洪 煒，陳宇晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

基于采樣修正的三相電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)

洪 煒，陳宇晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

針對(duì)傳統(tǒng)的電子式電機(jī)保護(hù)器對(duì)于三相電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、欠載、過(guò)壓、欠壓、斷相、三相不平衡等故障，精度低，功能單一的問(wèn)題，提出了一種以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為控制核心，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)合采樣修正的算法對(duì)線路中電壓、電流進(jìn)行精確采集的多功能電機(jī)保護(hù)器。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電機(jī)保護(hù)器精度高，保護(hù)性能優(yōu)越。

電機(jī)保護(hù)器；電壓電流采樣；相序檢測(cè)；采樣修正；CAN通信

電機(jī)是工業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域中的動(dòng)力系統(tǒng)，常常作為整個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)源頭，如起重機(jī)、數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)等。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，由于供電線路及電網(wǎng)質(zhì)量的原因使得在電機(jī)線路中出現(xiàn)斷相、斷相、過(guò)壓、過(guò)載、欠載等情況，對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)甚至人身安全造成不可挽回的損失。針對(duì)傳統(tǒng)的電子式電機(jī)保護(hù)器功能單一、精度低、保護(hù)動(dòng)作不靈敏的問(wèn)題，本文提出一種基于TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器，具有高精度實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)、相序檢測(cè)等功能的電機(jī)保護(hù)器。

1 基本原理

電機(jī)保護(hù)器由相序檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、采樣修正模塊、顯示模塊、控制芯片模塊、CAN總線通信模塊、繼電器與聲光報(bào)警模塊組成。將相序檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊這3個(gè)模塊整合成一張數(shù)據(jù)采集板，與數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812進(jìn)行連接，三相電機(jī)保護(hù)器總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電壓、電流信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路接入TMS320F2812，通過(guò)中值平均值濾波以及方均根值計(jì)算有效值后得到三相供電線路中相電壓UA、UB、UC與相電流IA、IB、IC。根據(jù)以下判定依據(jù)可進(jìn)行過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、欠載及三相不平衡的故障整定。

過(guò)壓：UX>Umax時(shí)，表示過(guò)壓，Umax表示過(guò)壓設(shè)定閾值；

欠壓：UX

過(guò)載：根據(jù)IX>0.8IP時(shí)，電壓處于過(guò)載狀態(tài)。IP表示電流額定值；

欠載：根據(jù)IX<0.8IP時(shí)，電壓處于欠載狀態(tài)；

三相不平衡：按照IEEE Std.112—1991定義，有相電壓不平衡率Pv[1]

(1)

若Pv>0.3，則表示三相電壓不平衡；

斷相：當(dāng)某一相電壓UX、相電流IX同時(shí)為0時(shí)，則表示斷相。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電壓電流信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電壓端輸入為交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路置于DSP2812的IO口。由于TMS320F2812內(nèi)部集成ADC模塊，要求輸入電壓信號(hào)必須大于零。因此在進(jìn)入DSP2812之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，圖2中的運(yùn)算放大器處理電路，可將輸入電壓信號(hào)處理成幅值在-1.5～+1.5 V范圍內(nèi)的信號(hào)，載與+1.5 V偏置信號(hào)相疊加，得到幅值0～3 V的信號(hào)，后級(jí)加入電壓射極跟隨器，能有效濾除雜波干擾，增強(qiáng)采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性。由圖2所示電路，有

(2)

圖2 電壓信號(hào)調(diào)理電路

UAD輸出端接TMS320F2812中的ADC引腳，對(duì)應(yīng)結(jié)果為ADCResultx寄存器中的一個(gè)數(shù)字量DACV，有

(3)

電流信號(hào)同樣需要進(jìn)入TMS320F2812進(jìn)行處理，對(duì)于電流信號(hào)的處理方式，先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在設(shè)計(jì)中添加閉環(huán)霍爾傳感器TBC-25-SY。

