基于单片机的矿用电动机相敏保护的实现.pdf

第1 期 2 0 0 6 年2 月 工矿自动化 l n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n F e b ．2 0 0 6 文章编号1 6 7 12 5 1 X 2 0 0 6 0 1 0 0 2 7 0 3 基于单片机的矿用电动机相敏保护的实现 王宾，祝龙记 安徽理工大学电气系，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要大功率电动机启动时电流较大，传统的保护策略无法区分是短路电流还是正常启动电流，易产生 误动。文章介绍了一种高性能的电动机启动保护策略相敏保护，及其基于凌阳S P C E 0 6 1 A 单片机芯片 的实现过程。 关键词煤矿；电动机；短路电流；相敏保护；单片机；S P C E 0 6 1 A 中图分类号T D 6 1 4文献标识码B I m p l e m e n t a t i o no fP h a s e ．s e n s i t i v eP r o t e c t i o no fM i n e ．u s e dM o t o r B a s e do nS i n g l e c h i pM i c r o c o m p u t e r w A N GB i n ．Z H UL o n gj i E l e c t r i c a lD e p t ．o fA n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t W h e nah i g h p o w e re l e c t r i cm o t o ri ss t a r t i n g ，t h ec u r r e n ti sh e a v ya n dt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o ns t r a t e g yc a f f td i s t i n g u i s hi fi ti sas h o r t c i r c u i tc u r r e n to rt h en o r m a ls t a r t i n gc u r r e n t ，S Ot h es y s t e mi s t e n dt om a k ew r o n g ．T h ep a p e ri n t r o d u c e dak i n do fh i g hp e r f o r m a n c ep r o t e c t i o ns t r a t e g ya b o u te l e c t r i c m o t o rs t a r t i n g - - p h a s e s e n s i t i v ep r p t e c t i o na n dt h er e a l i z e dp r o c e s sa c c o r d i n gt oS P C E 0 6 1 Ac h i p ． K e yw o r d s c o a lm i n e ，m o t o r ，s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，p h a s es e n s i t i v ep r o t e c t i o n ，s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，S P C E 0 6 1A 0 引言 在煤矿供电中，由于井下电气设备所处的环境 恶劣、设备易受潮、绝缘自然老化、机械损伤及过电 压击穿、人为的误操作等原因，极易引起供电线路及 设备缺相或短路，如不及时切除故障线路或设备，往 往造成严重事故，因此，在出现短路及断相事故时， 收稿F I 期2 0 0 5 1 0 13 作者简介王宾 1 97 9 ，男，硕士研究生，毕业于台肥丁业大 学自动化专业，现任安徽理工大学教师，主要从事电力电子占乏其传动 方面的研究工作。 应立即切除故障线路及设备，以防事故蔓延。目前， 这种故障状态的保护是靠过流保护来实现的，其过 流保护动作值是按躲过最大容量电动机的启动电流 及其它同时运行设备额定电流之和为依据整定的。 