基于DSP 的電動機保護器的設(shè)計與實現(xiàn)

     0 引言

　　電動機作為一種拖動機械，由于供電狀態(tài)和生產(chǎn)負荷的多變性，以及電動機經(jīng)常在頻繁起動、制動、正反轉(zhuǎn)等工況條件下運行，所以容易發(fā)生過載、堵轉(zhuǎn)、短路、斷相等故障。傳統(tǒng)的電動機保護，已難以滿足人們對電動機保護越來越高的可靠性要求。隨著單片機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，以及智能化電動機保護技術(shù)的深入研究，電動機保護器開始向通信網(wǎng)絡(luò)化、裝置微機化、功能集成化等方向發(fā)展。

　　為實現(xiàn)電動機的可靠保護，本文介紹一種以DSP 為核心控制單元，集測量、診斷、保護、控制、總線通信功能于一體的智能型電動機保護器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。

　　1 電動機保護原理

　　電動機的故障分為內(nèi)部故障和外部故障，常規(guī)的外部保護無論從理論上還是診斷與保護的實現(xiàn)方法上都相對完善。電動機內(nèi)部故障又分為對稱故障和不對稱故障。對稱故障對電動機的影響主要是因電流增大而引起的熱效應(yīng)的積聚。可以利用過電流檢測和對電動機繞組的溫升特性進行數(shù)學(xué)建模，實現(xiàn)對對稱故障的診斷。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幾乎為零。因此，利用電流序分量的檢測方法來鑒別各類通過對不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。

　　該設(shè)計在線測量了電流真有效值、電機外殼溫度以及電動機熱力學(xué)參數(shù)，通過建立數(shù)學(xué)模型，仿真計算出電機定子繞組的溫度，并結(jié)合軟件算法求取序分量，判斷不對稱故障實際應(yīng)用中，構(gòu)成了對電動機在各種運行環(huán)境下所有類型的故障診斷與保護。

　　1. 1 基于交流采樣的真有效值計算

　　對于周期為T 的工頻信號來說，在一個周期內(nèi)采樣N 點，得到離散序列立u( n)、i( n)。當(dāng)滿足香農(nóng)定理時，u( n)、i(n) 中將包含工頻交流信號中有關(guān)電參量的信息，并由數(shù)值積分理論計算出工頻信號的電參量。

　　如果交流電流信號在1 周期內(nèi)均勻采樣N點，只要N 足夠大，且選取適當(dāng)，則交流電流的有效值公式：

　　離散化，以1 周期內(nèi)的采樣序列來代替連續(xù)變化的電流值。根據(jù)數(shù)值積分中的矩形算法，得：

　　式中:ΔT 為交流采樣間隔;im為電流采樣樣本值;N 為1 個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。

　　如果相鄰2 次采樣的時間間隔都相等，則：

　　1. 2 序分量檢測

　　當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其他原因造成系統(tǒng)不對稱運行時，一般采用對稱分量法，將一組不對稱分量分解為三組對稱的分量，分別為正序、負序和零序分量。將該幾組對稱分量分別作用在對稱阻抗上，計算出個別的對稱情況對電動機產(chǎn)生的影響，再把結(jié)果疊加起來，得出總的結(jié)果。

　　當(dāng)電力系統(tǒng)正常運行時，其三相對稱電勢表示式為:

　　電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，根據(jù)對稱向量法，序分量與不對稱分量存在如下關(guān)系:

　　則：

　　1. 3 等效熱保護

　　電動機的發(fā)熱和散熱過程比較復(fù)雜，與固定損耗及可變損耗等多種因素有關(guān)。根據(jù)對電動機發(fā)熱過程的分析，其熱態(tài)平衡微分方程為：

　　式中:Q 為電動機單位時間產(chǎn)生的熱量;A 為散熱系數(shù)(表示溫升為1 ℃時，每秒鐘的散熱量);τ 為溫升;t 為時間;Aτ 為電動機單位時間內(nèi)散熱量;C為電動機熱容量。

　　由式(6) 解得，在初始條件下，t = 0，τ = τF0，電動機在某一時刻的溫升由下式?jīng)Q定:

　　式中:Tθ = C /A 為發(fā)熱時間常數(shù)，表示熱慣性的大小;τL = Q/A 為溫態(tài)溫升;τF0為起始溫升。

　　式(7) 表明，熱過渡過程包括2 個分量，一個是強制分量τL，是過渡過程結(jié)束時的溫態(tài)值;另一個是自由分量，按指數(shù)規(guī)律衰減至0。

