改進(jìn)的大功率電動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺檢測與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

韋 鈺, 張 菁, 白園飛, 邵 晨, 黃 勃

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

0 引 言

電動機(jī)實(shí)驗(yàn)作為電氣工程及其自動化專業(yè)的重要實(shí)驗(yàn)課程，目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握電動機(jī)測量相關(guān)技能，相對本專業(yè)其他實(shí)驗(yàn)課程，具有難度大、危險性高的特點(diǎn)[1]。因此，對電動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺的檢測與保護(hù)系統(tǒng)提出了更高的要求。

目前國內(nèi)不乏此類實(shí)驗(yàn)裝置，但仍存在以下問題：多數(shù)采用傳統(tǒng)保護(hù)方式，電子式保護(hù)的設(shè)計不夠細(xì)化、精確度欠缺；諸多測量對象為小功率電動機(jī)，此類電動機(jī)不能很好地反映工業(yè)用大電動機(jī)的真實(shí)特性；不具備主動式保護(hù)功能，只有在異常情況發(fā)生時發(fā)生動作；對于綜合性高的實(shí)驗(yàn)臺，不具備針對性的保護(hù)設(shè)置。

本文研制了一款大功率電動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺的檢測與保護(hù)系統(tǒng)。以單片機(jī)STM32為主控單元，結(jié)合ADE7758交流電信號采集、直流霍爾傳感、實(shí)驗(yàn)選擇、保護(hù)及報警等功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)更精確的檢測與更快速的保護(hù)，還特別設(shè)計了短路實(shí)驗(yàn)主動保護(hù)、面向多對象的針對性保護(hù)、多路電源單開關(guān)控制等功能，更全面地保證實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備與實(shí)驗(yàn)者的安全。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)檢測與保護(hù)的對象為多種電動機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺，連接1.5 kW直流電動機(jī)、2.8 kW異步電動機(jī)和兩臺4.5 kVA三相變壓器。本系統(tǒng)以STM32為核心控制器，完成各電動機(jī)的信號采集、數(shù)據(jù)處理與矯正、控制保護(hù)功能[2]。主要功能模塊包括：①以ADE7758為主變壓器、異步電動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測模塊[3]；②以霍爾電壓、電流傳感器為主的直流電動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測模塊；③由矩陣鍵盤構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)選擇模塊；④由繼電器及其驅(qū)動電路、LED報警指示電路組成的報警保護(hù)模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，其中，采集電路以單路直流信號和一組三相交流信號為例。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路

STM32F103RCT6處理器基于32位的ARM Contex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz，片上集成256 KB的Flash存儲器，48 KB的SRAM存儲器，共64引腳。具備基本通信通道及信號采集通道[4]。具有功耗低、成本低、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)內(nèi)核小、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，是當(dāng)前功能強(qiáng)大且最常用的芯片之一。單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍接口如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

2.2 變壓器與異步電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測

本模塊主要用于檢測與實(shí)驗(yàn)臺連接的2.8 kW異步電動機(jī)、4.5 kVA變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，選用ADE7758為測量主芯片，相比較傳統(tǒng)的交流信號采集電路，ADE7758具有數(shù)字量輸出、數(shù)據(jù)免于計算、測量精度高、便于通信、應(yīng)用電路簡單諸多優(yōu)點(diǎn)。

ADE7758有6路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道，可接受的最大信號變化范圍均為±0.5 V[5]。電流通道由3對差分電壓輸入，分別是IAP-IAN、IBP-IBN、ICP-ICN[6-8]，考慮到既要充分利用ADE7758的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，以提高精度，又要防止過量程時不至于測量溢出，設(shè)計三相精密電流互感器電路串入輸入通道，并根據(jù)電流互感器的輸出特性選擇電流采樣電阻30 Ω。電壓通道VAP、VBP和VCP為三路單端電壓輸入通道，為避免強(qiáng)電信號未經(jīng)隔離影響弱電部分，未采用典型應(yīng)用電路的電阻分壓設(shè)計，而選取TVA1013電壓互感器進(jìn)行隔離，并根據(jù)TVA1013的輸出特性選擇電壓采樣電阻160 Ω。經(jīng)ADE7758處理后的參數(shù)，按照協(xié)議把數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送至單片機(jī)。以一組交流信號為例，電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 交流信號采集電路圖

2.3 直流電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測

本模塊主要用于檢測與實(shí)驗(yàn)臺連接的1.5 kW直流電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要包括霍爾元件、調(diào)理電路、基準(zhǔn)電壓電路、低通濾波電路，如圖4所示。霍爾元件采用CHV-25P和LA-25P，根據(jù)其輸出特性分別選擇大功率采樣電阻120、75 Ω，將信號轉(zhuǎn)換為±0.75 V的電壓信號，后分別經(jīng)過電壓、電流調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為0～3 V信號。兩路輸出的末端均設(shè)計有電壓鉗位電路，以保證輸入單片機(jī)采樣通道的信號幅值不至溢出。最后，采用TLC04實(shí)現(xiàn)低通濾波，將上述調(diào)理電路輸出的U2和I2信號進(jìn)行截止頻率為2 Hz的濾波，送入單片機(jī)AD通道。

