淺談智能電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計與功能實現(xiàn)

時間：2022-07-04作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：161

摘 要：介紹了國、內(nèi)外電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢, 敘述了網(wǎng)絡(luò)化智能電動機(jī)保護(hù)器的體系結(jié)構(gòu)、各個功能模塊的實現(xiàn)原理, 以及相應(yīng)的基于嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞:電機(jī)保護(hù);現(xiàn)場總線 ;嵌入式系統(tǒng)

0 引言
隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步 ,生產(chǎn)過程的自動化程度越來越高, 在生產(chǎn)中作為動力設(shè)備的電動機(jī)數(shù)量也越來越多, 如果電動機(jī)發(fā)生故障甚至燒毀, 會波及整個生產(chǎn)系統(tǒng), 造成較大的損失。因此, 對電動機(jī)實行保護(hù)是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項重要任務(wù)。由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的信息化、自動化程度要求越來越高 ,對電動機(jī)保護(hù)提出了越來越苛刻的要求。電動機(jī)保護(hù)器已從簡單的熱繼電器、溫度繼電器、電子式保護(hù)裝置的保護(hù)方式, 向智能化、網(wǎng)絡(luò)化電動機(jī)保護(hù)器的方向發(fā)展。國內(nèi)目前大多數(shù)電動機(jī)保護(hù)器沒有通信功能，產(chǎn)品中有通信功能的也只是用簡單的RS-485實現(xiàn)，應(yīng)用層的協(xié)議沒有統(tǒng)一的規(guī)范，不能滿足現(xiàn)場設(shè)備所要求的一致性和互換性?；诂F(xiàn)場總線的電機(jī)保護(hù)器還處于起步階段, 國外公司如美國羅克韋爾自動化公司已開發(fā)出 Devi-ceNet可通信智能固態(tài)過載繼電器?，F(xiàn)場總線是工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展熱點, 它的出現(xiàn)勢必會給傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)器帶來革命性的變化。能接入現(xiàn)場總線并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的智能電動機(jī)保護(hù)器接線簡單, 其增強(qiáng)的故障診斷和監(jiān)控功能 ,以及遠(yuǎn)程設(shè)置和管理功能是今后電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展方向。在眾多的現(xiàn)場總線通信協(xié)議中，DeviceNet作為符合IEC**標(biāo)準(zhǔn)的底層設(shè)備現(xiàn)場總線技術(shù)，已于2002年10月成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet現(xiàn)場總線具有開放、高效和低價等特點，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的互連。本文基于 DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)闡述具有網(wǎng)絡(luò)化功能的智能電動機(jī)保護(hù)器技術(shù)。

1　 網(wǎng)絡(luò)化智能電機(jī)保護(hù)器體系結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)化智能電機(jī)保護(hù)器主要完成對各種電機(jī)運行參數(shù)的檢測、電機(jī)控制，以及通過網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)上傳或下達(dá) ,以便于上位機(jī)實時監(jiān)控。保護(hù)器主要由保護(hù)功能模塊和通信功能模塊組成。保護(hù)功能模塊對電機(jī)過壓、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種故障進(jìn)行檢測 ,并發(fā)出相應(yīng)的控制輸出指令 ,從而實現(xiàn)電機(jī)保護(hù)。由于電動機(jī)保護(hù)器工作在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)備層 , 通信功能基于DeviceNet現(xiàn)場總線實現(xiàn)。
保護(hù)器若采用單CPU方案可以使保護(hù)功能與通信功能集中于單一的軟件控制系統(tǒng)上。PCB板空間較小 ,可靠性較高, 但其對微控制器的運算速度和各種資源 (程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器 、CAN控制器等)有較高要求 ,需要高性能的微控制器。若采用雙 CPU方案, 可以讓保護(hù)功能和通信功能分別由兩個不同的微控制器完成，減小單個微控制器的負(fù)擔(dān)，兩個 CPU可以通過 DMA、串口 、雙口 RAM等方式完成數(shù)據(jù)交換 。對微控制器的要求不高，可以使用一般處理器完成 。采用這種方案較重要的是有利于現(xiàn)有的無通信功能的智能保護(hù)器升級,在對現(xiàn)有設(shè)備通過少量改進(jìn)后就能作為網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點接入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng), 以少量代價獲得現(xiàn)場總線應(yīng)用水平的大幅提高 。
本設(shè)計選用雙 CPU方案, 用戶處理器完成物理信號的輸入、輸出和檢測轉(zhuǎn)換 ,按預(yù)定的規(guī)律算法進(jìn)行計算 、控制、處理， 實現(xiàn)保護(hù)功能 , Devi-ceNet處理器通過 DeviceNet現(xiàn)場總線與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信 ,完成信息交換和簡單的邏輯控制 。
1.1保護(hù)功能
電動機(jī)的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括:過載 、堵轉(zhuǎn)和三相短路等 ;不對稱故障包括 :斷相 、逆相、相間短路、匝間短路等 ,其特征是電機(jī)電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。
1.1.1熱過載保護(hù)
電機(jī)發(fā)熱和散熱過程較復(fù)雜 , 它與固定損耗(鐵損和機(jī)械損耗 )及可變損耗 (轉(zhuǎn)子和定子銅耗 )等多種因素有關(guān) 。假定電機(jī)是一個均質(zhì)物體 ,可以計算平均溫升 ,并用其估算溫升。根據(jù)對電機(jī)發(fā)熱過程的分析, 其熱態(tài)平衡微分方程為