　　在本設(shè)計中，根據(jù)IEC 255-8 建立室溫狀態(tài)下電動機發(fā)熱曲線模型，脫扣級別分為多級可選，與不同起動時間的負載類型相對應(yīng)，如圖1 所示。

圖1 過負荷時間/電流曲線。

　　電動機熱衰減過程受環(huán)境因素的影響比較大，不同的環(huán)境溫度條件下，單位時間內(nèi)的散熱量是不一樣的。式(7) 反應(yīng)了電動機熱量衰減規(guī)律，在本設(shè)計中，電動機的散熱過程按式(7) 模擬指數(shù)函數(shù)曲線衰減方式，并針對不同的電動機提供多條散熱曲線可選。實際應(yīng)用中，選取三種典型的電動機散熱過程，在不同環(huán)境溫度下，通過試驗的方式確定式(7) 中的發(fā)熱時間常數(shù)Tθ值，并推廣至普遍應(yīng)用。試驗數(shù)據(jù)表明，可較為真實地反應(yīng)不同環(huán)境溫度條件下電動機的散熱過程。因試驗過程比較復(fù)雜，本文就不再贅述。

　　2. 4 溫度測量

　　電動機的發(fā)熱與散熱過程和環(huán)境溫度是息息相關(guān)的。電動機是否需要保護，其根本的判斷依據(jù)應(yīng)該是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度，在相同電流的情況下，對于環(huán)境溫度高的電動機，其燒毀的可能性顯然要大于環(huán)境溫度低的電動機。本設(shè)計中，在電動機等效熱保護模型中引入電動機環(huán)境溫度的影響。式(6) 中散熱系數(shù)A由電動機外殼溫度確定。

　　電動機外殼溫度采集部分采用恒流源電路。

　　溫度敏感元件使用鉑電阻。溫度的標(biāo)度變換采用查表和線性插值相結(jié)合的方法。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。

　　2. 1 微處理單元

　　傳統(tǒng)的保護器常采用以單片機為核心的處理單元，但單片機采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存貯空間，所以無法進行實時、高速采樣和實時處理，限制了測量精度。

　　核心處理單元使用了數(shù)字處理芯片(DSP)TMS320F2808?；赥MS320F28xx 內(nèi)核的定點DSP TMS320F280x 系列是集成度較高、性能較強的控制系列器件。能實時采樣、快速提供電能質(zhì)量參數(shù)，為電力系統(tǒng)全面的測量和分析提供了有效的工具。高速的運算能力保證了的實時性。

　　2. 2 電信號采樣單元

　　電流信號取樣于套在母線上的電流互感器的二次輸出，為達到一定的測量精度，必須足夠高的采樣頻率和足夠長的數(shù)據(jù)信息。本設(shè)計中，采用每周期64 點的采樣機制，同時，在采樣調(diào)理電路中使用二階抗混疊低通濾波器，濾波器的截止頻率選擇在1 600 Hz;采樣電路使用Microchip 的MCP6004 運算放大器，增益帶寬1 MHz;電路形式為一階低通濾波放大器，如圖3 所示。采樣電路的差模放大輸出為uo = uiZ /R + U0，其中，Z 為阻抗。選擇阻容并聯(lián)形式，則Z 的傳遞函數(shù)為：

　　一階差分低通濾波放大器靜態(tài)放大增益為：

　　為避免放大器在大電容負載時的不穩(wěn)定，在輸出端加入一個小電阻Riso，從而提高放大器反饋回路在大電容負載下的相角裕度。

圖3 電流采樣調(diào)理電路。

　　2. 3 繼電保護輸出

　　繼電保護是通過繼電器觸點輸出完成。當(dāng)保護器診斷到電動機發(fā)生故障時，就觸發(fā)功率電路，驅(qū)動繼電器輸出，以切斷電動機電源，使電動機處于保護狀態(tài);同時，通過識別與記憶功能對故障予以識別、記憶和指示，以便分析原因并進行日常維護。只有當(dāng)故障排除后，電動機才能再次被起動。

　　2. 4 顯示操作單元

　　顯示操作單元提供友好的人機界面。它通過串行接口與保護器連接，主要包括鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、指示燈與復(fù)位按鈕等。定值整定和測量值監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)控、自診斷信息等本地操作均通過顯示操作模塊進行。

　　2. 5 通信接口

　　TMS320F2808 提供2 個兩線異步通信接口(SCI)模塊，即通常所說的UART，支持CPU 與其他異步外設(shè)間的數(shù)字通信，接收或者發(fā)送的數(shù)據(jù)是NRZ 格式。保護器串行通信接口選擇2 根線的RS － 485 硬件接口，在該結(jié)構(gòu)中，多達32 個從機裝置能在一條單一的通信信道上用菊花鏈結(jié)構(gòu)方式連接在一起，實現(xiàn)保護器和計算機監(jiān)控系統(tǒng)間的實時通信。

