低壓智能電動機(jī)保護(hù)器的可靠性設(shè)計
朱煜銘1 陸偉青2 朱文灝3
1. 山東省輕工業(yè)設(shè)計院
2. 上海安科瑞電氣股份有限公司 上海201801
3. 上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司 上海200063
摘 要：針對低壓智能電動機(jī)保護(hù)器在實際使用中遇到的各種電磁兼容問題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點從硬件和軟件兩個方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能。
關(guān)鍵詞：微處理器；EMC電磁兼容性；軟件；硬件；抗干擾
1 引言
電動機(jī)作為一種拖動機(jī)械因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便等優(yōu)點，在國民經(jīng)濟(jì)各個方面被廣泛采用。在當(dāng)代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和智能電動機(jī)保護(hù)器技術(shù)的成熟而普及率越來越高。
智能電動機(jī)保護(hù)器采用了微處理器技術(shù)，不僅解決了傳統(tǒng)的熱繼整定粗糙、不能實現(xiàn)斷相保護(hù)，重復(fù)性差、測量參數(shù)誤差大的缺點。保護(hù)器通過電流來判斷斷相故障，軟件模擬熱積累過程的方法來實現(xiàn)過載保護(hù)等方法保證了電機(jī)的可靠運(yùn)行，而微處理器強(qiáng)大的擴(kuò)展性包括開關(guān)量輸入、繼電器輸出，4~20mA變送輸出、RS485通訊等很好的滿足了控制系統(tǒng)的“四遙”功能。
電動機(jī)保護(hù)器提高了電動機(jī)運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)智能化要求，因此保護(hù)器的可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用，同時也對保護(hù)器抗外界干擾提出了比較現(xiàn)實的要求。下面就從硬件和軟件兩個方面提出可靠性設(shè)計。
2 硬件可靠性設(shè)計
2.1 微處理的選擇
采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08內(nèi)核的高度節(jié)能型處理器，是第一款認(rèn)可用于汽車市場的微控制器。可應(yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等場合，具有業(yè)內(nèi)較佳的EMC性能。
2.2 電源端濾波處理
利用電磁原理進(jìn)行硬件電路濾波是提高保護(hù)器EMC的有效方法。線路如下圖，經(jīng)熱敏電阻t、壓敏電阻RV1、電感L1、L2、差模電容C1、共模電感L3、共模電容C2、C3組成的兩級濾波處理，很好的隔離了由于電源端的輸入和輸出干擾。PTC熱敏電阻器的主要用于過流過熱保護(hù)，直接串在負(fù)載電路中，在線路出現(xiàn)異常狀況時，能夠自動限制過電流或阻斷電流，當(dāng)故障排除后又恢復(fù)原態(tài)，俗稱“萬次保險絲”。根據(jù)線路的最大工作電流來確定選擇。壓敏電阻主要用于吸收各種操作浪涌及感應(yīng)雷浪涌過壓保護(hù)，以防止這類過電壓干擾或損壞各種電路元件。根據(jù)設(shè)計經(jīng)受的浪涌電壓按照最大允許使用電壓和通流容量來選擇。其中,L1、L2、C1為抑制差模干擾，L3、C2、C3為抑制共模干擾。L1、L2鐵芯應(yīng)選擇不易飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的材料。按照IEC-380安全技術(shù)指標(biāo)推薦，圖中元件參數(shù)的選擇范圍為：C1=0.1~2uF；C2、C3=2.2~33uF；L3為幾個或幾十毫亨，隨工作電流不同而取不同的參數(shù)值。
按照下面公式計算C2、C3的容量：
Ii=2πfCyU
式中：Ii───允許的交流漏電流
f───電源頻率；
U───電源供電電壓；
圖1 電源端處理圖
圖2 電源端未濾波處理的實驗效果
圖3 電源端濾波處理后的實驗效果
上圖為電源端是否使用濾波器，使用瑞士TRANSIENT 2000電磁兼容測試儀1000V 100KHZ 0.75mS條件EFT群脈沖實驗，從TEXtronix TDS1012B捕抓到的信號比較，未使用濾波處理的電源輸出端產(chǎn)生了尖峰脈沖，會導(dǎo)致微處理器復(fù)位，甚至死機(jī)。
