基于采樣修正的三相電機保護器的設(shè)計

洪 煒，陳宇晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

基于采樣修正的三相電機保護器的設(shè)計

洪 煒，陳宇晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

針對傳統(tǒng)的電子式電機保護器對于三相電機出現(xiàn)過載、欠載、過壓、欠壓、斷相、三相不平衡等故障，精度低，功能單一的問題，提出了一種以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為控制核心，通過硬件電路設(shè)計結(jié)合采樣修正的算法對線路中電壓、電流進行精確采集的多功能電機保護器。實測結(jié)果表明，該電機保護器精度高，保護性能優(yōu)越。

電機保護器；電壓電流采樣；相序檢測；采樣修正；CAN通信

電機是工業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域中的動力系統(tǒng)，常常作為整個生產(chǎn)領(lǐng)域的驅(qū)動源頭，如起重機、數(shù)控機床、印刷機等。在某些應(yīng)用場合，由于供電線路及電網(wǎng)質(zhì)量的原因使得在電機線路中出現(xiàn)斷相、斷相、過壓、過載、欠載等情況，對整個機械系統(tǒng)甚至人身安全造成不可挽回的損失。針對傳統(tǒng)的電子式電機保護器功能單一、精度低、保護動作不靈敏的問題，本文提出一種基于TMS320F2812數(shù)字信號處理器，具有高精度實時電壓檢測、相序檢測等功能的電機保護器。

1 基本原理

電機保護器由相序檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊、采樣修正模塊、顯示模塊、控制芯片模塊、CAN總線通信模塊、繼電器與聲光報警模塊組成。將相序檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊這3個模塊整合成一張數(shù)據(jù)采集板，與數(shù)字信號處理器TMS320F2812進行連接，三相電機保護器總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電壓、電流信號，經(jīng)調(diào)理電路接入TMS320F2812，通過中值平均值濾波以及方均根值計算有效值后得到三相供電線路中相電壓UA、UB、UC與相電流IA、IB、IC。根據(jù)以下判定依據(jù)可進行過壓、欠壓、過載、欠載及三相不平衡的故障整定。

過壓：UX>Umax時，表示過壓，Umax表示過壓設(shè)定閾值；

欠壓：UX

過載：根據(jù)IX>0.8IP時，電壓處于過載狀態(tài)。IP表示電流額定值；

欠載：根據(jù)IX<0.8IP時，電壓處于欠載狀態(tài)；

三相不平衡：按照IEEE Std.112—1991定義，有相電壓不平衡率Pv[1]

(1)

若Pv>0.3，則表示三相電壓不平衡；

斷相：當(dāng)某一相電壓UX、相電流IX同時為0時，則表示斷相。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電壓電流信號調(diào)理電路設(shè)計

電壓端輸入為交流信號，經(jīng)過調(diào)理電路置于DSP2812的IO口。由于TMS320F2812內(nèi)部集成ADC模塊，要求輸入電壓信號必須大于零。因此在進入DSP2812之前需要對信號進行處理，圖2中的運算放大器處理電路，可將輸入電壓信號處理成幅值在-1.5～+1.5 V范圍內(nèi)的信號，載與+1.5 V偏置信號相疊加，得到幅值0～3 V的信號，后級加入電壓射極跟隨器，能有效濾除雜波干擾，增強采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性。由圖2所示電路，有

(2)

圖2 電壓信號調(diào)理電路

UAD輸出端接TMS320F2812中的ADC引腳，對應(yīng)結(jié)果為ADCResultx寄存器中的一個數(shù)字量DACV，有

(3)

電流信號同樣需要進入TMS320F2812進行處理，對于電流信號的處理方式，先將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，在設(shè)計中添加閉環(huán)霍爾傳感器TBC-25-SY。

圖3 電流信號調(diào)理電路

通過運算放大電路處理成弱電壓信號，根據(jù)圖3，閉環(huán)霍爾傳感器在未飽和時，輸出信號為與所測量電流信號為線性比例關(guān)系的特性。設(shè) 為閉環(huán)霍爾傳感器TBC-25-SY變比，有如下公式

(3)

同理：對應(yīng)結(jié)果為ADCResultx寄存器中的一個數(shù)字量DC

(4)