Qdt=Aτdt+Cdτ (1)
式中: Q———電動機(jī)單位時間產(chǎn)生的熱量;
A———散熱系數(shù)(表示溫升為 1℃時, 每秒鐘的散熱量);
τ———溫升 ;
t———時間 ;
Aτ———電動機(jī)單位時間內(nèi)散熱量 ;
C———電動機(jī)熱容量 。
由式(1)解得，在初始條件為:t=0,τ=τF0時 ,電機(jī)某一時刻的溫升由式(2)決定 :
τ=τL +(τF0 -τL )e-t/T θ(2)
式中: Tθ ———發(fā)熱時間常數(shù), 表征熱慣性的大小,
Tθ =C/A;
τL ———穩(wěn)態(tài)溫升 ,
τL =Q/A;
τF0  ———起始溫升 。
式 (2)表明, 熱過渡過程中包括兩個分量, 一個是強(qiáng)制分量 τL , 它是過渡過程結(jié)束時的穩(wěn)態(tài)值 ;另一個是自由分量 (τF0  -τ L )e-t/Tθ , 它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。
由此可知,在電機(jī)發(fā)熱保護(hù)中應(yīng)解決的問題有 :熱累積采用模擬電機(jī)發(fā)熱曲線的方法 ,針對不同的脫扣級別采用不同的發(fā)熱曲線 ;散熱過程采用模擬指數(shù)函數(shù)曲線衰減方式, 可較為真實地反映散熱過程 ,也可根據(jù)經(jīng)驗公式對上述指數(shù)曲線進(jìn)行簡化處理以便于實現(xiàn)發(fā)熱保護(hù) 。
1.1.2接地故障保護(hù)
電動機(jī)接地故障主要是過電壓所造成的絕緣受損, 主要表現(xiàn)為相線與電氣裝置的外露導(dǎo)電部分 (包括電氣設(shè)備金屬外殼 、敷線管槽及構(gòu)架等 )、外部導(dǎo)電部分 (包括金屬的水 、暖、煤氣 、空調(diào)管道和建筑的金屬結(jié)構(gòu)等 )及大地之間的短路 。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同, 與相線之間產(chǎn)生的相間短路也不同。接地故障與一般短路相比 ,具有較大的危險性和復(fù)雜性 ,因為這類故障可能引發(fā)火災(zāi)并對人身安全構(gòu)成威脅 。接地保護(hù)與漏電保護(hù)不同。一般來說,接地電流比漏電電流較大, 前者可以通過對保護(hù)器內(nèi)部互感器所測得的三相電流進(jìn)行矢量和計算求得, 也可以采用漏電電流互感器 (零序互感器 )直接檢測。對于較小的電流, 由于采用零序互感器較為準(zhǔn)確和可靠 ,故漏電保護(hù)信號必須取自零序互感器。
1.1.3堵轉(zhuǎn)保護(hù)
異步電動機(jī)剛開始起動時 , 由于種種原因(機(jī)械故障、負(fù)荷過大、電壓過低等)轉(zhuǎn)子不能正常起動 ,使轉(zhuǎn)子始終處于靜止?fàn)顟B(tài)(s=1.0, s為轉(zhuǎn)差率),這就是通常意義下的堵轉(zhuǎn)。異步電動機(jī)在起動過程中除 s=1.0為堵轉(zhuǎn)外, 由于某種原因使電動機(jī)運行在轉(zhuǎn)速很低的狀態(tài)下 ,達(dá)不到設(shè)計的額定轉(zhuǎn)速 ,也是一種堵轉(zhuǎn)狀態(tài) 。