，但其保護特性一般無(wú)法與電動(dòng)機熱曲線(xiàn)實(shí)現較好配合，常發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，嚴重的甚至燒毀電動(dòng)機。因此，研究電機保護算法具有重要的意義。
1 電動(dòng)機故障分析
電動(dòng)機的故障形式可分為對稱(chēng)和不對稱(chēng)兩類(lèi)。
對稱(chēng)故障包括過(guò)載、堵轉和三相短路等，這類(lèi)故障對電動(dòng)機的損壞主要是熱效應和機械應力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。其主要特征是三相仍基本對稱(chēng)但同時(shí)出現過(guò)電流，故障嚴重程度基本反映在過(guò)電流的程度，因此仍然以過(guò)流程度作為這類(lèi)故障的判據。對于嚴重的三相短路的保護應采用速斷跳閘；堵轉故障的保護應采用短時(shí)限跳閘；而對于對稱(chēng)過(guò)載應采用及時(shí)限跳閘，反時(shí)限特性應與電動(dòng)機的溫升指數特性相配合。
不對稱(chēng)故障又可進(jìn)一步分為非接地性和接地性?xún)深?lèi)。
非接地性不對稱(chēng)故障，主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運行等。這類(lèi)故障會(huì )引起三相電流不對稱(chēng)。由于我國電動(dòng)機的中心點(diǎn)不接地，故定子電流可分解為正序和負序分量(零序分量為0)。而電動(dòng)機在正常運行時(shí)負序電流分量基本沒(méi)有，所以采用負序電流分量作為這類(lèi)故障的判據。這類(lèi)故障對電動(dòng)機的損害主要是負序電流引起的負序效應，可能造成電動(dòng)機端部發(fā)熱、轉子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，如果有過(guò)電流出現，還會(huì )使繞組發(fā)熱。這類(lèi)故障的保護應采用短時(shí)限跳閘或速斷?！〗拥匦圆粚ΨQ(chēng)故障，包括單相接地短路和兩相接地短路。由于電動(dòng)機外殼必須安全接地，因此繞組端部碰殼、絕緣破壞等都可能導致接地故障，特別是處在塵埃重或濕度大的環(huán)境下，故障率就更高。發(fā)生接地性不對稱(chēng)故障時(shí)，會(huì )出現零序電流分量，這是區別其他任何非接地性故障的根本特征，可作為接地性故障的主要判據。這類(lèi)故障應采用速斷或短時(shí)限跳閘加以保護。
由以上分析和實(shí)驗表明，過(guò)電流、負序和零序3個(gè)分量的不同分布組合與各故障類(lèi)型之間具有很好的對應關(guān)系，表1列出了這樣的對應關(guān)系。
2 電動(dòng)機保護算法的提出
保護算法是用數學(xué)運算方法實(shí)現故障量的測量、分析和判斷的。其基本問(wèn)題是尋找適當的離散運算方法，使運算結果的精確度能滿(mǎn)足要求，而計算耗時(shí)又盡可能短。
傅氏算法假定被采樣的模擬信號是一個(gè)周期性時(shí)間函數，除基波外，還含有不衰減的直流分量和各次諧波。這種算法在DSP單片機上實(shí)現時(shí)，實(shí)際上是對離散的采樣值進(jìn)行計算。首先計算In的實(shí)部Irn和虛部Iin值(其中n＝a，b，c)：
其中：N為一個(gè)周期T中的采樣數，N愈大，精度愈高。
當N＝12點(diǎn)數時(shí)，幅值最大誤差：ΔIm ax/Im＝3.41％
在單片機上作實(shí)時(shí)計算時(shí)，須在每出現一個(gè)新采樣值后就計算一次，而且應對這一新采樣值前的N個(gè)采樣值(包括新出現的一個(gè))同時(shí)加以運算。在運算時(shí)，對N個(gè)采樣值都分別乘以不同的系數，然后求和。
計算出In的實(shí)部Irn和虛部Iin后，就可求得幅值In和相 位角θ為：
這樣就可求得任意次諧波的振幅和相位。