2.3 信號端處理
諧波和電磁輻射干擾會導(dǎo)致保護(hù)器誤動作，使電氣儀表計量不準(zhǔn)確，甚至無法正常工作。在電動機(jī)控制回路中產(chǎn)生該類干擾源為變頻器和現(xiàn)場對講機(jī)。解決的方法有：一是信號輸入線膠合，膠合的雙膠線能降低共模干擾，由于改變了導(dǎo)線電磁感應(yīng)的磁通方向，使其感應(yīng)互相抵消。二是內(nèi)部線路處理。如下圖，采用雙差分輸入的差動放大器，具有很高的共模抑制比。在輸入回路中接RC濾波器、信號的輸入和輸出端使用專用器件、降低輸入輸出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。
圖4 信號處理電路
2.4 保護(hù)輸出端處理
輸入輸出端采用光電隔離的方法，也是可以消除共模干擾，同時在保護(hù)繼電器的的輸出端并接壓敏電阻，有效的提高了繼電器的壽命，也降低了由于外部接觸器動作對內(nèi)部的干擾?？紤]到客戶使用控制電壓的不確定性和接觸器線圈容量，確認(rèn)使用MYG14D821。
圖5 保護(hù)輸出電路
2.5 外部存儲技術(shù)和看門狗保護(hù)電路
使用外置存儲芯片X25043，SPI接口。微處理器內(nèi)置SPI控制模塊，方便的與該芯片接口，外部存儲技術(shù)保證了運(yùn)行狀態(tài)和事件的記錄。低電壓復(fù)位和外部看門狗提高了保護(hù)器的可靠性。
圖6 外置存儲器和看門狗電路
2.6 主體與顯示單元通過RS485連接
考慮到使用環(huán)境的特殊性和要求的多樣性，主體與顯示單元之間連接也采用RS485 Modbus-Rtu協(xié)議連接，提高了顯示與控制的可靠性。
3 軟件可靠性設(shè)計
3.1 實時多任務(wù)的調(diào)度
保護(hù)器起著保護(hù)電動機(jī)的重任，對它的要求是既不能誤動，也不能拒動，而且必須快速。實時多任務(wù)的調(diào)度實際是通過時間片的輪換實現(xiàn)宏觀上的多任務(wù)效果。對于保護(hù)器而言，存在著三個重要的任務(wù)，等間隔的交流采樣，根據(jù)算法得到穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)電量數(shù)據(jù)；根據(jù)得到的數(shù)據(jù)判斷故障，故障計時、清零和脫扣輸出；人機(jī)交互界面。下圖以一個周波T=20mS，32點采樣為例(考慮到快速除法)，32次采樣總時間為3.2mS，數(shù)據(jù)計算時間為9.72mS, 計時0.36mS,則人機(jī)交互的時間為6.72mS。這樣的任務(wù)調(diào)度即滿足了保護(hù)實時性要求，又較快的響應(yīng)了參數(shù)設(shè)置。
圖7 任務(wù)執(zhí)行關(guān)系
3.2 交流采樣、數(shù)字濾波
對于交流正弦信號，一個周期的電壓有效值為
根據(jù)電工原理中連續(xù)周期交流信號的有效值的定義，將連續(xù)信號離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分，從而得到有效值與采樣值之間的關(guān)系。離散化得到
同理
在對信號多次采樣的基礎(chǔ)上，通過軟件算法提取最逼近真值的數(shù)據(jù)。這種算法計算連續(xù)的周期的交流信號，精度高，抗波形畸變能力強(qiáng)。在使用這種算法時，也可同時采用連續(xù)平均值法、中值算法等數(shù)字濾波，提高保護(hù)器的抗干擾能力。
3.3 軟件陷阱
程序是固化在微處理器的存儲器中，由編譯器統(tǒng)一安排，但設(shè)計時，設(shè)計人員考慮到產(chǎn)品的擴(kuò)展性，一般留有余量，也因此總有些存儲空間會未被使用。當(dāng)微處理器的PC指針因為干擾被錯置時，系統(tǒng)就會出錯。軟件陷阱就是在不用的存儲空間、中斷入口、子程序后加入強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)指令，讓出錯的PC指針恢復(fù)正常。
方法是：NOP
NOP
JSR MAIN
4 結(jié)束語
本文針對低壓智能電動機(jī)保護(hù)器在實際使用中遇到的各種電磁兼容問題，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點從硬件和軟件兩個方面，提出了抗干擾方法，獲得了良好的EMC性能。
文章來源于：《電機(jī)與控制應(yīng)用》2009年第8期。
參考文獻(xiàn)：
