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基于MCF51EM256的智能電動機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

瀏覽次數(shù):988更新日期:2014-04-28

郭浩1   李紅軍2   陸偉青3

(1. 郭浩,安科瑞電氣股份有限公司       上海嘉定   201801)

(2. 李紅軍,北方特種能源集團(tuán)西安慶華     西安 710025)

(3. 陸偉青,安科瑞電氣股份有限公司     上海嘉定   201801)

摘要:采用Freescale公司Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256芯片,設(shè)計(jì)了一款高性能的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器,并對該保護(hù)器的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。該保護(hù)器集眾多保護(hù)功能于一體,提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性,減少了因電動機(jī)運(yùn)行故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵字:智能電動機(jī)保護(hù)器、MCF51EM256、ARD2L、保護(hù)時間

0 引言

現(xiàn)代工礦企業(yè)中,以電動機(jī)作為動力的比例占全部動力的90%以上,它們已是當(dāng)今生產(chǎn)活動和日常生活中zui主要的原動力和驅(qū)動裝置[1,2],為此檢測與保護(hù)電動機(jī)的正常運(yùn)行有著非常重要的意義。保護(hù)器經(jīng)歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機(jī)保護(hù)器,zui后發(fā)展到數(shù)字電子式電機(jī)保護(hù)器即當(dāng)今的智能電機(jī)保護(hù)器。本文設(shè)計(jì)了一款針對電動機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等情況進(jìn)行保護(hù)的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱ARD2L),可提高電動機(jī)運(yùn)行的安全性,降低生產(chǎn)損失,是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品[3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

ARD2L的硬件電路包括主控芯片MCU,頻率信號、電流信號、零序電流信號采集電路,開關(guān)量輸入模塊,繼電器輸出模塊,變送輸出模塊,RS-485通訊接口,人機(jī)交互單元(狀態(tài)指示燈、數(shù)碼管/液晶顯示),硬件電路框圖如圖1所示。

圖 1 ARD2L硬件電路框圖

 

1.1 主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256,時鐘頻率zui高可達(dá)50.33MHz,內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個獨(dú)立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內(nèi)置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源,具有*的性價比。

1.2 電源 

電源是設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分,ARD2L采用安科瑞的通用開關(guān)電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V~265V,輸入頻率45Hz~60Hz,具有多路隔離電壓輸出,滿足多種功能對不同供電電壓的要求。其輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,輸出紋波 <1%;電源輸入部分設(shè)計(jì)加入壓熱敏電阻、TVS管、防反接二管等器件,對過壓、過流等有一定的保護(hù)作用,同時能使產(chǎn)品通過嚴(yán)酷的EMC測試。該模塊經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際使用,具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力[4]。

1.3 信號采集電路

信號采集電路負(fù)責(zé)采集電流信號、頻率信號和零序電流信號。其中,電流信號采用互感器隔離輸入,將交流信號抬高后送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算,電流采樣電路如圖2所示。以A相6.3A規(guī)格為例,采用的電流互感器變比為100A:20mA,5P10保護(hù)型。該方案電流測量在1.2倍范圍內(nèi)達(dá)到0.5S精度,在8倍范圍內(nèi)滿足5S精度,而其過載能力按8倍計(jì)算,即給互感器加上50.4A電流,通過取樣電阻R1的電流為10.08mA,兩端電壓為0.886V。同時,給采樣信號抬高電壓UREF=1.2V,使交流信號的幅值大于零,便于A/D采樣;在電路的輸出端加入限壓二管,使輸入電壓限制在3.3V以下,能對A/D采樣通道起到很好的保護(hù)作用。

圖2 電流采樣電路圖

頻率采樣電路如圖3所示。該電路采用MCP6002雙運(yùn)放進(jìn)行兩級放大,初級放大倍數(shù)較小,且在初級與次級之間進(jìn)行濾波處理,次級運(yùn)放將交流信號整形為方波信號,通過邊沿觸發(fā)方式捕捉,然后在CPU內(nèi)部計(jì)算測量頻率。

