CN110649570A - 一种电动机测控保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机保护领域,公开了一种电动机测控保护装置及保护方法，包括数据采样模块、主控模块、人机交互界面、电源模块、告警及保护模块和通讯模块；数据采样模块包括电压互感器、电流互感器和零序电流互感器，主控模块通过数据采集模块采集的电压和电流信息计算得到正序电流、负序单流和零序电流，通过对检测的各电流、电压参数和设定的阈值进行比较来检测电动机是否出现不对称故障。

Description

一种电动机测控保护装置及保护方法

技术领域

本发明涉及电动机保护领域，具体涉及一种电动机测控保护装置及保护方法。

背景技术

电动机在使用过程中的电压、电流保护至关重要，如果电动机长时间工作在大电流状态，电动机内部产生大量热，严重时会损坏电动极的内部绕组。

传统的电动机保护主要由熔断器、接触器和热继电器构成的简单的过流保护系统，电动机的电源线路上接入以上保护器件，当电源电流高于热继电器的设定保护电流时，热继电器自动跳开，断开电源回路，如果电源电流的瞬时值大于热继电器的设定保护电流值时仍会触发这种保护方式，而且还需人工手动复位热继电器。

随着微机技术发展，现有电动机保护装置利用电压互感器和电流互感器采集电动机电源的电压和电流，电压或者电流出现异常时，控制器及时断开电源线路，但这种装置基于常规的过流保护理论，以电流幅值作为故障依据，只能检测对称的电动机故障，对于不对称的电动机故障不能进行有效监控和保护。

发明内容

鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种电动机测控保护装置及保护方法，所要解决的技术问题是现有技术缺少对电动机的不对称故障保护。

为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种电动机测控保护装置，包括数据采样模块、主控模块、人机交互界面、电源模块、告警及保护模块和通讯模块；

数据采样模块包括电压互感器、电流互感器和零序电流互感器；主控模块对数据采样模块采集的数据先进行AD转换再生成数字量电压信号和数字量电流信号；主控模块通过对称分量法对数字量电流信号进行计算得到正序电流、负序电流和零序电流；主控模块根据正序电流、负序电流、零序电流和数字量电压信号判断电动机的故障类型；主控模块通过通讯模块与外围主机进行数据交换；电源模块将220V交流输入转化为两路5V直流输出，向主控模块提供工作电压；主控模块分别电连接人机交互界面和告警及保护模块；告警及保护模块用来向外部执行元件输入控制驱动信号。

进一步，人机交互界面包括LCD显示屏、按键和指示灯；LCD显示屏用来显示数据采样模块采集到的电压和电流信息、电动机出现故障时的故障信息；按键用来设置电动机的保护参数。

其中，指示灯包括运行灯、动作灯、告警灯、跳位灯和合位灯。

进一步，主控模块按照MODBUS/RTU协议通过通讯模块与外围主机进行数据交换，外围主机支持远程修改主控模块的存储器数据。

应用上述一种电动机测控保护装置的一种电动机保护方法，包括以下步骤：

步骤一：主控模块初始化，读取储存的电动机保护参数；

步骤二：数据采样模块采集电动机的三相电压、三相电流和零序电流，主控模块对数据采样模块采集的电流和电压信息先进行AD转换在计算得到电压有效值、电流有效值和功率因数，电流有效值包括正序电流、负序电流以及零序电流；

步骤三：主控模块将计算好的电压、电流参数与各项电动机的保护参数阈值进行比较，判断检测的电流和电压是否异常，若无异常则返回步骤二继续测量，若出现异常则前往步骤四进行具体判断；

步骤四：如果出现短路，立即断开电动机电源，然后前往步骤五；如果是启动时间过长、堵转、负载过度、零序过流、过负荷或者低压，则开始计时，设定时间内如果数据采样模块检测的电流电压在设定的保护参数内，则返回步骤二，如果计时达到设定时间后，数据采样模块检测的电流电压仍是异常则前往步骤五；

