基于AVR单片机的矿用智能型电机保护器的研制.pdf

第 3期 2 0 0 7 年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO 3 J u n 2 0 07 文章编 号 ： 1 6 7 1 2 5 1 X( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 5 1 一O 3 基于 A VR 单片机的矿用智能型电机保护器的研制 余道 洋， 张传伟， 郭 卫 ( 西安科技大学机械学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要 ： 文章介绍 了一种采用 AT ME G8单片机设计的矿用智能型电机保护器 。 保护器的更新换代产品， 它除保留原产品的基本保护功能外， 还具有智能保护的功 具有较高的性价比和市场推广价值 。 关键词 ： 矿 井； 电机 ； 智能型保护装置； AVR单片机 中图分 类 号 ： T D 6 1 4 文献 标识 码 ： B 该产 品 是 传 统 J DB 系列 能 。 实际应 用表 明该 产品 De v e l op me n t o f I n t e l l i ge nt Pr o t e c t o r o f M i ne M o t o r Ba s e d o n AVR Si n gl e c hi p M i c r o c o mp ut e r YU ( M e c h a n i c a l Co l l e g e o f Da o ya ng， ZH ANG Chua n we i ， GUO W e i Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e& Te c h n o l o g y，Xi a n 7 1 0 0 5 4，Ch i n a ) Abs t r a c t ： The pa pe r i nt r o duc e d a ki nd o f i n t e l l i g e n t pr ot e c t or o f m i n e m o t or whi c h wa s d e s i gn e d by ATM E G8 s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r Th e p r o d u c t i s a r e n e w p r o t e c t o r o f t r a d i t i o n a l J DB s e r i a l p r o t e c o t r whi c h h a s c ha r a c t e r i s t i c s o f i nt e l l i ge nt p r ot e c t i on f unc t i o n e x pe c t f or r e t a i ni ng pr i ma r y p r o t e c t i on f un c t i o n The pr a c t i c a l a ppl i c a t i on s howe d t ha t t h e p r ot e c t o r h a s hi g h r a t i o o f p e r f or m a nc e a n d pr i c e a nd hi gh v a l ue o f ma r ke t p opu 1 a r i z a t i o n Ke y wo r d s： mi ne，mot o r，i nt e l l i ge nt pr o t e c t or ，AVR s i ng l e c hi p mi c r o c o mput e r 0 引言 煤矿井下粉尘大 、 通风差、 湿度大、 环境恶劣 ， 使 用 的电机需 要 经 常重 载启 动 和 点 动 ， 因此 电机 的损 坏率 比较高。目前 矿井 中使用 的电机保护装置 ， 智 能型电机保 护器 比较少 ， 大 多数是 J D B系列 保 护 器 ， 该系列综合保护器多为分立元 件属非数字化设 备口 ， 普遍存在 自动化程度 不高、 保护范围有限 、 精 度较低 、 功 能不 全 等缺 点 。 由于集成电路特别是嵌入式芯片技术的飞速发 展 ， 用小型的智能系统取代传统 的测控 电路 已经成 为一个发展趋势。