基于MSP430F149電機(jī)保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)

目前，我國(guó)高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)主要有機(jī)電式和集成電路兩種，但都存在著諸多弊病，不能很好地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。其中，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)電式保護(hù)，主要以電流增大作為判據(jù)，保護(hù)原理粗略，對(duì)斷相等嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)故障，由于一般不出現(xiàn)顯著的電流增大，從而使保護(hù)裝置難以及時(shí)動(dòng)作，造成事故擴(kuò)大；集成電路式保護(hù)雖在保護(hù)原理上有所改善，但其保護(hù)特性一般無(wú)法與電動(dòng)機(jī)熱曲線實(shí)現(xiàn)較好配合，常發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，嚴(yán)重的甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。因此，研究電機(jī)保護(hù)算法具有重要的意義。

1　電動(dòng)機(jī)故障分析

電動(dòng)機(jī)的故障形式可分為對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)兩類(lèi)。

對(duì)稱(chēng)故障包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類(lèi)故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞主要是熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。其主要特征是三相仍基本對(duì)稱(chēng)但同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流，故障嚴(yán)重程度基本反映在過(guò)電流的程度，因此仍然以過(guò)流程度作為這類(lèi)故障的判據(jù)。對(duì)于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)采用速斷跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)采用短時(shí)限跳閘；而對(duì)于對(duì)稱(chēng)過(guò)載應(yīng)采用及時(shí)限跳閘，反時(shí)限特性應(yīng)與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。

不對(duì)稱(chēng)故障又可進(jìn)一步分為非接地性和接地性?xún)深?lèi)。

非接地性不對(duì)稱(chēng)故障，主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運(yùn)行等。這類(lèi)故障會(huì)引起三相電流不對(duì)稱(chēng)。由于我國(guó)電動(dòng)機(jī)的中心點(diǎn)不接地，故定子電流可分解為正序和負(fù)序分量(零序分量為0)。而電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)序電流分量基本沒(méi)有，所以采用負(fù)序電流分量作為這類(lèi)故障的判據(jù)。這類(lèi)故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是負(fù)序電流引起的負(fù)序效應(yīng)，可能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，如果有過(guò)電流出現(xiàn)，還會(huì)使繞組發(fā)熱。這類(lèi)故障的保護(hù)應(yīng)采用短時(shí)限跳閘或速斷。

接地性不對(duì)稱(chēng)故障，包括單相接地短路和兩相接地短路。由于電動(dòng)機(jī)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(dǎo)致接地故障，特別是處在塵埃重或濕度大的環(huán)境下，故障率就更高。發(fā)生接地性不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零序電流分量，這是區(qū)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(jù)。這類(lèi)故障應(yīng)采用速斷或短時(shí)限跳閘加以保護(hù)。

由以上分析和實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)電流、負(fù)序和零序3個(gè)分量的不同分布組合與各故障類(lèi)型之間具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表1列出了這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2　電動(dòng)機(jī)保護(hù)算法的提出

保護(hù)算法是用數(shù)學(xué)運(yùn)算方法實(shí)現(xiàn)故障量的測(cè)量、分析和判斷的。其基本問(wèn)題是尋找適當(dāng)?shù)碾x散運(yùn)算方法，使運(yùn)算結(jié)果的精確度能滿(mǎn)足要求，而計(jì)算耗時(shí)又盡可能短。

傅氏算法假定被采樣的模擬信號(hào)是一個(gè)周期性時(shí)間函數(shù)，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(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，實(shí)際上是對(duì)離散的采樣值進(jìn)行計(jì)算。首先計(jì)算In的實(shí)部Irn和虛部Iin值(其中n＝a，b，c)：

其中：N為一個(gè)周期T中的采樣數(shù)，N愈大，精度愈高。

當(dāng)N＝12點(diǎn)數(shù)時(shí)，幅值最大誤差：ΔIm ax/Im＝3.41％　　

在單片機(jī)上作實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，須在每出現(xiàn)一個(gè)新采樣值后就計(jì)算一次，而且應(yīng)對(duì)這一新采樣值前的N個(gè)采樣值(包括新出現(xiàn)的一個(gè))同時(shí)加以運(yùn)算。在運(yùn)算時(shí)，對(duì)N個(gè)采樣值都分別乘以不同的系數(shù)，然后求和。