定子繞組的相間短路對異步電動(dòng)機來(lái)說(shuō)是嚴重的故障，他不僅引起繞組絕緣損壞、鐵芯燒毀，甚至會(huì )使供電網(wǎng)絡(luò )電壓顯著(zhù)降低，破壞其他設備的正常工作。所以應進(jìn)行相間短路故障的保護。當然，他也歸屬于過(guò)流保護。這種故障會(huì )產(chǎn)生衰減的非周期分量(包括衰減的直流分量)，同樣，電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的涌流也會(huì )產(chǎn)生這種衰減的非周期分量。盡管傅氏算法對這種衰減的非周期分量有一定的抑制作用，但試驗證明，如果不采取措施，最嚴重的情況下，由非周期分量造成的傅氏算法的計算誤差可能超過(guò)10％，這么大的誤差對電動(dòng)機保護來(lái)說(shuō)，絕不能視而不見(jiàn)，必須進(jìn)行補償。最簡(jiǎn)單的辦法是，對輸入信號先施行一次減法濾波，然后再進(jìn)行傅氏計算，這樣就可削弱非周期分量，減少傅氏算法的計算誤差。對于電動(dòng)機保護，只需計算出基波(50Hz)的電流信號。而其他干擾信號(如各次諧波及各種噪聲)必須濾掉?！ ?/P>
在A(yíng)/D前用一個(gè)無(wú)源的ALF(模擬低通濾波器)濾掉9次以上的高次諧波。在用A/D或VFC進(jìn)行離散化后，采用傅氏算法。該算法本身具有較強的濾波作用(可以濾去各次諧波)，如果在傅氏算法前再用減法濾波，濾去衰減的非周期分量，就無(wú)需另外采用別的數字濾波算法了。 3 硬件實(shí)現框圖 硬件實(shí)現框圖如圖1所示。將三相電流經(jīng)過(guò)電流電壓變換器及放大部分，轉化為合適電平，然后由模擬低通濾波器(ALF)濾去高頻分量。ALF選用無(wú)源低通濾波器即可，其作用是消除頻率混疊問(wèn)題，即為了滿(mǎn)足采樣定理，限制輸入信號的最高頻率，在此設計成消除7次或9次以上的諧波。然后經(jīng)采樣保持電路，采保電路起到這樣一個(gè)作用：當多個(gè)模擬量需要同時(shí)檢測時(shí)，檢測系統輸入通道中必須有一個(gè)電路，在A(yíng)/D進(jìn)行轉換時(shí)用來(lái)采樣并保持這一時(shí)刻的模擬信號不變，以便A/D轉換器能獲得一個(gè)穩定的轉換數值。信號進(jìn)入微控制器芯片進(jìn)行綜合處理(MSP430F149內置12位A/D轉換器，無(wú)需外部再接入A/D轉換器)。輸出回路為保護裝置的執行電路，由跳閘回路、聲光報警指示電路組成，具有跳閘、報警和指示故障類(lèi)型等功能。外部總線(xiàn)外接擴展SRAM，E2PROM及鍵盤(pán)顯示器專(zhuān)用接口芯片8729。通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸入整定值，而顯示單元由LCD模塊組成，可以顯示實(shí)時(shí)數據、報警信息等。 4 軟件設計流程圖
首先對系統進(jìn)行初始化，A用自檢程序對RAM執行一個(gè)簡(jiǎn)單的交互式0/1測試，通過(guò)將一個(gè)AAH，55H模型66寫(xiě)入整個(gè)RAM，將求反后的RAM值寫(xiě)入RAM并重新檢查，再清除整個(gè)RAM，若發(fā)現錯誤則復位被置。然后，判斷電機是否上電運行，若是，則進(jìn)行數據采集處理并自動(dòng)檢測電機運行狀態(tài)。若發(fā)現電機不正常運行，則立即識別故障類(lèi)型，進(jìn)行故障處理，并顯示出故障信息，接著(zhù)執行相應的跳閘環(huán)節。
點(diǎn)擊此處查看全部新聞圖片5 結語(yǔ)
基于對高壓異步電動(dòng)機故障特征的詳細分析，將過(guò)流保護分解為過(guò)流、負序和零序保護3大類(lèi)，由此構成的綜合保護可基本覆蓋電動(dòng)機的所有常見(jiàn)故障類(lèi)型。提出了數字式綜合保護算法，采用超低功耗的單片機監測電動(dòng)機故障，具有成本低、性?xún)r(jià)比高、可靠性強、適應性好的特點(diǎn)， 應用前景廣闊。
參考文獻
［1］胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.
［2］沈標正.電機故障診斷技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001
單相異步電動(dòng)機相關(guān)文章:單相異步電動(dòng)機原理
評論