孟洋
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)行電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),由于接觸器有動作觸點,當(dāng)觸點動作時會產(chǎn)生電火花,而且隨著觸點動作次數(shù)的增加,觸點接觸電阻會變大,導(dǎo)致電機供電缺相,容易造成堵轉(zhuǎn),從而可能燒壞電機。本文介紹了使用大功率晶閘管進行電動機正反轉(zhuǎn)控制和相關(guān)的故障保護,應(yīng)用ARM微控制器實現(xiàn)了晶閘管故障狀態(tài)的診斷,并分別實現(xiàn)了具有過載保護、斷相、三項不平衡等電機保護,并通過CAN總線將故障內(nèi)容傳送至上位機。
關(guān)鍵詞:機電一體化;晶閘管;斷相;電機控制;保護措施
0引言
大功率反晶閘管具有無觸點、無火花、快速開關(guān)頻率等優(yōu)點,非常適合進行電動機正反轉(zhuǎn)控制。隨著自動化程度的提高,出現(xiàn)越來越復(fù)雜的過程控制,電機工作狀態(tài)不斷惡化。對電動機的保護提出了更高的要求,停車器控制系統(tǒng)就是比較典型的。結(jié)合晶閘管優(yōu)點和電機保護的需求,設(shè)計了一種一體化的電機保護電路。
1正反轉(zhuǎn)控制及電流檢測電路
電動機保護主電路采用了五路反并聯(lián)晶閘管,控制導(dǎo)通順序,從而實現(xiàn)電動機正、反轉(zhuǎn)。電流傳感器用來測量主回路工作電流,根據(jù)停車器的三相異步電機工作功率,選擇TA1402-02M互感器。在可控硅兩端引出接線端子檢測可控硅兩端電壓。
2晶閘管擊穿和晶閘管開路檢測電路
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,電機在不啟動的情況下檢測晶閘管擊穿,電機在開啟時以及運行狀態(tài)下檢測晶閘管開路。如果發(fā)現(xiàn)故障,對于故障狀態(tài)分別設(shè)置對應(yīng)的標(biāo)記,并及時關(guān)斷晶閘管。晶閘管擊穿檢測是在電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動信號發(fā)出后延時50ms,然后進行晶閘管狀態(tài)檢測。如圖1所示,采集晶閘管兩端的電壓,檢測晶閘管的導(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 擊穿和開路檢測電路
3斷相和三項不平衡保護
在控制程序中斷相檢測以低于額定電流的1/8為電流斷相依據(jù),停車器電機額定功率為750W,額定工作電流為1.5A左右,斷相檢測在啟動信號發(fā)出50ms后開始檢測,目的是跳過接觸器的動作延時。但是在啟動電流很大的時間內(nèi)還是要進行斷相檢測,在出現(xiàn)具有斷相故障標(biāo)志信號開始后2s內(nèi)檢測到的有效斷相故障信號的次數(shù)大于總的檢測次數(shù)的75%,那么認(rèn)為斷相,發(fā)出斷相故障信號。三相不平衡檢測過程中,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開始后5s時間范圍內(nèi)檢測到有效三相不平衡的故障信號次數(shù)大于總的檢測次數(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進行處理,經(jīng)CPU 進行AD采樣后獲取主電路電流大小。
圖2 電流采集電路
4反時限過電流保護
反時限保護特性是故障電流(或稱短路電流)越大,接觸器保護的動作延時越小,更接近電機出現(xiàn)故障時的特性,用反時限進行過電流保護更有優(yōu)勢。國外廣泛使用反時限進行過電流保護,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] ,針對電機保護,采用r = 2; Q——常數(shù)[2],量綱為時間,s; T——出現(xiàn)過電流保護時間,s。使用該模型可以有效進行反時限過電流保護計算,但是由于電機運行中的電流不斷變化,不是嚴(yán)格的反時限關(guān)系,直接使用該模型,計算結(jié)構(gòu)不夠準(zhǔn)確,將該模型演變?yōu)榉e分方式更適合實際情況,演變后公式為:
(2)式中:Ik——是第K次采樣時的過電流倍數(shù); ΔT——采樣周期,s; N——累計次數(shù); Q——由用戶確定的時間常[3],s。
5軟件設(shè)計
軟件采用多任務(wù)設(shè)計方法,任務(wù)分為:外設(shè)參數(shù)采集、電流采集、電壓采集、電機正反轉(zhuǎn)輸入檢測、故障類型判斷、狀態(tài)指示。
(1)外設(shè)參數(shù)采集包括:停車器電動機功率設(shè)置、啟動時間設(shè)置、零位檢測。
(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,每路電流信號采集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4N35B光耦輸出的高電平時間確定電壓是否存在。
(4)電機正反轉(zhuǎn)輸入檢測:使用軟件濾波采集正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制信號,進行按鍵的互鎖處理,只有在一個按鍵在松開狀態(tài),另一個按鍵的輸入才有效。按鍵釋放50m后才開始檢測下一次按鍵信號。
(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、反時限過載、斷相。通過輸入信號按照故障判別原理進行多種故障分析。
(6)狀態(tài)指示:通過指示燈顯示設(shè)備運行狀態(tài),如果出現(xiàn)故障,相應(yīng)的故障指示燈會點亮。
6安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型
6.1產(chǎn)品簡介
ARD該系列低壓電動機保護器,具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護功能??膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護單元,具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。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
停車器保護控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊,保護功能完善,設(shè)計上使用反并聯(lián)可控硅進行電機正反轉(zhuǎn)控制等特點,ARM處理器主要采集可控硅的電壓和電流信號從而實現(xiàn)電機的保護,經(jīng)過實際運行檢測,停車器電機保護控制器運行穩(wěn)定可靠,各項指標(biāo)符合設(shè)計規(guī)定。
【參考文獻】
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