一种三相异步电动机保护控制器的研制

宋国清,何元庆,李跃刚,李彦武（.齐齐哈尔高等师范专科学校； .黑龙江交通职业技术学院,黑龙江 齐齐哈尔 6000）



一种三相异步电动机保护控制器的研制

宋国清1,何元庆1,李跃刚1,李彦武2
（1.齐齐哈尔高等师范专科学校； 2.黑龙江交通职业技术学院,黑龙江 齐齐哈尔 161000）

摘 要：介绍了使用大功率晶闸管进行电动机正反转控制和相关的故障保护，采用AVR 微控制器实现了晶闸管故障状态的诊断，可以选择控制多种功率电机，并分别实现了具有反时限的过载保护，断相、三项不平衡等保护。

关键词：晶闸管；电机保护控制器；单片机

大功率反并联晶闸管具有无触点、无火花、快速开关频率等优点，非常适合进行电动机正反转控制。三相异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行维护方便等优点在工业中广泛存在。随着自动化程度的提高，出现越来越复杂的过程控制，电机工作状态不断恶化。对电动机的保护提出了更高的要求，智能化的电机保护不断涌现［1］。结合晶闸管优点和电机保护的需求，设计了一种一体化的电机保护控制器。

1 主电路

电动机保护控制器主电路采用了五路反并联晶闸管，控制导通电动正、反转。电流传感器采集主回路工作电流，根据预先设置的电机功率选择不同变比的互感器。可控硅两端引出接线端子检测可控硅两端电压。

2 可控硅硅击穿和硅开路

将可控硅硅故障分成两种分别是硅开路和硅击穿，电机在不启动的情况下检测硅击穿，电机在开启时以及旋转状态下检测硅开路。如果发现故障出现，对于故障状态分别设置对应的标记，并及时关断可控硅、接通故障输出继电器电源。对外输出故障信号。可控硅硅击穿检测是在电机正转或反转启动信号发出后延时100ms（在此期间等待继电器、按键等器件完成机械动作），然后进行硅状态检测。应用下图1采集可控硅两端的电压，检测可控硅的导通状态，根据五路反并联可控硅导通状态和实际状态的异同，判断是硅击穿还是硅开路。

3 断相和三项不平衡保护

进行三相不平衡和断相故障检测，在程序中断相检测以低于额定电流的1/8为电流断相依据，因此要确定电动机的设定功率，才可以确定额定电流的1/8。在这里这设置了0-8 共九个额定功率的电机供选择。断相检测在有效启动信号发出100ms，才开始检测，目的是跳过继电器的动作延时。但是在启动电流很大的时间内还是要进行断相检测，在出现具有断相故障标志信号开始后2s中内检测到的有效断相故障信号的的次数大于了总的检测次数的75%，那么认为断相。发出断相故障信号。三相不平衡检测过程中，找到主回路三相电流的最大值和最小值，如果最大值大于了最小值的两倍那么就有三相不平衡发生。在发现具有三项不平衡信号开始后5s时间范围内检测到有效三相不平衡的故障信号次数大于了总的检测次数的75%，就认为是三相不平衡发生。下面的电路图2采集主电路中电流互感器输出的电流经电阻转换成的正弦电压信号进行处理，经CPU 进行AD采样后获取主电路电流大小。

4 反时限过电流保护

反时限保护特性更接近合电机出现故障时的特性， 用反时限进行过电流保护更有优势。国外广泛使用反时限进行过电流保护，并较早建立了数学模型。

I是过电流倍数，以额定电流为基准；r 是常数，取值在范围有三种［3］，针对电机保护，采用r=2；Q 是常数，量纲为时间；T为出现过电流保护时间。

使用该模型可以有效进行反时限过电流保护，但是由于电机运行中的电流不断变化，不是严格的反时限关系，直接使用该模型，计算结构不够准确，将该模型演变为积分方式更适合实际情况，演变后公式为：

Ik：是第K次采样时的过电流倍数；ΔT：是采样周期；N是累计次数；用户确定Q值

计算程序计算结果超过临界值保护动作。

5 系统软件设计

系统软件采用多任务设计方法，任务分为：系统时钟设置、外设参数采集、电流采集、电压采集、电机正反转输入检测、故障类型判断、状态指示。（1）外设参数采集包括：电动机功率设置、启动时间设置、零位检测；（2）系统时钟设置：在定时器中设置为1ms中断作为软件运行的时钟节拍；（3）电流采集：通过AVR微处理器内部自带AD转换器采集由电流互感器输出的主电路电流信号，每路电流信号采集10次，采用中值滤波，滤波效果良好；（4）电压采集：采集可控硅两端的电压，采用统计4N35B光耦输出的高电平时间确定电压是否存在；（5）电机正反转输入检测：使用软件滤波采集转反转控制信号，进行按键的互锁处理，只有在一个按键在松开状态，另一个按键的输入采有效。按键释放60m后才开始检测下一次按键信号；（6）故障类型判断： 故障类型包括三相不平衡、硅击穿、硅开路、反时限过载、断相。通过输入信号按照故障判别原理进行多种故障分析；（7）状态指示：通过指示灯显示设备运行状态，如果出现故障，输出故障类型。

6 总结

保护控制器具有结构紧凑，保护功能完善，设计上使用反并联可控硅进行电机正反转控制，AVR微处理器采集电压电流信号实现电机的保护，经过近一年的工厂实际运行，保护控制器运行稳定可靠，各项指标符合设计规定，可以进一步推广。

参考文献：

［1］崔陆军,陈幼平.基于ATmegal16L单片机的智能型电机保护器的设计［J］.仪表技术与传感器,2009（12）.

［2］黄猛.可控硅交流接触器柜在三辊热轧机上的应用［J］.特钢技术,2010（04）.

［3］周小丽,陈刚.反时限过流保护在微机保护装置中的实现［J］.江苏电机工程,2003（09）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.159

基金项目：黑龙江省教育厅高职高专院校科学技术研究项目

作者简介：宋国清（1979-），男,河北石家庄人，硕士，讲师，主要从事电力电子及电力传动方面研究。