王文華

(山東萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 萊蕪 271100)

1 開發(fā)電動(dòng)機(jī)檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的意義

電動(dòng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用，但由于電動(dòng)機(jī)的故障、損壞所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大，關(guān)鍵的問題是電動(dòng)機(jī)保護(hù)技術(shù)尚有不盡人意之處，誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，常影響電動(dòng)機(jī)的正常使用。因此開發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護(hù)種類齊全、動(dòng)作速度快、靈敏度高、可靠性好的智能監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置十分必［1］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究取得了巨大的進(jìn)步。隨著新技術(shù)、新工藝不斷地向傳統(tǒng)的技術(shù)與工藝挑戰(zhàn)，用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的測(cè)控儀表，現(xiàn)代的控制算法取代經(jīng)典的控制算法，用靈敏、節(jié)能的新型智能傳感器取代老式的變送器，己成為工礦企業(yè)及科研院所設(shè)計(jì)與改造的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)首先考慮的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正趨于走向智能化、模塊化、虛擬化。智能監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)儀的使用，不但可以提高工藝控制的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、降低事故率，而且對(duì)于提高電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)，也必將起到積極的推動(dòng)作用。

2 電動(dòng)機(jī)常見故障特征分析及故障判據(jù)

電動(dòng)機(jī)的常見電流故障可分為對(duì)稱和不對(duì)稱兩大類［2］。對(duì)稱故障如表1所示，有對(duì)稱過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大引起的熱效應(yīng)，因此，可通過過流程度來反映;電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱故障如表2所示，除嚴(yán)重的短路會(huì)造成故障相電流明顯增加外，多數(shù)不出現(xiàn)明顯的電流幅值變化，因此過流保護(hù)常常不能及時(shí)鑒別，而不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害又不僅僅是電流增加引起的發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起的負(fù)序效應(yīng)及其給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行帶來的隱患，甚至造成電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。

表1 電流對(duì)稱故障分析

表2 電流不對(duì)稱故障分析

在分析電動(dòng)機(jī)的故障特征基礎(chǔ)上，通過對(duì)電機(jī)保護(hù)算法的綜合性研究，提出了一種基于電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流正、負(fù)序分量的智能保護(hù)算法及具體實(shí)現(xiàn)條件，根據(jù)正、負(fù)序和零序定時(shí)限保護(hù)判定電機(jī)對(duì)稱故障、非對(duì)稱性故障，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地反映電機(jī)的各種故障情況，且易于計(jì)算機(jī)控制。

根據(jù)對(duì)稱分量法理論，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，負(fù)載電流可分解為正序、負(fù)序和零序分量，其中正序分量可以用來衡量電機(jī)的過流程度，作為對(duì)稱故障(短路、堵轉(zhuǎn)、過載及欠載保護(hù))的判斷依據(jù)。在電機(jī)正常運(yùn)行情況下發(fā)生對(duì)稱性故障時(shí)，負(fù)載電流是沒有負(fù)序和零序分量的，因此根據(jù)負(fù)載電流負(fù)序和零序分量的大小可以作為判別電機(jī)各類不對(duì)稱故障的依據(jù)，而且這種判據(jù)應(yīng)具有較高的靈敏度。

3 智能型電機(jī)保護(hù)儀的設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)儀主要包括硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

硬件電路由89c52系列單片機(jī)、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，顯示器、鍵盤設(shè)置及輸出控制電路、信號(hào)傳感器以及執(zhí)行繼電器等組成。對(duì)于單片機(jī)控制的測(cè)試系統(tǒng)，其硬件模塊包括傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、程序存儲(chǔ)模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊等。電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件框圖如圖1所示［3］。