異步電動機(jī)在正常運行中 ,由于機(jī)械故障將轉(zhuǎn)子卡住或者負(fù)荷急劇增加、電壓突然失去等原因也可能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速*下降 ,運行在一個很低的轉(zhuǎn)速下甚至完全停下來 ,造成電動機(jī)堵轉(zhuǎn) (或稱運轉(zhuǎn)中的堵塞 )。發(fā)生堵轉(zhuǎn)的電動機(jī),電流很大, 散熱條件差造成溫升急劇惡化 ,特別*燒毀電動機(jī) 。保護(hù)器的堵轉(zhuǎn)過流保護(hù)特性值應(yīng)包括 :不動作電流設(shè)定值 、動作電流設(shè)定值、動作延時時間、誤差范圍。哪些參數(shù)可由用戶設(shè)定 ,因產(chǎn)品不同而有所差異 。
1.1.4斷相及三相不平衡保護(hù)
斷相故障是一種不對稱故障 , 也是一種比較嚴(yán)重的故障 ,因此電動機(jī)的斷相保護(hù)也非常重要。由于電動機(jī)繞組接法有 Y形和 Δ形兩種, 因此對電動機(jī)斷相不平衡的判別要根據(jù)負(fù)序電流及三相電流的不平衡率來綜合判斷 ?？紤]各種誤差和各種斷相時電流的不平衡率 , 現(xiàn)場應(yīng)用中以大不平衡率 δ>30%作為斷相及三相不平衡故障的判定依據(jù)比較妥當(dāng)。δ可由 δ=(IH -IL )/IH×**≥30%得出, 式中:IH 為三相電流大值;IL 為三相電流小值 。
1.2通信功能
智能電動機(jī)保護(hù)器一般在總線中只扮演從站的角色 ,通信中只需實現(xiàn)預(yù)定義主從模式的組2從站協(xié)議 , 即可滿足絕大多數(shù)場合的需求。在通信設(shè)計中, 一般硬件由微控制器、CAN控制器 、CAN收發(fā)器等器件組成 , DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議由軟件實現(xiàn), 這個關(guān)鍵是對應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范的消化和理解 ,是開發(fā)的難點和重點。
目前,市場上可提供針對組2從設(shè)備開發(fā)的**芯片DN1022, 基于此在了解 DeviceNet協(xié)議的基礎(chǔ)上可以*完成 DeviceNet從站設(shè)計。DN1022具有內(nèi)置的 CAN口和 DeviceNet處理引擎 ,高速串行口、并行口、配置口和開關(guān)量輸入 、輸出口, 用戶處理器可通過高速串行口或并行口與DN1022通信, 只需實現(xiàn)一個簡單的通信協(xié)議即可 。其內(nèi)部實現(xiàn)的協(xié)議為 DeviceNetGroup2 OnlySlave,其主要技術(shù)規(guī)格為:支持的 DeviceNetConsumedI/O為 64字節(jié), ProducedI/O為 64字節(jié) ,支持 POLL、COS、CYCLIC三種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式、支持 DeviceNet參數(shù)對象、內(nèi)置 CAN控制器。該芯片可以工作在配置狀態(tài)和運行狀態(tài) ,工作在串口方式下時 , DN1022提供 8個串口命令讓用戶處理器在配置狀態(tài)完成配置, 切換到工作狀態(tài)后完成保護(hù)器實時數(shù)據(jù)及配置參數(shù)的數(shù)據(jù)交換 。

