侯文莉
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011
摘要：以往，在停車器控制系統(tǒng)中使用接觸器來控制執(zhí)行電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，由于接觸器有動(dòng)作觸點(diǎn)，當(dāng)觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花,而且隨著觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)的增加，觸點(diǎn)接觸電阻會(huì)變大，導(dǎo)致電機(jī)供電缺相，容易造成堵轉(zhuǎn)，從而可能燒壞電機(jī)。本文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)，應(yīng)用ARM微控制器實(shí)現(xiàn)了晶閘管故障狀態(tài)的診斷，并分別實(shí)現(xiàn)了具有過載保護(hù)、斷相、三項(xiàng)不平衡等電機(jī)保護(hù)，并通過CAN總線將故障內(nèi)容傳送至上位機(jī)。
關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；晶閘管；斷相；電機(jī)控制；保護(hù)措施
0引言
大功率反晶閘管具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、快速開關(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。隨著自動(dòng)化程度的提高，出現(xiàn)越來越復(fù)雜的過程控制，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，停車器控制系統(tǒng)就是比較典型的。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)電路。
1正反轉(zhuǎn)控制及電流檢測(cè)電路
電動(dòng)機(jī)保護(hù)主電路采用了五路反并聯(lián)晶閘管，控制導(dǎo)通順序,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)。電流傳感器用來測(cè)量主回路工作電流，根據(jù)停車器的三相異步電機(jī)工作功率,選擇TA1402-02M互感器。在可控硅兩端引出接線端子檢測(cè)可控硅兩端電壓。
2晶閘管擊穿和晶閘管開路檢測(cè)電路
按照工作狀態(tài)將晶閘管障分成兩種,分別是晶閘管路和晶閘管擊穿，電機(jī)在不啟動(dòng)的情況下檢測(cè)晶閘管擊穿，電機(jī)在開啟時(shí)以及運(yùn)行狀態(tài)下檢測(cè)晶閘管開路。如果發(fā)現(xiàn)故障，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)斷晶閘管。晶閘管擊穿檢測(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)50ms,然后進(jìn)行晶閘管狀態(tài)檢測(cè)。如圖1所示，采集晶閘管兩端的電壓，檢測(cè)晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)五路反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的異同，可判斷是擊穿還是開路。
圖1 擊穿和開路檢測(cè)電路
3斷相和三項(xiàng)不平衡保護(hù)
在控制程序中斷相檢測(cè)以低于額定電流的1/8為電流斷相依據(jù)，停車器電機(jī)額定功率為750W，額定工作電流為1.5A左右,斷相檢測(cè)在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出50ms后開始檢測(cè)，目的是跳過接觸器的動(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)開始后2s內(nèi)檢測(cè)到的有效斷相故障信號(hào)的次數(shù)大于總的檢測(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)過程中，找到主回路三相電流的大值和小值，如果大值大于小值的兩倍那么就認(rèn)為三相不平衡發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)具有三相不平衡信號(hào)開始后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)大于總的檢測(cè)次數(shù)的75%，就認(rèn)為是三相不平衡發(fā)生。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。
圖2 電流采集電路
4反時(shí)限過電流保護(hù)
反時(shí)限保護(hù)特性是故障電流(或稱短路電流)越大,接觸器保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)越小,更接近電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的特性，用反時(shí)限進(jìn)行過電流保護(hù)更有優(yōu)勢(shì)。國(guó)外廣泛使用反時(shí)限進(jìn)行過電流保護(hù)，并較早建立了數(shù)學(xué)模型。
（1）式中：I——過電流倍數(shù)，以額定電流為基準(zhǔn)； r——是常數(shù)，取值在范圍有三種[1] ，針對(duì)電機(jī)保護(hù)，采用r = 2； Q——常數(shù)[2]，量綱為時(shí)間，s； T——出現(xiàn)過電流保護(hù)時(shí)間，s。使用該模型可以有效進(jìn)行反時(shí)限過電流保護(hù)計(jì)算，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：
（2）式中：Ik——是第K次采樣時(shí)的過電流倍數(shù)； ΔT——采樣周期，s； N——累計(jì)次數(shù)； Q——由用戶確定的時(shí)間常[3],s。
5軟件設(shè)計(jì)
軟件采用多任務(wù)設(shè)計(jì)方法，任務(wù)分為：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：停車器電動(dòng)機(jī)功率設(shè)置、啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置、零位檢測(cè)。
（2）電流采集：通過NXP ARM處理器內(nèi)部自帶AD(12位)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，采用中值濾波法，濾波效果良好。
（3）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。
（4）電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸入檢測(cè)：使用軟件濾波采集正轉(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)按鍵在松開狀態(tài)，另一個(gè)按鍵的輸入才有效。按鍵釋放50m后才開始檢測(cè)下一次按鍵信號(hào)。
（5）故障類型判斷: 故障類型包括三相不平衡、晶閘管擊穿、晶閘管開路、反時(shí)限過載、斷相。通過輸入信號(hào)按照故障判別原理進(jìn)行多種故障分析。
（6）狀態(tài)指示：通過指示燈顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障，相應(yīng)的故障指示燈會(huì)點(diǎn)亮。
6安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
6.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介
ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。
6.2產(chǎn)品選型
產(chǎn)品功能
說明：“√"表示具備“■"表示可選
7結(jié)束語(yǔ)
停車器保護(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)控制等特點(diǎn)，ARM處理器主要采集可控硅的電壓和電流信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)，停車器電機(jī)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。
【參考文獻(xiàn)】
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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.
作者簡(jiǎn)介：
侯文莉，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
