一種三相異步電動機保護控制器的研制

宋國清,何元慶,李躍剛,李彥武（.齊齊哈爾高等師范專科學校； .黑龍江交通職業技術學院,黑龍江 齊齊哈爾 6000）

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一種三相異步電動機保護控制器的研制

宋國清1,何元慶1,李躍剛1,李彥武2
（1.齊齊哈爾高等師范專科學校； 2.黑龍江交通職業技術學院,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

摘 要：介紹了使用大功率晶閘管進行電動機正反轉控制和相關的故障保護，采用AVR 微控制器實現了晶閘管故障狀態的診斷，可以選擇控制多種功率電機，并分別實現了具有反時限的過載保護，斷相、三項不平衡等保護。

關鍵詞：晶閘管；電機保護控制器；單片機

大功率反并聯晶閘管具有無觸點、無火花、快速開關頻率等優點，非常適合進行電動機正反轉控制。三相異步電動機具有結構簡單、價格低廉、運行維護方便等優點在工業中廣泛存在。隨著自動化程度的提高，出現越來越復雜的過程控制，電機工作狀態不斷惡化。對電動機的保護提出了更高的要求，智能化的電機保護不斷涌現［1］。結合晶閘管優點和電機保護的需求，設計了一種一體化的電機保護控制器。

1 主電路

電動機保護控制器主電路采用了五路反并聯晶閘管，控制導通電動正、反轉。電流傳感器采集主回路工作電流，根據預先設置的電機功率選擇不同變比的互感器。可控硅兩端引出接線端子檢測可控硅兩端電壓。

2 可控硅硅擊穿和硅開路

將可控硅硅故障分成兩種分別是硅開路和硅擊穿，電機在不啟動的情況下檢測硅擊穿，電機在開啟時以及旋轉狀態下檢測硅開路。如果發現故障出現，對于故障狀態分別設置對應的標記，并及時關斷可控硅、接通故障輸出繼電器電源。對外輸出故障信號。可控硅硅擊穿檢測是在電機正轉或反轉啟動信號發出后延時100ms（在此期間等待繼電器、按鍵等器件完成機械動作），然后進行硅狀態檢測。應用下圖1采集可控硅兩端的電壓，檢測可控硅的導通狀態，根據五路反并聯可控硅導通狀態和實際狀態的異同，判斷是硅擊穿還是硅開路。

3 斷相和三項不平衡保護

進行三相不平衡和斷相故障檢測，在程序中斷相檢測以低于額定電流的1/8為電流斷相依據，因此要確定電動機的設定功率，才可以確定額定電流的1/8。在這里這設置了0-8 共九個額定功率的電機供選擇。斷相檢測在有效啟動信號發出100ms，才開始檢測，目的是跳過繼電器的動作延時。但是在啟動電流很大的時間內還是要進行斷相檢測，在出現具有斷相故障標志信號開始后2s中內檢測到的有效斷相故障信號的的次數大于了總的檢測次數的75%，那么認為斷相。發出斷相故障信號。三相不平衡檢測過程中，找到主回路三相電流的最大值和最小值，如果最大值大于了最小值的兩倍那么就有三相不平衡發生。在發現具有三項不平衡信號開始后5s時間范圍內檢測到有效三相不平衡的故障信號次數大于了總的檢測次數的75%，就認為是三相不平衡發生。下面的電路圖2采集主電路中電流互感器輸出的電流經電阻轉換成的正弦電壓信號進行處理，經CPU 進行AD采樣后獲取主電路電流大小。

4 反時限過電流保護

反時限保護特性更接近合電機出現故障時的特性， 用反時限進行過電流保護更有優勢。國外廣泛使用反時限進行過電流保護，并較早建立了數學模型。

I是過電流倍數，以額定電流為基準；r 是常數，取值在范圍有三種［3］，針對電機保護，采用r=2；Q 是常數，量綱為時間；T為出現過電流保護時間。

使用該模型可以有效進行反時限過電流保護，但是由于電機運行中的電流不斷變化，不是嚴格的反時限關系，直接使用該模型，計算結構不夠準確，將該模型演變為積分方式更適合實際情況，演變后公式為：

Ik：是第K次采樣時的過電流倍數；ΔT：是采樣周期；N是累計次數；用戶確定Q值

計算程序計算結果超過臨界值保護動作。

5 系統軟件設計

系統軟件采用多任務設計方法，任務分為：系統時鐘設置、外設參數采集、電流采集、電壓采集、電機正反轉輸入檢測、故障類型判斷、狀態指示。（1）外設參數采集包括：電動機功率設置、啟動時間設置、零位檢測；（2）系統時鐘設置：在定時器中設置為1ms中斷作為軟件運行的時鐘節拍；（3）電流采集：通過AVR微處理器內部自帶AD轉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，濾波效果良好；（4）電壓采集：采集可控硅兩端的電壓，采用統計4N35B光耦輸出的高電平時間確定電壓是否存在；（5）電機正反轉輸入檢測：使用軟件濾波采集轉反轉控制信號，進行按鍵的互鎖處理，只有在一個按鍵在松開狀態，另一個按鍵的輸入采有效。按鍵釋放60m后才開始檢測下一次按鍵信號；（6）故障類型判斷： 故障類型包括三相不平衡、硅擊穿、硅開路、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；（7）狀態指示：通過指示燈顯示設備運行狀態，如果出現故障，輸出故障類型。

6 總結

保護控制器具有結構緊湊，保護功能完善，設計上使用反并聯可控硅進行電機正反轉控制，AVR微處理器采集電壓電流信號實現電機的保護，經過近一年的工廠實際運行，保護控制器運行穩定可靠，各項指標符合設計規定，可以進一步推廣。

參考文獻：

［1］崔陸軍,陳幼平.基于ATmegal16L單片機的智能型電機保護器的設計［J］.儀表技術與傳感器,2009（12）.

［2］黃猛.可控硅交流接觸器柜在三輥熱軋機上的應用［J］.特鋼技術,2010（04）.

［3］周小麗,陳剛.反時限過流保護在微機保護裝置中的實現［J］.江蘇電機工程,2003（09）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.159

基金項目：黑龍江省教育廳高職高專院校科學技術研究項目

作者簡介：宋國清（1979-），男,河北石家莊人，碩士，講師，主要從事電力電子及電力傳動方面研究。