動態(tài)閃變電壓檢測及電機智能自啟動系統(tǒng)設計

沈文杰 蔣建虎

(洛陽理工學院電氣工程與自動化系，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著自動化控制技術的進步，當今企業(yè)的生產都在向規(guī)模化、專業(yè)化發(fā)展，生產工藝連續(xù)性的控制顯得十分重要。然而，自然界的雷電、線路的短路、接地、大功率設備啟動、供配電系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素等，都會引起電壓瞬間的波動［1］。這種電壓閃變是不可預測的隨機事件，多數(shù)情況下是電壓跌落［2－3］，持續(xù)時間小于1 s，電網波動的幅值小于額定電壓的60%，而較長時間(＞1 s)及較大幅度的電壓閃變有時也會發(fā)生。由于生產系統(tǒng)中運用的對電壓敏感的設備(如可編程控制器(PLC)、變頻調速電機(ADS)等)越來越多，生產線上電機的機械特性也不同，電網電壓瞬間大幅度跌落會引發(fā)電壓敏感控制設備誤動作，導致設備停機或重載電機停轉，從而破壞生產過程中的連續(xù)性和工藝連鎖性，造成生產中斷或產生許多廢品，甚至損壞設備、引起爆炸、火災等事故。即使不發(fā)生事故，企業(yè)也需對生產系統(tǒng)進行全面檢測，從而造成損失。

為此，本文設計了一種電機智能自啟動系統(tǒng)，其可以實現(xiàn)電網電壓經過瞬間的波動恢復正常后，按照生產工藝控制的要求，重新啟動恢復生產或輸出報警信號。

1 閃變電壓特征量的檢測

1.1 閃變電壓的特征描述

電能質量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變率、電壓波動和閃變等40多項指標［4，11］。根據(jù)國際電工委員會(IEC)的有關標準，電壓波動和閃變被作為衡量電能質量的重要指標。當各參量尤其是電壓波動與規(guī)定值的偏差達到一定值時，即會影響電機運轉。通常電壓閃變造成的電壓跌落是由于輸電線路短路故障引起的，大負荷感應電機啟動也會引起電壓跌落。輸電線路故障類型可以分為三相短路、單相接地故障和相間短路3種情況。對三相短路而言，電壓跌落是對稱的，可用電壓跌落的深度和持續(xù)時間來描述。但對于不對稱故障(單相接地短路和相間短路)，各相電壓幅值、相角跳變將各不相同。因此，電壓閃變造成的電壓跌落還伴隨著相角跳變和不對稱現(xiàn)象［5－7］，而且由于供電端變壓器、用戶端變壓器繞組連接方式的不同以及負荷連接方式不同，使得同一個電壓閃變造成的電壓跌落由輸電線路送到不同的負荷時，產生的影響也不同。電壓幅值跌落深度用MF表示，MF=Usag/Uref，其中，Usag為電壓跌落前的有效值，Uref為電壓跌落時的有效值，當發(fā)生不對稱電壓跌落時，特指基波正序分量的有效值。電壓跌落時的相角跳變是指電壓跌落前后的相位角變化，當發(fā)生不對稱電壓跌落時，特指基波正序分量的相位角變化［8－9］。為此，要構建的智能防護系統(tǒng)的檢測算法必須能迅速、實時、準確地檢測出電壓跌落的起止時刻，同時對受控設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并在輸電線路運行出現(xiàn)異常時根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，結合設備及生產工藝要求自動進行恢復操作。

1.2 閃變電壓跌落特征值的檢測

負荷往往對電壓幅值的跌落很敏感。一般的有效值計算方法只注重對電壓幅值的監(jiān)測，但有效值的計算方法至少需要半個周期的過去數(shù)據(jù)。這樣就會引起一定的延時，而不能準確地給出電壓跌落的起止時刻，更不能反映電壓跌落時可能出現(xiàn)的相角跳變和不對稱。若用離散傅立葉分析方法來計算電壓的幅值和相位角，也需要一個工頻周期的數(shù)據(jù)，在電壓跌落時難以保證其電壓值的實時性。

為了保證電壓檢測值的實時性，這里用基于“abcdq”變換的檢測算法，以瞬時確定電壓的有效值。由派克變換，將“abc”坐標下的系統(tǒng)三相電壓變換到“dq”坐標系下，即基波正序分量變?yōu)橹绷鞣至浚撔蚍至孔優(yōu)槎沃C波分量，零序分量仍為零。

設系統(tǒng)三相相電壓為:

式中:ω 為工頻角頻率，ω =2πf=100π;t為時間;φ1、φ2、φ0分別為基波正序分量、負序分量、零序分量的初始相位角。

根據(jù)式(2)和式(3)，要分離出基波正序分量，需先分離出dq坐標系下的直流分量，再求這兩個直流分量的均方根(實際上為基波正序分量的峰值，與標準電壓峰值進行比較，從而判斷電壓幅值是否下降，而幅值下降正是電壓發(fā)生跌落的判據(jù)。

