低壓智能電動機保護器的可靠性設(shè)計

1　 引言

　　電動機作為一種拖動機械因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護方便等優(yōu)點，在國民經(jīng)濟各個方面被廣泛采用。在當代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和智能電動機保護器技術(shù)的成熟而普及率越來越高。
　　智能電動機保護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，重復(fù)性差、測量參數(shù)誤差大的缺點。保護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)過載保護等方法保證了電機的可靠運行，而微處理器強大的擴展性包括開關(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。
　　電動機保護器提高了電動機運行的可靠性和系統(tǒng)智能化要求，因此保護器的可靠運行起著舉足輕重的作用，同時也對保護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，是第一款認可用于汽車市場的微控制器?？蓱?yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等場合，具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。
2.2 電源端濾波處理
　　利用電磁原理進行硬件電路濾波是提高保護器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，直接串在負載電路中，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，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，會導致微處理器復(fù)位，甚至死機。
2.3 信號端處理
　　諧波和電磁輻射干擾會導致保護器誤動作，使電氣儀表計量不準確，甚至無法正常工作。在電動機控制回路中產(chǎn)生該類干擾源為變頻器和現(xiàn)場對講機。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。考慮到客戶使用控制電壓的不確定性和接觸器線圈容量，確認使用MYG14D821。

圖5　保護輸出電路

2.5 外部存儲技術(shù)和看門狗保護電路
　　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
　　保護器起著保護電動機的重任，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,則人機交互的時間為6.72mS。這樣的任務(wù)調(diào)度即滿足了保護實時性要求，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。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)品的擴展性，一般留有余量，也因此總有些存儲空間會未被使用。當微處理器的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保護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。

參考文獻：

1、低壓電動機保護器行業(yè)標準 JB/T 10736-2007
2、任致程，周中電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南 北京：中國電力出版社，2007
3、Freescale，MC9S08AW系列單片機數(shù)據(jù)手冊[EB/OL]，2006。
4、陳偉華 電磁兼容實用手冊 機械工業(yè)出版社 1998.8
5、周志敏 周紀海 開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用 人民郵電出版社
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