計(jì)算出In的實(shí)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是嚴(yán)重的故障，他不僅引起繞組絕緣損壞、鐵芯燒毀，甚至?xí)构╇娋W(wǎng)絡(luò)電壓顯著降低，破壞其他設(shè)備的正常工作。所以應(yīng)進(jìn)行相間短路故障的保護(hù)。當(dāng)然，他也歸屬于過(guò)流保護(hù)。這種故障會(huì)產(chǎn)生衰減的非周期分量(包括衰減的直流分量)，同樣，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的涌流也會(huì)產(chǎn)生這種衰減的非周期分量。盡管傅氏算法對(duì)這種衰減的非周期分量有一定的抑制作用，但試驗(yàn)證明，如果不采取措施，最嚴(yán)重的情況下，由非周期分量造成的傅氏算法的計(jì)算誤差可能超過(guò)10％，這么大的誤差對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)來(lái)說(shuō)，絕不能視而不見(jiàn)，必須進(jìn)行補(bǔ)償。最簡(jiǎn)單的辦法是，對(duì)輸入信號(hào)先施行一次減法濾波，然后再進(jìn)行傅氏計(jì)算，這樣就可削弱非周期分量，減少傅氏算法的計(jì)算誤差。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)，只需計(jì)算出基波(50Hz)的電流信號(hào)。而其他干擾信號(hào)(如各次諧波及各種噪聲)必須濾掉?！　?/p>

在A/D前用一個(gè)無(wú)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(jìn)行離散化后，采用傅氏算法。該算法本身具有較強(qiáng)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(wú)需另外采用別的數(shù)字濾波算法了。

[!--empirenews.page--]

3　硬件實(shí)現(xiàn)框圖

硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。將三相電流經(jīng)過(guò)電流電壓變換器及放大部分，轉(zhuǎn)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(wú)源低通濾波器即可，其作用是消除頻率混疊問(wèn)題，即為了滿(mǎn)足采樣定理，限制輸入信號(hào)的最高頻率，在此設(shè)計(jì)成消除7次或9次以上的諧波。然后經(jīng)采樣保持電路，采保電路起到這樣一個(gè)作用：當(dāng)多個(gè)模擬量需要同時(shí)檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)輸入通道中必須有一個(gè)電路，在A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)用來(lái)采樣并保持這一時(shí)刻的模擬信號(hào)不變，以便A /D轉(zhuǎn)換器能獲得一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換數(shù)值。信號(hào)進(jìn)入微控制器芯片進(jìn)行綜合處理(MSP430F149內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外部再接入A/D轉(zhuǎn)換器)。輸出回路為保護(hù)裝置的執(zhí)行電路，由跳閘回路、聲光報(bào)警指示電路組成，具有跳閘、報(bào)警和指示故障類(lèi)型等功能。外部總線外接擴(kuò)展SRAM，E2PROM及鍵盤(pán)顯示器專(zhuān)用接口芯片8729。通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸入整定值，而顯示單元由LCD模塊組成，可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等。

4　軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，A用自檢程序?qū)AM執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的交互式0/1測(cè)試，通過(guò)將一個(gè)AAH，55H模型66寫(xiě)入整個(gè)RAM，將求反后的RAM值寫(xiě)入 RAM并重新檢查，再清除整個(gè)RAM，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則復(fù)位被置。然后，判斷電機(jī)是否上電運(yùn)行，若是，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理并自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)電機(jī)不正常運(yùn)行，則立即識(shí)別故障類(lèi)型，進(jìn)行故障處理，并顯示出故障信息，接著執(zhí)行相應(yīng)的跳閘環(huán)節(jié)。

5　結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)高壓異步電動(dòng)機(jī)故障特征的詳細(xì)分析，將過(guò)流保護(hù)分解為過(guò)流、負(fù)序和零序保護(hù)3大類(lèi)，由此構(gòu)成的綜合保護(hù)可基本覆蓋電動(dòng)機(jī)的所有常見(jiàn)故障類(lèi)型。提出了數(shù)字式綜合保護(hù)算法，采用超低功耗的單片機(jī)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)故障，具有成本低、性?xún)r(jià)比高、可靠性強(qiáng)、適應(yīng)性好的特點(diǎn)， 應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)
［1］胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.
［2］沈標(biāo)正.電機(jī)故障診斷技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.