圖3 頻率采樣電路圖

1.4人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面的顯示采用數(shù)碼管或液晶兩,用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇顯示方式,輸入采用按鍵方式。其中,數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式,其驅(qū)動電路采用74HC595和三管構(gòu)成;液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點(diǎn)陣中文液晶,其數(shù)據(jù)傳輸采用SPI串口,可大地節(jié)省CPU資源。同時,LED和LCD顯示采用同一個SPI接口控制,使得兩種顯示方式可以通用。

1.5 控制模塊

控制模塊主要由開關(guān)量輸入、輸出組成,如圖4所示。其中,開關(guān)量輸入用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關(guān)狀態(tài)和采集現(xiàn)場的工業(yè)聯(lián)鎖狀態(tài),也可根據(jù)客戶要求用于電動機(jī)的起??刂?;開關(guān)量輸出主要用于輸出脫扣信號、報(bào)警信號和遠(yuǎn)程起/停信號。

圖4 開關(guān)量輸入輸出電路

1.6 通訊/變送模塊

通訊模塊采用RS-485模塊Modbus RTU通訊規(guī)約,能實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。而變送是將我們需要的電流信號轉(zhuǎn)換為DC 4~20mA模擬量輸出,方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 軟件設(shè)計(jì)

ARD2L的軟件設(shè)計(jì)主要采用嵌入式C語言,其中保護(hù)器軟件設(shè)計(jì)包括每次上電系統(tǒng)配置的初始化,按鍵寄存器復(fù)位,判斷顯示單元是數(shù)碼還是液晶,繼電器置位初始狀態(tài),A/D采樣初始化以及電參量的計(jì)算與保護(hù)等。軟件的主函數(shù)如下:

 void main(void)                    

{

  DisableInterrupts;                     

  MCU_initi();                                  //CPU初始化                              

      if(_RES==0)                                 //判斷是數(shù)碼管或液晶顯示

    led_or_lcd=0;                 

  else

  {

    led_or_lcd=1;                 

    PTBDD_PTBDD2=1;         

    PTDDD_PTDDD4=1;          

    lcd_init2();

  }

  recover_FIRSTFLAG();              //恢復(fù)內(nèi)存校表數(shù)據(jù)                         

  if(FIRSTFLAG!=0x1234)

  else recover_byte();

   initi_uart2();                                

  relay_all_initi();                 //繼電器至位初始狀態(tài)

  EnableInterrupts                             //啟動中斷

   Vref_init();                    

  sampling_init();                 //AD采樣初始化

  for(;;)

  {

    __RESET_WATCHDOG();              

    if(over_flag==1)                     //計(jì)算及保護(hù)

    {

      over_flag=0;

      measure_ABC();        

      protect();

      sent();                                   // 變送輸出

    }

       measure_frequency_a();             // 測頻

    rtc_time_deal();                        

    warning_deal();

    trouble_deal();

    program1();                              // 繼電器可編程處理

                   

    event_deal();                             

    getkey();

    DI_read();

    reset();                                     // 復(fù)位

    lamp_deal();                            

    stat();                                     // 統(tǒng)計(jì)總運(yùn)行時間、停車時間

        display();                                  // 測量數(shù)據(jù)和保護(hù)事件顯示       

  }

}

ARD2L的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計(jì)算程序、保護(hù)處理程序、各種通訊協(xié)議處理程序等,部分程序流程如圖5。

圖 5 主程序流程圖(部分)

3 測試結(jié)果與精度驗(yàn)證

3.1電流準(zhǔn)確度測試結(jié)果

電流準(zhǔn)確度測試源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采樣變送器,其中對基波的測試是通過加40%畸變率的3次諧波進(jìn)行的。表1測試了6.3A規(guī)格的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器三相電流的值與基波值,由表中數(shù)據(jù)可看出,ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器在10%~120%Ie測量范圍內(nèi)的精度滿足0.5級,Ie為電機(jī)額定功率[5]

表1 ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器三相電流測試結(jié)果

指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)值

6.3A規(guī)格

A相

B相

C相

基波

基波

基波

電流

0.63

0.62

0.59

0.64

0.59

0.62

0.58

6.3

6.29

5.91

6.31

5.92

6.29

5.89

7.56

7.54

7.05

7.55

7.06

7.54

7.03

 

