智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)

馮星輝，張修太，翟亞芳*

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，鄭州450000; 2.安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000)

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智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)

馮星輝1，張修太2，翟亞芳2*

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，鄭州450000; 2.安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000)

摘要:針對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種電氣故障，結(jié)合電動(dòng)機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。該裝置以ARM處理器LM3S2B93為主控芯片，可以實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的三相輸入電壓、電流信號(hào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)超時(shí)、堵轉(zhuǎn)、電流不平衡和過(guò)熱等保護(hù)。對(duì)裝置的總體設(shè)計(jì)、部分硬件電路、主程序和典型應(yīng)用進(jìn)行了分析，并給出了裝置的測(cè)試和檢驗(yàn)結(jié)果。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可普及性高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:低壓電動(dòng)機(jī);保護(hù)裝置;電氣故障;插件式結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出的設(shè)備，是其他機(jī)電設(shè)備的動(dòng)力源泉，在機(jī)械加工、冶金、煤炭、石油、化工以及家電等行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。在電動(dòng)機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中，惡劣的運(yùn)行環(huán)境以及超技術(shù)指標(biāo)的工作狀態(tài)，是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)各類電氣故障產(chǎn)生的主要原因，電機(jī)故障或損壞帶來(lái)的直接和間接損失是相當(dāng)巨大的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)使用的中型電機(jī)大約有2 000萬(wàn)臺(tái)，每年燒毀的電機(jī)約占16%，約320萬(wàn)臺(tái)，平均每臺(tái)的維修費(fèi)用1 000元，總費(fèi)用為32億元左右［1］。因此，研究有效的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法與設(shè)備，使其既能對(duì)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的各種電氣故障進(jìn)行可靠的保護(hù)，又能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和減小生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)損失有重要的意義。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

保護(hù)裝置采用插件式結(jié)構(gòu)，主要包括交流信號(hào)輸入插件、CPU插件、開(kāi)關(guān)量輸入插件、開(kāi)關(guān)量輸出插件、模擬量輸出插件、人機(jī)接口插件、通信插件和電源插件，保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示［2］。

圖1　保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)框圖

交流信號(hào)輸入插件包括電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)和信號(hào)調(diào)理電路，其主要作用是利用TA 和TV將低壓電動(dòng)機(jī)的輸入電流信號(hào)和輸入電壓信號(hào)變換為弱電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后變?yōu)槟鼙晃⒖刂破髯R(shí)別的模擬信號(hào)，供微控制器內(nèi)部模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換使用;同時(shí)，TA和TV可以將保護(hù)裝置外部高壓系統(tǒng)與內(nèi)部的低壓系統(tǒng)相隔離，起強(qiáng)電和弱電隔離作用［3－4］。CPU插件包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、晶振電路和復(fù)位電路等，主要起數(shù)據(jù)處理、保護(hù)判斷、邏輯控制、參數(shù)設(shè)置等作用。開(kāi)關(guān)量輸入插件用于采集電動(dòng)機(jī)控制電路外部的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，也可以采集斷路器的位置信號(hào)、刀閘位置信號(hào)等狀態(tài)量信息。開(kāi)關(guān)量輸出插件用于為電動(dòng)機(jī)外部控制電路提供開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào)，并可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警或跳閘電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)控制功能。模擬量輸出插件可以向保護(hù)裝置外部提供標(biāo)準(zhǔn)的4 mA～20 mA輸出電流。人機(jī)接口插件包括按鍵電路和液晶顯示電路，用于保護(hù)裝置與外界進(jìn)行信息交互。通信插件包括了兩路RS485總線接口和一路RJ45以太網(wǎng)接口，用于保護(hù)裝置與其他裝置或監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。電源插件為整個(gè)保護(hù)裝置提供合適的工作電壓。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

近年來(lái)，ARM系列微處理器憑借其高性能、低功耗、高性價(jià)比等特點(diǎn)在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)選用Texas Instruments(TI)公司生產(chǎn)的高速處理器LM3S2B93作為控制核心［5］。LM3S2B93具有ARM Cortex－M3處理器內(nèi)核，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)80 MHz;片內(nèi)集成有256 kbyte的FLASH ROM和96 kbyte的SRAM;含有16通道10 位A/D轉(zhuǎn)換器(采樣速率為1 Msample/s) ;含有8個(gè)多功能串行口，支持UART、I2C、SSPI和I2S 4種功能配置;含有4個(gè)32 bit定時(shí)器和2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器。LM3S2B93微控制器針對(duì)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化、建筑控制、運(yùn)動(dòng)控制等，能夠滿足對(duì)多參數(shù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警要求。

2.1交流信號(hào)輸入插件設(shè)計(jì)