本文详细地分析 了电机的运行和 故障情况， 提出了一套 电机保护 的数学模型。在该 收稿 日期 ： 2 0 0 6 1 2 1 1 作者简介 ： 余道洋 ( 1 9 7 4 一) ， 工程师 ， 1 9 9 5年毕业 于西安科技 大 学机械电子工程专业 ， 1 9 9 5 2 0 0 4年在淮北 矿业集 团从 事机 电技 术 工作 ， 现为西安科技大学在读硕 士研究生 ， 研究 方向为计算机智 能检 测与控制。已获得 3项专利 ， 发表论文 7篇 。 基础上 ， 采用性能价格 比合理 的 ATME G 8单片机 为 核心 ， 研究 开 发 了具 有 智 能 分析 能 力 的 电机 综 合 保护装置。 1基本 原 理 和结构 智能型综合保护器的电气原理框图如图 1 所示。 M CU ATM EG8 图 1 智能型综合保护 器的电气原理框 图 该 保 护器 的核 心器 件 采 用 ATME L公 司的 ATME G8单 片机。它 是 ATME L公 司于 1 9 9 7年 开发的 R I S C结构 的新 型单 片机， 综合 了半导体集 成技术和软件技术 ， 具体特点包括 ： ( 1 )硬件采 用哈佛 ( Ha r wa r d ) 结构 ， 达 到 1个 时钟周期可以执行 1条指令 。 ( 2 )采用 了可多次 擦写 的 F L AS H 存储器， 可 维普资讯 5 2 工矿 自动化 2 0 0 7年 6月 擦写 1 0 0 0 0次 以上。片 内有 5 1 2 B的 E E P RO M， 2 1 过载保护数 学模型 可擦写 1 0万次。 当电机过载时， 电动机的的发热量 Q与流过绕 ( 3 )具有丰富的外设 ， 如 RT C、 Wa t c h d o g 、 A D 转换器、 P WM、 UART接 口等。可以使用片 内振荡 器为系统提供 1 8 MHz的系统时钟 。 ( 4 )I O口功能强、 驱动能力大 。 AT ME G 8单片机 有着丰富 的硬件 资源 ， 因此 外 围器件相对较少 ， 整个 系统结构紧凑 ， 可靠性高， 适合安装在隔爆型磁力启动器腔内而不受其空间狭 小 的制 约 。 该保护器的外 围器件和电路包括 电流传感器及 检测 电路、 L C D中文液晶、 电流整定 、 故 障记忆 、 交 直流电源及输出控制电路等。保护器的工作流程如 图 2所示 。 图 2 保护器 的工作 流程 图 2 保护功能的数学模型分析 保护器的主要保护功能为过载、 缺相、 短路 、 相 间不平衡 以及漏电闭锁等。 组的电流满足下列平衡关系 ： Q 一 1 2 d t - 式中：I J d 是绝 热总发热量 ； F( J ) t 为 电动 机散发总热量 ； F( J ) 为单位时间散热的修正系数。 准确的电机保护数学模型都建立在热模型基础 上 ， 电机热模型是 同时考虑 了电机定子绕组发热 、 定 子铁心发热以及转子发热过程的动态模型 。目前的 电机保护器大多是根据电流与时间的反时限特性曲 线实现对电机的保护 ， 这种方法 比较简单 ， 能满足大 多数电机保护的要求。但是 ， 这种方法在处理 电机 冷态过载 和热态过 载时存在着一 定的 困难 2 。如 图 3 N示 ， 图中分别列 出了电机在冷态 和热态时过 载时间和过 载倍数 的关系。要用单 片机建立 这样 一 个数学模 型是 比较困难的 ， 因此 ， 本文采用 了函数 逼近的原理 ， 用 A、 B、 C三条直线逼近热态 时的过 载曲线 ， 实际计算 的结果相当接 近实 际的过载特性 参数。过载保护的范围： 8 定I m 1 0 5 1 设 定， 当 实际最大电流大于 或等于 8倍设定 电流判 断为短 路 ， 小于或等于 1 0 5 倍设定 电流判断为正常 。 图 3电 机 过 载 曲 线 电流检测电路如 图 4所示 ， 只要电机各相有工 作 电 流 ，电流 互感 器 就会感 应 出与三 相 主 电流 成 比 例的交流电流 ， R2为电流取样 电阻， 把电流转换成 相应 电 压信 号 ，经 过 L M3 2 4放 大 ，转 换 成 0 +5 V 信 号 电平 送 入 A TME G8的 I O 口， 经 过 A D 转换和处理后 ，根据数学模型 的计算 ， 判断是 否需要保护。 