2.2 相序檢測電路設(shè)計

相序檢測電路[2]如圖4所示，三相電源U、V、W經(jīng)電阻分壓接不平衡負(fù)載，每一相負(fù)載上的電壓，由于負(fù)載不同而發(fā)生不平衡分配。當(dāng)三相電源為順相序時，A點電壓會>B點電壓，根據(jù)運算放大器LM393輸出特性，OUT端輸出高電平；當(dāng)三相電源處于逆相序狀態(tài)時，B點電壓大于A點電壓，則OUT一端將會輸出低電平。

圖4 相序檢測電路設(shè)計

通過電壓比較器LM393的輸出，可快速可靠地檢測三相電機所接入的三相電源是否處于錯相故障狀態(tài)。

2.3 基于MCP6S28采樣修正單元設(shè)計

強電信號經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為弱電信號后，數(shù)字信號處理器由于內(nèi)部ADC模塊存在漂移和非線性，使得AD轉(zhuǎn)換結(jié)果波動較大，嚴(yán)重時，系統(tǒng)將無法分辨出信號變化，較大程度減小了系統(tǒng)采樣的分辨率與精確度。而在本系統(tǒng)中電機保護器所有的故障整定都與電壓電流采樣值有關(guān)，如何得到高精度、無干擾的采樣值是故障準(zhǔn)確整定的關(guān)鍵。

MCP6S28是美國微芯半導(dǎo)體公司推出的一款零漂移增益數(shù)字編程可調(diào)的運算放大器。其能通過數(shù)字信號處理器的IO口同時選擇進行信號處理的通道個數(shù)，分別為：1、2、6、8。并能通過改變MCP6S28芯片GAIN寄存器中C0、C1、C2設(shè)定值來實現(xiàn)增益可調(diào)。具體增益設(shè)置如表1所示。

表1 MCP6S28增益設(shè)置真值表

采樣修正：即在信號放大電路中采用采而在信號較小時，通過SPI通信，設(shè)置MCP62S8寄存器的值，從而增大MCP6S28芯片的增益；而信號較大時，減小MCP6S28芯片增益。使得進入數(shù)字信號處理器中的電壓維持在0～2.5 V，從而達到限幅、提高系統(tǒng)精度及分辨率的目的。

運用這樣的方法，能夠降低DSP內(nèi)部ADC模塊因漂移和非線性造成的采樣誤差，提高了系統(tǒng)的采樣分辨率與采樣精度。

2.4 CAN通信單元設(shè)計

CAN總線是被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線，是一種多主方式串行通信總線，數(shù)字信號處理器TMS320F2812集成了增強型CAN通信接口，傳輸信號采用短幀格式，并結(jié)合CRC校驗，大幅增強了系統(tǒng)通信的可靠性。CAN總線通信傳輸距離長，最遠可達10 km，通訊速率快，可高達1 Mbit·s-1[3]。應(yīng)用時需增加CAN總線收發(fā)器，即可實現(xiàn)CAN總線通信。

采用飛思卡爾公司的高速CAN收發(fā)器MC34901，MC34901是近年來新型的第三代高速CAN收發(fā)器，其具有超低電流消耗、自動監(jiān)測I/O口電壓；該芯片符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，具有卓越的EMC性能，且無需共模電感或其他外部組件，成本較低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括：主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理計算、采樣修正、CAN通信、報警保護。主程序負(fù)責(zé)各子程序的初始化和調(diào)用。A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置TMS320F2812采樣模式，讀取結(jié)果寄存器ADCRESULTX的值。采樣修正模塊判斷寄存器ADCRESULTX中的值是否過大或過小，通過DSP的IO輸入輸出口調(diào)節(jié)MCP6S28內(nèi)部寄存器，選擇合適的增益大小，得到目標(biāo)值。數(shù)據(jù)處理模塊可讀取采樣修正后的值，采用中值平均值濾波法處理數(shù)據(jù)，提高保護器的精確度。

圖5 電機保護器程序框圖

程序開始時可向DSP發(fā)出中斷申請，用戶通過上位機設(shè)定過壓、欠壓、過載等保護閥值，若各個功能參數(shù)數(shù)值均在系統(tǒng)設(shè)定閾值范圍內(nèi)，向上位機發(fā)送 “1”指令表示設(shè)定成功，上位機通過CAN 總線查看電機參數(shù)并控制電機運轉(zhuǎn)。程序設(shè)計流程圖，如圖5所示。