圖3 電流信號(hào)調(diào)理電路

通過(guò)運(yùn)算放大電路處理成弱電壓信號(hào)，根據(jù)圖3，閉環(huán)霍爾傳感器在未飽和時(shí)，輸出信號(hào)為與所測(cè)量電流信號(hào)為線性比例關(guān)系的特性。設(shè) 為閉環(huán)霍爾傳感器TBC-25-SY變比，有如下公式

(3)

同理：對(duì)應(yīng)結(jié)果為ADCResultx寄存器中的一個(gè)數(shù)字量DC

(4)

2.2 相序檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

相序檢測(cè)電路[2]如圖4所示，三相電源U、V、W經(jīng)電阻分壓接不平衡負(fù)載，每一相負(fù)載上的電壓，由于負(fù)載不同而發(fā)生不平衡分配。當(dāng)三相電源為順相序時(shí)，A點(diǎn)電壓會(huì)>B點(diǎn)電壓，根據(jù)運(yùn)算放大器LM393輸出特性，OUT端輸出高電平；當(dāng)三相電源處于逆相序狀態(tài)時(shí)，B點(diǎn)電壓大于A點(diǎn)電壓，則OUT一端將會(huì)輸出低電平。

圖4 相序檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)電壓比較器LM393的輸出，可快速可靠地檢測(cè)三相電機(jī)所接入的三相電源是否處于錯(cuò)相故障狀態(tài)。

2.3 基于MCP6S28采樣修正單元設(shè)計(jì)

強(qiáng)電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)后，數(shù)字信號(hào)處理器由于內(nèi)部ADC模塊存在漂移和非線性，使得AD轉(zhuǎn)換結(jié)果波動(dòng)較大，嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法分辨出信號(hào)變化，較大程度減小了系統(tǒng)采樣的分辨率與精確度。而在本系統(tǒng)中電機(jī)保護(hù)器所有的故障整定都與電壓電流采樣值有關(guān)，如何得到高精度、無(wú)干擾的采樣值是故障準(zhǔn)確整定的關(guān)鍵。

MCP6S28是美國(guó)微芯半導(dǎo)體公司推出的一款零漂移增益數(shù)字編程可調(diào)的運(yùn)算放大器。其能通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器的IO口同時(shí)選擇進(jìn)行信號(hào)處理的通道個(gè)數(shù)，分別為：1、2、6、8。并能通過(guò)改變MCP6S28芯片GAIN寄存器中C0、C1、C2設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。具體增益設(shè)置如表1所示。

表1 MCP6S28增益設(shè)置真值表

采樣修正：即在信號(hào)放大電路中采用采而在信號(hào)較小時(shí)，通過(guò)SPI通信，設(shè)置MCP62S8寄存器的值，從而增大MCP6S28芯片的增益；而信號(hào)較大時(shí)，減小MCP6S28芯片增益。使得進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器中的電壓維持在0～2.5 V，從而達(dá)到限幅、提高系統(tǒng)精度及分辨率的目的。

運(yùn)用這樣的方法，能夠降低DSP內(nèi)部ADC模塊因漂移和非線性造成的采樣誤差，提高了系統(tǒng)的采樣分辨率與采樣精度。

2.4 CAN通信單元設(shè)計(jì)

CAN總線是被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線，是一種多主方式串行通信總線，數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812集成了增強(qiáng)型CAN通信接口，傳輸信號(hào)采用短幀格式，并結(jié)合CRC校驗(yàn)，大幅增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的可靠性。CAN總線通信傳輸距離長(zhǎng)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，通訊速率快，可高達(dá)1 Mbit·s-1[3]。應(yīng)用時(shí)需增加CAN總線收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。

