基于共享RAM的電動機保護裝置的設計

洪廣焦

（正泰電氣股份有限公司，上海，201614）

0 引言

隨著集成電路技術的快速發展，ARM，DSP芯片大量應用于微機保護。其中以DSP+ARM[1]的雙核硬件架構為主流。將管理和保護等功能分開，ARM實現人機交互、與上位機通信等功能；DSP實現電氣量的采集、變換、邏輯運算、控制等功能。這樣的系統特點是功能按CPU分，能夠實現故障定位到板，開發保護功能方便，但不易實現測量功能，各CPU間連接線多，會影響系統的可靠性，近幾年國內外出現多CPU用LVDS總線鏈接，實現每個插件實現各自功能，因而維護檢修方便，但是總線抗干擾能力強，設計要求高，成本也高。不適合35KV及以下的網外市場，而本文提出了一種，利用共享快速存儲并采用集成測量芯片的架構實現電動機保護裝置的設計方案，他繼承了一部DSP+ARM的功能按CPU分的優勢，又擺脫了設計LVDS的設計難度，同時實現低成多CPU之間快速數據傳輸。

1 電動機保護裝置系統設計

電動機保護裝置采用了DSP+ARM+計量芯片的機構設計，CPU之間通過共享FRAM實現數據傳輸。從而減少處理器和存儲器的線路連接便于功能刪減。而計量芯片作為ARM的外設通過SPI讀取數據。為了實現功能模塊化，芯片按功能被定義為管理芯片，保護芯片，測量芯片。芯片又可分細分為人機界面模塊、上位機通信模塊、校時間模塊；保護芯片包含采樣模塊，數據處理模塊、保護邏輯模塊；測量包含測量數據和計量數據。

這其中，最難的是保護。因為保護芯片中的數據處理模塊和邏輯模塊，包含了模型保護。它是指采用前沿的電機保護理論實現電機的等效保護。如反時限過流算法，過熱保護等。狀態檢測模塊可分為電機運行狀態和電機外圍電路狀態，通過監測電機以及外圍電路的狀態實時準確的實現電機保護，減少誤動作。

電動機保護裝置保護功能主要包含、過流、零序過流、反時限、低電壓保護、過電壓保護、過負荷、啟動時間過長、負序過流、過熱保護，本文重點介紹核心保護算法反時限和過熱保護。

2 硬件模塊系統化設計

動機保護裝置硬件采用了STM320F107作為管理芯片，TMS320F2802[2]作為保護芯片，ATT7026A作為測量芯片。所有芯片功能都可劃分為輸入，處理，輸出三個過程模塊。其中輸入可分為人機接口輸入、數據輸入為、模擬量輸入和開關量的輸入，處理可分為顯示處理、保護功能處理和測量功能處理，輸出可分為人機接口輸出，通信數據輸出、保護動作和信號輸出。

其中，管理芯片模塊、保護芯片模塊和測量芯片模塊都由各自的最小系統構成，相互之間通過共享RAM實現如圖1所示。

電動機保護裝置的采樣電路，主要是采集電機運行的三相電流、三相電壓、零序電流、零序電壓等模擬量和多路開關量等。模擬量采集電路主要由互感器和A/D芯片構成，開關量采集電路主要由降壓電阻和光電隔離元件組成如圖2所示。

圖1 顯示模塊電路框圖

圖2 采樣電路原理框圖

電動機保護裝置采用了共享RAM的方式實現保護芯片和管理芯片的數據傳輸如圖3所示。

圖3 CPU 系統電路原理框圖

電動機保護裝置的控制電路主要由保護跳閘電路和信號開出電路組成，保護跳閘電路主要由繼電器和防互鎖路組成，信號開出電路主要由開出信號繼電器組成如圖4所示。

圖4 開出電路原理框圖

BTJ——保護跳閘繼電器；BHJ——保護合閘繼電器；XHJ——信號繼電器；F1、F2——互鎖反饋信號。

3 軟件核心算法設計

3.1 標準反時限保護的實現及測試對比

反時限保護，是電動機保護中很重要的保護方式之一。它是隨過流值的增大而減少動作延遲時間的一種算法。這種保護方法的準確與否和反時限計算的準確有著密切的關系。目前行業內設四種模式的相電流反時限保護。但是標準反時限是最難準確實現，如式1所示：

其中，k －反時限系數；Is －啟動電流。

目前行業內實現反時限算法主要由三類，直接數據存儲法、曲線擬合法、神經網絡法。最常見的是直接數據存儲法。就是先通過現場試驗得到反時限過流跳閘數據。隨著電流增加跳閘時間減少的一組離散時間數據，通過查詢存儲表的形式來做跳閘判斷。這種方法的特點是計算量小，可靠性高、容易實現。缺點是數據量大，一般在低壓保護中使用。神經網絡法是一種解決非線性關系的有效算法，但是由于算法復雜度大，不適用于微機型嵌入式保護裝置。而曲線擬合法是目前微機保護最適合采用的反時限保護算法。首先IEC明確的反時限保護算法模型，就是采用這種算法描述。國內等標準基本性能指標用IEC25[3]，因此只要我們所設計的產品滿足IEC反時限標準，就是滿足國標。現詳述保準反時限速實現。經過研究，目前采用兩種方法來實現。

方法一是通過存儲 f (I) = ( I Is)0.02每隔一定的間距，存儲數據，然后用線連接這些數據點實現。這種方法實現簡單，運算速度快（都是一次函數），缺點是動作時間精度稍低，存儲數據量大，應用于380V和660V低壓電動機保護可以滿足需求（反時限動作保護最高只要求做到8倍）。

