基于PLC的電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)方案

摘要：為解決電機(jī)使用過程中發(fā)熱和燒壞的問題，需要對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)限流保護(hù)。結(jié)合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，在電機(jī)過流保護(hù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了適用于PLC的電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)方案，給出了方案的軟硬件設(shè)計(jì)。本方案的電機(jī)保護(hù)性能，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)申得到驗(yàn)證。

在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中會(huì)用到大容量的電機(jī)，由于這些電機(jī)的長時(shí)間連續(xù)工作，并且長期受企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中粉塵、電流變化等影響，電機(jī)很容易發(fā)熱。如果電機(jī)不超過限定發(fā)熱量，則可以安全運(yùn)行，如果發(fā)熱量超過限定值，且長時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)溫度就會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致電機(jī)性能降低，甚至?xí)龎碾姍C(jī)，因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱保護(hù)就顯得非常重要。電機(jī)發(fā)熱的原因通常是電流超過額定值引起的，啟動(dòng)時(shí)的瞬間電流過高是允許的，但持續(xù)的過流必須在限定時(shí)間內(nèi)降下來，否則就需要啟動(dòng)斷電電路來保護(hù)電機(jī)。也就是說電機(jī)熱保護(hù)的實(shí)質(zhì)是：判定電機(jī)的過流性質(zhì)。

1 電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)器的發(fā)展趨勢

反時(shí)限過流保護(hù)可以理解為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨電機(jī)電流變化而變化。其關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)：一是電機(jī)電流超過額定電流規(guī)定時(shí)間保護(hù)將被啟動(dòng);二是電機(jī)電流越大保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短。各國專家都在研究這種保護(hù)方式，最早采用常規(guī)雙金屬片熱繼電器，上世紀(jì)七、八十年代采用模擬電路設(shè)計(jì)的反時(shí)限過流保護(hù)電路，九十年代后采用功能強(qiáng)大的智能化儀器，現(xiàn)代企業(yè)是以PLC為核心的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。常規(guī)雙金屬片熱繼電器的缺點(diǎn)是不可靠、不穩(wěn)定，模擬電路設(shè)計(jì)的反時(shí)限過流保護(hù)電路是利用電容恒流充電設(shè)計(jì)的過流保護(hù)器，缺點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)繁雜、通用性較差、電子器件多，以單片機(jī)為核心的電機(jī)保護(hù)器采樣精度有了質(zhì)的飛躍，PLC為核心的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采樣精度更進(jìn)一步。

2 建立電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)的數(shù)學(xué)模型

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)發(fā)熱量和電機(jī)散熱量相等可達(dá)到熱平衡，電機(jī)連續(xù)運(yùn)行不會(huì)燒壞，保護(hù)電路不啟動(dòng)。設(shè)Ie為該電機(jī)額定電流值，在時(shí)間段t內(nèi)的額定電流發(fā)熱量為

。電機(jī)過載時(shí)，積累多余熱量(損壞電機(jī)的過載熱量臨界值)。設(shè)n為額定電流值的倍數(shù)，I為實(shí)際測量負(fù)荷電流值，有：I=nIe，在時(shí)間段t內(nèi)積累多余熱量為

，或?yàn)?/p>

。如不考慮散熱，該臨界值應(yīng)為一常量Q，于是有：

在電機(jī)過載運(yùn)行時(shí)，電流的大小不是恒定的，而是不同時(shí)刻實(shí)際電流的大小可能不同，過載電流的熱效應(yīng)隨時(shí)間累積，過載熱量對(duì)時(shí)間積分。因此式(1)可以表示為：

式(3)只適用于1.05≤n≤7時(shí)的熱效應(yīng)變化情況。實(shí)際使用中還有兩種種情況，一是當(dāng)0

計(jì)算機(jī)只能處理離散數(shù)據(jù)，而式(3)積分形式是連續(xù)曲線，因此，將式(3)進(jìn)行離散化處理整理得：

式中啟動(dòng)前熱量累加求和的次數(shù)為N。采樣時(shí)間間隔為△t，取循環(huán)中斷OB38的時(shí)長100 ms。因△t很小，假設(shè)采樣電流基本不變。當(dāng)累積熱量小于C時(shí)，清除過載閉鎖，電機(jī)重新啟動(dòng)。

程序?qū)崿F(xiàn)：根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，考慮熱量積累快慢不同，散熱速度不同，結(jié)合實(shí)際及現(xiàn)場的通風(fēng)散熱，經(jīng)反復(fù)計(jì)算和測試，調(diào)整數(shù)學(xué)模型中參數(shù)C，最終為提高電機(jī)的反時(shí)限過流保護(hù)精度，確定采用：

3 電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)方案的設(shè)計(jì)框圖

本方案的主控制器選PLC，原因是其具有易擴(kuò)展、故障率低、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

硬件主要包括主控計(jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制接觸器和模擬信號(hào)提取等部分。主控計(jì)算機(jī)由主控制器PLC(西門子公司的可編程邏輯控制器PLC)、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器構(gòu)成，控制接觸器由中間繼電器和主接觸器構(gòu)成，模擬信號(hào)提取由電流互感和變送器構(gòu)成，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由外部擴(kuò)展數(shù)字量輸出模塊DO、數(shù)字量輸入模塊DI和模擬量輸入模塊AI等構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

軟件部分采用STEP7軟件的STL語言編程。

設(shè)計(jì)思路：一是測當(dāng)前的電流值;二是根據(jù)電流過載倍數(shù)分段;三是計(jì)算出隨實(shí)時(shí)電流變化的保護(hù)時(shí)間(根據(jù)電流過載倍數(shù));四是按固定時(shí)間延時(shí)保護(hù)。

設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：這是一個(gè)時(shí)間的累積過程，只能估計(jì)熱量的變化，不能反映電機(jī)熱量的實(shí)時(shí)變化(忽略了電流上升的升溫過程)，需經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得程序流程圖如圖3。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電流恒定實(shí)驗(yàn)：設(shè)為實(shí)際恒定電流值，當(dāng)n=4.87倍時(shí)，保護(hù)時(shí)間14 s。

可見，由計(jì)算公式得出的保護(hù)時(shí)間與程序運(yùn)行時(shí)的保護(hù)時(shí)間完全吻合。

電流波動(dòng)實(shí)驗(yàn)：電流由額定值以下電流從小到大逐漸變化為7倍的額定值，持續(xù)2 s后，迅速回落為2.72倍，保護(hù)時(shí)間28s。

可見，電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)的保護(hù)時(shí)間小于計(jì)算公式算出的保護(hù)時(shí)間，電流波動(dòng)時(shí)能較好的保護(hù)，體現(xiàn)了電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)程序的積分效應(yīng)。

抗干擾實(shí)驗(yàn)：超2倍額定值時(shí)，50 s不保護(hù)，突然加以干擾時(shí)，超額定電流6倍時(shí)，電機(jī)停2 s后回到額定電流值正常工作，按時(shí)間累加立即跳閘，抗干擾實(shí)驗(yàn)成功。

5 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，從軟硬件角度提出了基于PLC的電機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)方案，核心部分是反時(shí)限過流數(shù)學(xué)模型的建立。該電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，保護(hù)電機(jī)效果很好。