圖 2 西門子三相異步電機示意圖

3.2 硬件電路設計

      硬件電路設計主要以電流電壓互感器、電壓形成電路、采用保持電路等處罰，將不同通道電能轉化為電壓值，將其輸送到DSP中A/D合轉換電路中進行轉換，再根據實際結果和標準值比對，判斷是否存在故障，若存在故障則跳閘并發(fā)出報警，記錄事件發(fā)生時間、故障性質等，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中電動機合理保護。其主要以DSP系統(tǒng)、前向輸入、開關輸入輸出、人機交互及通信系統(tǒng)組成。

 

3.2.1 信號預處理設計

      將實際搜集的電流的信號，經阻容低通濾波器凈化之后，將信號以運放電路處理為電路允許的弱電壓信號。

 

3.2.2 DSP電路設計

      T1公司的DSP芯片屬于哈佛結構改建，在數據總線及程序總線間局部交叉，數據可在程序存儲器中儲存，被算術運算使用，體現(xiàn)芯片靈活性。可調度兩獨立總線，確保處理能力效率高，減少儲存器讀取指令時間，提高運行速度。TMS320LF2407A數字信號處理器屬于微控制器，具有高集成特點，將高性能DSP內核及微控制器外設功能集中在單片上，實現(xiàn)對MCU（傳統(tǒng)多微處理器）及多片設計的理想替代，將DSP的實時性、高效性處理及外設功能集中起來，使控制系統(tǒng)具備40MIPS/秒的處理速度，以LF2407A DSP控制器實現(xiàn)遠超16位微控制器的工作能力。

      該控制器以高效靜態(tài)CMOS為支持，使供電電壓降到3.3V，控制器整體消耗較小。40MIPS高速執(zhí)行速度使指令周期在25ns（40MHz），實時控制穩(wěn)定。片內有32K字x16位Flash程序處理器，以2.5K字x16位RAM，544字雙端口RAM （DARAM），2K字單口RAM（SARAM）。事件管理上以EVA和EVB為管理模塊，其包括兩個16為定時器（通用），8個16為PWM（脈寬調制）通道，通過設備聯(lián)動實現(xiàn)三相反相器控制，脈寬調制及邊緣校正。防治可編程脈寬調制擊穿故障，形成死區(qū)控制。設置16通道同步A/D轉換其，在交流異步電動機、無刷直流電動機、步進電動機、多級電動機、開關磁阻電動機等控制上有良好的應用效果。

      外圍電路設計上，LF2407A通過外部變壓設備將220V交流電轉化為5V直流電供應，但LF2407A芯片只支持3.3V電壓，在電路設計中要將5V電源轉化為3.3V電壓，為CPU實現(xiàn)供應（采用TPS76833QPWP為轉換芯片，轉換5V電壓為3.3V）。5V電源輸入端以2mm插口設計，電源功率要求在5V、750mA。

      微機系統(tǒng)中，未防止系統(tǒng)加電或電源“掉電”故障發(fā)生，要合理規(guī)劃復位電路及電壓監(jiān)視電路。以TL7705CP（美德州儀器公司產）集成電路電源電壓監(jiān)視器組成復位電路，對電源電壓監(jiān)控。在使用中，TL7705CP以220V電源供電，線路停電保護裝置輸入電壓下降到4.75V（從5V下降）時，系統(tǒng)復位，原高電平變?yōu)榈碗娖剑a生外部中斷提醒信號，子程序將DSP內RAM數據及寄存器內容在電源電壓耗盡之前迅速存入非易失性儲存器中，確保數據記錄完整可靠。

外圍電路中配備電源電路、監(jiān)控電路及時鐘電路，確保DSP電路可靠。

 

3.2.3 鍵盤顯示電路

      鍵盤顯示電路是人機交互的重要內容，需保證其正常反應系統(tǒng)運行狀態(tài)及運行參數，發(fā)生電動機故障時顯示故障參數及故障類型，以鍵盤將整定值輸入、修改，對歷史故障準確查詢記錄，實現(xiàn)智能化、人性化操作設計。

 

3.2.4 上位機通信設計

      以機械接口、電氣接口、微處理器輸出口連接，實現(xiàn)電動機智能保護及PC機通信結合，實現(xiàn)對設備的遠程操作，操作人員可實現(xiàn)遙控操作，及時通知運行人員設備運行情況。

 

      電動機智能保護系統(tǒng)軟件設計分為主控制模塊及定時器中斷處理設計。

 

3.3.1 主控模塊設計

      主控模塊為主程序，屬系統(tǒng)核心部分，起通過對各個功能性模塊調整，對各個參數進行檢測、分析并判斷，進而實現(xiàn)系列的保護控制實施。下位機上電，自行系統(tǒng)檢測，對CPU、RAM、ROM、A/D等內容自行檢測，若發(fā)現(xiàn)硬件存在故障，則停止檢測及時報警，待恰當處理后，進行系統(tǒng)初始化。電動機送電之前，對其漏電檢測，檢測供電線路及電動機是否存在漏電風險，若發(fā)現(xiàn)電動機或供電線路存在絕緣性問題，則不予供電，并發(fā)出警報。在地絕緣電

阻高于整定電阻時，可對電動機正常供電。

 

3.3.2 定時器中斷處理模塊設計

      定時器中斷處理模塊需對數據采集、處理、判斷故障、執(zhí)行保護措施等內容，可以網絡為基礎，實現(xiàn)在線檢測電動機狀態(tài)。以定時器中斷程序進入，保護現(xiàn)場，對電力系統(tǒng)中電動機電壓、電流采樣分析，計算電動機電壓及電流，判斷其啟動狀態(tài)。未啟動，則分析是否有短路、斷相、接地等問題發(fā)生，及時采取速斷保護設備。啟動狀態(tài)正常，則分析是否存在啟動故障，若無啟動故障，實現(xiàn)啟動保護。

      軟件程序設計是以各類編程語言、程序實現(xiàn)保護裝置需實現(xiàn)的功能，以系統(tǒng)自檢、初始化、開關量輸入輸出、A/D采樣、參數計算、電機啟動保護、電機運行保護、相應鍵盤、顯示、CAN總線通訊等模塊構成。不同模塊可獨立工作，各個接口涉及簡單，避免程序冗余造成智能設備工作效率下降，要盡可能縮短程序開發(fā)實際周期。

 

      智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

 

4.2.1數字式電動機保護器