摘 要：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器以ARMLPC2136芯片為主控核心，充分利用LPC2136強(qiáng)大的功能，以采樣電流及采樣電壓為判據(jù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)是否異常和故障類別進(jìn)行正確的判斷和處理。介紹該保護(hù)器總體設(shè)計(jì)方案、采用的保護(hù)邏輯、系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)成及特點(diǎn)，并給出軟件工作流程。此保護(hù)裝置經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后投入實(shí)際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果，具有良好的市場(chǎng)前景。

    關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器;LPC2136;故障檢測(cè)

    隨著我國(guó)電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)及人民生活正常進(jìn)行的重要保證。因而確保電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行就顯得十分重要。但是在實(shí)際使用過程中，由于電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)本身質(zhì)量及工作環(huán)境等多種因素，電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)過壓、欠壓、電流不平衡、欠載及過流等故障，并由此帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)與研制勢(shì)在必行。

    目前多數(shù)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置仍在使用8/16位的單片機(jī)，由于此類單片機(jī)大部分缺少SPI接口、I2C總線及A/D轉(zhuǎn)換口等功能模塊。如果要進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的性能，則需要通過添加相應(yīng)的芯片進(jìn)行擴(kuò)展。這無形中增加了系統(tǒng)制造成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)產(chǎn)品的體積將隨著芯片的增加而增加。與此相比，本文采用的ARM單片機(jī)由于采用了新型的32 位ARM核處理器，使其在指令系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、調(diào)試技術(shù)、功耗以及性價(jià)比等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)。同時(shí)ARM單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成了大量的片內(nèi)外設(shè), 使其功能和可靠性大大提高。

    一、系統(tǒng)功能特點(diǎn)

    本文設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用了飛利浦公司生產(chǎn)的嵌入式LPC2136芯片為主控核心。LPC2136屬于ARM7系列處理器，是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S核微處理器，其體積小、功耗低，性價(jià)比高。它使用了0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，有效地提高了處理器的利用率；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。而Thumb超精簡(jiǎn)指令集可以在芯片性能基本不受影響的情況下，使程序代碼減少30%。加上其指令大部分在寄存器中執(zhí)行, 從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)算速度。同時(shí)其豐富的片上資源，可以很好得滿足用戶的使用要求。

    正是由于本保護(hù)器使用了LPC2136芯片，使得本保護(hù)裝置在完成傳統(tǒng)保護(hù)功能的前提下，還具有以下特點(diǎn)：

系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤采樣，快速計(jì)算出采樣量的有效值。并根據(jù)有效值和保護(hù)值比較結(jié)果，能迅速對(duì)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和故障類別進(jìn)行正確的判斷和區(qū)別處理。極大地提高了電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性、速動(dòng)性。

    先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。系統(tǒng)支持MODBUS-RTU總線協(xié)議，具有RS-485遠(yuǎn)程通訊接口。通過通訊接口可將保護(hù)器與上位機(jī)相連，既能實(shí)現(xiàn)各個(gè)保護(hù)單元的資源共享，又可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和集中控制，從而為電動(dòng)機(jī)構(gòu)筑了有效的保護(hù)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。

    二、硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為六個(gè)部分：處理器LPC2136、信號(hào)采集模塊、顯示模塊、通訊模塊、控制模塊和按鍵模塊。圖1為電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件結(jié)構(gòu)圖。

    (一)信號(hào)采集模塊
    一方面，為了及時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，需實(shí)時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流進(jìn)行采樣。同時(shí)考慮到電動(dòng)機(jī)多用于環(huán)境惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，周圍存在大量的干擾信號(hào)。因此，本系統(tǒng)在保護(hù)器前端采用了抗干擾性能較強(qiáng)的互感器對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集。這樣在不影響主回路的情況下即實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的完全隔離，又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

    對(duì)電流信號(hào)，本保護(hù)器采用了穿芯式三相電流互感器進(jìn)行采集。電流互感器為定做產(chǎn)品，需根據(jù)所要保護(hù)的電動(dòng)機(jī)額定功率的不同進(jìn)行選擇。本裝置所選用的互感器比值分別為6.3A:10mA，25A:10mA，100A:10mA，400A:10mA。電流采樣電路如圖2所示。

    其中Ia為電流互感器輸出的二次電流值，+1.65V為基值電壓，IaP為保護(hù)通道，IaM為測(cè)量通道。因LPC2136集成的A/D轉(zhuǎn)換器電壓工作范圍為0-3.3V，所以必須對(duì)電流互感器輸出的二次電流值進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換。為此，系統(tǒng)采用+1.65V的基準(zhǔn)電壓并結(jié)合運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換為0-3.3V之間的電壓信號(hào)，然后再將其送至A/D通道。B相電流、C相電流采樣結(jié)構(gòu)與上圖相同。

    對(duì)剩余電流的保護(hù)，本系統(tǒng)采用了兩種方法。一種方法是直接將三相電流互感器輸出的二次電流值連接到系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)放，計(jì)算電流矢量和。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Ia、Ib、Ic分別為電流互感器輸出的二次電流值，運(yùn)放則是作為加法器使用。這種方法成本較低，但是準(zhǔn)確性不高。另一種方法是需外接一個(gè)剩余電流互感器，此種方法檢測(cè)的電流靈敏度較高，它是保護(hù)器增選功能。