圖 5 I/Is0 02 數值分布圖

從圖5可以看出來，3倍電流以前，曲線的斜率比較大，而隨著倍數的增加曲線數據斜率越來越小，也就說明3倍電流以后數據變化不大，因此編程中可以利用這一特性減少預先存儲表的大小，4倍前采用0.1為間隔，4倍后采用0.5為間隔。

方法二是通過泰勒展開。因為 f (I) = ( I Is)0.02項，在反時限過流保護啟動并累加積分的過程中 I ＞Is=>IIs＞ 1 。可以 I Is分解成一個整數和一個純小數的，如式（2～4）所示[4]：

反時限時間誤差，國標要求滿足±5%（1-I/80×IB）或±40ms(I為動作電流值，IB為基準電流),或動作電流I與計算電流Ic誤差:土2.5%或土0.02In，Ic由動作時間經反時限公式計算值[6]。

測試條件：測試溫度為20℃，相對濕度為55%，K=100，啟動電流為1A。測試結果見表1[7]所示。

表1 一般反時限過電流保護測試數據

3.2 過熱保護實現及測試對比

目前普通的電動機保護器，缺乏對電動機運行的環境或電動機本身的熱容量等因素的影響.電動機是否需要保護其根本的判斷依據應該是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度，在相同電流的情況下，對于環境溫度高的電機其燒毀的可能性顯然要大于環境低的電機，這就說明單純通過電流的大小來判斷電機是否跳閘并不是十分科學的，不能達到對電機在各種環境下的完全保護容易產生誤動或拒動.基于這些原因，對電機繞組的溫升特性實行數學建模、仿真，設計出電機繞組的合適溫升模型非常必要。電動機過熱保護是指電動機在故障運行時會產生熱量超出了電機本身的承受，造成電機的不可逆燒毀，把電動機看成是一個等效電流的發熱體，我們可以根據物體發熱原理，通過電流等效設計以電流為變量的溫升方程。如圖6，定性示意了電機溫升過程。

圖6 電機動機在不同狀態溫升示意

過熱保護跳閘后，裝置的熱記憶功能起動，禁止電動機再啟動。跳閘接點和過熱動作信號接點保持動作狀態，直到熱積累衰減到規定值才返回。緊急情況下要求立即起動，可通過裝置的熱復歸開入量強制將熱積累值清零。

過熱保護傳統算法中，假設異步電動機在額定工況時處于熱平衡狀態，向環境散熱功率始終等于此時的銅損熱量等效值 Δ PN=，而在過負荷情況下，時間Δt內，銅損熱量等效值 Δ Pov=，引起定子繞組溫升Δθ，如式（5）所示：

式中，Cr導體的熱容量；C導體的比熱容；m導體的質量。

對應于過負荷電流，Is=Iov/IN，在允許溫升Δθ=θmθN下的允許過負荷時間t，如式（6）所示：

式中，θm，θN分別為定子最大允許溫度和額定工況溫度。

因為實際過負荷溫升過程中的散熱大于ΔPN，允許過負荷時間將大于上式中的t，故在（6）式中引入修正系數α，它與定子繞組的溫升、散熱特性有關，一般α＝0.05，則修正后的反時限特性，如式（7）所示：

式中，Is是當前電流和額定電流的比值；α引入修正系數。A還可以通過不同電動機實際運行的熱負荷算出來，一般可根據電機的熱特性保護曲線計算，或由電機廠商提供。

在實際應用中發現，電動機產生的熱量還和負序電流有關，尤其是負序電流大的生產環境中，負序過流產生的熱量比正序電流產生的電流還要大幾倍。因此，在過熱保護中，新算法考慮到電動機正序電流和負序電流產生的綜合熱效應、熱積累過程和散熱過程，引入了等值發熱電流 Ieq，如式（8）所示：

式中，K1= 0 .5，啟動過程中，防止電動機正常啟動中保護誤動；K1= 1 .0，啟動結束后；K 2 = 3 ～10，負序發熱系數，模擬 I22的增強發熱效應，一般可取為6；I1－正序電流分量；I2－負序電流分量。

保護動作方程，如式（9）所示：

式中，Ieq－電動機等值發熱電流；Ie－電動機額定電流；τ1－電動機熱積累定值，即發熱時間常數；t－動作時間。

散熱時，當電機停止時，其散熱按指數衰減是按停機時發熱等效值乘 e-t/T其中：T為電動機散熱時間常數。當電機正常運行時（包括電機在某段時間內過載，溫度上升，但未到跳閘，其后電機又恢復正常運行的情況），穩態發熱等效值等于實際電流除以額定電流乘以額定等效值。當前發熱等效值等于穩態發熱等效值加超過穩態發熱等效值按指數衰減后的值。當運行時，散熱時間常數是停機時的一半。當電機運行電流超過過載保護定值電流時，其熱等效值按電流的平方關系增加，在此期間只計算發熱，即熱容只增加，不衰減。當發生保護跳閘后，其發熱等效值按指數衰減，當前發熱等效值等于跳閘時發熱等效值× e-t/T。當熱積累設定值時，過熱保護動作跳閘后，不能立即再次起動，要等到電動機散熱到熱報警水平的50% 以下時，才能再起動。

低電壓電動機保護裝置中，過熱保護又被稱為過載保護，和中、高壓中的繼電保護中所稱的過熱保護原理一樣，是通過建立電流和電機發熱的關系實現電機過熱測量，并實現保護跳閘的一種保護。

測試條件：測試溫度為20℃，相對濕度為55%，K1=1，K2=6啟動電流為1A。測試結果[7]見表2所示。

表2 過熱保護動作時間測試數據

4 結論

本文通過學習研究目前行業內外電動機保護技術，研發了一款適合本公司市場需求的電動機保護裝置。尤其對行業內存在的技術難點做了深入的研究。