基于采样修正的三相电机保护器的设计

洪 炜，陈宇晨

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

基于采样修正的三相电机保护器的设计

洪 炜，陈宇晨

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

针对传统的电子式电机保护器对于三相电机出现过载、欠载、过压、欠压、断相、三相不平衡等故障，精度低，功能单一的问题，提出了一种以数字信号处理器TMS320F2812为控制核心，通过硬件电路设计结合采样修正的算法对线路中电压、电流进行精确采集的多功能电机保护器。实测结果表明，该电机保护器精度高，保护性能优越。

电机保护器；电压电流采样；相序检测；采样修正；CAN通信

电机是工业系统领域中的动力系统，常常作为整个生产领域的驱动源头，如起重机、数控机床、印刷机等。在某些应用场合，由于供电线路及电网质量的原因使得在电机线路中出现断相、断相、过压、过载、欠载等情况，对整个机械系统甚至人身安全造成不可挽回的损失。针对传统的电子式电机保护器功能单一、精度低、保护动作不灵敏的问题，本文提出一种基于TMS320F2812数字信号处理器，具有高精度实时电压检测、相序检测等功能的电机保护器。

1 基本原理

电机保护器由相序检测模块、电流检测模块、电压检测模块、采样修正模块、显示模块、控制芯片模块、CAN总线通信模块、继电器与声光报警模块组成。将相序检测模块、电流检测模块、电压检测模块这3个模块整合成一张数据采集板，与数字信号处理器TMS320F2812进行连接，三相电机保护器总体框图如图1所示。

图1 系统拓扑结构图

电压、电流信号，经调理电路接入TMS320F2812，通过中值平均值滤波以及方均根值计算有效值后得到三相供电线路中相电压UA、UB、UC与相电流IA、IB、IC。根据以下判定依据可进行过压、欠压、过载、欠载及三相不平衡的故障整定。

过压：UX>Umax时，表示过压，Umax表示过压设定阈值；

欠压：UX

过载：根据IX>0.8IP时，电压处于过载状态。IP表示电流额定值；

欠载：根据IX<0.8IP时，电压处于欠载状态；

三相不平衡：按照IEEE Std.112—1991定义，有相电压不平衡率Pv[1]

(1)

若Pv>0.3，则表示三相电压不平衡；

断相：当某一相电压UX、相电流IX同时为0时，则表示断相。

2 硬件系统设计

2.1 电压电流信号调理电路设计

电压端输入为交流信号，经过调理电路置于DSP2812的IO口。由于TMS320F2812内部集成ADC模块，要求输入电压信号必须大于零。因此在进入DSP2812之前需要对信号进行处理，图2中的运算放大器处理电路，可将输入电压信号处理成幅值在-1.5～+1.5 V范围内的信号，载与+1.5 V偏置信号相叠加，得到幅值0～3 V的信号，后级加入电压射极跟随器，能有效滤除杂波干扰，增强采样系统稳定性。由图2所示电路，有

(2)

图2 电压信号调理电路

UAD输出端接TMS320F2812中的ADC引脚，对应结果为ADCResultx寄存器中的一个数字量DACV，有

(3)

电流信号同样需要进入TMS320F2812进行处理，对于电流信号的处理方式，先将电流信号转化为电压信号，在设计中添加闭环霍尔传感器TBC-25-SY。

图3 电流信号调理电路

通过运算放大电路处理成弱电压信号，根据图3，闭环霍尔传感器在未饱和时，输出信号为与所测量电流信号为线性比例关系的特性。设 为闭环霍尔传感器TBC-25-SY变比，有如下公式

(3)

同理：对应结果为ADCResultx寄存器中的一个数字量DC

(4)

2.2 相序检测电路设计

相序检测电路[2]如图4所示，三相电源U、V、W经电阻分压接不平衡负载，每一相负载上的电压，由于负载不同而发生不平衡分配。当三相电源为顺相序时，A点电压会>B点电压，根据运算放大器LM393输出特性，OUT端输出高电平；当三相电源处于逆相序状态时，B点电压大于A点电压，则OUT一端将会输出低电平。

图4 相序检测电路设计

通过电压比较器LM393的输出，可快速可靠地检测三相电机所接入的三相电源是否处于错相故障状态。

2.3 基于MCP6S28采样修正单元设计

强电信号经调理电路转换为弱电信号后，数字信号处理器由于内部ADC模块存在漂移和非线性，使得AD转换结果波动较大，严重时，系统将无法分辨出信号变化，较大程度减小了系统采样的分辨率与精确度。而在本系统中电机保护器所有的故障整定都与电压电流采样值有关，如何得到高精度、无干扰的采样值是故障准确整定的关键。

