淺談ARMLPC2136在電動機(jī)保護(hù)裝置上的實(shí)現(xiàn)

1、淺談ARMLPC2136在電動機(jī)保護(hù)裝置上的實(shí)現(xiàn)摘要：電動機(jī)保護(hù)器以arlp2136芯片為主控核心，充分利用lp2136強(qiáng)大的功能，以采樣電流及采樣電壓為判據(jù)，對電動機(jī)是否異常和故障類別進(jìn)展正確的判斷和處理。介紹該保護(hù)器總體設(shè)計方案、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)試驗后投入實(shí)際應(yīng)用，獲得了預(yù)期效果，具有良好的市場前景。關(guān)鍵詞：電動機(jī)保護(hù)器;lp2136;故障檢測隨著我國電力工業(yè)迅猛開展，電動機(jī)的使用幾乎浸透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建立及人民生活正常進(jìn)展的重要保證。因此確保電動機(jī)的正常運(yùn)行就顯得非常重要。但是在實(shí)際使用過程中，由于電網(wǎng)、電動

2、機(jī)本身質(zhì)量及工作環(huán)境等多種因素，電動時機(jī)出現(xiàn)過壓、欠壓、電流不平衡、欠載及過流等故障，并由此帶來了宏大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，智能型電動機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)與研制勢在必行。目前多數(shù)電動機(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)大局部缺少spi接口、i2總線及a/d轉(zhuǎn)換口等功能模塊。假如要進(jìn)一步進(jìn)步電動機(jī)保護(hù)裝置的性能，那么需要通過添加相應(yīng)的芯片進(jìn)展擴(kuò)展。這無形中增加了系統(tǒng)制造本錢，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時產(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ar單片機(jī)由于采用了新型的32位ar核處理器，使其在指令系統(tǒng)、總線構(gòu)造、調(diào)試技術(shù)、功耗以及性價比等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)。同

3、時ar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進(jìn)步。一、系統(tǒng)功能特點(diǎn)本文設(shè)計的智能電動機(jī)保護(hù)器采用了飛利浦公司消費(fèi)的嵌入式lp2136芯片為主控核心。lp2136屬于ar7系列處理器，是一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的ar7tdi-s核微處理器，其體積孝功耗低，性價比高。它使用了0.9ips/hz的三級流水線構(gòu)造，有效地進(jìn)步了處理器的利用率；支持thub16位/ar32位雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。而thub超精簡指令集可以在芯片性能根本不受影響的情況下，使程序代碼減少30%。加上其指令大局部在存放器中執(zhí)行,從而進(jìn)一步進(jìn)步了系統(tǒng)運(yùn)算速度。同時其豐富的片上資源，可以很好得滿

4、足用戶的使用要求。正是由于本保護(hù)器使用了lp2136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)處理才能，可以對電動機(jī)的電壓和電流進(jìn)展實(shí)時跟蹤采樣，快速計算出采樣量的有效值。并根據(jù)有效值和保護(hù)值比擬結(jié)果，能迅速對電動機(jī)工作狀態(tài)和故障類別進(jìn)展正確的判斷和區(qū)別處理。極大地進(jìn)步了電動機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性、速動性。先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。系統(tǒng)支持dbus-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，從而為電動機(jī)構(gòu)筑了有效的保護(hù)測控網(wǎng)絡(luò)。二、硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主

5、要分為六個局部：處理器lp2136、信號采集模塊、顯示模塊、通訊模塊、控制模塊和按鍵模塊。圖1為電動機(jī)保護(hù)器硬件構(gòu)造圖。(一)信號采集模塊一方面，為了及時監(jiān)控電動機(jī)的運(yùn)行狀況，需實(shí)時對電動機(jī)的電壓和電流進(jìn)展采樣。同時考慮到電動機(jī)多用于環(huán)境惡劣的現(xiàn)場，周圍存在大量的干擾信號。因此，本系統(tǒng)在保護(hù)器前端采用了抗干擾性能較強(qiáng)的互感器對電流和電壓信號進(jìn)展采集。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)一步進(jìn)步了系統(tǒng)的可靠性。對電流信號，本保護(hù)器采用了穿芯式三相電流互感器進(jìn)展采集。電流互感器為定做產(chǎn)品，需根據(jù)所要保護(hù)的電動機(jī)額定功率的不同進(jìn)展選擇。本裝置所選用的互感器比值分別為6.3a:

