基于MSP430F149電機保護算法的實現(xiàn)

目前，我國高壓電動機的保護主要有機電式和集成電路兩種，但都存在著諸多弊病，不能很好地保護電動機。其中，異步電動機的機電式保護，主要以電流增大作為判據(jù)，保護原理粗略，對斷相等嚴(yán)重不對稱故障，由于一般不出現(xiàn)顯著的電流增大，從而使保護裝置難以及時動作，造成事故擴大；集成電路式保護雖在保護原理上有所改善，但其保護特性一般無法與電動機熱曲線實現(xiàn)較好配合，常發(fā)生拒動或誤動，嚴(yán)重的甚至燒毀電動機。因此，研究電機保護算法具有重要的意義。

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(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對電動機的損壞主要是熱效應(yīng)和機械應(yīng)力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。其主要特征是三相仍基本對稱但同時出現(xiàn)過電流，故障嚴(yán)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(jù)。對于嚴(yán)重的三相短路的保護應(yīng)采用速斷跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護應(yīng)采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用及時限跳閘，反時限特性應(yīng)與電動機的溫升指數(shù)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(jù)。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(yīng)，可能造成電動機端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動及起動力矩降低等一系列問題，如果有過電流出現(xiàn)，還會使繞組發(fā)熱。這類故障的保護應(yīng)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(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)生接地性不對稱故障時，會出現(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)。這類故障應(yīng)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(yīng)關(guān)系，表1列出了這樣的對應(yīng)關(guān)系。

2　電動機保護算法的提出

保護算法是用數(shù)學(xué)運算方法實現(xiàn)故障量的測量、分析和判斷的。其基本問題是尋找適當(dāng)?shù)碾x散運算方法，使運算結(jié)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(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單片機上實現(xiàn)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(shù)，N愈大，精度愈高。

當(dāng)N＝12點數(shù)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(xiàn)一個新采樣值后就計算一次，而且應(yīng)對這一新采樣值前的N個采樣值(包括新出現(xiàn)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(shù)，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(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)進行相間短路故障的保護。當(dāng)然，他也歸屬于過流保護。這種故障會產(chǎn)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(chǎn)生的涌流也會產(chǎn)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(yán)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?！　?/p>

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(shù)字濾波算法了。

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3　硬件實現(xiàn)框圖

硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。將三相電流經(jīng)過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(shè)計成消除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作用：當(dāng)多個模擬量需要同時檢測時，檢測系統(tǒng)輸入通道中必須有一個電路，在A/D進行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器能獲得一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換數(shù)值。信號進入微控制器芯片進行綜合處理(MSP430F149內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器，無需外部再接入A/D轉(zhuǎn)換器)。輸出回路為保護裝置的執(zhí)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(shù)據(jù)、報警信息等。

4　軟件設(shè)計流程圖

首先對系統(tǒng)進行初始化，A用自檢程序?qū)AM執(zhí)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(fā)現(xiàn)錯誤則復(fù)位被置。然后，判斷電機是否上電運行，若是，則進行數(shù)據(jù)采集處理并自動檢測電機運行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)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(zhí)行相應(yīng)的跳閘環(huán)節(jié)。

5　結(jié)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(gòu)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(shù)字式綜合保護算法，采用超低功耗的單片機監(jiān)測電動機故障，具有成本低、性價比高、可靠性強、適應(yīng)性好的特點， 應(yīng)用前景廣闊。

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