该种整定方式在供电线路短路电流较大时，较容易 满足过电流保护灵敏度及电动机启动电流的要求。 但目前使用的电动机，其启动电流很大 可达额定电 流的6 ～1 0 倍 ，与线路发生短路故障时的电流相接 近，因而使短路时电流值的整定发生困难，有的保护 装置将短路电流的整定值设定为电动机额定电流的 1 0 倍以躲开启动电流，这样当启动电流较大时，不 ，- ●●，- ，，●，’， ，，●，- ，● ●，●，，●l l ，l ，，●，，，，●●●，’，，●，’，，’，，l l ， ， ，l l ，■，，，，，，，，●● l ，， l l ’，l ，，，，，’，，l ，’ 2 从串口采集过来的数据不一定都是有效数 据，有些数据可能并不是所需要的，要能对从采集端 口 串口 采集来的数据进行识别，提取有效信息。 5 结语 所述网关已应用于某煤矿监控系统的接入网关 中，经现场试用，接入效果良好。 参考文献 [ I ] C MK r i s h n a ，K a n g GS h i n ．实时系统[ M 北京清华 大学出版社，2 0 0 1 ． E 2 3 范逸之．陈立元．V i s u a lB a s i c 与R s 一2 3 2 串行通信控 制C M 3 ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ] 李广军，干厚军．实用接口技术[ M ] ．北京电子科技大 学出版社，1 9 9 9 ． 万方数据 2 8 工矿自动化2 0 0 6 年2 月 能分辨出是发生了三相短路还是电动机正常启动， 容易发生误动作。也有些保护装置利用延时几秒钟 的方法，以躲开正常启动过程，但当启动过程中正好 发生短路故障时，也无法对故障线路进行保护。为 此利用单片机控制的相敏保护装置，克服了上述保 护装置的缺点，达到了很好的保护目的。这种相敏 过流装置在煤矿井下供电的综合保护中具有广阔的 前景，它较模拟电子电路组成的保护器及其它的相 敏保护装置在准确性、可靠性等方面有显著的优点。 1 凌阳单片机 S P C E 0 6 1 A 是继“7 n S P ⋯系列产品S P C E 5 0 0 A 等之后凌阳科技推出的又一款1 6 位结构微控制器。 与S P C E 5 0 0 A 不同的是，考虑到用户的需求不是很 高以及便于程序调试等功能，S P C E 0 6 1 A 里只内嵌 3 2K 的闲存。较高的处理速度使p n S P “能够非常 容易地、快速地处理复杂的数字信号，其内部集成了 A D C 与D A C ，并且提供多种精确时钟频率，便于精 确定时。 2 相敏保护基本原理 由于井下负载均为感性负载，在大型电动机启 动时，功率因数比较低。而在对称短路故障下，功率 因数则很高，所以，采用基于功率因数检测的相敏保 护原理不但可提高对称短路保护的灵敏度，而且还 能保证其动作的可靠性。 如图1 所示，电动机在正常启动时 因电动机为 感性负载，故其电流波形 b 应滞后电网电流波形 i - 一定角度口；如果产生了短路故障，相当于电网 带的是阻性负载，则二者波形应无相位差．或相位角 口很小，所以．可以根据启动时的功率因数C O S 口来 确定电动机启动时是否有故障。预设一个整定值 C ，当计算得到的C O S 口 c ，表明可能有故障产生，再 配合传统的鉴幅式方法复合保护。那么如何计算得 到C O S8 7 如图l 所示，面积s ． S 。 相当于把负面积s 、 翻到正半周 就是i 在0 ～”的积分 卜一一 s 2 S ] 一l √2 ／s i n 刨t d 甜t 2 √2 f ＆一s - 一j 。届s i n m } 一口 d 。f 一2 届c 。s 口 式中I 为i 。的有效值。 显然，软件设计时，只需计算出面积S - 和S 。， 则C O S0 - S 。一S ， ／ S ， S 。 ，再根据计算得到的 C O S0 值判断，即可知是否故障．并作出相应的响应。 』1 风低 嫂i 姒’ 图1 电动机启动电流波形与电网电流波形 但是，仅靠功率因数也可能造成系统误动作，所 以需要传统的鉴幅式检测配合保护。设电流有效值 为L ，平均值为I 。，，共采样2 0 0 个点，则测得的I 。。 一 S ， S ／2 0 0 ，即可由J 。，求得，。 1 ．1 l J ⋯于 是可计算得J 。与电动机额定电流比值” j 。