MCP6S28是美国微芯半导体公司推出的一款零漂移增益数字编程可调的运算放大器。其能通过数字信号处理器的IO口同时选择进行信号处理的通道个数，分别为：1、2、6、8。并能通过改变MCP6S28芯片GAIN寄存器中C0、C1、C2设定值来实现增益可调。具体增益设置如表1所示。

表1 MCP6S28增益设置真值表

采样修正：即在信号放大电路中采用采而在信号较小时，通过SPI通信，设置MCP62S8寄存器的值，从而增大MCP6S28芯片的增益；而信号较大时，减小MCP6S28芯片增益。使得进入数字信号处理器中的电压维持在0～2.5 V，从而达到限幅、提高系统精度及分辨率的目的。

运用这样的方法，能够降低DSP内部ADC模块因漂移和非线性造成的采样误差，提高了系统的采样分辨率与采样精度。

2.4 CAN通信单元设计

CAN总线是被广泛应用的现场总线，是一种多主方式串行通信总线，数字信号处理器TMS320F2812集成了增强型CAN通信接口，传输信号采用短帧格式，并结合CRC校验，大幅增强了系统通信的可靠性。CAN总线通信传输距离长，最远可达10 km，通讯速率快，可高达1 Mbit·s-1[3]。应用时需增加CAN总线收发器，即可实现CAN总线通信。

采用飞思卡尔公司的高速CAN收发器MC34901，MC34901是近年来新型的第三代高速CAN收发器，其具有超低电流消耗、自动监测I/O口电压；该芯片符合ISO11898标准，具有卓越的EMC性能，且无需共模电感或其他外部组件，成本较低。

3 系统软件设计

软件系统主要包括：主程序、A/D转换、数据处理计算、采样修正、CAN通信、报警保护。主程序负责各子程序的初始化和调用。A/D转换模块设置TMS320F2812采样模式，读取结果寄存器ADCRESULTX的值。采样修正模块判断寄存器ADCRESULTX中的值是否过大或过小，通过DSP的IO输入输出口调节MCP6S28内部寄存器，选择合适的增益大小，得到目标值。数据处理模块可读取采样修正后的值，采用中值平均值滤波法处理数据，提高保护器的精确度。

图5 电机保护器程序框图

程序开始时可向DSP发出中断申请，用户通过上位机设定过压、欠压、过载等保护阀值，若各个功能参数数值均在系统设定阈值范围内，向上位机发送 “1”指令表示设定成功，上位机通过CAN 总线查看电机参数并控制电机运转。程序设计流程图，如图5所示。

4 实验结果及结论

为了保证保护器有较高的保护动作精度，在相电压过压、欠压，电流欠载、过载以及三相不平衡实验时，进行了多次采样值的实验测定。并记录了电压测量值、电流测量值以及继电器保护动作时间，如表2和表3所示。

表2 电压采集结果

表3 电流采集结果

由表2和表3所示，该保护器能完成对电压电流值测定，电压最高采样精度为0.3 s，电流最高采样精度为0.3 s，且能灵敏的对过压、过载、欠压、欠载等故障做出保护，平均保护动作时间分别为3.4 s与3.06 s。

模拟断相时电机保护器的工作特性，三相电源电压采集波形如图6所示。

图6 断相时交流电压采集波形

图6所示的波形图中，三相电源C相已发生断相故障，A相B相电压正常采集，此时，相序检测电路输出高电平信号，触发声光报警，并进行保护。断相保护动作时间为1.5 s，错相保护动作时间为1.3 s。

5 结束语

本文设计了一款高精度、多功能的电机保护器，与以往的电子式电机保护器不同，该系统增加了采样修正的方法，实现了电机线路中电压、电流的高精度采集；具备CAN总线通信功能，能实现与上位机进行通讯功能；能对过压、欠压、过流、欠流、断相、错相等故障进行灵敏可靠地保护，实测结果表明该电机保护器精度高达0.3 s，并能在极短的时间内对故障做出判断与保护，满足设计要求。

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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

上海工程技术大学研究生创新基金资助项目(E3-0903-16-01025)

洪炜(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：电气控制等。陈宇晨(1957-)，男，博士，教授。研究方向：智能电网，电力系统运行与控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.004

TM925

A

1007-7820(2017)02-012-04