基于FPGA的電動機微機保護實現(xiàn)方法

0　引　言
電動機內(nèi)部故障的診斷與檢測是電動機保護 的主要研究方向。近年來,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 說明到定量分析;另一方面是在實現(xiàn)手段上的發(fā)展,逐步由常規(guī)保護方式向基于先進信號處理方法 和微機保護技術(shù)的現(xiàn)代保護方式進化。本文基于 對電動機保護原理的分析和研究,利用FPGA系統(tǒng) 設(shè)計實現(xiàn)了最小二乘法數(shù)字保護算法。以FPGA 芯片為核心所設(shè)計的電動機微機保護裝置,不僅克 服了傳統(tǒng)的繼電器式電動機裝置的缺點,而且比普 通微機保護裝置響應(yīng)速度快,截斷誤差小。
1　電動機繼電保護的原理
電動機的內(nèi)部故障可以分為對稱故障和不對 稱故障兩種。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等; 不對稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、 三相不平衡等。根據(jù)對稱分量原理,當電動機發(fā) 生對稱故障時,會出現(xiàn)明顯的過流[ 1 ] 。因此,可 以利用過電流檢測來實現(xiàn)對稱故障的診斷與保 護。當電動機發(fā)生不對稱故障時,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 電流在電動機正常運行時沒有或很小,一旦出現(xiàn) 必然表示出現(xiàn)了故障。因此利用電流中的負序和 零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 電動機的微機保護主要通過測量電量(電 流、電壓及開關(guān)狀態(tài)等)來監(jiān)測電動機的運行狀 態(tài)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,根據(jù)以上分析,電動機發(fā)生對稱故障的主要特 征是出現(xiàn)電流幅值增大,而發(fā)生不對稱故障時的 主要特征是出現(xiàn)負序和零序電流分量[ 2 ] 。根據(jù) 這一結(jié)論,可將電動機的保護分解成過流保護、負 序電流保護和零序電流保護三個部分。由此可基 本覆蓋電動機的所有常見故障類型,并可以針對 電動機的以上三種主要保護提出電動機的綜合保 護方案。
2　基于FPGA的微機保護系統(tǒng)硬件
根據(jù)電動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(shù),再與給定的正常標 準值進行比較,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(quán)所有,從而確定保護裝置是否應(yīng)該 動作跳閘或發(fā)信號。因此,完整的保護裝置應(yīng)包 括三大部分:測量比較部分、邏輯判斷部分、執(zhí)行 部分。其各部分的邏輯關(guān)系可用圖1表示。

電動機微機保護裝置的硬件系統(tǒng)采用模塊化 結(jié)構(gòu),如圖2所示。

FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(MCU)成為整個 裝置的核心,完成模擬信號的調(diào)理濾波、采樣、模 擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、頻率和相位測量、開關(guān)量信號輸入/ 輸出、通信、系統(tǒng)計時、數(shù)據(jù)計算、邏輯判斷等功能。 鍵盤顯示模塊負責人機會話。通過發(fā)光二極 管可以實時顯示被保護電動機的電流、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)、 動作類型等詳細信息。通過鍵盤可以修改整定 值、查詢動作記錄,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(zhuǎn)換器 MAX197組成,其作用是將來自現(xiàn)場的交流量轉(zhuǎn) 換為處理器模塊可以處理的數(shù)字量信號。