2.4 實(shí)驗(yàn)選擇模塊

本模塊的設(shè)計在于體現(xiàn)本系統(tǒng)的主動式保護(hù)功能，以及面向多對象綜合性實(shí)驗(yàn)臺的針對性保護(hù)功能。例如，當(dāng)開展變壓器短路實(shí)驗(yàn)時，按下相應(yīng)實(shí)驗(yàn)選擇按鈕，啟動短路實(shí)驗(yàn)主動式限壓保護(hù)，而非傳統(tǒng)的檢測到短路電流過大后發(fā)信斷電，即在異常情況發(fā)生前，就起到有效的抑制作用。

本模塊通過4×4矩陣鍵盤及其接口電路實(shí)現(xiàn)，與單片機(jī)的I/O口相連。該選擇按鈕同時對主回路繼電器通斷起控制作用，須按下選擇按鈕后才可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保檢測與保護(hù)程序選擇的準(zhǔn)確性。

圖4 直流電動機(jī)信號采集電路圖

2.5 保護(hù)及報警指示

針對每個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)置不同的檢測內(nèi)容、保護(hù)參數(shù)、動作指令。單片機(jī)通過控制交流繼電器和直流繼電器，來控制被測實(shí)驗(yàn)臺上的交直流電源通斷。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路電源的單開關(guān)控制，即學(xué)生無論正在進(jìn)行哪個實(shí)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時，只需切斷總電源即可，而無需考慮當(dāng)前接通的是交流電還是直流電、該斷哪個開關(guān)等問題。

每一路電源設(shè)置報警指示燈與復(fù)位按鈕，當(dāng)指示燈亮起時，需先復(fù)位，才可再次合閘恢復(fù)上電。

3 軟件設(shè)計

程序采用C語言編寫，編譯器為Keil軟件開發(fā)系統(tǒng)[9]，主要包括以下幾個模塊的設(shè)計：主控制器初始化、ADE7758初始化、ADE7758與單片機(jī)的通信及數(shù)據(jù)解析、霍爾模塊信號采樣、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。整體設(shè)計思路為：上電初始化后，檢測目前是否有異常存在，若無，則掃描矩陣鍵盤的輸入，調(diào)取對應(yīng)按鍵的檢測與保護(hù)程序，執(zhí)行采樣與通信，判斷采樣值是否超限，若超限則報警，待復(fù)位按鈕按下報警解除后，方可進(jìn)行下一次操作。

4 測試結(jié)果及應(yīng)用情況

4.1 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上設(shè)計，完成電路板的制作與焊接，調(diào)試各部分電路，接通實(shí)驗(yàn)電源與實(shí)驗(yàn)對象，完成通電測試。

針對直流電壓信號DC 0～250 V，直流電流信號DC 0～12 A，交流電壓信號AC 0～400 V，交流電流信號AC 0～10 A，進(jìn)行各檢測功能測試，用示波器觀測到的交流電壓采集模塊波形如圖6所示，直流電壓采集模塊波形如圖7所示，各采集電路運(yùn)行正常。通過進(jìn)行特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成限壓主動式保護(hù)、交直流電源單開關(guān)控制等各類保護(hù)功能的測試。

圖5 軟件流程圖

圖6 輸入ADE7758的A相電壓通道信號波形

圖7 直流檢測模塊輸入單片機(jī)的信號波形

由于電路中多類元件具有非線性特性，不能很好地保證測量精度，因此在測試過程中進(jìn)一步對采集到的交直流電壓、電流值進(jìn)行軟件制表分段校正。表1為校正后的系統(tǒng)測量值與標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)儀表讀值的對比，由此可見，系統(tǒng)測量精度高，可滿足設(shè)計要求。

表1 系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)儀表對比

本系統(tǒng)依托圖7所示實(shí)驗(yàn)臺，已應(yīng)用到電動機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。應(yīng)用情況表明，系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)過程中，通過多次模擬常見故障，證明系統(tǒng)具有較高的可靠性。

4.2 創(chuàng)新類課程應(yīng)用

本系統(tǒng)可為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程與創(chuàng)新項目提供平臺，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要圍繞硬件電路設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用展開。以項目式教學(xué)方法為例[10-13]，實(shí)施過程如下：教師將項目分解為3個任務(wù)單元：信號采集部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)的通信功能實(shí)現(xiàn)(包括與ADE7758及PC機(jī)的通信)、數(shù)據(jù)的處理與保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，學(xué)生組成對應(yīng)的3個項目小組。組長對任務(wù)單元再做細(xì)分，落實(shí)每項任務(wù)的具體要求和計劃進(jìn)度，待3大部分均實(shí)現(xiàn)后，合作實(shí)現(xiàn)功能模塊之間的銜接，完成整體調(diào)試。

5 結(jié) 語

本文研制了一款大功率電動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺的檢測與保護(hù)系統(tǒng)，為電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生開展專業(yè)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供平臺。系統(tǒng)設(shè)計分為硬件和軟件兩部分，其中，硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、ADE7758交流信號采集電路、直流霍爾采集電路、實(shí)驗(yàn)選擇模塊、保護(hù)及報警模塊，軟件編程主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集與通信、數(shù)據(jù)處理等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)測量精確，保護(hù)動作可靠，且具有實(shí)用性，可滿足教學(xué)需求。

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