／1 。 J 。 为额定电流 。当功率因数大于整定值、并且n 也大 于整定值时．进行保护。 3 硬件设计 如图2 所示，电流传感器输出的电动机电流信 号经电阻R 。转换为电压信号，O A l 为电压跟随器， 为防止后续电路对R ，两侧电压产生影响，尺，的取 值应使两端交流电压幅值不超过5V ；O A 2 为加法 器，其输出端电压U ．。一一 5 U ， V 负号表示反向 输出 。由于凌阳单片机的A D 输入电压范围为 0 ～3 ．3V ，所以u 。不能直接进人单片机，必须再次 反向为正电压，且要缩小3 ／10 倍 取基准电压为 1 ．5V ，则1 ．5 ／5 3 ／1 0 ，所以，需再接一个反相比 例单元才可进入单片机采样。u ．。与u 。的电压等级 及波形比较如图3 所示。由于需要从电网电压过零 点时刻起开始采样，所以需要向单片机输入一个同 步信号电网电压经电压传感器变压后通过光耦，电 压在负半周时，光耦关断。连接在l O B 3 管脚 外部 中断下降沿触发 的外部信号 E X T 2 被上拉电阻 拉为高电平；在正半周时，光耦导通，E X T 2 被拉为 低电平，会引起外部中断事件，开启定时采样。 图2 系统硬件图 电流传感器 万方数据 2 0 0 6 年第1 期王宾等基于单片机的矿用电动机相敏保护的实现 2 9 图3U ．。与u 。的电压等级及波形比较 4 软件设计 1 E X T 2 中断模块 由图2 知，当电网电压过零点处在正半周期时， 将使光耦导通，向S P C E 0 6 1 A 单片机发出外部中断 E X T 2 信号，进人中断服务程序。在服务程序中，应 启动采样 对半个周期的电流采样 ，并且置T i m e r A 的初值 5 0 “s ，半周期1 0m s ，需采样2 0 0 次 ，打开 定时中断，以使单片机可以响应该定时中断，最后须 清E X T 2 中断标志，否则单片机会一直响应它。程 序流程图如图4 所示。 图4E X T 2 中断流程图 2 定时中断模块 在E X T 2 中断中开T i m e r A 中断后，每5 0 “s 将引起- 次定时中断进行电流采样。采样后需累加 于s u m 即S 。一S 1 和a s u m 即S 2 S 。 单元，因为 设计时将基准电压由0V 提高到了1 ．5V ，所以累 加时需先减去基准电压对应的采样数字量B A S E 。 需给定时模块设一个变量来对定时次数记数．若该 变量等于2 0 0 ，说明正半周期已全部采样累加结束， 关闭定时中断 负半周不需再采样 ，并置一个采样 结束标志，以便主程序识别处理。最后清定时中断 标志，程序流程如图5 所示。 3 主程序 首先进行必要的初始化 如设置1 0 A 、1 0 B 口， 设置E X T 2 中断，清s u m 、a s u m 单元等 ，接着需判 断2 0 0 次采样是否结束，没有结束，则需要等待喂狗 S P C E 0 6 1 A 单片机的看门狗是无法关闭的，必须在 0 ．7 5s 内及时喂狗，否则会使系统复位 } 若结束，需 计算C O S0 、电流有效值J 。，并判断，。／，。是否大于整 定值c 。 f 。为电动机额定电流 和C O S0 是否大于整 定值c 。，是的话，说明电动机出现了故障，须报警，并 及时让电动机断电。处理结束后需清2 0 0 次采样结 束标志，并喂狗。程序流程图如图6 所示。 图5T i m e r A 定时中断流程图图6主程序流程图 5 结语 相敏保护是基于单片机控制的高性能控制方 案，并配合了传统鉴幅式保护，提高r 系统的稳定性 和可靠性．为矿用大电动机的保护提供了技术支持。 开拓了广阔前景。凌阳16 位单片机具有速度快、集 成度高、具语音处理，并支持c 语言编程，极大地满 足了一般工程及报警等设备的要求，测试中也达到 了理想的效果。 参考文献 [ 1 ] 胡伟，季晓衡．单片机C 程序设计及应用实例[ M ] ． 北京人民邮电出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ] 陈永利，李贻斌．单片机在相敏过流保护中的应用[ J ] ． 微计算机信息．1 9 9 7 ． 3 7 5 - - 7 7 ． [ 3 ] 余道洋．矿用智能型电动机综合保护嚣E J ] ．T 矿自动 化，2 0 0 3 ， 2 2 l ～2 2 ． 圭囊百 万方数据