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6、錢振宇 開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計與測試 電子工業(yè)出版社
作者簡介
1. 陸偉青 上海大學(xué) 研究方向智能化控制，手機(jī)：13585877341.電話：021-69158399 傳真：69158302 郵箱：ACRELXLP@163.com
1、試送投運(yùn)法
主要查找剩余電流動作保護(hù)器自身故障。具體操作方法是：先切斷，再將剩余電流動作保護(hù)器的零序負(fù)荷側(cè)引線全部拆除（二級、三級剩余電流動作保護(hù)器直接將出線拆除）再合保護(hù)器。若保護(hù)器仍然無法投運(yùn)，則說明保護(hù)器自身故障，應(yīng)予以修理或更換。若能正常運(yùn)行，則保護(hù)器本身并無故障，再查找配電盤或者線路。其操作方法是：先將各路出線或交流負(fù)荷切斷，若不能運(yùn)行則說明配電盤上有故障，應(yīng)檢查各路、儀表等設(shè)備是否絕緣良好，接線是否正確；若能正常運(yùn)行則說明配電盤上無故障。當(dāng)確認(rèn)故障發(fā)生在外線路上時，可采用分線查找法查找故障點。
2、直觀巡查法
直觀巡查法就是巡視人員針對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷，對保護(hù)區(qū)域包括剩余電流動作保護(hù)器和被保護(hù)的線路設(shè)備等進(jìn)行直觀巡視，從而找出故障點。巡視時應(yīng)著重對線路的轉(zhuǎn)角、分支、交叉跨越等復(fù)雜地段和故障易發(fā)點進(jìn)行檢查。這種方法簡便易行，適用于對明顯故障點的查找。如導(dǎo)線斷線落地、拉線與導(dǎo)線接觸及錯誤接線等。
3 、數(shù)值比較法
數(shù)值比較法就是借助對線路或設(shè)備進(jìn)行測量，并把所測的數(shù)值與原數(shù)值進(jìn)行比較，從而查出故障點。需要特別指出的是：當(dāng)線路中性線絕緣下降或設(shè)備中性線重復(fù)接地，容易引起總保護(hù)頻繁跳閘，而二級保護(hù)器不跳閘。在解決二級保護(hù)器跳閘時，不應(yīng)采取將相線與中性線對調(diào)的方法投運(yùn)二級保護(hù)，將設(shè)備重復(fù)接地線拆除即可。
4 、分線排除法
排查線路故障點時，可以按照“先主干、再分支、后末端”的順序，斷開低壓電網(wǎng)的各條分支線路，僅對主干線進(jìn)行試送電，若主干線無故障，那么主干線便能正常運(yùn)行。然后，再依次將分支和末端投入運(yùn)行。哪條線路投入運(yùn)行時保護(hù)器跳閘，故障點就在哪條線路上，就可在此線路上集中查找故障點。
隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)和社會主義新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)一步開展，廣大用電戶對供電質(zhì)量、用電服務(wù)、用電安全及用電信息的透明度提出了更高的要求。海鹽供電局率先采用的智能電子漏電管理保護(hù)器，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程居民用戶，漏電流、負(fù)額、過載監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。 1. 海鹽縣智能電子漏電管理保護(hù)器的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前市場上的產(chǎn)品只是有一般漏電合閘功能，并采用傳統(tǒng)的模擬電路進(jìn)行控制，現(xiàn)有漏保器與我國目前進(jìn)行的國家智能電網(wǎng)建設(shè)不相配套，我們目前研究的保護(hù)器項目綜合參考了各方面的因素，它具有的功能既滿足國家智能電網(wǎng)的建設(shè)所需，也同時符合一般用電戶的實際所需。雖然目前國內(nèi)外也有多家單位或研究所在研究新的漏電保護(hù)器，但他們的研發(fā)內(nèi)容還存在著一定的缺陷。我們所研發(fā)使用的智能電子漏電管理保護(hù)器，特別具有功能如下：漏電流檢測、實時電壓數(shù)據(jù)讀取、實時電流數(shù)據(jù)讀取、實時開關(guān)狀態(tài)讀取、功率檢測、RS485通訊、過載聲光報警等功能。2010年7月，智能電子漏電管理保護(hù)器在海鹽供電局正式掛網(wǎng)運(yùn)行。