為了克服濾波器的響應延時，保證分離出坐標系下的直流分量的實時性，對這種算法稍作改進，通過下式可以得到其直流分量。

式中:ud'、uq'分別為 ud、uq的微分值。

再進行“dq-abc”變換就可以得到電壓跌落時相電壓的參考值。這種方法就是上面所說的參考電壓幅值為理想電壓幅值，相角為跌落電壓的基波正序分量相角。

這里提出的基于派克變換的改進檢測方法，由于其在dq坐標系下的直流分量的獲得是實時的，因此該算法不僅可以準確地檢測出電壓跌落發(fā)生的起止時刻和電壓幅值跌落的深度，而且可以準確地檢測出基波正序分量相角的跳變。

2 智能防護系統(tǒng)構建

2.1 硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由微控制器系統(tǒng)主板、電能質量檢測板、I/O接口板、用戶操作界面和外圍器件組成。系統(tǒng)的功能結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結構框圖Fig.1 Functional structure of the system

圖1中，基于微控制器的中央控制模塊采用 Phil-ips半導體公司的 P89C662HFA單片機。該單片機的1個機器周期為6個時鐘周期，同樣晶振下運行速度是傳統(tǒng)的80C51的兩倍;采用先進的CMOS工藝制造，是80C51單片機的派生品;指令集在執(zhí)行和時序上與80C51完全兼容;具有4個8位I/O口、3個16位定時/事件計數(shù)器、1個多中斷源、4個優(yōu)先級嵌套的中斷結構、1個增強型UART以及片內振蕩器和時序電路。

電能質量檢測模塊由隔離變壓器、A/D轉換(包括采樣保持)等電路組成。A/D轉換器選用MAXIM公司的MAX197A芯片。該芯片是多量程(±10 V，±5 V，+10 V，+5 V)、8通道、12位高精度的 A/D 轉換器。MAX197A采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口和三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，僅需單一的+5 V供電，轉換時間為 10 μs。

受控設備監(jiān)控模塊的輸入信號主要是受控設備運行狀態(tài)的開關量信號。該模塊由并行I/O接口電路、光電耦合隔離電路、功率驅動電路和中間繼電器電路組成。受控設備的運行狀態(tài)由其原有的主控電路(如電動機主接觸器的輔助觸點)直接引出。通過設備本身的操作電路或裝置對受控設備進行重啟動操作。為了保證本系統(tǒng)不會受到電網運行狀態(tài)的影響，通過不間斷電源為系統(tǒng)供電。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于系統(tǒng)的功能組合。系統(tǒng)軟件包括主程序、電能質量檢測模塊、系統(tǒng)參數(shù)設置模塊、受控設備監(jiān)控模塊和顯示及打印模塊等。

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化以及裝置自檢等任務。系統(tǒng)初始化部分包括各個 I/O端口輸入輸出設置、中斷設置、外圍驅動及譯碼電路的設置、數(shù)據(jù) RAM的初始化等。電能質量檢測模塊的功能主要是對兩段母線的電壓值進行檢測，以判斷電網是否有“閃變”發(fā)生。

A/D轉換芯片MAX197A的輸入量程選為0～5 V。MAX197A芯片的時鐘范圍在0～2 MHz，采用內部時鐘工作，選用內部基準電壓。編程要求每次將兩段母線的6路電壓模擬輸入信號依次采集一遍，此時采用等待查詢方式。

在額定工頻50 Hz交流電信號的0.5周期(0.01 s)內，進行N(N=20～50)次采樣，每路得到N個電壓瞬時值，并由此計算各路的電壓有效值。軟件充分考慮MAX197A的工作時序，需要考慮采集時間和變換時間以及各控制信號之間的時序關系。A/D轉換程序流程如圖2所示。

圖2 A/D轉換程序流程圖Fig.2 Flowchart of A/D conversion program

電能質量檢測模塊對兩段母線電壓值的檢測，通過定時中斷方式計算各路電壓有效值，0.5個周期(0.01 s)計算一次，并根據(jù)檢測、計算的數(shù)據(jù)對受控設備進行相關操作。檢測處理程序流程如圖3所示。

圖3 檢測處理程序流程圖Fig.3 Flowchart of detection processing program

3 結束語

本文提出了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動起止時刻和有效值，并依此設計了智能自啟動防護系統(tǒng)。實際應用證明，系統(tǒng)在對大規(guī)模連續(xù)性生產企業(yè)雙回路電網進行實時監(jiān)測過程中，若電網出現(xiàn)閃變，可在電網恢復正常的瞬間(0.01 s)將因閃變而停機的受控設備按照工藝要求分批重新啟動，驗證了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動起止時刻和有效值方法的正確性和實用性。

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