采用飛思卡爾公司的高速CAN收發(fā)器MC34901，MC34901是近年來(lái)新型的第三代高速CAN收發(fā)器，其具有超低電流消耗、自動(dòng)監(jiān)測(cè)I/O口電壓；該芯片符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，具有卓越的EMC性能，且無(wú)需共模電感或其他外部組件，成本較低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括：主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計(jì)算、采樣修正、CAN通信、報(bào)警保護(hù)。主程序負(fù)責(zé)各子程序的初始化和調(diào)用。A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置TMS320F2812采樣模式，讀取結(jié)果寄存器ADCRESULTX的值。采樣修正模塊判斷寄存器ADCRESULTX中的值是否過(guò)大或過(guò)小，通過(guò)DSP的IO輸入輸出口調(diào)節(jié)MCP6S28內(nèi)部寄存器，選擇合適的增益大小，得到目標(biāo)值。數(shù)據(jù)處理模塊可讀取采樣修正后的值，采用中值平均值濾波法處理數(shù)據(jù)，提高保護(hù)器的精確度。

圖5 電機(jī)保護(hù)器程序框圖

程序開(kāi)始時(shí)可向DSP發(fā)出中斷申請(qǐng)，用戶(hù)通過(guò)上位機(jī)設(shè)定過(guò)壓、欠壓、過(guò)載等保護(hù)閥值，若各個(gè)功能參數(shù)數(shù)值均在系統(tǒng)設(shè)定閾值范圍內(nèi)，向上位機(jī)發(fā)送 “1”指令表示設(shè)定成功，上位機(jī)通過(guò)CAN 總線查看電機(jī)參數(shù)并控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

為了保證保護(hù)器有較高的保護(hù)動(dòng)作精度，在相電壓過(guò)壓、欠壓，電流欠載、過(guò)載以及三相不平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了多次采樣值的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。并記錄了電壓測(cè)量值、電流測(cè)量值以及繼電器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，如表2和表3所示。

表2 電壓采集結(jié)果

表3 電流采集結(jié)果

由表2和表3所示，該保護(hù)器能完成對(duì)電壓電流值測(cè)定，電壓最高采樣精度為0.3 s，電流最高采樣精度為0.3 s，且能靈敏的對(duì)過(guò)壓、過(guò)載、欠壓、欠載等故障做出保護(hù)，平均保護(hù)動(dòng)作時(shí)間分別為3.4 s與3.06 s。

模擬斷相時(shí)電機(jī)保護(hù)器的工作特性，三相電源電壓采集波形如圖6所示。

圖6 斷相時(shí)交流電壓采集波形

圖6所示的波形圖中，三相電源C相已發(fā)生斷相故障，A相B相電壓正常采集，此時(shí)，相序檢測(cè)電路輸出高電平信號(hào)，觸發(fā)聲光報(bào)警，并進(jìn)行保護(hù)。斷相保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.5 s，錯(cuò)相保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.3 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款高精度、多功能的電機(jī)保護(hù)器，與以往的電子式電機(jī)保護(hù)器不同，該系統(tǒng)增加了采樣修正的方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)線路中電壓、電流的高精度采集；具備CAN總線通信功能，能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通訊功能；能對(duì)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、欠流、斷相、錯(cuò)相等故障進(jìn)行靈敏可靠地保護(hù)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該電機(jī)保護(hù)器精度高達(dá)0.3 s，并能在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)故障做出判斷與保護(hù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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Design of a Three-phase Motor Protector Based on Sampling

HONG Wei，CHEN Yuchen

(School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

The traditional electrical motor protector has the disadvantages of limited function, low precision and poor sensitivity and suffers three-phase motor faults such as overload, underload, undervoltage, overvoltage, phase failure and three phase unbalance. A protector based on the digital signal processor TMS320F2812 is proposed, using the method of sampling and correcting to collect the voltage and current exactly. The experiments results show good precision and superior performance to traditional electrical motor protectors.

motor protector; voltage current sampling; phase detect; sampling rectification; CAN bus communication

2016- 04- 07

上海工程技術(shù)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(E3-0903-16-01025)

洪煒(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣控制等。陳宇晨(1957-)，男，博士，教授。研究方向：智能電網(wǎng)，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.004

TM925

A

1007-7820(2017)02-012-04