海鹽縣供電局利用現(xiàn)有的電能表采集信息平臺，率先在國網(wǎng)采用新一代智能電子漏電管理保護(hù)器。2010年7月，88臺智能電子漏保器在海鹽通元供電所轄區(qū)紫云南站臺區(qū)試點運(yùn)行，到目前為止，整個項目達(dá)到了設(shè)計的要求。 2. 工藝優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益分析 A.工藝優(yōu)勢 智能漏電管理保護(hù)器在傳統(tǒng)漏電保護(hù)器的基礎(chǔ)上，借助原有的電能表采集系統(tǒng)的RS485通訊網(wǎng)絡(luò)資源，采用嵌入式SOC(System On Chip)技術(shù)及智能型電能計量技術(shù)，集漏電檢測、漏電模擬試驗、電流電壓檢測、功率檢測、電能計量、跳合閘控制、RS485通訊、信息存儲、聲光報警、手動合閘、手動斷閘等功能于一身，實施傳統(tǒng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 B.降低成本 智能電子漏電管理保護(hù)器的運(yùn)用，其超大的優(yōu)良性能得到了充分的顯現(xiàn)，例如當(dāng)電能表的電路板損壞但分流器仍有電流通過、電壓回路正常時，用電仍可正常進(jìn)行，但電能表計量已失效，采用此型漏電保護(hù)器的電壓、電流實時上傳數(shù)據(jù)，對照電能表的相關(guān)計量上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可發(fā)現(xiàn)電能表計量回路電流已中斷，及時發(fā)出告警信息，更換故障電表恢復(fù)計量，減少電力公司的電費(fèi)損失、降低與用電戶發(fā)生糾紛的概率。在發(fā)達(dá)沿海省份，每當(dāng)雷雨季節(jié)，每次雷雨過后，農(nóng)村的電表故障率在千分之三左右，一個縣的農(nóng)村用表在7-9萬塊，那單次故障表總數(shù)在250塊左右，每塊表的單月用電100kWh計算，電力部門到每月抄表日發(fā)現(xiàn)故障再更換的話，每月有15000元電費(fèi)需要人工協(xié)商補(bǔ)收。按每年雷季4個月每月只發(fā)生2次大規(guī)模雷擊計算，單雷擊造成的電表計費(fèi)失效就達(dá)損失120000余元。如果整個地級市或全省都裝上智能電子漏電管理保護(hù)器的話，每年將減少電力部門因故障表計量失效而引起的上千萬元電費(fèi)損失。 C.保護(hù)電力設(shè)施，減少用戶超負(fù)荷用電燒毀電能表 電能表故障的主要因素有兩個，一是本身質(zhì)量、二是外來因素。近年來隨著電力部門的規(guī)范管理，有質(zhì)量問題的電能表已寥寥無幾。外來因素成為了電表故障的主要原因，而這主要原因內(nèi)的主要因素是電能表超負(fù)荷工作。雖然現(xiàn)在的智能電能表同樣有數(shù)據(jù)上傳反應(yīng)，必竟電能表是個計量儀器非過載開關(guān)。采用智能型電子漏電管理保護(hù)器的過載警報功能，漏保器可以配合電能表的最大電流值設(shè)置超負(fù)報警電流值，只要超過預(yù)設(shè)的電流值用電，智能漏保器就能發(fā)出“滴”、“滴”的聲光報警，直到用戶去除部份用電設(shè)備后，智能漏保器自動取消告警聲響，從而保護(hù)了電能表因用戶超負(fù)荷引起的故障、減少此類問題引起的設(shè)備損失，提高電力部門的經(jīng)濟(jì)效益。同時對電力部門針對性作出更換大電流電能表提供依據(jù)，實現(xiàn)主動服務(wù)客戶和保護(hù)設(shè)備的兩全其美。 D.管理費(fèi)用減少 根據(jù)農(nóng)村家用漏電保護(hù)器管理運(yùn)行規(guī)定，每月需要對農(nóng)村家用漏電保護(hù)器進(jìn)行逐戶試跳，按每人每天可完成300計算，一個中等縣的農(nóng)村地區(qū)近9萬用戶每月就此項工作就要花費(fèi)300個人工。已試點安裝智能電子漏電保護(hù)器的供電部門簡單算了一筆賬，由此一年可節(jié)約3600個人工，相當(dāng)于減少了12個人的一年常規(guī)工作量。同時還可以節(jié)約相應(yīng)的車輛使用和油料消耗，年節(jié)約費(fèi)用可超過200萬以上，如果在地區(qū)網(wǎng)局、全省、國網(wǎng)推廣那經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。
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