硬件集成電路設計熱門培訓內容之基于MSP430F149電機保護算法研究

時間:2018-03-23 10:27:26

1 電動機故障分析
    電動機的故障形式可分為對稱和不對稱兩類。
    對稱故障包括過載、堵轉和三相短路等,這類故障對電動機的損壞主要是熱效應和機械應力,使繞組發熱甚至損壞。其主要特征是三相仍基本對稱但同時出現過電流,故障嚴重程度基本反映在過電流的程度,因此仍然以過流程度作為這類故障的判據。對于嚴重的三相短路的保護應采用速斷跳閘;堵轉故障的保護應采用短時限跳閘;而對于對稱過載應采用及時限跳閘,反時限特性應與電動機的溫升指數特性相配合。
    不對稱故障又可進一步分為非接地性和接地性兩類。
    非接地性不對稱故障,主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運行等。這類故障會引起三相電流不對稱。由于我國電動機的中心點不接地,故定子電流可分解為正序和負序分量(零序分量為0)。而電動機在正常運行時負序電流分量基本沒有,所以采用負序電流分量作為這類故障的判據。這類故障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熱、轉子振動及起動力矩降低等一系列問題,如果有過電流出現,還會使繞組發熱。這類故障的保護應采用短時限跳閘或速斷。
    接地性不對稱故障,包括單相接地短路和兩相接地短路。由于電動機外殼必須安全接地,因此繞組端部碰殼、絕緣破壞等都可能導致接地故障,特別是處在塵埃重或濕度大的環境下,故障率就更高。發生接地性不對稱故障時,會出現零序電流分量,這是區別其他任何非接地性故障的根本特征,可作為接地性故障的主要判據。這類故障應采用速斷或短時限跳閘加以保護。
    由以上分析和實驗表明,過電流、負序和零序3個分量的不同分布組合與各故障類型之間具有很好的對應關系,表1列出了這樣的對應關系。
    

    2 電動機保護算法的提出
    保護算法是用數學運算方法實現故障量的測量、分析和判斷的。其基本問題是尋找適當的離散運算方法,使運算結果的精確度能滿足要求,而計算耗時又盡可能短。
    傅氏算法假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數,除基波外,還含有不衰減的直流分量和各次諧波。這種算法在DSP單片機上實現時,實際上是對離散的采樣值進行計算。首先計算In的實部Irn和虛部Iin值(其中n=a,b,c):
    

    其中:N為一個周期T中的采樣數,N愈大,精度愈高。
    當N=12點數時,幅值最大誤差:ΔIm ax/Im=3.41%  
    在單片機上作實時計算時,須在每出現一個新采樣值后就計算一次,而且應對這一新采樣值前的N個采樣值(包括新出現的一個)同時加以運算。在運算時,對N個采樣值都分別乘以不同的系數,然后求和。
    計算出In的實部Irn和虛部Iin后,就可求得幅值In和相 位角θ為:
    

    這樣就可求得任意次諧波的振幅和相位。
    定子繞組的相間短路對異步電動機來說是嚴重的故障,他不僅引起繞組絕緣損壞、鐵芯燒毀,甚至會使供電網絡電壓顯著降低,破壞其他設備的正常工作。所以應進行相間短路故障的保護。當然,他也歸屬于過流保護。這種故障會產生衰減的非周期分量(包括衰減的直流分量),同樣,電動機啟動時產生的涌流也會產生這種衰減的非周期分量。盡管傅氏算法對這種衰減的非周期分量有一定的抑制作用,但試驗證明,如果不采取措施,最嚴重的情況下,由非周期分量造成的傅氏算法的計算誤差可能超過10%,這么大的誤差對電動機保護來說,絕不能視而不見,必須進行補償。最簡單的辦法是,對輸入信號先施行一次減法濾波,然后再進行傅氏計算,這樣就可削弱非周期分量,減少傅氏算法的計算誤差。 

對于電動機保護,只需計算出基波(50Hz)的電流信號。而其他干擾信號(如各次諧波及各種噪聲)必須濾掉。  
    在A/D前用一個無源的ALF(模擬低通濾波器)濾掉9次以上的高次諧波。在用A/D或VFC進行離散化后,采用傅氏算法。該算法本身具有較強的濾波作用 (可以濾去各次諧波),如果在傅氏算法前再用減法濾波,濾去衰減的非周期分量,就無需另外采用別的數字濾波算法了。

    3 硬件實現框圖
    硬件實現框圖如圖1所示。將三相電流經過電流電壓變換器及放大部分,轉化為合適電平,然后由模擬低通濾波器(ALF)濾去高頻分量。ALF選用無源低通濾波器即可,其作用是消除頻率混疊問題,即為了滿足采樣定理,限制輸入信號的最高頻率,在此設計成消除7次或9次以上的諧波。然后經采樣保持電路,采保電路起到這樣一個作用:當多個模擬量需要同時檢測時,檢測系統輸入通道中必須有一個電路,在A/D進行轉換時用來采樣并保持這一時刻的模擬信號不變,以便A /D轉換器能獲得一個穩定的轉換數值。信號進入微控制器芯片進行綜合處理(MSP430F149內置12位A/D轉換器,無需外部再接入A/D轉換器)。輸出回路為保護裝置的執行電路,由跳閘回路、聲光報警指示電路組成,具有跳閘、報警和指示故障類型等功能。外部總線外接擴展SRAM,E2PROM及鍵盤顯示器專用接口芯片8729。通過鍵盤來輸入整定值,而顯示單元由LCD模塊組成,可以顯示實時數據、報警信息等。
   

    4 軟件設計流程圖
    首先對系統進行初始化,A用自檢程序對RAM執行一個簡單的交互式0/1測試,通過將一個AAH,55H模型66寫入整個RAM,將求反后的RAM值寫入 RAM并重新檢查,再清除整個RAM,若發現錯誤則復位被置。然后,判斷電機是否上電運行,若是,則進行數據采集處理并自動檢測電機運行狀態。若發現電機不正常運行,則立即識別故障類型,進行故障處理,并顯示出故障信息,接著執行相應的跳閘環節。
   

    5 結語
    基于對高壓異步電動機故障特征的詳細分析,將過流保護分解為過流、負序和零序保護3大類,由此構成的綜合保護可基本覆蓋電動機的所有常見故障類型。提出了數字式綜合保護算法,采用超低功耗的單片機監測電動機故障,具有成本低、性價比高、可靠性強、適應性好的特點, 應用前景廣闊。

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