馮星輝，張修太，翟亞芳*

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，鄭州450000; 2.安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽455000)

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智能型低壓電動機保護裝置的研究與設計

馮星輝1，張修太2，翟亞芳2*

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，鄭州450000; 2.安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽455000)

摘要:針對低壓電動機運行中出現(xiàn)的各種電氣故障，結(jié)合電動機保護的現(xiàn)狀，設計了一種智能型低壓電動機保護裝置。該裝置以ARM處理器LM3S2B93為主控芯片，可以實時采集電動機的三相輸入電壓、電流信號，對電動機進行啟動超時、堵轉(zhuǎn)、電流不平衡和過熱等保護。對裝置的總體設計、部分硬件電路、主程序和典型應用進行了分析，并給出了裝置的測試和檢驗結(jié)果。該裝置具有結(jié)構簡單、操作方便、可普及性高等特點，具有較高的應用價值。

關鍵詞:低壓電動機;保護裝置;電氣故障;插件式結(jié)構

電動機是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能輸出的設備，是其他機電設備的動力源泉，在機械加工、冶金、煤炭、石油、化工以及家電等行業(yè)得到了非常廣泛的應用。在電動機實際使用過程中，惡劣的運行環(huán)境以及超技術指標的工作狀態(tài)，是導致電動機各類電氣故障產(chǎn)生的主要原因，電機故障或損壞帶來的直接和間接損失是相當巨大的。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國使用的中型電機大約有2 000萬臺，每年燒毀的電機約占16%，約320萬臺，平均每臺的維修費用1 000元，總費用為32億元左右［1］。因此，研究有效的電動機保護方法與設備，使其既能對電動機可能出現(xiàn)的各種電氣故障進行可靠的保護，又能充分發(fā)揮電動機的運行效率，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和減小生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟損失有重要的意義。

1　系統(tǒng)設計總體方案

保護裝置采用插件式結(jié)構，主要包括交流信號輸入插件、CPU插件、開關量輸入插件、開關量輸出插件、模擬量輸出插件、人機接口插件、通信插件和電源插件，保護裝置的結(jié)構框圖如圖1所示［2］。

圖1　保護裝置結(jié)構框圖

交流信號輸入插件包括電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)和信號調(diào)理電路，其主要作用是利用TA 和TV將低壓電動機的輸入電流信號和輸入電壓信號變換為弱電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路后變?yōu)槟鼙晃⒖刂破髯R別的模擬信號，供微控制器內(nèi)部模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換使用;同時，TA和TV可以將保護裝置外部高壓系統(tǒng)與內(nèi)部的低壓系統(tǒng)相隔離，起強電和弱電隔離作用［3－4］。CPU插件包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復位電路等，主要起數(shù)據(jù)處理、保護判斷、邏輯控制、參數(shù)設置等作用。開關量輸入插件用于采集電動機控制電路外部的開關量輸入信號，也可以采集斷路器的位置信號、刀閘位置信號等狀態(tài)量信息。開關量輸出插件用于為電動機外部控制電路提供開關量輸出控制信號，并可以驅(qū)動報警或跳閘電路，實現(xiàn)對電動機的保護控制功能。模擬量輸出插件可以向保護裝置外部提供標準的4 mA～20 mA輸出電流。人機接口插件包括按鍵電路和液晶顯示電路，用于保護裝置與外界進行信息交互。通信插件包括了兩路RS485總線接口和一路RJ45以太網(wǎng)接口，用于保護裝置與其他裝置或監(jiān)控中心進行遠程數(shù)據(jù)通信。電源插件為整個保護裝置提供合適的工作電壓。

2　系統(tǒng)硬件電路設計

近年來，ARM系列微處理器憑借其高性能、低功耗、高性價比等特點在嵌入式應用領域得到了廣泛的應用，本設計選用Texas Instruments(TI)公司生產(chǎn)的高速處理器LM3S2B93作為控制核心［5］。LM3S2B93具有ARM Cortex－M3處理器內(nèi)核，時鐘頻率最高可達80 MHz;片內(nèi)集成有256 kbyte的FLASH ROM和96 kbyte的SRAM;含有16通道10 位A/D轉(zhuǎn)換器(采樣速率為1 Msample/s) ;含有8個多功能串行口，支持UART、I2C、SSPI和I2S 4種功能配置;含有4個32 bit定時器和2個看門狗定時器。LM3S2B93微控制器針對工業(yè)應用設計，包括遠程監(jiān)控、測試和測量設備、網(wǎng)絡設備和交換機、工廠自動化、建筑控制、運動控制等，能夠滿足對多參數(shù)系統(tǒng)的實時監(jiān)控和報警要求。

