基于FPGA的無(wú)線通信電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

孫旭霞，劉 麗，劉一棟，寧紅英

(西安理工大學(xué),西安 710048)

0 引 言

電動(dòng)機(jī)作為為各種機(jī)電設(shè)備提供動(dòng)力支持的動(dòng)力設(shè)備，被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中。在實(shí)際使用中，由于人為失誤、電網(wǎng)不穩(wěn)定、負(fù)載沖擊等影響，經(jīng)常引發(fā)電動(dòng)機(jī)故障[2]，造成電動(dòng)機(jī)燒損，打亂或中斷生產(chǎn)計(jì)劃，甚至引發(fā)重大安全事故。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，能減少電動(dòng)機(jī)燒損，保證安全生產(chǎn)，節(jié)能減排，增進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益，提高生產(chǎn)效率，即開發(fā)一款新型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置具有重要意義。

目前，綜合電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)一般采用單片機(jī)作為控制器，處理復(fù)雜算法能力差，程序響應(yīng)速度慢；在高速信號(hào)處理中趨向選擇具有高速性、并行性和靈活性的FPGA。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)采用多片A/D芯片實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同步采樣，需要元器件多，進(jìn)而硬件電路復(fù)雜；或采用高采樣率A/D芯片逼近同步采樣，同步性差，使故障診斷出現(xiàn)誤判，影響電動(dòng)機(jī)的正常使用；隨著集成電路的發(fā)展，高速多通道同步采樣A/D芯片問(wèn)世，解決了多路信號(hào)同步采樣問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)通信，傳統(tǒng)采用有線通信方式，其信息傳輸依賴有線信道，受到布線條件的約束。而非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信方式具有更好的靈活性和擴(kuò)展性。

本文針對(duì)三相電動(dòng)機(jī)逆相、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、短路、過(guò)載等常見的保護(hù)需求，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA微處理器EP4CE10F17C8為控制核心、高速多通道同步采樣的AD7606為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、具有Wi-Fi無(wú)線通信功能的電流取樣型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

1 故障檢測(cè)原理

電動(dòng)機(jī)故障分為對(duì)稱故障和非對(duì)稱故障[2-3]，本文采用對(duì)稱分量法進(jìn)行故障特征提取。對(duì)稱分量法將不對(duì)稱三相系統(tǒng)的電流相量Ia，Ib，Ic分解成3組相序不同的對(duì)稱分量：正序分量Ia1，Ib1，Ic1；負(fù)序分量Ia2，Ib2，Ic2；零序分量Ia0，Ib0，Ic0。

三相電流向量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系：

Ia=Ia1+Ia2+Ia0

(1)

Ib=Ib1+Ib2+Ib0

(2)

Ic=Ic1+Ic2+Ic0

(3)

(4)

逆關(guān)系：

(5)

電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電流I0=Ia+Ib+Ic。

電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行和發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子電流的負(fù)序和零序分量沒有或者很小，在發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí)才出現(xiàn)[3]；因此可依據(jù)過(guò)電流和零、負(fù)序電流分量進(jìn)行各類故障判別。由對(duì)稱分量法得到電動(dòng)機(jī)在不同故障下的特征，如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)故障特征

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該保護(hù)器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制器、信號(hào)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互和無(wú)線通信等模塊。信號(hào)采集模塊將三相電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)送入AD7606進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入EP4CE10F17C8進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和故障判斷。當(dāng)診斷出電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障且已到保護(hù)時(shí)間，控制器控制繼電輸出與報(bào)警電路進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警，并將故障信息存儲(chǔ)到SD卡中；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)、狀態(tài)等會(huì)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，按鍵也可設(shè)定不同型號(hào)電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)和故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。此外，Wi-Fi通信模塊把開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用程序與電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與信息傳輸。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集

采用霍爾傳感器把三相電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理濾波電路處理后進(jìn)入A/D模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。本文選用HBV10A5電壓霍爾傳感器和HBC20LSP電流霍爾傳感器，把采樣到的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)?；魻杺鞲衅餍盘?hào)轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

(a) 單相電壓轉(zhuǎn)換電路

(b) 單相電流轉(zhuǎn)換電路

3.2 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換選用自帶濾波器的AD7606，它具有濾波作用，能和FPGA構(gòu)成一個(gè)8通道同步采樣系統(tǒng)。本文控制器FPGA作為可編程邏輯控件，可以采用具有高速性、穩(wěn)定性、高效性的狀態(tài)機(jī)的形式，編寫設(shè)計(jì)AD7606的高速多通道同步采樣的時(shí)序控制[7]，其A/D采樣控制如圖3所示。本文將AD7606轉(zhuǎn)換控制信號(hào)CONVSTA和CONVSTB短接在一起實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣。