    對(duì)電壓信號(hào)，本保護(hù)器選用了電流型電壓互感器對(duì)一路線電壓進(jìn)行采集。
    其中+1.65V為基值電壓，電流型電壓互感器配比為1:1，原電流值為2mA，二次電流值為2mA。信號(hào)經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換后送入LPC2136的AD通道。基準(zhǔn)電壓選擇的原因與電流采樣相同。

    (二)通訊模塊
    本系統(tǒng)具有RS485物理接口，遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)等功能。通訊部分采用了周立功公司開發(fā)生產(chǎn)的通訊集成模塊RSM3485CHT。該模塊內(nèi)部集成電源隔離、電氣隔離、RS-485收發(fā)器及總線保護(hù)器件于一身，具有很好的抗干擾性能。

    LPC2136具有兩個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收發(fā)器接口，圖中應(yīng)用了P0.0管腳及P0.1管腳分別與RSM3485CHT模塊的TXD及RXD相連。模塊的A管腳和B管腳分別與外部裝置相連。

    (三)按鍵模塊
    按鍵模塊分為參數(shù)設(shè)置鍵和復(fù)位鍵。其中參數(shù)設(shè)置鍵由上翻、下翻、返回和確認(rèn)四個(gè)鍵組成，通過這些按鍵可以進(jìn)行面板菜單操作，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。復(fù)位鍵用于故障解除后的復(fù)位或者在緊急停車時(shí)使用。圖5為復(fù)位電路圖。

    智能保護(hù)器中，電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)如電動(dòng)機(jī)型號(hào)、額定電壓、額定電流、歷史故障、從站地址、主站地址、識(shí)別號(hào)等，在斷電的情況下應(yīng)保持。因此系統(tǒng)中采用了CAT1025芯片。它將2K 位的串行E2PROM 和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集于一體，具有I2C串行接口，支持串行總線協(xié)議。其串行口SCL、SDA分別于LPC2136的P0.2、P0.3相連接。同時(shí)，它還兼有復(fù)位功能，其RESET 管腳或者獨(dú)立的復(fù)位輸入管腳MR都可以用作手動(dòng)按鍵復(fù)位輸入。本系統(tǒng)采用了手動(dòng)復(fù)位。

    三、保護(hù)邏輯條件

    本裝置通過對(duì)電動(dòng)機(jī)正序電流、負(fù)序電流、零序電流，及電壓進(jìn)行檢測(cè)，使其與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。系統(tǒng)具體保護(hù)邏輯條件：

    (一)電流速斷保護(hù)
    對(duì)電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重短路故障包括相間短路和三相短路采用電流速斷保護(hù)。如果任一相電流大于速斷電流定值至整定時(shí)間，保護(hù)就報(bào)警或動(dòng)作。
    其中，IΦmax為相電流最大值，Isd為速斷電流定值，T1為速斷時(shí)間定值。

    (二)堵轉(zhuǎn)保護(hù)
    電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流呈上升趨勢(shì)，且要求發(fā)生時(shí)間很短，為此本系統(tǒng)采用正序短時(shí)限保護(hù)。當(dāng)任一相電流大于堵轉(zhuǎn)電流定值至整定時(shí)限，保護(hù)就報(bào)警或動(dòng)作。
   其中，IΦmax為相電流最大值，Idz為堵轉(zhuǎn)電流定值， 為堵轉(zhuǎn)時(shí)間定值。

    (三)過負(fù)荷保護(hù)
    主要防止由過負(fù)荷、不對(duì)稱過負(fù)荷引起、定值斷線等引起的電動(dòng)機(jī)過熱。過負(fù)荷保護(hù)是在各種運(yùn)行情況下，建立電動(dòng)機(jī)發(fā)熱模型，為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)?？筛鶕?jù)正、負(fù)序電動(dòng)機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)熱效應(yīng)的不同，采用正序和負(fù)序電流的等效電流 來模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)
    其中，I1為負(fù)序電流，I2為正序電流，K1為正序電流發(fā)熱序數(shù)，在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)為0.5，起動(dòng)結(jié)束后為1；K2為負(fù)序電流發(fā)熱序數(shù)，一般取為6。
    其中，T為過熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間， 為電動(dòng)機(jī)熱積累常數(shù)，Ieq為熱等效電流，Is為保護(hù)整定動(dòng)作電流。    

    (四)負(fù)序反時(shí)限保護(hù)
    負(fù)序反時(shí)限保護(hù)主要針對(duì)各類非接地性不對(duì)稱故障，包括斷相、匝間短路、相間短路、轉(zhuǎn)子開焊等。其故障主要特征就是會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生2倍工頻的電流，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱大大增加，危及電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。

    負(fù)序反時(shí)限保護(hù)具有和過負(fù)荷保護(hù)相似的特性，其運(yùn)行時(shí)間－電流曲線數(shù)學(xué)模型  
    其中T為動(dòng)作時(shí)間，I2為負(fù)序電流，IS2為保護(hù)整定電流。
    本裝置采用兩段式定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)斷相、定子繞組或引出線不對(duì)稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護(hù)：
    第一段具有高整定值I21（負(fù)序電流Ⅰ段電流定值），短延時(shí)T21（負(fù)序電流I段時(shí)間定值）。
    第二段具有低定值（負(fù)序電流Ⅱ段電流定值），長(zhǎng)延時(shí)T22（負(fù)序時(shí)間n段時(shí)間定值）。