淺談掘進機電動機過載保護的算法優化

王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：對于掘進機電動機的過載保護，宜采用反時限保護的思想，為在微機計算中實現該思想，引入電流—時間關系式，從而引入發熱常數K；然后根據少量已知的電動機過載保護要求，求得K值的保護限值；對K值進行累加計算，當K值超過限值時即發出電動機保護指令。現對優化后的微機算法代碼進行舉例說明，該算法相較于傳統的分段式算法更為準確，特別是對于動態過載的情況，其效果尤為明顯。

關鍵詞：電動機；過載；微機；反時限；算法

0引言

對電動機的保護應將溫度保護和熱（電流）保護兩者結合，組成溫度—電流保護，這是一種比較理想的過負荷保護方式。目前，以微機為基礎的熱（電流）保護，以其處理數據靈活、適用范圍廣等特點，得到了越來越廣泛的應用。本文主要討論以微機為基礎的懸臂式掘進機的電動機熱（電流）保護算法。

1標準算法

礦用懸臂式掘進機電控系統執行標準《懸臂式掘進機電氣控制設備》（MT/T971—2005），其中要求對掘進機電動機的過載短路保護應符合表1的規定。

表1

若按照表1所列數據執行，對于1.20倍過載保護和1.50倍過載保護，在微機上的ST語言代碼表達如下：

IFCurrent_real>(Current_rated*1.20)THEN

Mid_120:=TRUE;

ELSE

Mid_120:=FALSE;

END_IF

TON_120(IN:=Mid_120,PT:=T#1200S);

IFTON_120.QTHEN

Overload_current_120:=TRUE;

END_IF（*1.2倍過載1200s*）

IFCurrent_real>(Current_rated*1.50)THEN

Mid_150:=TRUE;

ELSE

Mid_150:=FALSE;

END_IF

TON_150(IN:=Mid_150,PT:=T#180S);

IFTON_150.QTHEN

Overload_current_150:=TRUE;

END_IF（*1.5倍過載180s*）

IFOverload_current_120OROverload_current_150THEN

Motor_stop:=TRUE;

ELSE

Motor_stop:=FALSE;

END_IF（*過載后電動機停止*）

IFResetTHEN

Overload_current_120:=FALSE;

Overload_current_150:=FALSE;

END_IF（*復位*）

備注：Current_real—實時電流；Current_rated—額定電流（整定電流）；Mid_120—1.2倍過載計算的中間變量；Overload_current_120—1.2倍過載；Motor_stop—電動機停止；Reset—復位。

對于表1所述及其在微機上的算法，有兩個問題：

（1）在1.5倍至6倍過載之間，數據缺失，沒有2倍、3倍、4倍、5倍等過載的動作時間。

（2）算法不夠合理。掘進機負載是一直變化的，電流也隨之變化，過載倍數也是一直變化的，那么過載保護的時間也應當是實時變化的，上文分段式算法無法準確反映動態過載的情況。

2算法優化

對于電流頻繁變化的電動機宜采用反時限電流保護。采用反時限電流保護方法，首先要建立電流—時間的關系式。

電動機短時過負荷時，發熱時間短，發熱量大，電動機繞組在發熱時與鐵芯間存在熱絕緣，且鐵芯質量大而發熱緩慢，所以短時過負荷狀態的電動機的發熱狀態應由繞組發熱時間常數T′決定。

額定穩態后的過載保護時間可用下式表示：

式中，t為額定穩態后的過載保護時間（s）；θ_n為額定穩態溫升（℃）；Δθ為超出θ_n的溫升（℃）；T_n′為額定穩態時的繞組發熱時間常數（s）；IZ為電流倍數，I_Z=I/I_n。

變形得：

令：

則過載電流倍數與保護時間的關系式為：

K=（I_Z2-1）t

采用反時限過流保護算法時，繞組發熱時間常數T′一般應由電動機制造商提供，但國內制造商一般都不提供此數據，我們可以根據制造商提供的其他數據或相應標準來計算。

有多種方法可以計算K值大小，我們可以根據已知的電動機過載負荷能力對K值進行計算，根據表1數據計算K值：

1.2倍過載時：

K=（1.2²-1）×1200=528

1.5倍過載時：

K=（1.5²-1）×180=225

二者取小，則K=225。

由此我們可以反推2倍、3倍、4倍、5倍等其他倍數的過載保護時間，如3倍電流過載的保護時間則為：

在變化過載電流條件下，為了在微機中實現電動機過載保護的計算，我們可以對K值進行累加計算，在微機上的ST語言代碼表達如下：

IFNum＜5THEN

Num:=Num+1;

Current_real_sum:=Current_real_sum+Current_real;

END_IF

IFNum=5THEN

Current_real_average:=Current_real_sum/Num

（*計算5個數據采集周期內的電流平均值，5可調*）Multiple_current:=(Current_real_average/Current_rated)

K1:=(Multiple_current*Multiple_current-1)*Num*Cycle;

K:=K+K1;

Num:=0;

Current_real_sum:=0;

END_IF（*計算K值*）

IFK＞225THEN

Motor_stop:=TRUE;

END_IF

IFK＜0THEN

K:=0

END_IF（*電動機停止*）

IFResetTHEN

Motor_stop:=FALSE;

END_IF（*復位*）

備注：Num—計數，初始值為0；Current_real—實時電流；Current_real_sum—實時電流求和；Current_real_average—時間元內的電流平均值；Multiple_current—電流倍數；Current_rated—額定電流；Cycle—實時電流的采集周期；K1—K值計算的中間變量；K—過載K值累加值，初始值為0。

考慮到計算量的問題，所以引入了Current_real_average—時間元內的電流平均值，如果微機計算能力允許的話，時間元應盡量取小，時間元越小則計算結果越真實準確，直接取數據采集周期Cycle的大小，此時Num取1。

3.安科瑞智能電動機保護器介紹

3.1產品介紹

智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干/擾/能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

3.2技術參數

3.2.1數字式電動機保護器

4結束語

對于掘進機電動機的過載保護，宜采用反時限保護的思想。本文引入電流—時間關系式，對關系式中的K值進行累加計算，當K值超過限值時即發出電動機保護指令，從而將該控制思想融入到了微機上的實際算法中。該算法相較于傳統的分段式算法更為準確，特別是對于動態過載的情況，其效果尤為明顯。

參考文獻

[1] 鄭蔚，溫佶強，王寧.數字式電動機過熱保護的整定計算[J].浙江電力，2007，26（4）：30-31.

[2] 朱軍帥，陳輝.掘進機電動機過載保護的算法優化

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版