基于MSP430的低压电动机保护装置的设计及研究
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2 0 o 7 2 大 电 机 技 术 2 3 基于 MS P 4 3 0的低压电动机保护装置的设计及研究 1 引言 黄辉,姚尧(1 五邑大学信息学院,广东 江门 5 2 9 0 2 0;2 武汉大学电气工程学院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 2)摘要 基q Z MS P 4 3 0 的电动机保护装置是在传统的电机保护装置上集成了多种保护措施,实现了对低压电 动机故障的判断和保护。本文系统地分析了电动机故障,通过以电流为判据,将电机保护分解为过流、负序 和零序保护3 大类,由此可基本覆盖电动机所有常见故障类型。本文介绍了保护装置采用的保护算法,使用带 减法滤波的傅氏算法。硬件电路的构成及其特点也给予详细的介绍。最后提出了软件设计流程。经实验表明,该装置能在故障时有效地保护电动机。关键词 MS P 4 3 0单片机;电动机保护;保护算法;电动机故障 中图分类号T M3 0 7+3 文献标识码A 文章编号1 0 0 0。3 9 8 3(2 0 0 7)0 2 0 0 2 3 0 4 M o t o r Pr o t e c t i v e De v i c e Ba s e d o n M S P 4 3 0 HUANG Hu i ,o,白o(1,S c h o o l o f i n f o r ma t i o n,Wu y i Un i v e r s i t y,J i a n g me n 5 2 9 0 2 0 Ch i n a;2,S c h o o l o f El e c t r i c a l En g i n e e rin g,W u h a n Uni v e r s i t y,W uh a n 4 3 0 07 2 Ch i na)Abs t r a c t:A mo t o r p r o t e c t i v e d e v i c e ba s e d o n M SP 43 0 i n t e g r a t e s s e v e r a l p r o t e c t i o n s i n t o t r a d i t i o n a l mo t o r p r o t e c t i v e d e vic e t o d i a gn o s e a n d p r o t e c t t h e mot o r f a u l t s 刀 e mo t o r f a u l t s a r e s y s t e ma t i c a l l y s t u d i e d Ac c o r d i ng t o t h e c u r r e n t,mo t o r p r o t e c t i o n a r e di v i d e d i n t o o v e r c u r r e n t,n e g a t i v e a nd z e r o s e q u e n c e p r o t e c t i on Th us i t c a n c o v e r a l mo s t a l l t he c o mm o n f a u l t s i n mot o r s Th e Pr o t e c t i on a l g o rit h m a d o p t s t h e Fou r i e r tra n s f o r m me t ho d wi t h wa v e fil t e ring Th e h ardwa r e c o n s t i t u t i o n a n d f e a t u r e s are a l s o p r e s e n t e d i n d e t a i l T h e s o f t wa r e d e s i g n flo wc h a r t i s g i v e n i n t h e e n d Af t e r t h e e xp e rime n t,t h e m o t o r p r o t e c t i v e d e v i c e c a n p r o t e c t t h e m o t o r e ffe c t i v e l y Ke y wo r d s:M S P4 3 0;mo t o r p r o t e c t i o n;p r o t e c t i o n a l g o rit h m;mo t o r f a u l t 大规模现代化生产中,对电动机既有长时间连续 运行的要求,也有间歇、变负载、变速等各种状态下 运行,并能进行群控和集中监控的要求。