6、10a，25a:10a，100a:10a，400a:10a。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，ia為測量通道。因lp2136集成的a/d轉(zhuǎn)換器電壓工作范圍為0-3.3v，所以必須對電流互感器輸出的二次電流值進(jìn)展一定的轉(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，然后再將其送至a/d通道。b相電流、相電流采樣構(gòu)造與上圖一樣。對剩余電流的保護(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，計算電流矢量和。其構(gòu)造如圖3所示。其中ia、ib、i分別

7、為電流互感器輸出的二次電流值，運(yùn)放那么是作為加法器使用。這種方法本錢較低，但是準(zhǔn)確性不高。另一種方法是需外接一個剩余電流互感器，此種方法檢測的電流靈敏度較高，它是保護(hù)器增選功能。對電壓信號，本保護(hù)器選用了電流型電壓互感器對一道路電壓進(jìn)展采集。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2a，二次電流值為2a。信號經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換后送入lp2136的ad通道。基準(zhǔn)電壓選擇的原因與電流采樣一樣。(二)通訊模塊本系統(tǒng)具有rs485物理接口，遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的dbus通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)遙控、遙測等功能。通訊局部采用了周立功公司開發(fā)消費(fèi)的通訊集成模塊rs3485ht。該模塊內(nèi)部集成電源隔離

8、、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。lp2136具有兩個符合16550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rs3485ht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)四個鍵組成，通過這些按鍵可以進(jìn)展面板菜單操作，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使用。圖5為復(fù)位電路圖。智能保護(hù)器中，電動機(jī)數(shù)據(jù)如電動機(jī)型號、額定電壓、額定電流、歷史故障、從站地址、主站地址、識別號等，在斷電的情況下應(yīng)保持。因此系統(tǒng)

9、中采用了at1025芯片。它將2k位的串行e2pr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i2串行接口，支持串行總線協(xié)議。其串行口sl、sda分別于lp2136的p0.2、p0.3相連接。同時，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r都可以用作手動按鍵復(fù)位輸入。本系統(tǒng)采用了手動復(fù)位。三、保護(hù)邏輯條件本裝置通過對電動機(jī)正序電流、負(fù)序電流、零序電流，及電壓進(jìn)展檢測，使其與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)展比擬，根據(jù)比擬結(jié)果對電動機(jī)施行保護(hù)動作。系統(tǒng)詳細(xì)保護(hù)邏輯條件如下：(一)電流速斷保護(hù)對電動機(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)。假如任一相電流大于速斷電流定值至整定時間，保護(hù)

10、就報警或動作。其中，iax為相電流最大值，isd為速斷電流定值，t1為速斷時間定值。(二)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電動機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電流呈上升趨勢，且要求發(fā)生時間很短，為此本系統(tǒng)采用正序短時限保護(hù)。當(dāng)任一相電流大于堵轉(zhuǎn)電流定值至整定時限，保護(hù)就報警或動作。其中，iax為相電流最大值，idz為堵轉(zhuǎn)電流定值，為堵轉(zhuǎn)時間定值。(三)過負(fù)荷保護(hù)主要防止由過負(fù)荷、不對稱過負(fù)荷引起、定值斷線等引起的電動機(jī)過熱。過負(fù)荷保護(hù)是在各種運(yùn)行情況下，建立電動機(jī)發(fā)熱模型，為電動機(jī)提供保護(hù)?？筛鶕?jù)正、負(fù)序電動機(jī)對電動機(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)

