智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器工作原理及研制

陳利波

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇南京 350217）

智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器工作原理及研制

陳利波

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇南京 350217）

智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器，是一種通過檢測(cè)和分析三相電網(wǎng)內(nèi)部多種電量后確定出更加科學(xué)的負(fù)載缺相保護(hù)參考數(shù)據(jù)的裝置。智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器的研發(fā)背景、工作原理及保護(hù)器研制方法的探討。

智能三相電網(wǎng)；缺相保護(hù)器；工作原理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.44

0 前言

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于工作需要，三相電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境比較特殊，一般來(lái)說(shuō)工作空間溫度很高，各種雜灰塵土也比較多，對(duì)三相電機(jī)的正常運(yùn)作造成影響，極易發(fā)生短路和斷相等各種現(xiàn)象。為了能使三相電機(jī)正常運(yùn)行，就需要定時(shí)進(jìn)行檢查進(jìn)行電機(jī)維護(hù)并安裝電機(jī)保護(hù)器。在三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器實(shí)際應(yīng)用過程中，大部分廠家使用的缺相保護(hù)器在產(chǎn)生缺相情況時(shí)達(dá)不到保護(hù)效果。為解決這一問題，在現(xiàn)有缺相保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器，該保護(hù)器工作穩(wěn)定、靈敏度高。

1 智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器研發(fā)背景

三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器正常運(yùn)行電路見圖1。在缺相保護(hù)器A/B/C的3個(gè)檢測(cè)端子分別接入三相電源，缺相保護(hù)器內(nèi)部的檢測(cè)電路會(huì)自動(dòng)判斷電壓情況，當(dāng)三相電源電壓處于正常狀態(tài)時(shí)，即意味著電源電壓正常工作，沒有超過使用標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)內(nèi)部繼電器開始運(yùn)行，為整個(gè)回路提供1常開1常閉的輔助接觸點(diǎn)，這個(gè)輔助觸點(diǎn)接入控制回路中進(jìn)行控制，電機(jī)開始啟動(dòng)[2]。若是有任何缺相的情況出現(xiàn)時(shí)，通過反饋?zhàn)饔媚苁谷毕啾Ｗo(hù)器內(nèi)部檢測(cè)到電源電壓的異?，F(xiàn)象，再控制內(nèi)部繼電器輔助觸點(diǎn)就能禁止電機(jī)的啟動(dòng)，這在電源電壓有意外狀況發(fā)生的情況下起到保護(hù)電機(jī)的作用。

圖1 缺相保護(hù)器正常運(yùn)行情況

（1）失效案例1。如圖1所示，在三相電機(jī)正常運(yùn)行中，如果某一相有缺相情況出現(xiàn)，由于電源還在接通狀態(tài)所以電機(jī)仍然繼續(xù)運(yùn)行。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)在缺相端會(huì)有反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)后將結(jié)果輸出到缺相保護(hù)器 A/B/C，在正常情況下電壓維持300 V以上不變。這個(gè)數(shù)據(jù)是電源電壓在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的正常數(shù)據(jù)，因此缺相保護(hù)器就會(huì)誤判其正常無(wú)異，但持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中內(nèi)部電器繼續(xù)輸出，三相電機(jī)依舊運(yùn)轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象對(duì)電機(jī)危害非常大，甚至致使電機(jī)繞組燒毀。按圖1進(jìn)行測(cè)試，在1.5 kW三相電機(jī)正常運(yùn)行中斷開電源L1相并測(cè)缺相保護(hù)器A/B/C端電壓，測(cè)得結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，電源雖然缺失了L1相，但各相間的電壓值依舊居高不下，缺相保護(hù)器判斷失誤，繼電器繼續(xù)根據(jù)以往的情況正常輸出，各部分各環(huán)節(jié)都照常進(jìn)行，在缺相狀態(tài)下電機(jī)仍然持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情況下缺相保護(hù)器的并沒有起到任何作用，只是一個(gè)多余的存在。

（2）失效案例2。很多時(shí)候負(fù)載電源線使用的是電纜并行敷設(shè)，電纜線芯間平行排列，而且距離比較長(zhǎng)，在缺相時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，即使線芯沒有帶電，但還是會(huì)有相應(yīng)的感應(yīng)電壓產(chǎn)生，而且感應(yīng)電壓的大小和電纜長(zhǎng)度與電流有關(guān)，電纜越長(zhǎng)，電流越大，其感應(yīng)電壓就會(huì)越高，這也就是所謂的電容效應(yīng)，根據(jù)這個(gè)理論可以進(jìn)行驗(yàn)證。使用 50 mm2電源線接入一個(gè)空調(diào)負(fù)載，對(duì)單芯線進(jìn)行走線，并把它們纏繞起來(lái)，纏繞長(zhǎng)度為 10 m，在停機(jī)時(shí)為電源分別接入缺 L1，L2，L3相的缺相保護(hù)器，并在負(fù)載端分別測(cè)量三相電壓的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯鲈陔娫慈盠1相時(shí)電壓值沒有下降，即缺相保護(hù)器誤斷正常，內(nèi)部繼電器持續(xù)正常輸出，設(shè)備正常啟動(dòng)，缺相保護(hù)器沒有起作用。

表1 負(fù)載端測(cè)量三相電壓數(shù)據(jù)

2 智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器工作原理

多次實(shí)驗(yàn)證明在負(fù)載運(yùn)行中一旦有不正常因素出現(xiàn)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行造成影響，突生故障能引起電流的改變，電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)隨之改變，因此只要能正確掌握電流的變化趨勢(shì)，就能分析出電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)為了對(duì)三相電網(wǎng)運(yùn)行過程中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，將通過電流互感器實(shí)時(shí)采集三相電網(wǎng)中的各相電流，再通過電網(wǎng)計(jì)算法算出電網(wǎng)運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)，以此監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的功率參數(shù)和不平衡度。