3.2保護(hù)時間測試結(jié)果

ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等保護(hù)功能,根據(jù)JB/T 10736-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了保護(hù)時間測試,見表2。

表2 ARD2L保護(hù)時間測試結(jié)果

起動超時:

脫扣延時(S)

0.1

10.0

999.9

*次

0.110

9.950

993.882

0.117

9.965

993.859

第三次

0.119

9.961

993.872

 

阻塞保護(hù):脫扣域值(250%)

脫扣延時(S)

0.1

5.0

600.0

*次

0.122

5.031

596.455

0.128

5.037

596.458

第三次

0.134

5.043

596.431

 

欠載保護(hù):脫扣域值(50%)

脫扣延時(S)

0.1

5.0

600.0

*次

0.130

5.012

596.401

0.134

4.996

5.96.393

第三次

0.129

5.015

596.349

 

 不平衡保護(hù):脫扣域值(30%)

脫扣延時(S)

0.1

5.0

600.0

*次

0.126

5.003

596.400

0.131

5.009

596.362

第三次

0.121

5.007

596.354

 

接地/漏電保護(hù):脫扣域值(80%或30mA)

脫扣延時(S)

0.1

0.5

600.0

*次

0.117

0.519

596.444

0.124

0.528

596.432

第三次

0.135

0.517

596.416

 

 短路保護(hù):脫扣域值(500%)

脫扣延時(S)

0.1

10.0

600.0

*次

0.135

9.973

596.564

0.133

9.969

596.472

第三次

0.136

9.967

596.526

 

 斷相保護(hù):

脫扣延時(S)

0.1

1.0

600.0

*次

0.124

1.036

596.456

0.138

1.033

596.382

第三次

0.132

1.035

596.179

 

 外部故障:

脫扣延時(S)

0.1

5.0

600.0

*次

0.126

4.976

595.711

0.112

4.989

595.801

第三次

0.124

4.988

595.836

 由表2可知,該保護(hù)器滿足脫扣延時保護(hù)時間誤差為±10%或100mS的精度要求[6]。

4 典型應(yīng)用

采用直接起動模式的ARD2L智能電動機(jī)保護(hù)器接線如圖6所示。其中,電機(jī)的起停是通過現(xiàn)場按鈕來控制的(保護(hù)器本身不控制電機(jī)起停),接觸器KM的吸引線圈串進(jìn)脫扣繼電器的常閉觸點(diǎn)。通電后,按下起動按鈕SF 時,KM吸引線圈得電,使KM主觸頭閉合,電動機(jī)開始工作;按下停車按鈕SS時,KM吸引線圈失電,使KM主觸點(diǎn)釋放,電機(jī)停止工作。遠(yuǎn)程起動要由上位機(jī)來控制,保護(hù)器本身不控制。

圖6  ARD2L電機(jī)保護(hù)器直接起動模式接線圖

5 結(jié)束語

本文采用EM256設(shè)計(jì)了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機(jī)保護(hù)器,并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹,通過軟件主函數(shù)和流程圖分析了保護(hù)器運(yùn)行過程。電流準(zhǔn)確度與保護(hù)時間的測試結(jié)果表明,該保護(hù)器具有優(yōu)異的測量與保護(hù)功能。

 文章來源:《電工技術(shù)》2014年 第3期

參考文獻(xiàn):

[1]  馬新軍,電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì),碩士學(xué)位論文,東北大學(xué),2005.

[2]  丁金磊,基于ARM的電動機(jī)綜合保護(hù)器裝置設(shè)計(jì),碩士學(xué)位論文,2008.

[3]  安科瑞電氣股份有限公司,ARD2智能電動機(jī)保護(hù)器選型手冊,2013.

[4]  任志程,周中,電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社,2007.

[5]  ARD3系列智能電動機(jī)保護(hù)器,上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),Q/TDEI 27-2011

[6]  JB/T 10736-2007 低壓電動機(jī)保護(hù)器.