B 图 4 电流检 测电路 图 维普资讯 2 0 0 7年第 3 期 余道 洋等： 基 于 AVR单片机的矿用智能型电机保护器的研制 5 3 2 2 缺相 和相 间电流 不平衡 相间电流不平衡及缺相的计算公式 ： 一 ( J 一 I i )X 1 0 0 I 式 中 ： J 为三 相 中最 大 电流 ； ra in 为三 相 中最 小 相 电流 ； I 。 为 三相平 均 电流 。 电机 的相间电流不平衡采用反时限动作原理 ， 即 越大 ， 动作 的时间越短 。考虑到 电机本身 的因 素和测 量 值 的误 差 ， 为 1 5 9 ， 6 时 开 始 累 加 。当 1 5 0 时 ， 保护器立 即动作 ， 故 障记忆 显示 为缺相 ， 否则故障现象为不平衡 。通过数学模型计算 ， 当电 机一 相 电 流 为 零 ， 其 余 两 相 相 等 但 大 于 零 时 ， 一 1 5 0 ； 当两相不相等， 但大于零时 ， 1 5 0 。因此 ， 把缺相时的 定为 1 5 0是合适 的。 2 3短路 判 别 仪器的短路判别是建立在过载数学模型的基础 上 ， 当( I m a x I ) 8 1 设 定， 即过载 8倍时判断为线路或 电机绕组短路 ， 保护器立 即动作 ， 动作反应时间小于 1 0 0 ms 。短路倍数值可以根据实际情况修改 。 2 4漏 电闭锁 检测 原理 漏电闭锁检测原理图如 图 5所示 。漏电闭锁保 护采用电压 比较器鉴别检测信号 ， 取样电压 ： U E R。 ( R。 一 r ) 式 中： 己 ， 为取样电压 ； E为电源 电动势； R。为回 路 电阻 ， R。 =R2 4 +R2 5 ； r 为电网对地绝缘 电阻。 图 5漏电闭锁检测原理 图 在 取样 电压 己 ， 输 入 到 A D 口之 前加 了运 放 跟 随电路 ， 提高输入 电阻值 。通过以上计算 ， 保证 r的 动 作 值 为 2 2 k D , ( 6 6 0 V电 网 ) 或 7 k D , ( 3 8 0 V电 网) ， 一旦出现漏 电， 液晶屏幕将显示实际绝缘值 ， 同 时把参数存入 E E P R OM。 3 保 护器 的主 要特 点 该智能型保护器主要安装在矿用隔爆型磁力启 动器 内， 是老式 J D B的更新换代 产品 ， 所 有技术指 标和功能均符合煤炭行业标准 MT1 7 5 1 9 8 8 ( 矿用 隔爆 型电磁启动器用电子保护器 的规定。 该保护器在具备 J D B基本 的保护 功能的基础 上 ， 增加了运行参数适时显示、 环境温度监测和故障 记忆 等功能 。具体特点如下： ( 1 )采用 中文 字 幕 液 晶显 示 ， 可 显 示 电机 运 行 时的三相电流值 、 设定值 、 运行状态 、 故 障因子值和 环境 温度。以及发生故 障时 的故障原因 、 三相 电流 值 、 故障因子值 以及绝缘电阻值等。 ( 2 )采用软件 和硬 件双重抗 干扰 和可靠 性处 理 ， 使得仪器更适合煤矿特殊的作业环境。 ( 3 )预留 C AN总线通信接 口， 可以升级成矿井 电机智能保护控制系统 。 ( 4 )保护器 内部安装有 9 V 电池 ， 即使在开关 断电的情况下也可 以查看故障原 因和设定参数。 4 结 语 该智能型保护器作 为 J D B系列保 护器 的换代 产品， 安装尺寸 、 接线方式和使用方法基本上与 J DB 一 样 ， 不需要 对 QC、 QB Z系列 启动 器进行任何 改 造 ， 因此从技术推广和兼容性的角度来看 ， 该保护器 具有一定 的优势 。经过 实验室测试 和现场 实际使 用 ， 系统运行稳定 ， 各项指标均符合设计要求 ， 适合 在煤矿井下使用 。 参考文献 ： 1 姜 向龙 ， 程善美 ， 夏丽涛 智能化交流 电机测 控保护器 的设计 E J 仪表技术与传感 器， 2 0 0 1 ( 8 ) E 2 宗鸥 ， 高艺 ， 孙 一丹 基 于电机热模型 的电动机保 护方法 的研究 E J 电机 电器技术 ， 2 0 0 4 ( 5 ) 塔式摩 擦轮提升机更换箕斗工艺 近年来 ， 兖矿( 集团) 南屯煤矿开展 了施工地点在井上更 换箕 斗的探索 与研究 。该矿 主井提 升机为 J KM一3 2 54 一 四绳摩擦 轮提升 机 。更换箕 斗方案如下 ： 将北 箕斗慢提放至箕斗尾部最后一副尾绳板 卡距井 口适 宜位置停 车闭锁 ， 用 专用 的尾绳套 将尾绳 卡及专用钢 丝绳套 将尾绳留住 ， 拆除尾绳 ； 南侧在五楼每根绳用 1副楔形卡 、 2副板 卡可靠地 卡固， 吊棚在专 用工字钢 梁上 ， 箕斗悬 挂油缸打压使 中 间 2根 主提升