步骤五：主控模块根据故障类型执行保护动作并设置故障标志。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：主控模块根据数据采样模块采集的电压、电流信息计算电动机的正序电流、负序电流和零序电流，通过判断各序电流与电动机保护参数之间的关系检测电动机运行中是否发生不对称故障，若出现故障则进行对应的电动机保护，另外还支持远程修改电动机保护参数。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明的硬件结构框图；

图2为本发明各保护功能的使用说明；

图3为本发明的人机交互界面示意图；

图4为本发明的主控模块的控制流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-4所示，一种电动机测控保护装置，包括数据采样模块2、主控模块1、人机交互界面3、电源模块6、告警及保护模块5和通讯模块4。

数据采样模块2包括电压互感器、电流互感器和零序电流互感器；主控模块1对数据采样模块2采集的数据先进行AD转换再生成数字量电压信号和数字量电流信号；主控模块1通过对称分量法对数字量电流信号进行计算得到正序电流、负序电流和零序电流；主控模块1根据正序电流、负序电流、零序电流和数字量电压信号判断电动机的故障类型；主控模块1通过通讯模块4与外围主机进行数据交换；电源模块6将220V交流输入转化为两路5V直流输出，向主控模块1提供工作电压；主控模块1分别电连接人机交互界面3和告警及保护模块5；告警及保护模块5用来向外部执行元件输入控制驱动信号。

其中，人机交互界面3包括LCD显示屏31、按键33和指示灯32；LCD显示屏31用来显示数据采样模块2采集到的电压和电流信息、电动机出现故障时的故障信息；按键33用来设置电动机的保护参数；指示灯32包括运行灯、动作灯、告警灯、跳位灯和合位灯，用来显示相关工作状态。

其中，外部执行元件包括但不限于继电器、三色灯，通过继电器控制电动机电源通断，同过三色灯显示运行状态。

本实施例中，主控模块1采用STM32F103VCT6单片机芯片，该单片机芯片工作频率可到168MHz，支持大数据处理，内部资源包括片内AD、串口等。电机保护装置中主要用到片内AD和串口。键盘输入、电机逻辑控制输出以及LCD均使用IO口驱动。核心处理单元主要完成模拟信号和数字信号转换，以及对信号进行处理，并实现电机保护算法，判断电机工作状态，并实时地通过LCD显示出来。配置电机保护装置主要通过按键输入，通过按键来配置参数，STM32F103VCT6会将配置参数保存到片内的FLASH，每次开机启动会重新加载配置参数。

图2中详细显示了本发明中的电动机保护参数的使用说明，通过按键33可以设置每个保护功能的工作模式、判断阈值和延时定值，丰富了电动机的保护模式，避免现有技术在电动机保护时只通过判断是否过流来断开电动机电源。

进一步，主控模块1按照MODBUS/RTU协议通过通讯模块4与外围主机进行数据交换，外围主机支持远程修改主控模块1的存储器数据。通过此方式一方面可以实时将电动机的电力参数发送给外围主机，另一方面也可通过外围主机修改电动机的工作模式，不用人工在现场手动修改。

假设正弦交流电压和电流为的波形如下所示：，

对公式一中的电流电压信号在t时刻开始连续进行等间隔(间隔周期为ΔT)的三次采样，可得：

对公式二进行三角运算，消去与时间t有关的量可得到：

当采样频率为600HZ、ωΔT＝30时，公式三变化为如下公式：

主控模块1根据公式二分别计算数据采样模块2采集到的正序当电流、负序电流、零序电流和电压。将实时采集的电流、电压数据和通过按键设置的各保护模式的阈值数据进行比较，如果实时采集的电压、电流数据出现异常，主控模块1按照按键设置的保护动作输出控制信号，从而对不同的故障类型执行相应的保护决策。通过公式二进行三点采样，数据窗为两ΔT，当采样频率为600HZ时，数据窗为3.33ms，采样速度快，还能消除直流分量影响，采样时只需在硬件上保证采样间隔相同。

采用上述电动机测控保护装置的电动机保护方法包括以下步骤：

步骤一：主控模块1初始化，读取储存的电动机保护参数；

步骤二：数据采样模块2采集电动机的三相电压、三相电流和零序电流，主控模块1对数据采样模块2采集的电流和电压信息先进行AD转换在计算得到电压有效值、电流有效值和功率因数，电流有限值包括正序电流、负序电流以及零序电流；

