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郭浩1 李紅軍2 陸偉青3
(1. 郭浩,安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801)
(2. 李紅軍,北方特種能源集團(tuán)西安慶華 西安 710025)
(3. 陸偉青,安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801)
摘要:采用Freescale公司Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256芯片,設(shè)計了一款高性能的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器,并對該保護(hù)器的硬件和軟件設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。該保護(hù)器集眾多保護(hù)功能于一體,提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性,減少了因電動機(jī)運(yùn)行故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。
關(guān)鍵字:智能電動機(jī)保護(hù)器、MCF51EM256、ARD2L、保護(hù)時間
0 引言
現(xiàn)代工礦企業(yè)中,以電動機(jī)作為動力的比例占全部動力的90%以上,它們已是當(dāng)今生產(chǎn)活動和日常生活中主要的原動力和驅(qū)動裝置[1,2],為此檢測與保護(hù)電動機(jī)的正常運(yùn)行有著非常重要的意義。保護(hù)器經(jīng)歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機(jī)保護(hù)器,后發(fā)展到數(shù)字電子式電機(jī)保護(hù)器即當(dāng)今的智能電機(jī)保護(hù)器。本文設(shè)計了一款針對電動機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等情況進(jìn)行保護(hù)的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱ARD2L),可有效提高電動機(jī)運(yùn)行的安全性,降低生產(chǎn)損失,是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品[3]。
1 硬件設(shè)計
ARD2L的硬件電路包括主控芯片MCU,頻率信號、電流信號、零序電流信號采集電路,開關(guān)量輸入模塊,繼電器輸出模塊,變送輸出模塊,RS-485通訊接口,人機(jī)交互單元(狀態(tài)指示燈、數(shù)碼管/液晶顯示),硬件電路框圖如圖1所示。
圖 1 ARD2L硬件電路框圖
1.1 主控芯片
MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256,時鐘頻率高可達(dá)50.33MHz,內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個獨(dú)立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內(nèi)置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源,具有*的性價比。
1.2 電源
電源是設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分,ARD2L采用安科瑞的通用開關(guān)電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V~265V,輸入頻率45Hz~60Hz,具有多路隔離電壓輸出,滿足多種功能對不同供電電壓的要求。其輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,輸出紋波 <1%;電源輸入部分設(shè)計加入壓熱敏電阻、TVS管、防反接二極管等器件,對過壓、過流等有一定的保護(hù)作用,同時能使產(chǎn)品通過嚴(yán)酷的EMC測試。該模塊經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際使用,具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗力[4]。
1.3 信號采集電路
信號采集電路負(fù)責(zé)采集電流信號、頻率信號和零序電流信號。其中,電流信號采用互感器隔離輸入,將交流信號抬高后送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算,電流采樣電路如圖2所示。以A相6.3A規(guī)格為例,采用的電流互感器變比為100A:20mA,5P10保護(hù)型。該方案電流測量在1.2倍范圍內(nèi)達(dá)到0.5S精度,在8倍范圍內(nèi)滿足5S精度,而其過載能力按8倍計算,即給互感器加上50.4A電流,通過取樣電阻R1的電流為10.08mA,兩端電壓為0.886V。同時,給采樣信號抬高電壓UREF=1.2V,使交流信號的幅值大于零,便于A/D采樣;在電路的輸出端加入限壓二極管,使輸入電壓限制在3.3V以下,能對A/D采樣通道起到很好的保護(hù)作用。
圖2 電流采樣電路圖
