低压智能电动机保护器的可靠性设计方法解析

发布时间：2009-11-05 作者：朱煜铭,陆伟青, 朱文灏

        0　引　言
        电动机作为一种拖动机械,因其具有结构简 单、价格低廉、使用维护方便等优点,在各个领域 被广泛采用。随着电子技术的发展和智能电动机 保护器技术的成熟,其普及率越来越高。
        智能电动机保护器采用微处理器技术,解决 了传统的热继整定粗糙、不能实现断相保护,重复 性差、测量参数误差大的缺点。保护器通过电流 来判断断相故障,软件模拟热积累过程的方法来 实现过载保护,保证了电机的可靠运行,而微处理 器强大的扩展性包括开关量输入、继电器输出, 4～20 mA变送输出、RS2485通信等很好地满足了 控制系统的“四遥”功能。
        电动机保护器提高了电动机运行的可靠性和 系统智能化要求,因此保护器的可靠运行起着举 足轻重的作用,同时也对保护器抗外界干扰提出 了比较现实的要求。下面就从硬件和软件两个方 面提出可靠性设计。
        1　硬件可靠性设计
        1. 1　微处理的选择
        采用Freescale 公司的高性能处理器 MC9S08AW60。MC9S08AW60 是Freescale 公司 生产的一款基于S08内核的高度节能型处理器, 是第一款认可用于汽车市场的微控制器,可应用 在家电、汽车、工业控制等场合,具有业内最佳的 电磁兼容( EMC)性能。
        1. 2　电源端滤波处理
        利用电磁原理进行硬件电路滤波是提高保护 器EMC的有效方法。线路如图1所示,经热敏电 阻t、压敏电阻RV1、电感L1、L2、差模电容C1、共模 电感L3、共模电容C2、C3 组成的两级滤波处理, 很好地隔离了电源端的输入和输出干扰。PTC热 敏电阻器主要用于过流过热保护,直接串在负载 电路中,在线路出现异常状况时,能够自动限制过 电流或阻断电流,当故障排除后又恢复原态,俗称 “万次保险丝”。根据线路的最大工作电流来确定选择。压敏电阻主要用于吸收各种操作浪涌及 感应雷浪涌过压保护,以防止这类过电压干扰或 损坏各种电路元件。根据设计,经受的浪涌电压 按照最大允许使用电压和通流容量来选择。其 中, L1、L2、C1 为抑制差模干扰, L3、C2、C3 为抑制 共模干扰。L1、L2 铁心应选择不易饱和的材料及 M2F特性优良的材料。按照IEC2380安全技术指 标推荐,图中元件参数的选择范围为: C1 = 0. 1～2 uF; C2、C3 = 2. 2 ～33 uF; L3 为几个或几十毫亨, 随工作电流不同而取不同的参数值。
        按照式(1)计算C2、C3 的容量:

        式中: Ii ───允许的交流漏电流;
        f───电源频率;
        U───电源供电电压。
        

        图2、3分别为电源端未使用和使用滤波器, 并利用瑞士TRANSIENT 2000EMC测试仪1 000 V 100 kHz,在0. 75 ms条件下的EFT群脉冲试 验,从TEXtronix TDS1012B 捕抓到的信号比较, 未使用滤波处理的电源输出端产生了尖峰脉冲, 会导致微处理器复位,甚至死机。
        1. 3　信号端处理
        谐波和电磁辐射干扰会导致保护器误动作,
        使电气仪表计量不准确,甚至无法正常工作。在 电动机控制回路中该类干扰源为变频器和现场对 讲机。解决方法有:一是信号输入线胶合,胶合的 双胶线能降低共模干扰,由于改变了导线电磁感 应的磁通方向,使其感应互相抵消;二是内部线路 处理,见图4。采用双差分输入的差动放大器,具 有很高的共模抑制比。在输入回路中采取接RC 滤波器、信号的输入和输出端使用专用器件、降低 输入输出阻抗、可靠接地和合理屏蔽等措施。
        

        1. 4　保护输出端处理
        输入输出端采用光电隔离的方法,也可以消除共模干扰,同时在保护继电器的输出端并接压 敏电阻,有效地提高了继电器的寿命,也降低了由 于外部接触器动作对内部的干扰。考虑到客户使 用控制电压的不确定性和接触器线圈容量,确认 使用MYG14D821,如图5所示。

        1. 5　外部存储技术和看门狗保护电路
        使用外置存储芯片X25043, SPI接口。微处 理器内置SP I控制模块,外部存储技术保证了运行状态和事件的记录。低电压复位和外部看门狗 提高了保护器的可靠性。
        1. 6　主体与显示单元通过RS2485连接 考虑到使用环境的特殊性和要求的多样性, 主体与显示单元之间连接也采用RS2485 Modbus2 Rtu协议,提高了显示与控制的可靠性。
        2　软件可靠性设计
        2. 1　实时多任务的调度
        保护器起着保护电动机的重任,对它的要求 是既不能误动,也不能拒动,而且必须快速。实时 多任务的调度实际是通过时间片的轮换实现宏观 上的多任务效果。对于保护器而言,存在着三个 重要任务:等间隔的交流采样,根据算法得到稳态 与暂态电量数据;根据得到的数据判断故障,故障 计时、清零和脱扣输出;人机交互界面。图6以一 个周波T = 20 ms, 32点采样为例(考虑到快速除 法) , 32次采样总时间为3. 2 ms,数据计算时间为 9. 72 ms, 计时0. 36 ms, 则人机交互的时间为 6172 ms。这样的任务调度既满足了保护的实时 性要求,又较快地响应了参数设置。
    

        2. 2　交流采样、数字滤波
        对于交流正弦信号,一个周期的电压有效值 为:
        根据电工原理中连续周期交流信号有效值的 定义,将连续信号离散化,用数值积分代替连续积 分,从而得到有效值与采样值之间的关系。离散 化得到:

　同理:

        在对信号多次采样的基础上,通过软件算法 提取最逼近真值的数据。这种算法计算连续周期 的交流信号,精度高,抗波形畸变能力强。在使用 该算法时,也可同时采用连续平均值法、中值算法 等数字滤波,提高保护器的抗干扰能力。
        2. 3　软件陷阱
        程序固化在微处理器的存储器中,由编译器 统一安排,但设计时,设计人员考虑到产品的扩展 性,一般留有余量,也因此总有些存储空间会未被 使用。当微处理器的PC指针因为干扰被错置 时,系统就会出错。软件陷阱就是在不用的存储 空间、中断入口、子程序后加入强制跳转指令,让 出错的PC指针恢复正常。
        3　结　语
        本文针对低压智能电动机保护器在实际使用 中遇到的各种EMC问题,根据微处理器系统的特 点,从硬件和软件两个方面,提出了抗干扰方法, 获得了良好的EMC性能。