步骤三：主控模块1将计算好的电压、电流参数与各项电动机的保护参数阈值进行比较，判断检测的电流和电压是否异常，若无异常则返回步骤二继续测量，若出现异常则前往步骤四进行具体判断；

步骤四：如果出现短路，立即断开电动机电源，然后前往步骤五；如果是启动时间过长、堵转、负载过度、零序过流、过负荷或者低压，则开始计时，设定时间内如果数据采样模块2检测的电流电压在设定的保护参数内，则返回步骤二，如果计时达到设定时间后，数据采样模块2检测的电流电压仍是异常则前往步骤五；

步骤五：主控模块1根据故障类型执行保护动作并设置故障标志。

本发明的原理如下：电动机在发生对称故障和不对称故障时,电动机的三相电流都会发生变化。电动机故障时比如发生过载、断相、欠压都会造成绕组电流超过额定值,另外电源电压欠压,运行电流上升的比例将等于电压下降的比例，针对以上情况,电动机保护器可通过对三相运行电流进行检测,根据运行电流的不同性质来确定不同的保护方式。

图4为主控模块1的控制流程图，主控模块1先初始化，读取预先设置的电动机保护参数，然后根据数据采样模块2采集的电流、电压值计算出电流和电压有效值、负序电流功率因数等，将计算后的各项电力参数与设定的阈值进行比较，如果运行正常，则继续采集和比较判断，如果出现异常，对具体故障类型进行具体分析。

上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种电动机测控保护装置，包括数据采样模块和主控模块，其特征在于：还包括人机交互界面、电源模块、告警及保护模块以及通讯模块；

所述数据采样模块包括电压互感器、电流互感器和零序电流互感器；所述主控模块对所述数据采样模块采集的数据先进行AD转换再生成数字量电压信号和数字量电流信号；所述主控模块通过对称分量法对所述数字量电流信号进行计算得到正序电流、负序电流和零序电流；所述主控模块根据所述正序电流、负序电流、零序电流和数字量电压信号判断电动机的故障类型；所述主控模块通过通讯模块与外围主机进行数据交换；所述电源模块将220V交流输入转化为两路5V直流输出，向主控模块提供工作电压；所述主控模块分别电连接人机交互界面和告警及保护模块；所述告警及保护模块用来向外部执行元件输入控制驱动信号。

2.根据权利要求1所述的电动机测控保护装置，其特征在于：所述人机交互界面包括LCD显示屏、按键和指示灯；所述LCD显示屏用来显示所述数据采样模块采集到的电压和电流信息、电动机出现故障时的故障信息，所述按键用来设置电动机的保护参数。

3.根据权利要求2所述的电动机测控保护装置，其特征在于：所述指示灯包括运行灯、动作灯、告警灯、跳位灯和合位灯。

4.根据权利要求1所述的电动机测控保护装置，其特征在于：所述主控模块按照MODBUS/RTU协议通过通讯模块与外围主机进行数据交换，所述外围主机能远程修改所述主控模块的存储器数据。

5.一种电动机保护方法，应用如权利要求1-4任一项所述的电动机测控保护装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：主控模块初始化，读取储存的电动机保护参数；

步骤二：数据采样模块采集电动机的三相电压、三相电流和零序电流，主控模块对数据采样模块采集的电流和电压信息先进行AD转换在计算得到电压有效值、电流有效值和功率因数，电流有效值包括正序电流、负序电流以及零序电流；

步骤三：主控模块将计算好的电压、电流参数与各项电动机的保护参数阈值进行比较，判断检测的电流和电压是否异常，若无异常则返回步骤二继续测量，若出现异常则前往步骤四进行具体判断；

步骤四：如果出现短路，立即断开电动机电源，然后前往步骤五；如果是启动时间过长、堵转、负载过度、零序过流、过负荷或者低压，则开始计时，设定时间内如果数据采样模块检测的电流电压在设定的保护参数内，则返回步骤二，如果计时达到设定时间后，数据采样模块检测的电流电压仍是异常则前往步骤五；

步骤五：主控模块根据故障类型执行保护动作并设置故障标志。

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