系統(tǒng)的各個(gè)部分都有不同的功能作用，若是按照功能特點(diǎn)進(jìn)行分類，系統(tǒng)大體可分為控制輸出、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理3大模塊。為了對(duì)三相電網(wǎng)運(yùn)行情況做到實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)的控制核心為ARM7芯片，電源也是mA級(jí)別的，而不是電網(wǎng)中的強(qiáng)電流信號(hào)。因此，系統(tǒng)在電流采集模塊上選用電流互感器，用電流互感器轉(zhuǎn)換提取電網(wǎng)上的電流信號(hào)，這個(gè)過程中產(chǎn)生的電流不但能對(duì)整套檢測(cè)系統(tǒng)供電，還能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[3]。

在設(shè)計(jì)電流采集模塊時(shí)，系統(tǒng)針對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的采集選用LPC2103芯片內(nèi)部10位A.D采集模塊，這在原有的基礎(chǔ)中簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也降低了系統(tǒng)本身對(duì)電網(wǎng)中各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的影響?？刂颇K是提供信號(hào)的存在，可以通過單片機(jī)小信號(hào)的輸出，為后續(xù)負(fù)載動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直接控制系統(tǒng)的持續(xù)輸出和正常運(yùn)行，具體的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

3 智能三相電網(wǎng)缺相保護(hù)器研制

3.1 硬件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面有特別的要求，ARM7在各方面都適合本系統(tǒng)的功能條件，選此作為缺相保護(hù)器的控制核心，除此之外，系統(tǒng)芯片的外部電路包括多個(gè)單元，主要有電源控制、報(bào)警電路和電流轉(zhuǎn)化器等。本系統(tǒng)的供電方式是利用開關(guān)三極管和二極管整流電路搭建穩(wěn)壓電路，用開關(guān)三極管搭建三極管開關(guān)電路，再利用場(chǎng)效應(yīng)管的放大作用，以及開關(guān)三極管對(duì)單片機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，直至輸出24 V，30 mA控制信號(hào)的最終實(shí)現(xiàn)。

3.2 電源電路

系統(tǒng)中的交流信號(hào)是由電流互感器經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，在電流采集系統(tǒng)之后加上二極管整流系統(tǒng)，再將轉(zhuǎn)化后的電流并聯(lián)在一起，就提供了整套系統(tǒng)的供電需求。輸入功率過高的時(shí)候容易損壞芯片，因此本系統(tǒng)在電源后方增加了可調(diào)負(fù)載，避免了芯片損壞的情況。為了控制整套系統(tǒng)的工作電壓，本系統(tǒng)通過控制額外負(fù)載 R12的開啟與關(guān)閉，將24 V穩(wěn)壓管三極管與三極管結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)控制電壓的目的[4]。一旦電壓超過 24 V時(shí)，三極管極和發(fā)射極在穩(wěn)壓管導(dǎo)通的情況下發(fā)生壓差，增加系統(tǒng)的功耗，從而達(dá)到輸出電壓降低的最終目的。

3.3 采集電路

測(cè)量系統(tǒng)在電網(wǎng)運(yùn)行過程中容易燒損，因此將電網(wǎng)中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為微小的可采集的信號(hào)，就可以保護(hù)系統(tǒng)的安全。在采樣時(shí)要選取合適的電阻進(jìn)行采樣，對(duì)于采集到的交流信號(hào)，就可以使用測(cè)量信號(hào)檢測(cè)三相電網(wǎng)工作情況。

3.4 控制電路

為了實(shí)現(xiàn)小信號(hào)控制大信號(hào)的要求，可以利用三極管疊加放大原理測(cè)量各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的運(yùn)行情況，控制芯片的信號(hào)輸出要保證三相電源不缺相與三相電網(wǎng)不平衡度＜2%，這也是重要的判斷依據(jù)?？刂评^電器吸合時(shí)，可以控制后續(xù)三極管與場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)作來(lái)控制回路輸出電信號(hào)，從而分析判斷測(cè)量端口是否是零，三相電網(wǎng)線路的運(yùn)行狀況就能了如指掌。系統(tǒng)在正常工作時(shí)，單片機(jī)沒有輸出，繼電器輸出也隨之?dāng)嚅_。

4 結(jié)論

三相電網(wǎng)缺相保護(hù)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的使用壽命有重要影響，是研究的重要方向。三相電網(wǎng)的智能化能減少電機(jī)檢測(cè)和維護(hù)電機(jī)成本，也可提高電網(wǎng)檢測(cè)的便攜能力。系統(tǒng)對(duì)于單片機(jī)的三相電網(wǎng)缺相通過長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性測(cè)試和壓力測(cè)試，在實(shí)際應(yīng)用中都可使用，穩(wěn)定性和安全性都有保障，避免了各種不必要的損失。

［1］徐植堅(jiān)，羅旗舞，羅志坤，黎福海.基于SOPC的三相電參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011（19）：224-226.

［2］姜華，王金波.三相電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)實(shí)用方法［J］.煤礦機(jī)械，2006（8）：154-156.

［3］徐園，靳根，王希濤，等.ARM與AD7656-1的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2012（8）：914-917.

［4］強(qiáng)志宏.記憶型缺相指示電路［J］.電氣自動(dòng)化，1996（6）：55-57.

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〔編輯 利 文〕