电机保护装 置也向着具有测试、自检测、故障识别、受控和自 处 理等智能化要求的方向发展。研制多功能智能电机保 护装置是电机保护面临的重大任务。单片机的发展及其应用技术的成熟,为电动机保 护的研制提供了新的解决方案。本文提出的基于 1 f 1 公 司的 MS P 4 3 0单片机的电机保护装置正是一种多功能 的智能电机保护装置,对于电动机过载、缺相、速断、堵转、过压、欠压、接地,漏电和欠载等造成的故障具 有判断、保护、报警和控制功能。2 电动机故障分析 电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低弓 起的,而绕组的过热往往是流经绕组 的电流大引起的。依据流经绕组的电流,可以把电动机故障形式分 为对称故障和不对称故障两类。对称故障主要包括:过载、堵转和三相短路等。其主要特征是:三相电流仍基本对称,同时出现过电 流。故障严重程度基本反映在过电流的程度上。因此,可以用过电流程度来判断此类故障。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反时限跳闸,其 反时限特性应与电动机的温升指数特性相配合。不对称故障又可以分为非接地性不对称故障和接 地性不对称故障。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。其主要特 征是:三相电流不对称,出现负序电流分量。可以用 负序电流分量作为此类故障的判别标准,保护应采用 短时限跳闸或速断。接地性不对称故障主要包括:单 相接地短路和两相接地短路。其主要特征是:三相电 维普资讯 http:/ 基于 MS P 4 3 0 的低压电动机保护装置的设计及研究 2 0 0 7 2 流不对称,出现零序电流分量。可以用零序电流分量 来判断此类故障,采用速断或短时限跳闸加以保护。由以上的分析可知,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,见表 l。因此,以电流为判据,将电机保护分解 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。此外,还可 以通过采集的电压信号来判别过压和欠压两种故障。表 1 电动机故障特征分布 故障 零序 负序 过电流 其他故障 类型 特征 对称故障 过载 (1 5 5 厶=厶=堵转 (5 7)l e 厶=厶=短路 (81 0 l 1 -l b=断 相 l c I 1 0 厶=0,l b:一I c 非 逆相 厶 厶 =接 地 不平筏 x x l l c 不 对 相间 取决于 厶=厶 称 故 短路 位置,障 单相 E 1 3 取决于 1 1 b=,c 接 接地 位置 地 两相 2 1 3 取决于l b厶,口=接地 位置 注:1 单相故障时假设以 A相为故障相;两相故障时假设以 B相和 C相为 故障相。2 厶为额定电流;l o 为故障前的电流幅值;2 1:l a+l b+l c。3 “表示有电流,“x”表示没有电流。3 保护算法 保护算法是用适当的数学运算实现故障量的测 量、分析和判断,使运算结果的精确度能满足要求,而 计算耗时又尽可能短。傅氏算法的前提是假定被采样的模拟信号是一个 周期性时间函数,除包含基波外,还有不衰减的直流 分量和各次谐波。这种算法在实现时,实际上是对离 散的采样值进行计算,分别计算各相电流I n(r l=a,b,c)的实部,皿 和虚部,in:k C O S =I k s i n 其中 为一个周期中的采样数。显然 睫 噻 大,采样 精度越高。在单片机上作实时计算时,每出现一个新采样值 后就得计算一次,而且应对前JV 个采样值(包括新出现 的一个)同时加以运算。在运算时,对JV 个采样值都分 别乘以不同的系数,然后求和。计算出,n 的实部,巾 和虚 部,in 后,就可求得幅值,n 和相位角 为:r ,:,二+,:,0=a r c t g(L f-)m 这样就可以计算出任意次谐波的振幅和相位,其 中n=0 日 寸 为直流分量,n=l 时为基波分量。对电动机 保护,只需计算出基波的电流信号。在电力系统中,实际的输入信号中含有非周期分 量,且其中包含有衰减的直流分量。因此,可以对输 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。4 保护原理 本装置采用电流继电器元件作为电动机起动的判 别元件,用带时限的速断保护作为电动机的主保护。对各类故障的保护均给予定时。一旦定时到,且满足 动作条件时,定时器随即发出动作指令。在电机保护中,起动过程的判别非常重要。当检 测到线路从无流状态起动至超越 3 0 的电动机额定电 流时,起动判别元件动作。当三相电流中任一相电流 大于速断保护整定值并达到整定延时后保护动作。