圖3 AD采樣控制框圖

3.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互包括TFT液晶屏顯示、按鍵輸入、SD卡信息存儲(chǔ)、蜂鳴器報(bào)警和繼電輸出保護(hù)。選用7寸AT070TN83液晶屏顯示電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和參數(shù)，按鍵設(shè)置電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障進(jìn)行保護(hù)時(shí)，蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，擴(kuò)展出支持SPI模式和SD模式的SD卡來(lái)存儲(chǔ)電動(dòng)機(jī)故障信息；同時(shí)控制器控制繼電輸出電路的繼電器動(dòng)作對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。繼電輸出保護(hù)控制電路如圖4所示。

圖4 繼電輸出保護(hù)控制電路

3.4 無(wú)線通信

Wi-Fi通信選用模塊HLK-RM04，引腳分配如表2所示。

表2 HLK-RM04引腳分配

本文無(wú)線通信采用Android開發(fā)的APP與電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置通過(guò)HLK-RM04搭建的局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，運(yùn)行于手機(jī)端的網(wǎng)絡(luò)程序通過(guò)局域網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)保護(hù)器建立起TCP連接，待連接成功后，用戶使用手機(jī)端的用戶界面軟件向電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)置各種系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Verilog HDL編寫系統(tǒng)軟件分成8個(gè)模塊來(lái)分別設(shè)計(jì)，包括AD7606信號(hào)采集模塊、FFT數(shù)據(jù)處理模塊、相位檢測(cè)模塊、對(duì)稱分量法分析模塊、故障判斷模塊、APP串口通信模塊、按鍵處理模塊、液晶顯示模塊，其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上電后，主控制程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置自檢，再采集電流、電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并計(jì)算過(guò)電流和零、負(fù)序電流分量，接著進(jìn)行故障判斷，其主控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件主控制流程圖

故障診斷分別依據(jù)零、負(fù)序電流分量和過(guò)電流對(duì)非對(duì)稱故障的接地、非接地故障和對(duì)稱故障進(jìn)行分析判別。例如，斷相故障屬于非對(duì)稱故障中的非接地故障，由表1可知，當(dāng)出現(xiàn)斷相故障時(shí)，有負(fù)序電流分量，且三相電一相為零兩相相等，即可以根據(jù)這一特征來(lái)判斷是否出現(xiàn)斷相故障，其判斷流程圖如圖7所示。

網(wǎng)絡(luò)通信中，采用Android開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)如下2個(gè)功能：一是監(jiān)控，查看電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)和當(dāng)前工作下的電流、電壓、功率、狀態(tài)等；二是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，主要設(shè)置被保護(hù)電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)和各種故障的動(dòng)作時(shí)間。

圖7 斷相故障判斷流程圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用微機(jī)多功能繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)保護(hù)器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。圖8中，繼電保護(hù)測(cè)試儀的輸出接保護(hù)器采樣電路的輸入，F(xiàn)PGA根據(jù)交流采樣傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)判斷出電動(dòng)機(jī)工作情況，實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。從圖9的液晶屏可看出，電動(dòng)機(jī)的額定電壓、電流分別設(shè)置為220 V和5 A。

圖8 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出電壓220 V，電流5 A和7.2 A時(shí)，手機(jī)APP的顯示如圖9所示。

其中，圖9(a)的繼電保護(hù)測(cè)試儀模擬的是電動(dòng)機(jī)工作在無(wú)過(guò)電流的三相對(duì)稱狀態(tài)；圖9(b)模擬的是電動(dòng)機(jī)工作在有過(guò)電流的三相對(duì)稱狀態(tài)，且過(guò)電流約是額定電流的1.44倍(7.2 A)。state是指電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，其中00，01分別代表正常和過(guò)載。可見，該保護(hù)器能準(zhǔn)確計(jì)算出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前工作下的各種信息數(shù)據(jù)，診斷出電動(dòng)機(jī)是否發(fā)生故障，若出現(xiàn)故障，并分析出故障類型。同時(shí)還可看出無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸正常，手機(jī)APP對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(a) 電流為5 A

(b) 電流為7.2 A

6 結(jié) 語(yǔ)

該保護(hù)器采用具有高速性、并行性、靈活性的EP4CE10F17C8實(shí)現(xiàn)FFT算法和對(duì)稱分量分析法，提高數(shù)據(jù)處理精度；采用AD7606芯片實(shí)現(xiàn)同步采樣，保證多路信號(hào)的同步性；采用非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤i-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有較好的靈活性和擴(kuò)展性。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試測(cè)得，電壓誤差為2.3%，電流誤差為1.7%，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間誤差為0.5%，誤差精度小，滿足設(shè)計(jì)要求。