　　3 軟件設(shè)計

　　保護器軟件部分的設(shè)計主要采用嵌入式C語言，結(jié)構(gòu)清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序為核心，包括初始化程序、系統(tǒng)自診斷、主程序、定時中斷程序和各個功能模塊子程序，各子程序的功能均在主程序中得到實現(xiàn)。如圖4 所示。

圖4 主程序流程框圖。

　　3. 1 軟件抗干擾

　　由于DSP 器件的高速特性，使電參數(shù)的測量精度和抗干擾技術(shù)都能提高到一個新的水平。在軟件設(shè)計中，采用信號完整性分析方法，以提高抗干擾水平，并采用軟件濾波算法對采樣信號進行軟件非線性校正。對于采集到的每路信號，則使用有限沖激響應(yīng)濾波器。

　　對于一個M 抽頭的FIR 濾波器，第n 個輸出為：

　　其中，h(k) 稱為濾波器系數(shù)，又叫濾波器的沖擊響應(yīng)。用于濾波器系數(shù)的h(k)相越多，對理想低通濾波器響應(yīng)的近似程度就越高。本設(shè)計中，F(xiàn)IR 濾波器采用65 抽頭結(jié)構(gòu)，在其通帶頻率區(qū)間上，信號的相位延遲為180°，濾波器的截止頻率為550 Hz。濾波器的沖擊響應(yīng)h(k) 通過Matlab設(shè)計獲得。

　　3. 2 通信

　　保護器實現(xiàn)了Modbus-RTU 串行通信標(biāo)準(zhǔn)的一個子集。許多流行的可編程控制器直接使用一個合適的接口卡保護器相聯(lián)。Modbus 是單主機對多從機，不受硬件約束，適合由RS － 485 硬件接口提供的多結(jié)構(gòu)的規(guī)約。對于其他通信協(xié)議，保護器則采用外置式通信轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)。

　　4 應(yīng)用

　　基于DSP 的電動機保護器的設(shè)計方案已在實際產(chǎn)品中實現(xiàn)，如圖5 所示。通過3C 認證試驗驗證，各項功能均達到設(shè)計要求，對電動機的各種故障有良好的保護效果。保護器在采樣、整定、保護精度方面有了質(zhì)的飛躍，保護可靠性高，不易受環(huán)境影響。

圖5 RMD2 電動機保護器。

　　RMD2 電動機保護器具有以下特點:

　　(1) 高精度電參數(shù)測量;

　　(2) 完善的保護特性:可對十余種電動機故障進行診斷與保護;

　　(3) 基于電動機環(huán)境溫度的熱等效保護;

　　(4) 多種邏輯控制功能:可實現(xiàn)雙向控制、星－ 三角起動或軟起動器配合起動等9 種邏輯控制;

　　(5) 總線通信。

　　基于DSP 設(shè)計的RMD2 電動機保護器取得十項專利，其中發(fā)明專利二項，獲上海電氣( 集團)總公司科技進步三等獎。經(jīng)中國科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍冎行牟樾?，RMD2 電動機保護器在國內(nèi)處于領(lǐng)先，達到國際先進水平。

　　RMD2 電動機保護器在江蘇鹽城某化工廠生產(chǎn)車間已實現(xiàn)穩(wěn)定的運行一年多時間，能夠達到很好的遠程監(jiān)控目的，實現(xiàn)對電動機的保護與控制、故障處理與記錄，具有較高的保護精度和靈敏度，取得了良好的經(jīng)濟效益。

　　(1) 利用低電流特性來檢測吸力的消失或排氣閥的關(guān)閉，實現(xiàn)對泵的機械式保護。

　　(2) 利用起動定時器來斷開回路防止過度超時運行，實現(xiàn)對壓縮電動機的電氣保護。

　　(3) 使用機械阻塞跳閘特性來反應(yīng)機械堵塞故障實現(xiàn)對傳動裝置的機械保護。

　　5 結(jié)語

　　與傳統(tǒng)的電動機保護裝置相比，基于DSP 的電動機保護器則充分利用了DSP 的資源，是一種集測量、診斷、保護、控制和通信功能于一體的智能型綜合保護控制裝置。保護特色的多樣性及簡單的編程控制使其成為廣泛應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的電動機及設(shè)備保護的選擇。

參考文獻:

[1]. Microchip  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Microchip+_1097736.html.
[2]. MCP6004  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MCP6004+_1097507.html.