11、熱序數(shù)，在起動時間內(nèi)為0.5，起動完畢后為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)動作時間，為電動機(jī)熱積累常數(shù)，ieq為熱等效電流，is為保護(hù)整定動作電流。(四)負(fù)序反時限保護(hù)負(fù)序反時限保護(hù)主要針對各類非接地性不對稱故障，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，危及電動機(jī)的平安運(yùn)行。負(fù)序反時限保護(hù)具有和過負(fù)荷保護(hù)相似的特性，其運(yùn)行時間電流曲線數(shù)學(xué)模型其中t為動作時間，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限負(fù)序電流保護(hù)作為電動機(jī)斷相、定子繞組或引出線不對稱相間

12、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)序電流段電流定值，短延時t21負(fù)序電流i段時間定值。第二段具有低定值負(fù)序電流段電流定值，長延時t22負(fù)序時間n段時間定值。其動作條件為：，且(五)起動時間過長保護(hù)電動機(jī)假設(shè)正常起動，超過起動時間后電動機(jī)的電流將在額定值附近，低于電流整定值，那么起動過長保護(hù)自動退出。假如超過起動整定時間，電動機(jī)電流仍在電流整定值以上，那么啟動時間過長保護(hù)跳閘。其中，iax為相電流最大值，i4為起動時間過長電流整定值，t3為起動時間整定值。(六)接地保護(hù)針對各種接地故障。電動機(jī)接地故障取決于供電系統(tǒng)接地方式。對于中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)，故障電流較??；中性點(diǎn)直接

13、接地的系統(tǒng)中，故障電流數(shù)值將很大。本系統(tǒng)接地保護(hù)主要針對后者。其中i0為零序電流，i0dz為保護(hù)電流整定值，t0為接地保護(hù)動作時間。(七)過壓及欠壓保護(hù)過壓保護(hù)動作條件：其中uy1為過壓保護(hù)定值。欠壓保護(hù)動作條件：其中uy2為欠壓保護(hù)定值。四、軟件設(shè)計軟件局部的設(shè)計主要采用語言，在ads1.2編譯環(huán)境中進(jìn)展，構(gòu)造簡潔緊湊，程序執(zhí)行效率高，大幅度縮短開發(fā)時間，方便晉級和移植。其主程序較簡單，主要由裝置狀態(tài)和按鍵狀態(tài)循環(huán)程序構(gòu)成。系統(tǒng)初始化后，通過裝置狀態(tài)標(biāo)志位判斷裝置是否發(fā)生變化。假如發(fā)生變化就啟動相應(yīng)保護(hù)動作子程序，然后再進(jìn)入按鍵判斷循環(huán)；假如裝置狀態(tài)標(biāo)志位沒有發(fā)生變化，那么直接進(jìn)入按鍵判斷循

14、環(huán)。此時假設(shè)系統(tǒng)檢測有按鍵按下，就進(jìn)入按鍵處理子程序，并進(jìn)展相應(yīng)操作。主要完成定值讀寫、保護(hù)投退、模擬量上送、接收或發(fā)送與面板的通訊數(shù)據(jù)等多項功能。同時，裝置還具有與上位主站通訊功能，可完成對本裝置各種調(diào)試、測試功能，實(shí)現(xiàn)無人值守。五、結(jié)語本文介紹的智能電動機(jī)保護(hù)器，充分利用了lp2136內(nèi)部資源，其構(gòu)造緊湊，功能強(qiáng)大，具有很高的性價比，搭配簡單的外圍電路就能對電動機(jī)進(jìn)展較為全面的保護(hù)。同時，本保護(hù)裝置靈敏性強(qiáng)，便于推廣。對于不同的電動機(jī)，系統(tǒng)只需采用不同的電流互感器，并在保護(hù)器中設(shè)定相應(yīng)的負(fù)載功率即可。本保護(hù)裝置經(jīng)過反復(fù)試驗后投入到實(shí)際應(yīng)用中，獲得了預(yù)期效果，具有很好的市場應(yīng)用價值。參考文獻(xiàn)：1周立功.ar微控制器根底與實(shí)戰(zhàn).北京:北京航