掘進機電動機過載保護的算法優化

朱軍帥 陳輝

摘要：對于掘進機電動機的過載保護，宜采用反時限保護的思想，為在微機計算中實現該思想，引入電流—時間關系式，從而引入發熱常數K;然后根據少量已知的電動機過載保護要求，求得K值的保護限值;對K值進行累加計算，當K值超過限值時即發出電動機保護指令。現對優化后的微機算法代碼進行舉例說明，該算法相較于傳統的分段式算法更為準確，特別是對于動態過載的情況，其效果尤為明顯。

關鍵詞：電動機;過載;微機;反時限;算法

0? ? 引言

對電動機的保護應將溫度保護和熱（電流）保護兩者結合，組成溫度—電流保護，這是一種比較理想的過負荷保護方式[1]。目前，以微機為基礎的熱（電流）保護，以其處理數據靈活、適用范圍廣等特點，得到了越來越廣泛的應用[2]。本文主要討論以微機為基礎的懸臂式掘進機的電動機熱（電流）保護算法。

1? ? 標準算法

礦用懸臂式掘進機電控系統執行標準《懸臂式掘進機 電氣控制設備》（MT/T 971—2005），其中要求對掘進機電動機的過載短路保護應符合表1的規定[3]。

若按照表1所列數據執行，對于1.20倍過載保護和1.50倍過載保護，在微機上的ST語言代碼表達如下：

IF Current_real>（Current_rated*1.20）? THEN

Mid_120：=TRUE;

ELSE

Mid_120：=FALSE;

END_IF

TON_120（IN：=Mid_120，PT：=T#1200S）;

IF TON_120.Q? THEN

Overload_current_120：=TRUE;

END_IF

（*1.2倍過載1 200 s*）

IF Current_real>（Current_rated*1.50）? THEN

Mid_150：=TRUE;

ELSE

Mid_150：=FALSE;

END_IF

TON_150（IN：=Mid_150，PT：=T#180S）;

IF TON_150.Q? THEN

Overload_current_150：=TRUE;

END_IF

（*1.5倍過載180 s*）

IF Overload_current_120 OR Overload_current_150? THEN

Motor_stop：=TRUE;

ELSE

Motor_stop：=FALSE;

END_IF

（*過載后電動機停止*）

IF Reset THEN

Overload_current_120：=FALSE;

Overload_current_150：=FALSE;

END_IF

（*復位*）

備注：Current_real—實時電流;Current_rated—額定電流（整定電流）;Mid_120—1.2倍過載計算的中間變量;Overload_current_120—1.2倍過載;Motor_stop—電動機停止;Reset—復位。

對于表1所述及其在微機上的算法，有兩個問題：

（1）在1.5倍至6倍過載之間，數據缺失，沒有2倍、3倍、4倍、5倍等過載的動作時間。

（2）算法不夠合理。掘進機負載是一直變化的，電流也隨之變化，過載倍數也是一直變化的，那么過載保護的時間也應當是實時變化的，上文分段式算法無法準確反映動態過載的情況[4]。

2? ? 算法優化

對于電流頻繁變化的電動機宜采用反時限電流保護[2]。采用反時限電流保護方法，首先要建立電流—時間的關系式。

電動機短時過負荷時，發熱時間短，發熱量大，電動機繞組在最初發熱時與鐵芯間存在熱絕緣，且鐵芯質量大而發熱緩慢，所以短時過負荷狀態的電動機的發熱狀態應由繞組發熱時間常數T′決定[1]。

額定穩態后的過載保護時間可用下式表示：

式中，t為額定穩態后的過載保護時間（s）;θn為額定穩態溫升（℃）;Δθ為超出θn的溫升（℃）;Tn′為額定穩態時的繞組發熱時間常數（s）;IZ為電流倍數，IZ=I/In。

變形得：

則過載電流倍數與保護時間的關系式為[1]：

采用反時限過流保護算法時，繞組發熱時間常數T′一般應由電動機制造商提供，但國內制造商一般都不提供此數據，我們可以根據制造商提供的其他數據或相應標準來計算[5]。

有多種方法可以計算K值大小，我們可以根據已知的電動機過載負荷能力對K值進行計算，根據表1數據計算K值：

1.2倍過載時：

1.5倍過載時：

二者取小，則K=225。

由此我們可以反推2倍、3倍、4倍、5倍等其他倍數的過載保護時間，如3倍電流過載的保護時間則為：

在變化過載電流條件下，為了在微機中實現電動機過載保護的計算，我們可以對K值進行累加計算，在微機上的ST語言代碼表達如下：

IF Num<5 THEN

Num：=Num+1;

Current_real_sum：=Current_real_sum+Current_real;

END_IF

IF Num=5 THEN

Current_real_average：=Current_real_sum/Num

（*計算5個數據采集周期內的電流平均值，5可調*）

Multiple_current：=（Current_real_average/Current_rated）

K1：=（Multiple_current*Multiple_current-1）*Num*Cycle;

K：=K+K1;

Num：=0;

Current_real_sum：=0;

END_IF

（*計算K值*）

IF K>225 THEN

Motor_stop：=TRUE;

END_IF

IF K<0 THEN

K：=0

END_IF

（*電動機停止*）

IF Reset THEN

Motor_stop：=FALSE;

END_IF

（*復位*）

備注：Num—計數，初始值為0;Current_real—實時電流;Current_real_sum—實時電流求和;Current_real_average—時間元內的電流平均值;Multiple_current—電流倍數;Current_

rated—額定電流;Cycle—實時電流的采集周期;K1—K值計算的中間變量;K—過載K值累加值，初始值為0。

考慮到計算量的問題，所以引入了Current_real_average—時間元內的電流平均值，如果微機計算能力允許的話，時間元應盡量取小，時間元越小則計算結果越真實準確，最小直接取數據采集周期Cycle的大小，此時Num取1。

3? ? 結語

對于掘進機電動機的過載保護，宜采用反時限保護的思想。本文引入電流—時間關系式，對關系式中的K值進行累加計算，當K值超過限值時即發出電動機保護指令，從而將該控制思想融入到了微機上的實際算法中。該算法相較于傳統的分段式算法更為準確，特別是對于動態過載的情況，其效果尤為明顯。

[參考文獻]

[1] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，1997.

[2] 黃彥全，肖建，蔡勇，等.新型微機反時限電流保護時間—電流特性的工程應用[J].電力系統自動化，2003，27（23）：71-73.

[3] 懸臂式掘進機 電氣控制設備：MT/T 971—2005[S].

[4] 牟龍華，邢錦磊.反時限過載保護精確算法[J].電力自動化設備，2008，28（6）：36-38.

[5] 鄭蔚，溫佶強，王寧.數字式電動機過熱保護的整定計算[J].浙江電力，2007，26（4）：30-31.

收稿日期：2019-12-24

作者簡介：朱軍帥（1985—），男，江蘇徐州人，工程師，研究方向：機械電氣自動化。