三相異步電動機保護電路在停車器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與選型

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。可與接觸器、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】

[1]周小麗，陳剛.反時限過流保護在微機保護裝置中的實現(xiàn)[J].江蘇電機工程，2003（9）.

[2]黃猛.可控硅交流接觸器柜在三輥熱軋機上的應(yīng)用[J].特鋼技術(shù)，2010（4）.

[3]隋國強，董長寶.三相異步電動機保護電路在停車器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].哈爾濱鐵道科技，2020（04）.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.