電機(jī)智能啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1 引 言 

三相交流異步電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、機(jī)械性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的要求等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于各大工廠，已經(jīng)成為動(dòng)力設(shè)備的主力軍，但是由于電動(dòng)機(jī)故障而產(chǎn)生的直接或間接損失也是逐年增加，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)算法研究和保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越受到廠商和專家的關(guān)注。目前就電動(dòng)機(jī)的故障種類而言，可分為內(nèi)部故障與外部故障兩種。電動(dòng)機(jī)的常規(guī)外部故障保護(hù)，無(wú)論從理論還是從診斷與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)手段上都比較完善。因此電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障的診斷與檢測(cè)是電動(dòng)機(jī)保護(hù)的主要研究方向，常見(jiàn)的內(nèi)部故障可以分為對(duì)稱和不對(duì)稱兩大類。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(hù)理論上的突破；另一方面是在實(shí)現(xiàn)手段上的發(fā)展，逐步由常規(guī)保護(hù)方式向基于先進(jìn)信號(hào)處理的方法和微機(jī)保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)代保護(hù)方式進(jìn)化。

本文在分析電動(dòng)機(jī)故障原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)正、負(fù)序電流的硬件檢測(cè)電路，提出了反時(shí)限和定時(shí)限相結(jié)合的軟件保護(hù)算法，不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理方法和微機(jī)保護(hù)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，而且還解決了電動(dòng)機(jī)關(guān)閉后智能再啟動(dòng)問(wèn)題。對(duì)廣州富利明公司提供的37 kW鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和完備性，并分析和總結(jié)了軟件算法的優(yōu)越性以及電動(dòng)機(jī)關(guān)閉后智能再啟動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。

2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析

根據(jù)對(duì)稱分量法，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)流。因此，可以利用過(guò)電流檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱故障的診斷和保護(hù)。假設(shè)已知不對(duì)稱三相電流各為IA，IB，IC，電流的正序、負(fù)序、零序分量分別為IA+，IA-，IA0(以A相為例)。根據(jù)對(duì)稱分量法，有以下關(guān)系：

式中，運(yùn)算子α=ej120，α2=ej240，且有1+α+α2=0，α3=1。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)序和零序電流沒(méi)有或很小，一旦出現(xiàn)必然表示出現(xiàn)了故障。因此利用電流中負(fù)序和零序分量來(lái)鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。

2.1 非對(duì)稱故障保護(hù)

對(duì)于斷相、逆相、定子繞組、相間短路及三相電流等不對(duì)稱故障，均能引起較大的負(fù)序電流，所以將負(fù)序過(guò)電流保護(hù)作為不對(duì)稱故障的主保護(hù)。負(fù)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(fù)序電流有關(guān)，電路的參數(shù)選擇如下： 。則濾序器的輸出電壓為：

由于系統(tǒng)正常運(yùn)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(fù)序電流有關(guān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，濾序器的輸出電壓為零，即USC=0。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，濾序器輸出電壓USC≠0，如式(3)所示。因?yàn)橹挥性诠收锨闆r下才有負(fù)序分量，所以選取合適的電路參數(shù)和判斷門(mén)限，可以使保護(hù)的靈敏度得到很大的提高。

2.2 對(duì)稱性故障保護(hù)

對(duì)于過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等對(duì)稱故障，電動(dòng)機(jī)的主要損害是出于電流增大引起的熱效應(yīng)，并且此時(shí)系統(tǒng)中只存在正序電流，所以采用正序電流作為保護(hù)算法的判斷準(zhǔn)則。我們知道電動(dòng)機(jī)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(jī)的效益，又不至于使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱而損壞，本文采用反時(shí)限和定時(shí)限相結(jié)合的過(guò)流保護(hù)策略。具體保護(hù)方式如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

所設(shè)計(jì)的基于C8051F005的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)主要由單片機(jī)、RMS轉(zhuǎn)換電路、電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)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(jī)C8051F005，其內(nèi)部具有8路12位A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換周期可達(dá)50 μs。保護(hù)裝置取電動(dòng)機(jī)的三相電流，然后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(hào)，進(jìn)入RMS轉(zhuǎn)換電路，得到電壓信號(hào)的有效值后送人12位A／D轉(zhuǎn)換器。CPU根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)采集的電壓數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作的整定值進(jìn)行比較分析、判斷電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、是否將發(fā)生故障以及發(fā)生故障的類型，控制保護(hù)動(dòng)作的輸出，同時(shí)將發(fā)生的故障類型、故障數(shù)據(jù)記錄及故障發(fā)生的時(shí)間按照ModBus協(xié)議規(guī)則上傳給上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.1 RMS轉(zhuǎn)換電路