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

為了保證保護器有較高的保護動作精度，在相電壓過壓、欠壓，電流欠載、過載以及三相不平衡實驗時，進行了多次采樣值的實驗測定。并記錄了電壓測量值、電流測量值以及繼電器保護動作時間，如表2和表3所示。

表2 電壓采集結(jié)果

表3 電流采集結(jié)果

由表2和表3所示，該保護器能完成對電壓電流值測定，電壓最高采樣精度為0.3 s，電流最高采樣精度為0.3 s，且能靈敏的對過壓、過載、欠壓、欠載等故障做出保護，平均保護動作時間分別為3.4 s與3.06 s。

模擬斷相時電機保護器的工作特性，三相電源電壓采集波形如圖6所示。

圖6 斷相時交流電壓采集波形

圖6所示的波形圖中，三相電源C相已發(fā)生斷相故障，A相B相電壓正常采集，此時，相序檢測電路輸出高電平信號，觸發(fā)聲光報警，并進行保護。斷相保護動作時間為1.5 s，錯相保護動作時間為1.3 s。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款高精度、多功能的電機保護器，與以往的電子式電機保護器不同，該系統(tǒng)增加了采樣修正的方法，實現(xiàn)了電機線路中電壓、電流的高精度采集；具備CAN總線通信功能，能實現(xiàn)與上位機進行通訊功能；能對過壓、欠壓、過流、欠流、斷相、錯相等故障進行靈敏可靠地保護，實測結(jié)果表明該電機保護器精度高達0.3 s，并能在極短的時間內(nèi)對故障做出判斷與保護，滿足設(shè)計要求。

[1] 周林,張有玉,劉強,等.三相不平衡度算法的比較研究

[J].華東電力,2010,38(2):210-215.

[2] 柏華東,陳佳成,武素蓮.基于Park變換的三相交流電相序判斷研究[J].電氣技術(shù),2013(7):43-46.

[3] 顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281x[M].2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

[4] 曾楊楊,陳宇晨,洪煒,等.一種基于采樣修正的電能質(zhì)量在線監(jiān)測儀設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2016(1):29-32.

[5] 張石,張洪嘉,朱世鵬,等.基于STM32F103的智能電機保護器的設(shè)計[J].電氣自動化,2016(1):116-118.

[6] 王偉鋼,朱杰,施火泉.基于AVR的多功能電機保護器設(shè)計[J].微特電機,2014,42(1):31-33.

[7] 王景中,范金龍.基于電壓采樣方法的電動機保護器設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2008,31(9):133-135.

[8] 殷愛蓮.淺談電機保護器在電控改造中的應(yīng)用[J].同煤科技,2015(2):10-12.

[9] 萬海龍,趙春宇.多通道實時電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(10):87-89.

[10] 郭曉瑞,郭吉豐.單相光伏并網(wǎng)逆變控制器的優(yōu)化[J].電工電能新技術(shù),2013,32(4):40-43.

[11] 朱杰斌,朱銘,何翠群,等.基于雙CPU電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2014(11):54-55.

[12] 王玲,康健,鄒宏亮,等.實時電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(2):108-111.

[13] 朱益飛.新型電機節(jié)電保護器的研制與應(yīng)用[J].石油和化工節(jié)能,2002(2):19-22.

[14] 張雄偉,曾軼勇,陳亮,等.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[15] 任潤柏.TMS320F2802x DSC原理及源碼解讀-基于TI Piccolo系列[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

Design of a Three-phase Motor Protector Based on Sampling

HONG Wei，CHEN Yuchen

(School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

The traditional electrical motor protector has the disadvantages of limited function, low precision and poor sensitivity and suffers three-phase motor faults such as overload, underload, undervoltage, overvoltage, phase failure and three phase unbalance. A protector based on the digital signal processor TMS320F2812 is proposed, using the method of sampling and correcting to collect the voltage and current exactly. The experiments results show good precision and superior performance to traditional electrical motor protectors.

motor protector; voltage current sampling; phase detect; sampling rectification; CAN bus communication

2016- 04- 07

上海工程技術(shù)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(E3-0903-16-01025)

洪煒(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣控制等。陳宇晨(1957-)，男，博士，教授。研究方向：智能電網(wǎng)，電力系統(tǒng)運行與控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.004

TM925

A

1007-7820(2017)02-012-04