2.1交流信號輸入插件設計

交流信號輸入插件主要由三相電壓、三相電流輸入電路和信號調(diào)理電路兩部分構成。在電路設計時，三相電壓輸入的額定值為交流220 V(相電壓)，三相電流輸入的額定值為交流100 A。三相電壓輸入信號先經(jīng)過一個110 kΩ電阻，將電壓輸入信號變換為－2 mA～2 mA的電流信號，然后使用2 mA/2 mA電流互感器進行采樣;三相電流輸入信號直接使用100 A/7.07 V(有效值)的電流互感器進行采樣，將電流輸入信號變?yōu)榉禐椋?0 V～10 V的交流電壓信號［6］。當保護裝置的外部輸入信號大于設定的額定值時，需要使用外加互感器來配合完成信號采樣。

由于LM3S2B93內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號為0～5 V的單極性電壓信號，因此經(jīng)互感器采樣后的交流信號必須經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0 ～5 V的直流信號。所設計的電流信號采樣和信號調(diào)理電路如圖2所示，圖中的6.32 kΩ和1 kΩ構成分壓電路，將幅值為－10 V～10 V的交流信號變?yōu)椋?.4 V～1.4 V的交流信號，然后經(jīng)過由集成運放TLC2274構成電壓跟隨器、加法運算電路、反相比例運算電路后，變?yōu)?.1 V～2.9 V的單極性信號，送至LM3S2B93內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。圖中的750 Ω電阻和100 nF電容構成低通濾波電路，用以消除高頻信號的影響; Vref為1.5 V的模擬參考電壓，其作用是抬高交流輸入信號的電壓值，使之變?yōu)閱螛O性信號。

圖2　電流信號輸入電路

2.2開關量輸入插件設計

保護裝置設有11路開關量輸入電路，其中6路用于外接電動機啟動、停車、復位、工藝連鎖、遠程/就地等控制按鈕，另外5路可用于采集負荷開關位置信號、熔斷器熔斷信號、低壓斷路器位置信號等普通開關量信號。

開關量輸入電路的設計如圖3所示。圖中KR表示開關量輸入信號，當KR有效時，開入電源+24 V通過KR流入回路，通過4.7 kΩ、680 Ω和4.7 kΩ組成的限流電路后，驅(qū)動光電耦合器TLP85GB導通，KRC處輸出低電平，通知微處理器有外部開關量輸入。

圖3　開關量輸入電路

2.3開關量輸出插件設計

保護裝置設有5路繼電器開關量輸出，其中3路用于與交流接觸器、中間繼電器等組成各種電動機啟動控制，2路用于保護跳閘和保護報警。開關量輸出電路的設計如圖4所示，圖中的KC為開關量輸出控制信號，平時為低電平，需要輸出時變?yōu)楦唠娖健．擪C為低電平時，三極管T1截止，光電耦合器TLP85GB導通，三極管T2截止，繼電器線圈斷電，KC11和DCOM之間處于斷開狀態(tài)。當KC為高電平時，三極管T1飽和導通，T1集電極變?yōu)榈碗娖?，光電耦合器TLP85GB截止，三極管T2飽和導通，繼電器線圈通電，KC11和DCOM之間處于導通狀態(tài)［7］。

圖4　開關量輸出電路

2.4通信插件設計

保護裝置設有2路RS485總線通信接口和1路以太網(wǎng)RJ45通信接口，通過通信接口，保護裝置可與后臺監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)、開關量狀態(tài)、保護動作信號、保護定值參數(shù)等信息的遠程監(jiān)控與管理，實現(xiàn)對低壓電動機的分散控制和集中管理。其中RS485總線接口電路使用SN65LBC184D實現(xiàn)，以太網(wǎng)控制器使用ENC28J60實現(xiàn)［8－9］。

2.5保護裝置的外部接口

保護裝置配有11路開關量輸入接口、5路繼電器開出接口、1路4 mA～20 mA電流輸出接口、2路RS485通信接口、1路RJ45通信接口、4路電壓信號輸入接口和1路電源接口，其接口配置圖如圖5所示，需要注意的是三相電流輸入只需從電流互感器中間穿過，無需使用接線端子。

圖5　保護裝置接口配置圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)軟件設計采用主循環(huán)加中斷處理程序的模式。主程序的主要功能是對系統(tǒng)各個外設模塊進行初始化、調(diào)用各個子程序完成各項功能和開中斷等。上電復位后，微控制器將復位向量裝載到程序地址寄存器，然后CPU就從復位向量處開始執(zhí)行程序。主程序先進行初始化，為各個子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各個模塊的使用做好準備，然后程序進入主循環(huán)。

保護裝置的主程序流程圖如圖6所示［10］。主程序為一個無限循環(huán)，微控制器不斷重復調(diào)用電壓、電流等數(shù)據(jù)采集程序，并調(diào)用故障判斷與處理程序，一旦出現(xiàn)故障便使輸出保護動作，并發(fā)出報警信息。當輸出保護動作后，循環(huán)停止，等待人工復位。

