基于ISPLSI及單片機(jī)的電動機(jī)保護(hù)裝置的研究

1引言

高壓大容量電動機(jī)是各發(fā)電廠及工礦企業(yè)的重要動力設(shè)備，由于電動機(jī)本身質(zhì)量問題以及啟動頻繁、工作條件惡劣等各種原因，其故障率相當(dāng)高。原電力部“發(fā)電廠國產(chǎn)高壓電動機(jī)質(zhì)量調(diào)查報(bào)告”表明：在所調(diào)查的34個(gè)電廠中，高壓電動機(jī)總共681臺，損壞103臺，占15.1%；帶缺陷運(yùn)行183臺，占36.9%；由于設(shè)備質(zhì)量問題引起的占78.03%。在損壞的103臺中，相間和接地故障損壞15臺，占14.5%；定子繞組開路引起不平衡運(yùn)行故障25臺，占24.34%；其他原因引起的故障63臺，占61.1%，僅就定子繞組故障統(tǒng)計(jì)，開路故障臺數(shù)約占45.4%。

由統(tǒng)計(jì)資料可知，不但電動機(jī)故障率較高，而且傳統(tǒng)的甚至目前各用戶采用的保護(hù)裝置都有不盡完善之處，因此應(yīng)進(jìn)一步研制新型的電動機(jī)保護(hù)裝置，本文所介紹的基于ISPLSI及單片機(jī)的新型微機(jī)保護(hù)裝置具有一系列新的特點(diǎn)。

2裝置硬件組成及工作原理

裝置的硬件電路原理框圖如圖1所示。

在原理圖中，采用主從式單片機(jī)結(jié)構(gòu)，主單片機(jī)采用80C196KB，完成數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及故障判斷。雖然80C196KB片內(nèi)含10位A/D轉(zhuǎn)換器，但為了提高精度，本裝置采用了2片16位TLC320AD58芯片。從單片機(jī)采用AT89C52，完成整定值設(shè)置、信號顯示、機(jī)間通信等功能。為了提高電源的可靠性，電源采用臺灣明偉T—40B型開關(guān)電源。

電路采用Lattice公司生產(chǎn)的在系統(tǒng)可編程器件ISPLSI—1032E配合主從單片機(jī)協(xié)同工作，其等效邏輯電路如圖2虛線框內(nèi)所示。

裝置中的ISPLSI主要由以下四部分組成：

(1)DMA控制器

本裝置采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集量很大。在數(shù)據(jù)采集完成時(shí)，CPU讓出總線，由ISPLSI將采集到的數(shù)據(jù)直接傳送到RAM。數(shù)據(jù)存儲完畢，ISPLSI將總線交還給CPU。在此過程中，CPU處理數(shù)據(jù)過程不受影響，也就是說，采樣過程對CPU是透明的。

(2)串并轉(zhuǎn)換組件

采集到的串行數(shù)據(jù)在ISPLSI內(nèi)部完成串并轉(zhuǎn)換，并在DMA控制器的控制下，以并行方式傳送至RAM中由地址發(fā)生器指定的位置。

以下是用ABEL語言描述的DMA控制器及串并轉(zhuǎn)換組件

(3)主從機(jī)應(yīng)答控制器

采用“握手”方式進(jìn)行主從機(jī)數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)交換的可靠性。

(4)預(yù)處理功能塊

3軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件主要由故障檢測處理和通信兩大部分組成。故障檢測和處理采用96單片機(jī)實(shí)施，是本裝置的主體部分，相應(yīng)軟件按照快速精確的算法完成故障檢測、判斷及處理等功能，以達(dá)到實(shí)時(shí)的基本要求。通信部分與AT89C52單片機(jī)接口，完成參數(shù)整定的輸入、故障報(bào)警、系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)的顯示，以及接收用戶輸入的其它一些操作指令。