2基于 DeviceNet現(xiàn)場總線的智能電動機(jī)保護(hù)器
網(wǎng)絡(luò)化智能電動機(jī)保護(hù)器是典型的嵌入式系統(tǒng) ,其設(shè)計遵循嵌入式系統(tǒng)的一般方法。
2.1　硬件設(shè)計
考慮到網(wǎng)絡(luò)化智能電動機(jī)保護(hù)器需對電機(jī)過壓 、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種參數(shù)進(jìn)行保護(hù), 且對實時性有一定要求, 同時其工作在惡劣環(huán) 境 下 , 因 此 選 擇 了 美國微星公 司 的dsPIC30F6012作為主控制器 , 它集成了單片機(jī)的控制功能及數(shù)字信號處理器(DSP)的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力, 有 16路 12位高速 AD轉(zhuǎn)換器和UART,看門狗定時器等, 可以很好地滿足設(shè)計要求 ,系統(tǒng)的硬件如圖 1所示 。

圖 1　智能電動機(jī)保護(hù)器硬件框圖


2.1.1電源部分
由于 DeviceNet總線供電, 所以保護(hù)器電源取自總線電源 ,根據(jù)硬件設(shè)計中處理器 、運放 、傳感器等用電情況, 設(shè)計出 +12 V、 +5 V等電源模塊 ,且電源有反向保護(hù)功能 。
2.1.2 DeviceNet通信模塊
DN1022內(nèi)部集成 CAN控制器 ,在 CAN控制器和物理總線之間需要 CAN總線收發(fā)接口電路,為了提高抗干擾能力 ,一般需要用高速光耦器件隔離。
2.1.3電流檢測
利用霍爾器件進(jìn)行電流、電壓的轉(zhuǎn)換 ,所選器件及鐵心盡可能地保持線性關(guān)系，對其進(jìn)行去直流分量 、取值處理和限幅處理后 ,送到處理器進(jìn)行 AD采樣處理。
2.2軟件設(shè)計
對于大中型的嵌入式系統(tǒng), 由于存在復(fù)雜的實時編程、時間受控和事件受控進(jìn)程設(shè)計的問題,為了簡化程序設(shè)計的復(fù)雜性, 很多系統(tǒng)都采用了實時操作系統(tǒng) (RTOS)。由于本網(wǎng)絡(luò)化智能電動機(jī)保護(hù)器采用雙 CPU結(jié)構(gòu) ,在某種程度上簡化了對這些因素的考慮, 軟件設(shè)計不采用 RTOS。本軟件設(shè)計采用主程序加中斷處理程序的框架, 在設(shè)計中盡可能的做到模塊化 , 采用 C語言編程,提高軟件的復(fù)用性,方便升級和移植 ,軟件開發(fā)工具使用微星公司提供的集成開發(fā)環(huán)境、C語言編譯器和調(diào)試工具 。
電流采樣、溫度采樣使用定時器中斷完成 ,保證了每次采樣的時間間隔精度 , 對采樣到的值在主程序中有針對性的進(jìn)行軟件非線性校正, 對得到的數(shù)據(jù)使用精確算法分析, 從而對電動機(jī)實行保護(hù)控制。與 DeviceNet處理器采用串行口通信,主處理器采用定時器以一定時間間隔向 Devi-ceNet處理器發(fā)送命令幀,從而完成向總線發(fā)送保護(hù)器實時數(shù)據(jù)和從總線得到配置數(shù)據(jù)的工作 。在軟件設(shè)計中解決了多項保護(hù)程序模塊和通信程序模塊的**結(jié)合,優(yōu)化軟件設(shè)計,使整個系統(tǒng)的運行效率得到提高。

3 安科瑞智能電動機(jī)保護(hù)器介紹
3.1產(chǎn)品介紹
智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點。保護(hù)器能對電動機(jī)運行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機(jī)運行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
3.2技術(shù)參數(shù)
3.2.1數(shù)字式電動機(jī)保護(hù)器

3.2.2模塊式電動機(jī)保護(hù)器

3.3 產(chǎn)品選型


 

說明：“√”表示具備，“■”表示可選。

4結(jié)語
在完成開發(fā)后, 針對電動機(jī)保護(hù)器的 Devi-ceNet設(shè)備描述,編寫設(shè)備的 EDS文件, 方便上位DeviceNet配置軟件對網(wǎng)絡(luò)的配置 ,在此基礎(chǔ)上還須通過一致性測試?？赏ㄐ胖悄茈妱訖C(jī)保護(hù)器是構(gòu)成智能化 、可通信電動機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件之一 ,其適應(yīng)了自動控制網(wǎng)絡(luò)化的要求 ,代表了電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展方向。 DeviceNet現(xiàn)場總線具有開放 、低成本、高效率和高可靠性的優(yōu)點, 是流行的底層設(shè)備現(xiàn)場總線, 基于此實現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備的組網(wǎng)具有很大的現(xiàn)實意義 。




參考文獻(xiàn)
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