AD637是一款高精度TRMS／DC轉(zhuǎn)換器，可以計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值，其附加誤差僅為1％，并且在實(shí)際應(yīng)用中惟一的外部調(diào)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(wěn)定時(shí)間。所以本系統(tǒng)采用AD637有效值檢測(cè)器將輸入的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器采樣得到電動(dòng)機(jī)的電壓。電路圖如圖4所示。

3.2 電機(jī)控制電路

本模塊的開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件是模塊內(nèi)嵌的固態(tài)繼電器SSR，有兩種方式提供SSR的觸發(fā)信號(hào)。第一種方式由單片機(jī)控制，P1.6輸出一個(gè)控制信號(hào)(高電平)，激勵(lì)光電耦合器導(dǎo)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(hào)Con控制，外部觸發(fā)信號(hào)為直流電壓信號(hào)，直接加在模塊內(nèi)部的控制繼電器線圈的兩端，當(dāng)外部信號(hào)存在時(shí)，固態(tài)繼電器閉合，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。通過(guò)這兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。具體電路圖如圖5所示。

4 軟件算法設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，把系統(tǒng)軟件劃分為鍵盤(pán)顯示、通信、電流采集處理及電機(jī)保護(hù)算法等模塊。

4.1 負(fù)序電流軟件保護(hù)算法

本文根據(jù)負(fù)序量的特征作為保護(hù)的依據(jù)，制定出反時(shí)限保護(hù)特性方程：t2=T2／[(I2／KCM)2-1]。T2為負(fù)序保護(hù)時(shí)間常數(shù)；KCM為負(fù)序保護(hù)動(dòng)作門(mén)檻；I2為負(fù)序電流值；t2為出現(xiàn)負(fù)序電流后，系統(tǒng)延時(shí)多少時(shí)間實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。

對(duì)于嚴(yán)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(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)選取KCM=1.25。

由于實(shí)際供電電源總存在一定不對(duì)稱，即使在正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)也有一定的負(fù)序電流，所以負(fù)序保護(hù)必須躲過(guò)這一不平衡電流。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行及啟動(dòng)過(guò)程中，允許三相電壓之間有持續(xù)性的5％以內(nèi)的誤差，此時(shí)測(cè)量I2比較小，得到的t2比較大。但是對(duì)于三相電源嚴(yán)重不對(duì)稱的情況，I2將變得比較大，得到的t2比較小，所以為了保證負(fù)序電流保護(hù)可靠地動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)定了一個(gè)參考時(shí)間t2′，當(dāng)t2<t2′時(shí)，保護(hù)動(dòng)作才執(zhí)行。

4.2 速斷電流軟件保護(hù)算法

速斷保護(hù)也稱短路保護(hù)。由于電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)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(jī)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(jī)發(fā)生故障，必須在這段時(shí)間單獨(dú)設(shè)定速斷保護(hù)算法。系統(tǒng)本身設(shè)定一個(gè)速斷定值Ip及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間Ts，算法實(shí)現(xiàn)如下：

(1) 在100ms內(nèi)，如果電機(jī)電流從0增加到額定電流的2倍以上，系統(tǒng)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(fù)原值。

(2) 若在100ms內(nèi)，電機(jī)電流超過(guò)速斷定值的兩倍，則速斷保護(hù)立即執(zhí)行。

4.3 過(guò)流軟件保護(hù)算法

過(guò)流保護(hù)主要在電機(jī)正常啟動(dòng)后投入使用，主要針對(duì)過(guò)流、堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者無(wú)法啟動(dòng)等故障，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，過(guò)流定值一般為2～4倍額定電流。考慮到此時(shí)電機(jī)發(fā)熱已經(jīng)比較嚴(yán)重，并且由于電動(dòng)機(jī)本身熱積累的緣故，所以采用定時(shí)限過(guò)流保護(hù)算法，即保護(hù)時(shí)間采用IS／IN=2時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

4.4 過(guò)熱軟件保護(hù)算法

過(guò)熱保護(hù)在電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后自動(dòng)投入使用，主要針對(duì)系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷故障設(shè)計(jì)的。但是為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，避免頻繁啟停，所以采用反時(shí)限保護(hù)措施。

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

式中，IN為電機(jī)的額定電流，T為電動(dòng)機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。

軟件流程圖如圖6所示。

5 基于本系統(tǒng)的電機(jī)保護(hù)試驗(yàn)

電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行試驗(yàn)。本系統(tǒng)根據(jù)廣州富利明公司提供的37 kW鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

交流電嵌表(型號(hào)為CIE-2600)用于測(cè)量三相交流電的電流和電壓，與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。同時(shí)通過(guò)增加電路中的負(fù)載，可以模擬出各種類型故障，檢驗(yàn)各種保護(hù)動(dòng)作和保護(hù)算法。對(duì)電流的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，電流的最大測(cè)量誤差均不會(huì)超過(guò)