帶RS485通信的電流型三相保護(hù)器的設(shè)計(jì)

李 朋，施火泉，朱 杰

(江南大學(xué)，江蘇無錫214122)

0 引 言

電能質(zhì)量、負(fù)載、現(xiàn)場環(huán)境惡劣往往造成三相用電設(shè)備損壞，因此需要對(duì)三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以確保用電設(shè)備的正常運(yùn)行。常見的三相保護(hù)器有電壓型和電流型兩種，電壓型雖結(jié)構(gòu)簡單但可靠性較差，如三相電動(dòng)機(jī)接線端和內(nèi)部缺相時(shí)，起不到保護(hù)作用。本文針對(duì)三相交流電缺相、不平衡、逆相及過流或短路等故障［1］，設(shè)計(jì)了具有三相電流采集與顯示、故障保護(hù)功能的數(shù)字式保護(hù)控制器，具有RS485串行通信接口，便于控制器之間或與上位機(jī)進(jìn)行通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由按鍵模塊、電流采集模塊、RS485通信模塊、顯示模塊、動(dòng)作模塊、MCU等組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電流采集模塊

三相保護(hù)器通過電流互感器對(duì)三相電流瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，對(duì)于短路故障，必須對(duì)短路電流進(jìn)行快速采集，同時(shí)也不能采用有效值來判斷是否短路，因此本文對(duì)短路電流進(jìn)行單獨(dú)采集。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路(A、B相)

從圖2可以看出，當(dāng)A點(diǎn)的電流大于B點(diǎn)的電流時(shí)，則T0則為高電平，否則，T0為低電平。端口AD4、AD5采集三相電流瞬時(shí)值，以此檢測過流、短路故障。AD1、AD2端口采集電流用于檢測缺相、錯(cuò)相等故障。

2.2 RS485 通信模塊

RS485接口電路采用 LTC1535，通過光耦使MCU和RS485完全隔離，端口使用TVS管和PTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)抗瞬變保護(hù)［2］，如圖3所示。

2.3 其他模塊

圖3 RS485接口電路

(1)鍵盤與顯示模塊:CPU動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)鍵盤與顯示功能，實(shí)現(xiàn)輪流顯示三相電流及故障狀態(tài)，在LED數(shù)碼管段選端口與MCU引腳之間加470 Ω的電阻，起限流作用。

(2)動(dòng)作模塊:MCU輸出故障信息驅(qū)動(dòng)繼電器，推動(dòng)外部接觸器動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)保護(hù)用電設(shè)備的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)處理程序和MODBUS通信程序組成。數(shù)據(jù)處理程序用于電流采集及數(shù)據(jù)的一系列處理，如圖4所示;當(dāng)模塊接受到主機(jī)的通信命令時(shí)，則進(jìn)入通信中斷程序，如圖5所示。

圖4 電流采集程序流程圖

圖5 MODBUS通信中斷程序流程圖

4 故障判斷方法

設(shè)三相電流整流后分別為 Ia、Ib、Ic［3］:

令iab，即求得A、B相交點(diǎn)電流ij:

式中:I2為電流有效值;m整數(shù)。

從式(3)可知，當(dāng) k=2m，即 T0上升沿時(shí)，A、B相電流的交點(diǎn)值是電流有效值設(shè)定值的1.225倍，表示工作正常;當(dāng) k=2m+1，即T0下降沿時(shí)，A、B相電流交點(diǎn)值是電流有效值設(shè)定值的0.707倍，表示工作正常，否則與過流、短路電流設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而輸出故障信號(hào)。

當(dāng)k=2m時(shí)，比較此時(shí)的C相電流值是否小于A、B相電流的交點(diǎn)值，如果小于的話，則表示三相相序?yàn)轫樝嘈?，否則表示錯(cuò)相。

電源端缺一相時(shí)，在電機(jī)端該相電壓仍然存在，因此，通過判斷任一相電壓為零認(rèn)為缺相是不可靠的。但缺相時(shí)，線電流為零，因此通過電流判別缺相是可靠的。

I1為三相電流中最小值，I2為三相電流中最大值，IP為平均值。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)置所需要的不平衡系數(shù)，當(dāng)其達(dá)到設(shè)定的三相不平衡系數(shù)就可以認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

當(dāng)Ia＜0.2IP、Ib＜0.2IP或Ic＜0.2IP時(shí)，表示缺相。

對(duì)于過載、堵轉(zhuǎn)等故障判斷，可按應(yīng)用需要設(shè)定。

5 結(jié) 語

本文對(duì)該保護(hù)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試，以額定功率為100 W、電壓為220 V、電流為0.55 A的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)為樣機(jī)，采用ATMEGA32單片機(jī)作為控制芯片［4］，由電流互感器采集三相電流，通過本文介紹的故障判斷方法進(jìn)行電機(jī)故障判斷，繼而控制繼電器的關(guān)斷，RS485通信波特率選取4 800 b/s，經(jīng)過測試，效果良好，實(shí)驗(yàn)室測試實(shí)物圖如圖6所示。通過在某中央空調(diào)上的試運(yùn)行，實(shí)踐證明該保護(hù)器滿足企業(yè)電流誤差不超過3%，動(dòng)作時(shí)間誤差不超過1%的要求。既解決了電壓型的不足之處，又具有可靠性高、測量精度高、功能強(qiáng)、操作方便、價(jià)格低廉、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 三相保護(hù)器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)測試

［1］ 崔陸軍，陳幼平，張岡，等.基于ATmega16L單片機(jī)的智能型電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(12):94-96.

［2］ 潘群，向軍，王琳.RS-485串行通信接口電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(3):38-42.

［3］ 陳柱峰.三相交流電相序、缺相檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì)［J］.湖南農(nóng)機(jī)，2009，36(1):34-36.

［4］ 張鑫.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:90-92.