圖6　系統(tǒng)主程序流程圖

3.2保護功能分析

電動機在運行中可能發(fā)生的電氣故障是多種多樣的，常見電氣故障可分為對稱故障與不對稱故障兩大類。對稱故障有對稱過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，它的主要特征是三相電流仍基本對稱，但電流幅值增大，對電動機的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應。不對稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡等，對電動機的損害主要是負序電流引起的負序效應，可能造成電動機端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動及啟動力矩降低等一系列問題。

保護裝置設有啟動超時保護、定時限過負荷保護、反時限過負荷保護、電流不平衡保護、堵轉(zhuǎn)保護、過熱保護、欠電流保護、欠電壓保護、過電壓保護等保護功能，使電動機在工作時不至于因為欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉(zhuǎn)等原因而導致?lián)p壞，從而對電動機起到保護作用。本節(jié)僅以堵轉(zhuǎn)保護為例進行說明。

電動機在運行過程中，由于負荷過大，或者自身機械原因，會造成電動機轉(zhuǎn)軸被卡住，此時根據(jù)電動機過載能力不同，允許其短時間運行，但如果不能及時排除故障，會引起電動機繞組過熱、絕緣降低而燒毀電動機［11］。電動機堵轉(zhuǎn)保護的工作原理如圖7所示，圖中Ia、Ib、Ic為三相輸入電流的測量值，Izd為電流動作整定值，Tzd為啟動時間整定值。當三相輸入電流中的某一路電流大于電流動作整定值時，堵轉(zhuǎn)保護就會按照設定的啟動時間進行保護，保護動作可以設置為跳閘或者告警。Izd可按電動機銘牌堵轉(zhuǎn)電流的0.5倍整定，Tzd可按電動機允許的堵轉(zhuǎn)時間整定，一般為0.9倍的允許堵轉(zhuǎn)時間。

圖7　堵轉(zhuǎn)保護原理圖

4　系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

按照國家標準GB/T7261—2008繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，對保護裝置的保護功能進行了測試和檢驗，其結(jié)果如表1所示。

表1　部分保護功能的參數(shù)及測試結(jié)果

測試和檢驗結(jié)果表明:所設計的低壓電動機保護裝置符合相關技術要求。

5　系統(tǒng)應用舉例

保護裝置可以在保護模式、直接啟動模式、雙向啟動模式、星－三角啟動模式等多種模式下運行，通過人機接口界面或上位機配置軟件可以將保護裝置設置為不同的工作模式，更符合現(xiàn)場使用需求［12］。保護裝置工作于保護模式連接方式如圖8所示。在此工作模式下，SB1為啟動按鈕，SB2為停車按鈕，SB3為復位按鈕。啟動電動機時，按下啟動按鈕SB1，接觸器KM的吸引線圈得電，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭閉合，電動機啟動。電動機停車時，按下停車按鈕SB2，接觸器KM的吸引線圈失電，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭斷開，電動機停車。當電動機出現(xiàn)故障狀態(tài)后，跳閘輸出繼電器常開觸點閉合，斷路器QF線圈得電，斷路器QF的常閉觸點斷開，電動機停車;同時，告警輸出繼電器常開觸點閉合，告警指示燈L點亮。按復位按鈕SB3可以復位故障。

圖8　保護模式典型應用圖

6　結(jié)論

本項目所研究與設計的智能型低壓電動機保護裝置集測量功能、保護功能、電動機啟/?？刂乒δ芎瓦h程通信功能于一體，能夠?qū)﹄妱訖C運行過程中出現(xiàn)的各種電氣故障進行告警指示和跳閘動作，能有效防止電動機意外燒毀的發(fā)生，實現(xiàn)了低壓電動機保護的智能化和網(wǎng)絡化。與同類電動機保護裝置相比，該智能型低壓電動機保護裝置具有功能完善、接線靈活、操作方便等優(yōu)點，可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、建筑等行業(yè)，具有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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馮星輝(1973－)，男，本科，高級工程師，研究方向為自動控制，電子電氣檢測，fxh8683@ 163.com;

翟亞芳(1979－)，女，河北保定人，安陽工學院電子信息與電氣工程學院，碩士，講師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、微控制器技術應用，zhaiyafangwin@ 163.com。

Design of Electrohydraulic Servo Driven Based on DSP

YU Bing*，SHEN Huaxu
(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:The TI company’s TMS320F28335 was adopted to design a kind of drive for hydraulic turntable servo control.In order to ensure accuracy and real-time performance of the control，DSP was used to control and manage the system; The MAX532D/A converter was adopted to realize high speed and high precision of the simulation output; A kind of circuit which realize the voltage/current switching was designed to achieve the control of output current; In order to further improve the control quality，the software simulation method was adopted to produce vibration signal.Experiments showed that the servo driver could carry on the fast and effective control to the simulation environment.

Key words:MAX532; vibration signals; DSP; servo driver

中圖分類號:TM774

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0671－05

收稿日期:2014－06－09修改日期: 2014－07－04

doi:EEACC: 834010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.041