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深入了解电动机智能保护器硬件与软件核心
点击次数:476 发布时间:2018/9/1 9:24:08

[导读]   针对电动机运行的特点,研究开发了电动机智能保护器。该保护器以PIC18F4520单片枧为核心,结合相应信号采集模块、显示模块和执行模块,实时检测电动机的各项运行参数,以实现在故障发生时保护器发出报警或跳闸动作。

  电动机已成为工农业生产和日常生活中必不可少的重要能源,把电能转化为动力,目前主要是利用电动机。生产上大量应用的三相电动机功率从几千瓦到几百千瓦不等,这些电动机功率大,电压高,电流大,控制和保护系统较为复杂,单片机和数字信号处理技术的发展为电动机保护提供了新的、更可靠和更有效的解决方案。

  针对电动机运行的特点,研究开发了电动机智能保护器。该保护器以PIC18F4520单片枧为核心,结合相应信号采集模块、显示模块和执行模块,实时检测电动机的各项运行参数,以实现在故障发生时保护器发出报警或跳闸动作。

  电动机智能保护器的硬件与软件

  1.电动机智能保护器硬件设计

  该保护器的硬件结构,如下图所示。主要包括信号采集模块、键盘输入模块、显示模块和执行模块等。采样模块首先对电动机的电流与电压信号进行采集,然后将采集到的模拟信号通过电平转换电路和低通滤波器滤去高次谐波,最后进入PIC18F4520的ADC进行数字化处理得到电流和电压离散值。键盘输入模块主要用于设定欠功率、过电压、欠电压和过电流等各项保护判据,涉及的报警整定值、跳闸整定值或其他设定参数,也是通过键盘来实现的。显示模块主要用于显示电流和电压等参数,采样3排四位数码管显示模块。执行模块主要是用于输出各种控制信号来执行相应的动作,当发生故障时,执行模块就会执行相应的动作使继电器有所动作,达到对电动机的保护。

电机智能保护器

  2.电动机智能保护器软件设计

  电动机智能保护器的软件设计是利用PIC18F4520的C语言来实现的,并在MPLAB里进行编译、调试与仿真。程序主要分为主程序、各故障中断子程序、显示程序和延时程序四部分。开始时从存储器读出采集到的数据,送到显示模块中显示,比如三相电压、三相电流和功率等参数。然后再判断电动机是否起动,未起动时,在显示模块显示相应的未起动标志代码。此时,用户可以设置各个参数,并将设定值存储到存储器里。如已起动则进入各个故障的判断(判断电动机是否进入起动阶段,这是通过采集电流和电压来完成的),通过相应判定参数值判断各种故障,采样电流和电压分别监控电动机的运行状态和判断电动机是否过、欠电压。如果有故障发生,则进行相应的报警与跳闸,并把数据与状态显示在相应的显示模块。

  电动机保护原理与保护判据

  1.有效值计量

  PIC18F4520采集到的是离散电流与离散电压,因而要利用电流、电压作为保护判据时,需要将信号离散化处理。利用方均根值的计算求出各相电流、电压的有效值。本例一个周期采样64个点。

  2.短路和堵转保护与报警

  短路保护是为电动机的相间及电动机绕组匝间短路保护而设置的,通过该保护的功能,可以避免诸如:小到电动机烧毁,大到引起进线跳闸,甚至越级跳闸,引起控制中心失电等严重事故;如三相电流任意一相电流出现短路电流时,即可按设定的要求进行保护。

  堵转保护是电动机特有的一种保护,适用于传动装备、泵、风扇、切割机及压缩机等设备由于负荷过大或自身机械原因,造成电动机绕组过热,绝缘降低而烧毁电动机,因此堵转保护是避免该类型故障的发生。如果三相电流平均值出现4~8倍额定电流的过负荷现象时,即可按设定的堵转保护定值和时限,迅速跳闸,避免电动机烧毁。

  短路保护和堵转保护的动作定值必须小于交流接触器的允许分断电流。在任何短路和堵转高于接触器允许分断电流的应用中,必须使用一个熔断器或智能型断路器来切断电流,防止损坏接触器和扩大故障。

  堵转电流的动作定值应该依据电动机制造厂提供的最大允许堵转电流值,可按允许堵转电流的一半设定,堵转延时时间可参考电动机的允许堵转时间设定,一般设定时间为允许时间的9/10。

  当堵转电流或短路电流大于设定的允许分断电流时,保护不跳闸,只输出故障信息;直到电流跌落到接触器允许分断电流以下,跳闸动作才会发生。这时由断路器完成保护。

  3.过载保护与报警

  当电动机在过载状态下运行时,会产生大电流,长时间会导致电动机发热损坏,此时普遍使用热继电器进行热保护,但热继电器与电动机的散热特性不一致,故不能正确反映电动机的过载运行状况。控制器根据电动机的发热特性,计算电动机的热容量I2t,模拟电动机发热特性和散热特性对电动机进行保护。由于控制器是根据电流模拟计算而进行保护的,因此保护范围更广,可实现热继电器所不能保护的严重过负载保护。

  反时限过载保护一般包括:短路+堵转+定时限过载三种保护功能,此电动机保护控制器使用反时限(符合IEC255-3标准)作为特征曲线,其过载保护有12条特性曲线可选,用户可以根据实际需要选择不同曲线。

  4.电流不平衡保护

  不平衡的三相供给电压也是导致电动机热损坏的一个主要原因。不平衡率表示平均电流和各相电流的最大差值与平均电流和电动机满负载电流最大值的比值。当不平衡率超过整定值且整定时间到后,报警或跳闸。

  5.过电压与欠电压定时保护与报警

  电压有效值小于整定电压值且整定时间到后,欠电压报警或跳闸;电压有效值大于整定电压值且整定时间到后,过电压报警或跳闸。

  结束语

  通过市场的实际使用证明,电动机智能保护器故障判定准确、可靠。本产品是应用了多种保护方式相结合的综合型保护器。

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