電機智能啟動器的設計和實現

1 引 言 

三相交流異步電動機因其結構簡單、成本低廉、運行可靠、維護方便、機械性能滿足大多數生產機械的要求等優點被廣泛地應用于各大工廠，已經成為動力設備的主力軍，但是由于電動機故障而產生的直接或間接損失也是逐年增加，因此對電動機保護算法研究和保護裝置的設計已經越來越受到廠商和專家的關注。目前就電動機的故障種類而言，可分為內部故障與外部故障兩種。電動機的常規外部故障保護，無論從理論還是從診斷與保護的實現手段上都比較完善。因此電動機內部故障的診斷與檢測是電動機保護的主要研究方向，常見的內部故障可以分為對稱和不對稱兩大類。近年來，這一領域的研究主要在兩個方面：一方面是追尋在保護理論上的突破；另一方面是在實現手段上的發展，逐步由常規保護方式向基于先進信號處理的方法和微機保護技術的現代保護方式進化。

本文在分析電動機故障原理的基礎上設計了電動機正、負序電流的硬件檢測電路，提出了反時限和定時限相結合的軟件保護算法，不僅實現了信號處理方法和微機保護技術的有機結合，而且還解決了電動機關閉后智能再啟動問題。對廣州富利明公司提供的37 kW鼓風電動機進行現場試驗，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越性以及電動機關閉后智能再啟動帶來的問題。

2 電動機保護原理分析

根據對稱分量法，當電動機發生對稱故障時，會出現明顯的過流。因此，可以利用過電流檢測來實現對稱故障的診斷和保護。假設已知不對稱三相電流各為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)。根據對稱分量法，有以下關系：

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

當電動機正常運行時負序和零序電流沒有或很小，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鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。

2.1 非對稱故障保護

對于斷相、逆相、定子繞組、相間短路及三相電流等不對稱故障，均能引起較大的負序電流，所以將負序過電流保護作為不對稱故障的主保護。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，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。當電動機正常運行，濾序器的輸出電壓為零，即USC=0。當電動機發生不對稱故障時，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限，可以使保護的靈敏度得到很大的提高。

2.2 對稱性故障保護

對于過載、堵轉、三相短路等對稱故障，電動機的主要損害是出于電流增大引起的熱效應，并且此時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。我們知道電動機允許過電流通過時間與其電流值的大小成反比關系，即電流值越大，其允許通過的時間越短。為了充分發揮電動機的效益，又不至于使電動機長時間過熱而損壞，本文采用反時限和定時限相結合的過流保護策略。具體保護方式如圖2所示。

3 系統硬件實現框圖

所設計的基于C8051F005的電動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、實時時鐘、鍵盤、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。保護裝置取電動機的三相電流，然后轉換為電壓信號，經過濾波及整形電路改善波形、消除直流和高次諧波信號，進入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根據當前實時采集的電壓數據和用戶設定的保護動作的整定值進行比較分析、判斷電動機當前的運行狀態、是否將發生故障以及發生故障的類型，控制保護動作的輸出，同時將發生的故障類型、故障數據記錄及故障發生的時間按照ModBus協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間、低頻精度、輸出波紋水平及輸出穩定時間。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A／D轉換器采樣得到電動機的電壓。電路圖如圖4所示。

3.2 電機控制電路

本模塊的開關執行器件是模塊內嵌的固態繼電器SSR，有兩種方式提供SSR的觸發信號。第一種方式由單片機控制，P1.6輸出一個控制信號(高電平)，激勵光電耦合器導通，從而控制固態繼電器閉合。第二種方式由外部觸發信號Con控制，外部觸發信號為直流電壓信號，直接加在模塊內部的控制繼電器線圈的兩端，當外部信號存在時，固態繼電器閉合，關閉電動機。通過這兩種方式可以實現對電動機的實時控制。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，制定出反時限保護特性方程：t2=T2／[(I2／KCM)2-1]。T2為負序保護時間常數；KCM為負序保護動作門檻；I2為負序電流值；t2為出現負序電流后，系統延時多少時間實施保護動作。

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t2，但是為了躲開斷路器跳、合閘及其他暫態干擾，根據實際情況，系統選取KCM=1.25。

由于實際供電電源總存在一定不對稱，即使在正常運行時，電動機也有一定的負序電流，所以負序保護必須躲過這一不平衡電流。在電動機正常運行及啟動過程中，允許三相電壓之間有持續性的5％以內的誤差，此時測量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作，系統設定了一個參考時間t2′，當t2<t2′時，保護動作才執行。

4.2 速斷電流軟件保護算法

速斷保護也稱短路保護。由于電動機在啟動時，電機電流會從0增加到額定電流的4～7倍，啟動完成后，電機電流會降為其額定電流值的附近。為了在這段時間防止電機發生故障，必須在這段時間單獨設定速斷保護算法。系統本身設定一個速斷定值Ip及電動機啟動時間Ts，算法實現如下：

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

(2) 若在100ms內，電機電流超過速斷定值的兩倍，則速斷保護立即執行。

4.3 過流軟件保護算法

過流保護主要在電機正常啟動后投入使用，主要針對過流、堵轉、啟動時間過長或者無法啟動等故障，根據實際試驗，過流定值一般為2～4倍額定電流。考慮到此時電機發熱已經比較嚴重，并且由于電動機本身熱積累的緣故，所以采用定時限過流保護算法，即保護時間采用IS／IN=2時所對應的時刻。

4.4 過熱軟件保護算法

過熱保護在電動機正常啟動后自動投入使用，主要針對系統過負荷故障設計的。但是為了充分發揮電動機的過載能力，避免頻繁啟停，所以采用反時限保護措施。

根據文獻[2]中的介紹電動機熱積累模型，本文采用具有反時限特性的過流保護發熱模型的動作判據如下式所示：

式中，IN為電機的額定電流，T為電動機發熱時間常數。

軟件流程圖如圖6所示。

5 基于本系統的電機保護試驗

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

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行比較。同時通過增加電路中的負載，可以模擬出各種類型故障，檢驗各種保護動作和保護算法。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超過