頻率采樣電路如圖3所示。該電路采用MCP6002雙運(yùn)放進(jìn)行兩級放大,初級放大倍數(shù)較小,且在初級與次級之間進(jìn)行濾波處理,次級運(yùn)放將交流信號整形為方波信號,通過邊沿觸發(fā)方式捕捉,然后在CPU內(nèi)部計算測量頻率。
圖3 頻率采樣電路圖
1.4人機(jī)交互界面
人機(jī)交互界面的顯示采用數(shù)碼管或液晶兩,用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇顯示方式,輸入采用按鍵方式。其中,數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式,其驅(qū)動電路采用74HC595和三極管構(gòu)成;液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點(diǎn)陣中文液晶,其數(shù)據(jù)傳輸采用SPI串口,可極大地節(jié)省CPU資源。同時,LED和LCD顯示采用同一個SPI接口控制,使得兩種顯示方式可以通用。
1.5 控制模塊
控制模塊主要由開關(guān)量輸入、輸出組成,如圖4所示。其中,開關(guān)量輸入用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關(guān)狀態(tài)和采集現(xiàn)場的工業(yè)聯(lián)鎖狀態(tài),也可根據(jù)客戶要求用于電動機(jī)的起停控制;開關(guān)量輸出主要用于輸出脫扣信號、報警信號和遠(yuǎn)程起/停信號。
圖4 開關(guān)量輸入輸出電路
1.6 通訊/變送模塊
通訊模塊采用RS-485模塊Modbus RTU通訊規(guī)約,能實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。而變送是將我們需要的電流信號轉(zhuǎn)換為DC 4~20mA模擬量輸出,方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2 軟件設(shè)計
ARD2L的軟件設(shè)計主要采用嵌入式C語言,其中保護(hù)器軟件設(shè)計包括每次上電系統(tǒng)配置的初始化,按鍵寄存器復(fù)位,判斷顯示單元是數(shù)碼還是液晶,繼電器置位初始狀態(tài),A/D采樣初始化以及電參量的計算與保護(hù)等。軟件的主函數(shù)如下:
void main(void)
{
DisableInterrupts;
MCU_initi(); //CPU初始化
if(_RES==0) //判斷是數(shù)碼管或液晶顯示
led_or_lcd=0;
else
{
led_or_lcd=1;
PTBDD_PTBDD2=1;
PTDDD_PTDDD4=1;
lcd_init2();
}
recover_FIRSTFLAG(); //恢復(fù)內(nèi)存校表數(shù)據(jù)
if(FIRSTFLAG!=0x1234)
else recover_byte();
initi_uart2();
relay_all_initi(); //繼電器至位初始狀態(tài)
EnableInterrupts //啟動中斷
Vref_init();
sampling_init(); //AD采樣初始化
for(;;)
{
__RESET_WATCHDOG();
if(over_flag==1) //計算及保護(hù)
{
over_flag=0;
measure_ABC();
protect();
sent(); // 變送輸出
}
measure_frequency_a(); // 測頻
rtc_time_deal();
warning_deal();
trouble_deal();
program1(); // 繼電器可編程處理
event_deal();
getkey();
DI_read();
reset(); // 復(fù)位
lamp_deal();
stat(); // 統(tǒng)計總運(yùn)行時間、停車時間
display(); // 測量數(shù)據(jù)和保護(hù)事件顯示
}
}
ARD2L的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護(hù)處理程序、各種通訊協(xié)議處理程序等,部分程序流程如圖5。
圖 5 主程序流程圖(部分)
3 測試結(jié)果與精度驗(yàn)證
3.1電流準(zhǔn)確度測試結(jié)果
電流準(zhǔn)確度測試源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采樣變送器,其中對基波的測試是通過加40%畸變率的3次諧波進(jìn)行的。表1測試了6.3A規(guī)格的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器三相電流的有效值與基波值,由表中數(shù)據(jù)可看出,ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器在10%~120%Ie測量范圍內(nèi)的精度滿足0.5級,Ie為電機(jī)額定功率[5]。
表1 ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器三相電流測試結(jié)果
指標(biāo) | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 6.3A規(guī)格 | |||||
A相 | B相 | C相 | |||||
有效值 | 基波 | 有效值 | 基波 | 有效值 | 基波 | ||
