2018年03月20日 | 基于MSP430F149电机保护算法研究

    目前，我国高压电动机的保护主要有机电式和集成电路两种，但都存在着诸多弊病，不能很好地保护电动机。其中，异步电动机的机电式保护，主要以电流增大作为判据，保护原理粗略，对断相等严重不对称故障，由于一般不出现显著的电流增大，从而使保护装置难以及时动作，造成事故扩大；集成电路式保护虽在保护原理上有所改善，但其保护特性一般无法与电动机热曲线实现较好配合，常发生拒动或误动，严重的甚至烧毁电动机。因此，研究电机保护算法具有重要的意义。

    1　电动机故障分析

    电动机的故障形式可分为对称和不对称两类。

    对称故障包括过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损坏主要是热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。其主要特征是三相仍基本对称但同时出现过电流，故障严重程度基本反映在过电流的程度，因此仍然以过流程度作为这类故障的判据。对于严重的三相短路的保护应采用速断跳闸；堵转故障的保护应采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用及时限跳闸，反时限特性应与电动机的温升指数特性相配合。

    不对称故障又可进一步分为非接地性和接地性两类。

    非接地性不对称故障，主要包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行等。这类故障会引起三相电流不对称。由于我国电动机的中心点不接地，故定子电流可分解为正序和负序分量(零序分量为0)。而电动机在正常运行时负序电流分量基本没有，所以采用负序电流分量作为这类故障的判据。这类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，可能造成电动机端部发热、转子振动及起动力矩降低等一系列问题，如果有过电流出现，还会使绕组发热。这类故障的保护应采用短时限跳闸或速断。

    接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路。由于电动机外壳必须安全接地，因此绕组端部碰壳、绝缘破坏等都可能导致接地故障，特别是处在尘埃重或湿度大的环境下，故障率就更高。发生接地性不对称故障时，会出现零序电流分量，这是区别其他任何非接地性故障的根本特征，可作为接地性故障的主要判据。这类故障应采用速断或短时限跳闸加以保护。

    由以上分析和实验表明，过电流、负序和零序3个分量的不同分布组合与各故障类型之间具有很好的对应关系，表1列出了这样的对应关系。

    2　电动机保护算法的提出

    保护算法是用数学运算方法实现故障量的测量、分析和判断的。其基本问题是寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精确度能满足要求，而计算耗时又尽可能短。

    傅氏算法假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外，还含有不衰减的直流分量和各次谐波。这种算法在DSP单片机上实现时，实际上是对离散的采样值进行计算。首先计算In的实部Irn和虚部Iin值(其中n＝a，b，c)：

    其中：N为一个周期T中的采样数，N愈大，精度愈高。

    当N＝12点数时，幅值最大误差：ΔIm ax/Im＝3.41％　　

    在单片机上作实时计算时，须在每出现一个新采样值后就计算一次，而且应对这一新采样值前的N个采样值(包括新出现的一个)同时加以运算。在运算时，对N个采样值都分别乘以不同的系数，然后求和。

    计算出In的实部Irn和虚部Iin后，就可求得幅值In和相 位角θ为：

    这样就可求得任意次谐波的振幅和相位。

    定子绕组的相间短路对异步电动机来说是严重的故障，他不仅引起绕组绝缘损坏、铁芯烧毁，甚至会使供电网络电压显著降低，破坏其他设备的正常工作。所以应进行相间短路故障的保护。当然，他也归属于过流保护。这种故障会产生衰减的非周期分量(包括衰减的直流分量)，同样，电动机启动时产生的涌流也会产生这种衰减的非周期分量。尽管傅氏算法对这种衰减的非周期分量有一定的抑制作用，但试验证明，如果不采取措施，最严重的情况下，由非周期分量造成的傅氏算法的计算误差可能超过10％，这么大的误差对电动机保护来说，绝不能视而不见，必须进行补偿。最简单的办法是，对输入信号先施行一次减法滤波，然后再进行傅氏计算，这样就可削弱非周期分量，减少傅氏算法的计算误差。 

对于电动机保护，只需计算出基波(50Hz)的电流信号。而其他干扰信号(如各次谐波及各种噪声)必须滤掉。　　

    在A/D前用一个无源的ALF(模拟低通滤波器)滤掉9次以上的高次谐波。在用A/D或VFC进行离散化后，采用傅氏算法。该算法本身具有较强的滤波作用 (可以滤去各次谐波)，如果在傅氏算法前再用减法滤波，滤去衰减的非周期分量，就无需另外采用别的数字滤波算法了。

    3　硬件实现框图

    硬件实现框图如图1所示。将三相电流经过电流电压变换器及放大部分，转化为合适电平，然后由模拟低通滤波器(ALF)滤去高频分量。ALF选用无源低通滤波器即可，其作用是消除频率混叠问题，即为了满足采样定理，限制输入信号的最高频率，在此设计成消除7次或9次以上的谐波。然后经采样保持电路，采保电路起到这样一个作用：当多个模拟量需要同时检测时，检测系统输入通道中必须有一个电路，在A/D进行转换时用来采样并保持这一时刻的模拟信号不变，以便A /D转换器能获得一个稳定的转换数值。信号进入微控制器芯片进行综合处理(MSP430F149内置12位A/D转换器，无需外部再接入A/D转换器)。输出回路为保护装置的执行电路，由跳闸回路、声光报警指示电路组成，具有跳闸、报警和指示故障类型等功能。外部总线外接扩展SRAM，E2PROM及键盘显示器专用接口芯片8729。通过键盘来输入整定值，而显示单元由LCD模块组成，可以显示实时数据、报警信息等。

    4　软件设计流程图

    首先对系统进行初始化，A用自检程序对RAM执行一个简单的交互式0/1测试，通过将一个AAH，55H模型66写入整个RAM，将求反后的RAM值写入 RAM并重新检查，再清除整个RAM，若发现错误则复位被置。然后，判断电机是否上电运行，若是，则进行数据采集处理并自动检测电机运行状态。若发现电机不正常运行，则立即识别故障类型，进行故障处理，并显示出故障信息，接着执行相应的跳闸环节。

    5　结语

    基于对高压异步电动机故障特征的详细分析，将过流保护分解为过流、负序和零序保护3大类，由此构成的综合保护可基本覆盖电动机的所有常见故障类型。提出了数字式综合保护算法，采用超低功耗的单片机监测电动机故障，具有成本低、性价比高、可靠性强、适应性好的特点， 应用前景广阔。

    参考文献
［1］胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.
［2］沈标正.电机故障诊断技术［M］.北京：机械工业出版社，2001.