一種三相異步電動機保護控制器的研制

宋國清,何元慶,李躍剛,李彥武（.齊齊哈爾高等師范?？茖W校； .黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學院,黑龍江 齊齊哈爾 6000）

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一種三相異步電動機保護控制器的研制

宋國清1,何元慶1,李躍剛1,李彥武2
（1.齊齊哈爾高等師范?？茖W校； 2.黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學院,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

摘 要：介紹了使用大功率晶閘管進行電動機正反轉(zhuǎn)控制和相關(guān)的故障保護，采用AVR 微控制器實現(xiàn)了晶閘管故障狀態(tài)的診斷，可以選擇控制多種功率電機，并分別實現(xiàn)了具有反時限的過載保護，斷相、三項不平衡等保護。

關(guān)鍵詞：晶閘管；電機保護控制器；單片機

大功率反并聯(lián)晶閘管具有無觸點、無火花、快速開關(guān)頻率等優(yōu)點，非常適合進行電動機正反轉(zhuǎn)控制。三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、運行維護方便等優(yōu)點在工業(yè)中廣泛存在。隨著自動化程度的提高，出現(xiàn)越來越復(fù)雜的過程控制，電機工作狀態(tài)不斷惡化。對電動機的保護提出了更高的要求，智能化的電機保護不斷涌現(xiàn)［1］。結(jié)合晶閘管優(yōu)點和電機保護的需求，設(shè)計了一種一體化的電機保護控制器。

1 主電路

電動機保護控制器主電路采用了五路反并聯(lián)晶閘管，控制導(dǎo)通電動正、反轉(zhuǎn)。電流傳感器采集主回路工作電流，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的電機功率選擇不同變比的互感器?？煽毓鑳啥艘鼋泳€端子檢測可控硅兩端電壓。

2 可控硅硅擊穿和硅開路

將可控硅硅故障分成兩種分別是硅開路和硅擊穿，電機在不啟動的情況下檢測硅擊穿，電機在開啟時以及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下檢測硅開路。如果發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)，對于故障狀態(tài)分別設(shè)置對應(yīng)的標記，并及時關(guān)斷可控硅、接通故障輸出繼電器電源。對外輸出故障信號。可控硅硅擊穿檢測是在電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動信號發(fā)出后延時100ms（在此期間等待繼電器、按鍵等器件完成機械動作），然后進行硅狀態(tài)檢測。應(yīng)用下圖1采集可控硅兩端的電壓，檢測可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)五路反并聯(lián)可控硅導(dǎo)通狀態(tài)和實際狀態(tài)的異同，判斷是硅擊穿還是硅開路。

3 斷相和三項不平衡保護

進行三相不平衡和斷相故障檢測，在程序中斷相檢測以低于額定電流的1/8為電流斷相依據(jù)，因此要確定電動機的設(shè)定功率，才可以確定額定電流的1/8。在這里這設(shè)置了0-8 共九個額定功率的電機供選擇。斷相檢測在有效啟動信號發(fā)出100ms，才開始檢測，目的是跳過繼電器的動作延時。但是在啟動電流很大的時間內(nèi)還是要進行斷相檢測，在出現(xiàn)具有斷相故障標志信號開始后2s中內(nèi)檢測到的有效斷相故障信號的的次數(shù)大于了總的檢測次數(shù)的75%，那么認為斷相。發(fā)出斷相故障信號。三相不平衡檢測過程中，找到主回路三相電流的最大值和最小值，如果最大值大于了最小值的兩倍那么就有三相不平衡發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)具有三項不平衡信號開始后5s時間范圍內(nèi)檢測到有效三相不平衡的故障信號次數(shù)大于了總的檢測次數(shù)的75%，就認為是三相不平衡發(fā)生。下面的電路圖2采集主電路中電流互感器輸出的電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成的正弦電壓信號進行處理，經(jīng)CPU 進行AD采樣后獲取主電路電流大小。

4 反時限過電流保護

反時限保護特性更接近合電機出現(xiàn)故障時的特性， 用反時限進行過電流保護更有優(yōu)勢。國外廣泛使用反時限進行過電流保護，并較早建立了數(shù)學模型。

I是過電流倍數(shù)，以額定電流為基準；r 是常數(shù)，取值在范圍有三種［3］，針對電機保護，采用r=2；Q 是常數(shù)，量綱為時間；T為出現(xiàn)過電流保護時間。

使用該模型可以有效進行反時限過電流保護，但是由于電機運行中的電流不斷變化，不是嚴格的反時限關(guān)系，直接使用該模型，計算結(jié)構(gòu)不夠準確，將該模型演變?yōu)榉e分方式更適合實際情況，演變后公式為：

Ik：是第K次采樣時的過電流倍數(shù)；ΔT：是采樣周期；N是累計次數(shù)；用戶確定Q值

計算程序計算結(jié)果超過臨界值保護動作。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用多任務(wù)設(shè)計方法，任務(wù)分為：系統(tǒng)時鐘設(shè)置、外設(shè)參數(shù)采集、電流采集、電壓采集、電機正反轉(zhuǎn)輸入檢測、故障類型判斷、狀態(tài)指示。（1）外設(shè)參數(shù)采集包括：電動機功率設(shè)置、啟動時間設(shè)置、零位檢測；（2）系統(tǒng)時鐘設(shè)置：在定時器中設(shè)置為1ms中斷作為軟件運行的時鐘節(jié)拍；（3）電流采集：通過AVR微處理器內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器采集由電流互感器輸出的主電路電流信號，每路電流信號采集10次，采用中值濾波，濾波效果良好；（4）電壓采集：采集可控硅兩端的電壓，采用統(tǒng)計4N35B光耦輸出的高電平時間確定電壓是否存在；（5）電機正反轉(zhuǎn)輸入檢測：使用軟件濾波采集轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制信號，進行按鍵的互鎖處理，只有在一個按鍵在松開狀態(tài)，另一個按鍵的輸入采有效。按鍵釋放60m后才開始檢測下一次按鍵信號；（6）故障類型判斷： 故障類型包括三相不平衡、硅擊穿、硅開路、反時限過載、斷相。通過輸入信號按照故障判別原理進行多種故障分析；（7）狀態(tài)指示：通過指示燈顯示設(shè)備運行狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障，輸出故障類型。

6 總結(jié)

保護控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊，保護功能完善，設(shè)計上使用反并聯(lián)可控硅進行電機正反轉(zhuǎn)控制，AVR微處理器采集電壓電流信號實現(xiàn)電機的保護，經(jīng)過近一年的工廠實際運行，保護控制器運行穩(wěn)定可靠，各項指標符合設(shè)計規(guī)定，可以進一步推廣。

參考文獻：

［1］崔陸軍,陳幼平.基于ATmegal16L單片機的智能型電機保護器的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器,2009（12）.

［2］黃猛.可控硅交流接觸器柜在三輥熱軋機上的應(yīng)用［J］.特鋼技術(shù),2010（04）.

［3］周小麗,陳剛.反時限過流保護在微機保護裝置中的實現(xiàn)［J］.江蘇電機工程,2003（09）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.159

基金項目：黑龍江省教育廳高職高專院?？茖W技術(shù)研究項目

作者簡介：宋國清（1979-），男,河北石家莊人，碩士，講師，主要從事電力電子及電力傳動方面研究。