由 装置自动判断电动机的起动过程,当电动机起动过程 结束后自动调整到起动后速断定值,可有效地躲过起 动瞬间暂态过程,且不影响保护的灵敏度。电流继电 器动作条件为:起动中,一-L d 1;起动后,一 d 2 o 其中,s d l、,sd z 分别为起动中和起动后的速断电流定值。过流(堵转)保护和报警主要是为了避免起动后 高过载或堵转时造成电动机烧毁,其保护动作条件为 盯m 大于过流保护的电流定值,一般选为额定电流 的 2 5 倍。过载保护和报警主要是为了避免电动机因长时间 过载发热而遭致破坏。动作条件为,中 一 大于电动机额 定电流定值的 1 1 倍。当满足条件后,可通过软件控制 字来选择是由跳闸接点还是辅助跳闸接点输出跳闸。缺相保护和报警是防止因为电流不平衡或断相而 烧毁 电动机。动作条件:不平衡率 Ma x (一,D I,I o)x 1 0 0)9 o,D 为三相电流平均值。起动时间过长保护和报警可以避免因堵转或重载 起动时造成起动时间过长。动作条件:,中 一 大于起动 时间到达时的过流定值,一般可取额定电流的 1 1 倍。接地保护和报警主要是防止电动机因为外壳接地 故障造成的损坏。动作条件为电流大于接地过流定值。维普资讯 http:/ 2 0 0 7 2 大 电 机 技 术 欠载保护和报警动作条件:I rn i,D L,D L 为欠载 保护的定值。过压、欠压保护和报警动作条件分别为 中 一大于或小于保护的定值。5 硬件结构 该电机保护装置 以 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机为核心。其主要的工作流程是:先分别通过电压互感器和电流 互感器采集电动机的三相电压和三相电流信号,经由 电流电压变换器及放大部分转化为合适的电平。由于 MS P 4 3 0 F 1 4 9内部集成了采样保持电路和 A D转换电 路,因而可直接将电平送入 C P U进行保持和转换。转 换后的数据经 MS P 4 3 0 F 1 4 9分析处理后,做出相应的 判断,并对输出回路发出动作指令,通过继电器来执 行跳闸,同时该装置上的指示灯报警并指示故障类型。通过 C A N 和 R S一2 3 2方式与上位机进行通讯,以便 监测装置的状态。硬件结构如图 1 所示。图 1 硬件结构原理图 5 1 电流、电压信号采集 电路 采用高性能的电压互感器(S P T 2 0 4)采集三相之间 的相电压信号,穿芯电流互感器(S C T 2 6 5)采集通过各 相的电流及零序电流,并由放大电路转换为合适的电 平。5 2 信号整理电路 采集的电压信号P T1 一 P T 3 直接送到MS P 4 3 0 F 1 4 9 单片机的A D通道 A 4 A 6 进行采样保持,然后进行 模数转换。而三相电流信号 C T I C T 3及零序电流信 号 C T O 分别都有两路电流信号来进行差动比较。于是 采用Ma x i m公司的 Ma x 4 6 7 4 宽带四路 2:1 模拟多路复 用器,这样每次只有一路信号进入Ms P 4 3 0 F l 4 9 的A D 转换器进行转换。5 3 中央处理单元(C P U)及其外围电路 5 3 1 CP U 采用T I 公司 l 6 位单片机MS P 4 3 0 F 1 4 9 作为C P U。它集成了微处理器、6 0 l(B的 F L A S H存储器、l k B的 R A M、看门狗定时器和 l 2 位的 A D模块,结构简单,功能强大。该系列单片机最为突出的特点在于超低功 耗。其内部两个不同的时钟系统产生的时钟信号,可 以在指令的控制下打开或关闭,从而选择所需运行的 功能模块,即采用不同的工作模式。系统中共有一种 活动模式和 5种低功耗模式。采用矢量中断,用中断 将 C P U从电动机故障中唤醒只要 6 。这样通过合理 的编程,既可以降低系统功耗,又可快速响应外部事 件。由于 MS P 4 3 0 F1 4 9单片机内置了 l 2路 l 2位精度 的 A D转换模块,所以无需再外接 A D转换器。片内 有采用边界扫描技术的 J T AG模块,可通过 J T A G接 口 实现 C P U仿真调试功能,便于在线调试和程序下载。5 3 2 监控 电路 采用 Ma x i m公司的 Ma x 7 0 6监控芯片,能够监控 电源电压、电池故障和C P U的工作状态。它集成了多 项功能,与采用分离元件或单一功能芯片组合的电路 相 比,大大减小了系统电路的复杂性和元器件的数量,显著提高了系统可靠性和精确度。故障时能及时准确 地发出复位信号。5 3 3 串行时钟电路 采用 D a l l a s S e m i c o n d u c t o r 公司带报警的串行实时 时 钟 接 口 芯 片DS 1 3 0 5 组 成 串 行 时 钟 系 统。