圖1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件框圖

此電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)儀需要采集的數(shù)據(jù)有7個(gè)、3個(gè)電流數(shù)據(jù)和3個(gè)電壓數(shù)據(jù)、1個(gè)有功功率數(shù)據(jù)，需要電流傳感器、電壓傳感器、有功功率傳感器實(shí)時(shí)采集，并且將采集數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理?？梢愿鶕?jù)所監(jiān)測(cè)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)自由選擇。其工作原理為:各路模擬信號(hào)經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后傳送給單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等完成各物理量的數(shù)字化，并由程序控制對(duì)數(shù)字量進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及預(yù)處理。若存在的故障參數(shù)超標(biāo)，繼電器得電，接點(diǎn)動(dòng)作，電機(jī)電源被關(guān)斷，則可以檢查故障原因。

根據(jù)上述的保護(hù)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)軟件流程圖，在軟件設(shè)計(jì)中，需要考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流一般在5～7Ie，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，為了不造成電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)使得誤判斷，根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，我們可以通過鍵盤輸入電路設(shè)定電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)如果判斷電流在5～7Ie時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度不超過我們?cè)O(shè)定的上限溫度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會(huì)切斷電源。電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷、斷相、堵轉(zhuǎn)、頻繁啟動(dòng)等故障發(fā)生時(shí)，均導(dǎo)致電流增大，繞組過熱;其他故障發(fā)生時(shí)，線電流沒有變化(或變化很小)，直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度升高，損壞電動(dòng)機(jī)。因此，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)故障判斷依據(jù)是綜合判斷電流和電動(dòng)機(jī)溫度。

(1)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的電流，如果出現(xiàn)過載、堵轉(zhuǎn)、斷相、不平衡故障，然后根據(jù)定轉(zhuǎn)子溫度做出決定，出現(xiàn)上述故障并且溫度超過限定溫度時(shí)，電源斷開，否則繼續(xù)運(yùn)行(稱之為故障三)。

(2)如果判斷出現(xiàn)短路、逆相、相間短路、單相接地、兩相接地故障，電源斷開(稱之為故障一)。

(3)如果不是上述故障，而出現(xiàn)定轉(zhuǎn)子溫度超過設(shè)定限度，電源斷開(稱之為故障二)。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件流程圖

本電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)儀能夠?qū)崿F(xiàn)的基本控制功能為:

(1)電機(jī)三相電流超限、不平衡、缺相、接地電阻、電機(jī)和環(huán)境溫度等參數(shù)的測(cè)定;

(2)各種故障隱患與產(chǎn)生工作故障的智能判斷，并在故障發(fā)生之前報(bào)警或切斷系統(tǒng)電源，防止電動(dòng)機(jī)損壞和提醒用戶及時(shí)排除故障;

(3)系統(tǒng)配備有故障數(shù)據(jù)掉電保護(hù)存儲(chǔ)電路。在系統(tǒng)斷電時(shí)紀(jì)錄故障數(shù)據(jù)，以方便查找電機(jī)故障原因;

(4)系統(tǒng)具有8位監(jiān)視定時(shí)器 Watchdog(看門狗)，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生軟硬件故障時(shí)，看門狗定時(shí)器將使系統(tǒng)復(fù)位，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

該保護(hù)系統(tǒng)功能完善，各保護(hù)參數(shù)和CT比可由用戶定制，因而可以滿足不同容量的電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。采用了中文顯示和菜單式操作，界面友好、操作方便。采用基于實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)的故障診斷，開創(chuàng)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)的先河，使電動(dòng)機(jī)保護(hù)更具智能化。具有數(shù)據(jù)錄波、實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示軟、硬件自檢功能。跟隨信息時(shí)代的發(fā)展，將CAN總線引入電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，并形成智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的基本框架。因而可將電動(dòng)機(jī)保護(hù)納入網(wǎng)絡(luò)化管理和控制。

［1］ 馬宏忠.電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 劉重軒.論我國(guó)電機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀和未來［J］.西北紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，12(1):.

［3］ 孫涵芳.MCS51/96系列單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［4］ 郝迎吉李良福.基于80C196單片機(jī)的智能監(jiān)測(cè)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研制［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006，(4):.

［5］ 馮凱，陳迎松，胡濤.負(fù)序保護(hù)在低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)中應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(2):.