交流信號(hào)輸入插件主要由三相電壓、三相電流輸入電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分構(gòu)成。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，三相電壓輸入的額定值為交流220 V(相電壓)，三相電流輸入的額定值為交流100 A。三相電壓輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)110 kΩ電阻，將電壓輸入信號(hào)變換為－2 mA～2 mA的電流信號(hào)，然后使用2 mA/2 mA電流互感器進(jìn)行采樣;三相電流輸入信號(hào)直接使用100 A/7.07 V(有效值)的電流互感器進(jìn)行采樣，將電流輸入信號(hào)變?yōu)榉禐椋?0 V～10 V的交流電壓信號(hào)［6］。當(dāng)保護(hù)裝置的外部輸入信號(hào)大于設(shè)定的額定值時(shí)，需要使用外加互感器來(lái)配合完成信號(hào)采樣。

由于LM3S2B93內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號(hào)為0～5 V的單極性電壓信號(hào)，因此經(jīng)互感器采樣后的交流信號(hào)必須經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0 ～5 V的直流信號(hào)。所設(shè)計(jì)的電流信號(hào)采樣和信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，圖中的6.32 kΩ和1 kΩ構(gòu)成分壓電路，將幅值為－10 V～10 V的交流信號(hào)變?yōu)椋?.4 V～1.4 V的交流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)由集成運(yùn)放TLC2274構(gòu)成電壓跟隨器、加法運(yùn)算電路、反相比例運(yùn)算電路后，變?yōu)?.1 V～2.9 V的單極性信號(hào)，送至LM3S2B93內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。圖中的750 Ω電阻和100 nF電容構(gòu)成低通濾波電路，用以消除高頻信號(hào)的影響; Vref為1.5 V的模擬參考電壓，其作用是抬高交流輸入信號(hào)的電壓值，使之變?yōu)閱螛O性信號(hào)。

圖2　電流信號(hào)輸入電路

2.2開(kāi)關(guān)量輸入插件設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置設(shè)有11路開(kāi)關(guān)量輸入電路，其中6路用于外接電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停車、復(fù)位、工藝連鎖、遠(yuǎn)程/就地等控制按鈕，另外5路可用于采集負(fù)荷開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、熔斷器熔斷信號(hào)、低壓斷路器位置信號(hào)等普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

開(kāi)關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。圖中KR表示開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，當(dāng)KR有效時(shí)，開(kāi)入電源+24 V通過(guò)KR流入回路，通過(guò)4.7 kΩ、680 Ω和4.7 kΩ組成的限流電路后，驅(qū)動(dòng)光電耦合器TLP85GB導(dǎo)通，KRC處輸出低電平，通知微處理器有外部開(kāi)關(guān)量輸入。

圖3　開(kāi)關(guān)量輸入電路

2.3開(kāi)關(guān)量輸出插件設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置設(shè)有5路繼電器開(kāi)關(guān)量輸出，其中3路用于與交流接觸器、中間繼電器等組成各種電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制，2路用于保護(hù)跳閘和保護(hù)報(bào)警。開(kāi)關(guān)量輸出電路的設(shè)計(jì)如圖4所示，圖中的KC為開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào)，平時(shí)為低電平，需要輸出時(shí)變?yōu)楦唠娖?。?dāng)KC為低電平時(shí)，三極管T1截止，光電耦合器TLP85GB導(dǎo)通，三極管T2截止，繼電器線圈斷電，KC11和DCOM之間處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)KC為高電平時(shí)，三極管T1飽和導(dǎo)通，T1集電極變?yōu)榈碗娖?，光電耦合器TLP85GB截止，三極管T2飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，KC11和DCOM之間處于導(dǎo)通狀態(tài)［7］。

圖4　開(kāi)關(guān)量輸出電路

2.4通信插件設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置設(shè)有2路RS485總線通信接口和1路以太網(wǎng)RJ45通信接口，通過(guò)通信接口，保護(hù)裝置可與后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、保護(hù)定值參數(shù)等信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)的分散控制和集中管理。其中RS485總線接口電路使用SN65LBC184D實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)控制器使用ENC28J60實(shí)現(xiàn)［8－9］。

2.5保護(hù)裝置的外部接口

保護(hù)裝置配有11路開(kāi)關(guān)量輸入接口、5路繼電器開(kāi)出接口、1路4 mA～20 mA電流輸出接口、2路RS485通信接口、1路RJ45通信接口、4路電壓信號(hào)輸入接口和1路電源接口，其接口配置圖如圖5所示，需要注意的是三相電流輸入只需從電流互感器中間穿過(guò)，無(wú)需使用接線端子。

圖5　保護(hù)裝置接口配置圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用主循環(huán)加中斷處理程序的模式。主程序的主要功能是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化、調(diào)用各個(gè)子程序完成各項(xiàng)功能和開(kāi)中斷等。上電復(fù)位后，微控制器將復(fù)位向量裝載到程序地址寄存器，然后CPU就從復(fù)位向量處開(kāi)始執(zhí)行程序。主程序先進(jìn)行初始化，為各個(gè)子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各個(gè)模塊的使用做好準(zhǔn)備，然后程序進(jìn)入主循環(huán)。