MS P 4 3 0 F 1 4 9通过读 D S 1 3 0 5中的 R AM 实现对其的模 块设置和时间读取。其串行接 口模式(S E R MO DE)I 脚 接电源,选择 S P I串行通信。为保证断电时仍能准确 计时,需要一个后备的可充电电池。正常时由电源供 电,且对电池充电;一旦掉电,电路自动转化为后备 电池供电。5 4 指示、报警及执行电路 指示、报警及执行电路包括跳闸输出、辅助跳闸 输出、报警指示灯和事故复位按钮。由C P U发出的报 警输出信号(低电平)可以驱动共阳极的报警发光二极 管,分别指示各类故障。而输出的跳闸信号和辅助跳 闸信号可以迅速地控制电动机的工作状态,从而实现 对电动机的保护。5 5电源供电电路 本装置采用 2 4 V 的直流工作电源。选用 L M2 5 7 5 系列开关稳压集成电路作为电压转换器,为各芯片提 供稳定的直流 3 3 V和 5 V工作电源。5 6 通讯接口电路 本装置采用基于 MO D B U S协议(R T U 方式)的 C AN 和R S一 2 3 2 通讯方式,以供测试和与计算机或通 维普资讯 http:/ 基于MS P 4 3 0 的低压电动机保护装置的设计及研究 2 o 0 7 2 信机通讯使用,以组网实现遥控、遥测、遥信功能。C A N方式采用Mi c r o c h i p 公司的MC P 2 5 1 0 C AN总 线控制器,利用 MS P 4 3 0通过标准 S P I 串行通信接口 可实现对 MC P 2 5 1 0的控制,并能够实现 C A N 总线规 范。而 C AN控制器和物理总线之间的接口由 P h i l i p s 公司的P C A 8 2 C 2 5 0 来提供,它对物理总线提供差动发 送能力,对 C AN 控制器提供差动接收能力。采用Ma x im公司的Ma x 2 0 2 作为 R S 一 2 3 2 方式的 接口,可以进行 T L电平与 R S 2 3 2电平的转换。主控 制器将前端数据采集器送来的数据经初步处理后,按 照一定的格式组装成帧,分组发送给上位管理微机。通信波特率设为 4 8 0 0 b p s,采用奇校验。6 软件设计 软件流程为:首先对系统进行初始化,先用 自检 程序对 R A M执行一个简单的交互式 0,1 测试。通过将 一个 从 H,5 5 H模型写入整个 R A M,将其求反后的 R A M 值写入 R A M 并重新检查,再清除整个 R A M。若发现错误则复位。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。见图 2。图 2 主程序流程图 软件在 I AR公司的 E mb e d d e d Wo r k b e n c h可视化 集成开发环境下,使用C 4 3 0 编写。它提供方便且功能 丰富的界面,其 C 4 3 0编译器提供了 c语言的标准特 性,并且添加了许多为利用 MS P 4 3 0系列的特性而设 计的扩展功能。7 结语 本文所介绍的低压电机保护装置,充分利用了 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机的各种功能,监视电动机故障,具有成本低、性价比高、可靠性强的优点。特别是在 低功耗方面和相应速度上极为突出。实验样机经编程 调试,各项保护功能均能达到预期的效果,对于出现 的各种故障能及时、准确地做出识别和处理。通过与 上位机的接口,能将电动机的运行状态反映于上位机,便于监视电动机状态,以及修改保护的整定值。参 考 文 献 f 1 1 杨艳琴,翟骁曙MS P 4 3 0 系列1 6 位超低功耗单 片 机原理与应用 M】北京:清华大学出版社,2 0 0 4 2 1 胡大可MS P 4 3 0系列F L AS H型超低 功耗 1 6 位单 片机f M】北京:北京航空航天大学出版社,2 0 0 1 【3 1 胡大可 MS P 4 3 0 系列单 片机C 语言程序设计与开 发【M】北京:北京航 空航 天大学出版社,2 0 0 3 4】辜承林,陈乔夫,熊永前电机学M】武汉:华中 科技 大学 出版社,2 0 0 1 【5】沈标正电机故障诊断技 术 M】北京:机械工业 出版社 1 9 9 6 f 6 1 陈文会,朱长纯 基 于MS P 4 3 0 F 1 4 9 电机保护算 法 的实现f J 1 现代电子技术,2 0 0 4,(1 1):6 5-6 7 【收稿日期】2 0 0 5-0 7 2 9 作者简介 黄辉(1 9 8 0一),硕士,助教,研究方向为 电力系统智能控制与在线检测、电力电子技 术应用。姚尧(1 9 7 9 一),博士研究生,研究方向为 电力系统过电压及抑制、电力电子技术应用、电力系统电磁暂态研究。维普资讯 http:/
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