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

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一種三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器的研制

宋國(guó)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(xué)校； 2.黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

摘 要：介紹了使用大功率晶閘管進(jìn)行電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和相關(guān)的故障保護(hù)，采用AVR 微控制器實(shí)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(jī)，并分別實(shí)現(xiàn)了具有反時(shí)限的過(guò)載保護(hù)，斷相、三項(xiàng)不平衡等保護(hù)。

關(guān)鍵詞：晶閘管；電機(jī)保護(hù)控制器；單片機(jī)

大功率反并聯(lián)晶閘管具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、快速開(kāi)關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)，非常適合進(jìn)行電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中廣泛存在。隨著自動(dòng)化程度的提高，出現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的過(guò)程控制，電機(jī)工作狀態(tài)不斷惡化。對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)提出了更高的要求，智能化的電機(jī)保護(hù)不斷涌現(xiàn)［1］。結(jié)合晶閘管優(yōu)點(diǎn)和電機(jī)保護(hù)的需求，設(shè)計(jì)了一種一體化的電機(jī)保護(hù)控制器。

1 主電路

電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(dòng)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(jī)功率選擇不同變比的互感器?？煽毓鑳啥艘鼋泳€端子檢測(cè)可控硅兩端電壓。

2 可控硅硅擊穿和硅開(kāi)路

將可控硅硅故障分成兩種分別是硅開(kāi)路和硅擊穿，電機(jī)在不啟動(dòng)的情況下檢測(cè)硅擊穿，電機(jī)在開(kāi)啟時(shí)以及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下檢測(cè)硅開(kāi)路。如果發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)，對(duì)于故障狀態(tài)分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，并及時(shí)關(guān)斷可控硅、接通故障輸出繼電器電源。對(duì)外輸出故障信號(hào)?？煽毓韫钃舸z測(cè)是在電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后延時(shí)100ms（在此期間等待繼電器、按鍵等器件完成機(jī)械動(dòng)作），然后進(jìn)行硅狀態(tài)檢測(cè)。應(yīng)用下圖1采集可控硅兩端的電壓，檢測(cè)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(shí)際狀態(tài)的異同，判斷是硅擊穿還是硅開(kāi)路。

3 斷相和三項(xiàng)不平衡保護(hù)

進(jìn)行三相不平衡和斷相故障檢測(cè)，在程序中斷相檢測(cè)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(dòng)機(jī)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(gè)額定功率的電機(jī)供選擇。斷相檢測(cè)在有效啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出100ms，才開(kāi)始檢測(cè)，目的是跳過(guò)繼電器的動(dòng)作延時(shí)。但是在啟動(dòng)電流很大的時(shí)間內(nèi)還是要進(jìn)行斷相檢測(cè)，在出現(xiàn)具有斷相故障標(biāo)志信號(hào)開(kāi)始后2s中內(nèi)檢測(cè)到的有效斷相故障信號(hào)的的次數(shù)大于了總的檢測(cè)次數(shù)的75%，那么認(rèn)為斷相。發(fā)出斷相故障信號(hào)。三相不平衡檢測(cè)過(guò)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(xiàng)不平衡信號(hào)開(kāi)始后5s時(shí)間范圍內(nèi)檢測(cè)到有效三相不平衡的故障信號(hào)次數(shù)大于了總的檢測(cè)次數(shù)的75%，就認(rèn)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(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)CPU 進(jìn)行AD采樣后獲取主電路電流大小。

4 反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

反時(shí)限保護(hù)特性更接近合電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的特性， 用反時(shí)限進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)更有優(yōu)勢(shì)。國(guó)外廣泛使用反時(shí)限進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)，并較早建立了數(shù)學(xué)模型。

I是過(guò)電流倍數(shù)，以額定電流為基準(zhǔn)；r 是常數(shù)，取值在范圍有三種［3］，針對(duì)電機(jī)保護(hù)，采用r=2；Q 是常數(shù)，量綱為時(shí)間；T為出現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)時(shí)間。

使用該模型可以有效進(jìn)行反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，但是由于電機(jī)運(yùn)行中的電流不斷變化，不是嚴(yán)格的反時(shí)限關(guān)系，直接使用該模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)不夠準(zhǔn)確，將該模型演變?yōu)榉e分方式更適合實(shí)際情況，演變后公式為：

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

計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果超過(guò)臨界值保護(hù)動(dòng)作。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用多任務(wù)設(shè)計(jì)方法，任務(wù)分為：系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、外設(shè)參數(shù)采集、電流采集、電壓采集、電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸入檢測(cè)、故障類型判斷、狀態(tài)指示。（1）外設(shè)參數(shù)采集包括：電動(dòng)機(jī)功率設(shè)置、啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置、零位檢測(cè)；（2）系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置：在定時(shí)器中設(shè)置為1ms中斷作為軟件運(yùn)行的時(shí)鐘節(jié)拍；（3）電流采集：通過(guò)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(hào)，每路電流信號(hào)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(jì)4N35B光耦輸出的高電平時(shí)間確定電壓是否存在；（5）電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸入檢測(cè)：使用軟件濾波采集轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，進(jìn)行按鍵的互鎖處理，只有在一個(gè)按鍵在松開(kāi)狀態(tài)，另一個(gè)按鍵的輸入采有效。按鍵釋放60m后才開(kāi)始檢測(cè)下一次按鍵信號(hào)；（6）故障類型判斷： 故障類型包括三相不平衡、硅擊穿、硅開(kāi)路、反時(shí)限過(guò)載、斷相。通過(guò)輸入信號(hào)按照故障判別原理進(jìn)行多種故障分析；（7）狀態(tài)指示：通過(guò)指示燈顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障，輸出故障類型。

6 總結(jié)

保護(hù)控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)功能完善，設(shè)計(jì)上使用反并聯(lián)可控硅進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，AVR微處理器采集電壓電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)，經(jīng)過(guò)近一年的工廠實(shí)際運(yùn)行，保護(hù)控制器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)規(guī)定，可以進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)：

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

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳高職高專院?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：宋國(guó)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(dòng)方面研究。