保護(hù)裝置的主程序流程圖如圖6所示［10］。主程序?yàn)橐粋€(gè)無(wú)限循環(huán)，微控制器不斷重復(fù)調(diào)用電壓、電流等數(shù)據(jù)采集程序，并調(diào)用故障判斷與處理程序，一旦出現(xiàn)故障便使輸出保護(hù)動(dòng)作，并發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)輸出保護(hù)動(dòng)作后，循環(huán)停止，等待人工復(fù)位。

圖6　系統(tǒng)主程序流程圖

3.2保護(hù)功能分析

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中可能發(fā)生的電氣故障是多種多樣的，常見(jiàn)電氣故障可分為對(duì)稱故障與不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障有對(duì)稱過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，它的主要特征是三相電流仍基本對(duì)稱，但電流幅值增大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)。不對(duì)稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡等，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是負(fù)序電流引起的負(fù)序效應(yīng)，可能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及啟動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題。

保護(hù)裝置設(shè)有啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)、定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)、反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)等保護(hù)功能，使電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)不至于因?yàn)榍穳?、過(guò)壓、欠載、過(guò)載、短路、堵轉(zhuǎn)等原因而導(dǎo)致?lián)p壞，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)起到保護(hù)作用。本節(jié)僅以堵轉(zhuǎn)保護(hù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)荷過(guò)大，或者自身機(jī)械原因，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸被卡住，此時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力不同，允許其短時(shí)間運(yùn)行，但如果不能及時(shí)排除故障，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱、絕緣降低而燒毀電動(dòng)機(jī)［11］。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的工作原理如圖7所示，圖中Ia、Ib、Ic為三相輸入電流的測(cè)量值，Izd為電流動(dòng)作整定值，Tzd為啟動(dòng)時(shí)間整定值。當(dāng)三相輸入電流中的某一路電流大于電流動(dòng)作整定值時(shí)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)就會(huì)按照設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作可以設(shè)置為跳閘或者告警。Izd可按電動(dòng)機(jī)銘牌堵轉(zhuǎn)電流的0.5倍整定，Tzd可按電動(dòng)機(jī)允許的堵轉(zhuǎn)時(shí)間整定，一般為0.9倍的允許堵轉(zhuǎn)時(shí)間。

圖7　堵轉(zhuǎn)保護(hù)原理圖

4　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7261—2008繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置基本試驗(yàn)方法，對(duì)保護(hù)裝置的保護(hù)功能進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1　部分保護(hù)功能的參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

測(cè)試和檢驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置符合相關(guān)技術(shù)要求。

5　系統(tǒng)應(yīng)用舉例

保護(hù)裝置可以在保護(hù)模式、直接啟動(dòng)模式、雙向啟動(dòng)模式、星－三角啟動(dòng)模式等多種模式下運(yùn)行，通過(guò)人機(jī)接口界面或上位機(jī)配置軟件可以將保護(hù)裝置設(shè)置為不同的工作模式，更符合現(xiàn)場(chǎng)使用需求［12］。保護(hù)裝置工作于保護(hù)模式連接方式如圖8所示。在此工作模式下，SB1為啟動(dòng)按鈕，SB2為停車按鈕，SB3為復(fù)位按鈕。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM的吸引線圈得電，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)停車時(shí)，按下停車按鈕SB2，接觸器KM的吸引線圈失電，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停車。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)后，跳閘輸出繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，斷路器QF線圈得電，斷路器QF的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停車;同時(shí)，告警輸出繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，告警指示燈L點(diǎn)亮。按復(fù)位按鈕SB3可以復(fù)位故障。

圖8　保護(hù)模式典型應(yīng)用圖

6　結(jié)論

本項(xiàng)目所研究與設(shè)計(jì)的智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置集測(cè)量功能、保護(hù)功能、電動(dòng)機(jī)啟/?？刂乒δ芎瓦h(yuǎn)程通信功能于一體，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種電氣故障進(jìn)行告警指示和跳閘動(dòng)作，能有效防止電動(dòng)機(jī)意外燒毀的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。與同類電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置相比，該智能型低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有功能完善、接線靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、建筑等行業(yè)，具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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馮星輝(1973－)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制，電子電氣檢測(cè)，fxh8683@ 163.com;

翟亞芳(1979－)，女，河北保定人，安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、微控制器技術(shù)應(yīng)用，zhaiyafangwin@ 163.com。

Design of Electrohydraulic Servo Driven Based on DSP

YU Bing*，SHEN Huaxu
(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:The TI company’s TMS320F28335 was adopted to design a kind of drive for hydraulic turntable servo control.In order to ensure accuracy and real-time performance of the control，DSP was used to control and manage the system; The MAX532D/A converter was adopted to realize high speed and high precision of the simulation output; A kind of circuit which realize the voltage/current switching was designed to achieve the control of output current; In order to further improve the control quality，the software simulation method was adopted to produce vibration signal.Experiments showed that the servo driver could carry on the fast and effective control to the simulation environment.

Key words:MAX532; vibration signals; DSP; servo driver

中圖分類號(hào):TM774

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0671－05

收稿日期:2014－06－09修改日期: 2014－07－04

doi:EEACC: 834010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.041