3.1計(jì)算方法

電動機(jī)的電源6kV系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，交流電流采樣只取Ia和Ic兩相即可，并相應(yīng)由A相和C相電流互感器CT獲得。零序電流直流由零序電流互感器CT獲得。相應(yīng)的處理程序計(jì)算出正、負(fù)序電流有效值后，再進(jìn)行過流保護(hù)和負(fù)序保護(hù)等相關(guān)參數(shù)的判定。電壓信號由母線電壓互感器PT獲得，計(jì)算出有效值后與整定值進(jìn)行比較，完成欠壓保護(hù)的判斷。

3.1.1差分濾波

為了抑制非周期分量的影響，加快計(jì)算速度，同時(shí)獲得更好的抑制衰減直流分量效果，可取差分步長k=1，其一階差分方程如式(1)所示
    Y(n)=X(n)-X(n-1)?(1)

由差分方程(1)，每周期采樣12個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出差分采樣序列：Ika, Ikc, Uk, Ik0即分別為A、C相差分序列、電壓、零序電流差分序列。

3.1.2傅氏算法

利用傅氏算法從上述差分采樣序列中提取基波分量，由下式(2)、(3)算出如下各量

同理可算出C相電流實(shí)、虛部IRc、IIc，電壓實(shí)、虛部UR、UI及零序電流實(shí)、虛部IR0、II0。

3.1.3相量濾序算法

即由A、C兩相電流的基波算出正、負(fù)序電流的實(shí)、虛部，如式(4)～(7)所示

3.1.4有效值計(jì)算

正序和負(fù)序電流有效值分別按式(8)～(11)計(jì)算

由上述算法得出的結(jié)果，與整定值比較，可完成以下保護(hù)功能：
    (1)短路、堵轉(zhuǎn)、啟動時(shí)間過長保護(hù)(即正序保護(hù))；
    (2)不平衡保護(hù)(即負(fù)序保護(hù))；
    (3)單相接地故障保護(hù)(即零序保護(hù))；
    (4)欠壓保護(hù)(即電壓保護(hù))；
    (5)過熱保護(hù)。

 對于過熱保護(hù)，本裝置分別考慮了正負(fù)序電流的熱效應(yīng)，等效電流表達(dá)式如式(12)所示

其中k1啟動時(shí)取0.5，啟動后取1，k2可在3～10之間選擇，一般取6。

電動機(jī)熱保護(hù)運(yùn)行時(shí)間—電流關(guān)系為反時(shí)限特性曲線如式(13)所描述

式中τ1——所選擇發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，在150～2400s之間調(diào)節(jié)(級差6s)

IS——電動機(jī)額定電流

3.2故障監(jiān)控程序主流程圖

故障監(jiān)控程序主流程圖如圖3所示。

4動模實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行效果

本裝置進(jìn)行了動模實(shí)驗(yàn)，在模擬電動機(jī)各種故障試驗(yàn)中，本裝置動作正常，其動作時(shí)間檢驗(yàn)如表1所示。

直流電源回路功率消耗5.6～9.2W，小于技術(shù)要求10W；進(jìn)行相應(yīng)的電磁抗干擾等試驗(yàn)，裝置不誤動，運(yùn)行正常；直流電源投退時(shí)，裝置不誤動；動穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，輸入超過40倍的額定電流，即通入電流40×5A，沖擊時(shí)間為10ms，結(jié)果正常；熱穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，通入電流100A，沖擊時(shí)間為1s，結(jié)果正常。該裝置在武漢熱電廠試運(yùn)行一年來，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能準(zhǔn)確、穩(wěn)定完成保護(hù)功能。

5結(jié)束語

文中根據(jù)電動機(jī)的故障特點(diǎn)，分析了目前的電動機(jī)保護(hù)裝置中尚不完善的功能，提出并研制了基于可編程器件與單片機(jī)為核心的新型電動機(jī)保護(hù)；在硬件和軟件上進(jìn)行了合理配置與優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)動模實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明工作穩(wěn)定，能實(shí)行對不同類型故障的保護(hù)。

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