電流 | 0.63 | 0.62 | 0.59 | 0.64 | 0.59 | 0.62 | 0.58 |
6.3 | 6.29 | 5.91 | 6.31 | 5.92 | 6.29 | 5.89 | |
7.56 | 7.54 | 7.05 | 7.55 | 7.06 | 7.54 | 7.03 |
3.2保護(hù)時間測試結(jié)果
ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等保護(hù)功能,根據(jù)JB/T 10736-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了保護(hù)時間測試,見表2。
表2 ARD2L保護(hù)時間測試結(jié)果
起動超時:
脫扣延時(S) | 0.1 | 10.0 | 999.9 |
*次 | 0.110 | 9.950 | 993.882 |
次 | 0.117 | 9.965 | 993.859 |
三次 | 0.119 | 9.961 | 993.872 |
阻塞保護(hù):脫扣域值(250%)
脫扣延時(S) | 0.1 | 5.0 | 600.0 |
*次 | 0.122 | 5.031 | 596.455 |
次 | 0.128 | 5.037 | 596.458 |
三次 | 0.134 | 5.043 | 596.431 |
欠載保護(hù):脫扣域值(50%)
脫扣延時(S) | 0.1 | 5.0 | 600.0 |
*次 | 0.130 | 5.012 | 596.401 |
次 | 0.134 | 4.996 | 5.96.393 |
三次 | 0.129 | 5.015 | 596.349 |
不平衡保護(hù):脫扣域值(30%)
脫扣延時(S) | 0.1 | 5.0 | 600.0 |
*次 | 0.126 | 5.003 | 596.400 |
次 | 0.131 | 5.009 | 596.362 |
三次 | 0.121 | 5.007 | 596.354 |
接地/漏電保護(hù):脫扣域值(80%或30mA)
脫扣延時(S) | 0.1 | 0.5 | 600.0 |
*次 | 0.117 | 0.519 | 596.444 |
次 | 0.124 | 0.528 | 596.432 |
三次 | 0.135 | 0.517 | 596.416 |
短路保護(hù):脫扣域值(500%)
脫扣延時(S) | 0.1 | 10.0 | 600.0 |
*次 | 0.135 | 9.973 | 596.564 |
次 | 0.133 | 9.969 | 596.472 |
三次 | 0.136 | 9.967 | 596.526 |
斷相保護(hù):
脫扣延時(S) | 0.1 | 1.0 | 600.0 |
*次 | 0.124 | 1.036 | 596.456 |
次 | 0.138 | 1.033 | 596.382 |
三次 | 0.132 | 1.035 | 596.179 |
外部故障:
脫扣延時(S) | 0.1 | 5.0 | 600.0 |
*次 | 0.126 | 4.976 | 595.711 |
次 | 0.112 | 4.989 | 595.801 |
三次 | 0.124 | 4.988 | 595.836 |
由表2可知,該保護(hù)器滿足脫扣延時保護(hù)時間誤差為±10%或100mS的精度要求[6]。
4 典型應(yīng)用
采用直接起動模式的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器接線如圖6所示。其中,電機(jī)的起停是通過現(xiàn)場按鈕來控制的(保護(hù)器本身不控制電機(jī)起停),接觸器KM的吸引線圈串進(jìn)脫扣繼電器的常閉觸點(diǎn)。通電后,按下起動按鈕SF 時,KM吸引線圈得電,使KM主觸頭閉合,電動機(jī)開始工作;按下停車按鈕SS時,KM吸引線圈失電,使KM主觸點(diǎn)釋放,電機(jī)停止工作。遠(yuǎn)程起動要由上位機(jī)來控制,保護(hù)器本身不控制。
圖6 ARD2L電機(jī)保護(hù)器直接起動模式接線圖
5 結(jié)束語
本文采用EM256設(shè)計了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器,并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹,通過軟件主函數(shù)和流程圖分析了保護(hù)器運(yùn)行過程。電流準(zhǔn)確度與保護(hù)時間的測試結(jié)果表明,該保護(hù)器具有異的測量與保護(hù)功能。
文章來源:《電工技術(shù)》2014年 3期
參考文獻(xiàn):
[1] 馬新軍,電機(jī)保護(hù)器設(shè)計,碩士學(xué)位論文,東北大學(xué),2005.
[2] 丁金磊,基于ARM的電動機(jī)綜合保護(hù)器裝置設(shè)計,碩士學(xué)位論文,2008.
[3] 安科瑞電氣股份有限公司,ARD2智能電動機(jī)保護(hù)器選型手冊,2013.
[4] 任志程,周中,電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,電力出版社,2007.
[5] ARD3系列智能電動機(jī)保護(hù)器,上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),Q/TDEI 27-2011
[6] JB/T 10736-2007 低壓電動機(jī)保護(hù)器.