动态闪变电压检测及电机智能自启动系统设计

沈文杰 蒋建虎

(洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南 洛阳 471003)

0 引言

随着自动化控制技术的进步，当今企业的生产都在向规模化、专业化发展，生产工艺连续性的控制显得十分重要。然而，自然界的雷电、线路的短路、接地、大功率设备启动、供配电系统中的不稳定因素等，都会引起电压瞬间的波动［1］。这种电压闪变是不可预测的随机事件，多数情况下是电压跌落［2－3］，持续时间小于1 s，电网波动的幅值小于额定电压的60%，而较长时间(＞1 s)及较大幅度的电压闪变有时也会发生。由于生产系统中运用的对电压敏感的设备(如可编程控制器(PLC)、变频调速电机(ADS)等)越来越多，生产线上电机的机械特性也不同，电网电压瞬间大幅度跌落会引发电压敏感控制设备误动作，导致设备停机或重载电机停转，从而破坏生产过程中的连续性和工艺连锁性，造成生产中断或产生许多废品，甚至损坏设备、引起爆炸、火灾等事故。即使不发生事故，企业也需对生产系统进行全面检测，从而造成损失。

为此，本文设计了一种电机智能自启动系统，其可以实现电网电压经过瞬间的波动恢复正常后，按照生产工艺控制的要求，重新启动恢复生产或输出报警信号。

1 闪变电压特征量的检测

1.1 闪变电压的特征描述

电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形、三相电压不平衡、电压谐波总畸变率、电压波动和闪变等40多项指标［4，11］。根据国际电工委员会(IEC)的有关标准，电压波动和闪变被作为衡量电能质量的重要指标。当各参量尤其是电压波动与规定值的偏差达到一定值时，即会影响电机运转。通常电压闪变造成的电压跌落是由于输电线路短路故障引起的，大负荷感应电机启动也会引起电压跌落。输电线路故障类型可以分为三相短路、单相接地故障和相间短路3种情况。对三相短路而言，电压跌落是对称的，可用电压跌落的深度和持续时间来描述。但对于不对称故障(单相接地短路和相间短路)，各相电压幅值、相角跳变将各不相同。因此，电压闪变造成的电压跌落还伴随着相角跳变和不对称现象［5－7］，而且由于供电端变压器、用户端变压器绕组连接方式的不同以及负荷连接方式不同，使得同一个电压闪变造成的电压跌落由输电线路送到不同的负荷时，产生的影响也不同。电压幅值跌落深度用MF表示，MF=Usag/Uref，其中，Usag为电压跌落前的有效值，Uref为电压跌落时的有效值，当发生不对称电压跌落时，特指基波正序分量的有效值。电压跌落时的相角跳变是指电压跌落前后的相位角变化，当发生不对称电压跌落时，特指基波正序分量的相位角变化［8－9］。为此，要构建的智能防护系统的检测算法必须能迅速、实时、准确地检测出电压跌落的起止时刻，同时对受控设备的运行状态进行实时监测，并在输电线路运行出现异常时根据检测的数据，结合设备及生产工艺要求自动进行恢复操作。

1.2 闪变电压跌落特征值的检测

负荷往往对电压幅值的跌落很敏感。一般的有效值计算方法只注重对电压幅值的监测，但有效值的计算方法至少需要半个周期的过去数据。这样就会引起一定的延时，而不能准确地给出电压跌落的起止时刻，更不能反映电压跌落时可能出现的相角跳变和不对称。若用离散傅立叶分析方法来计算电压的幅值和相位角，也需要一个工频周期的数据，在电压跌落时难以保证其电压值的实时性。

为了保证电压检测值的实时性，这里用基于“abcdq”变换的检测算法，以瞬时确定电压的有效值。由派克变换，将“abc”坐标下的系统三相电压变换到“dq”坐标系下，即基波正序分量变为直流分量，负序分量变为二次谐波分量，零序分量仍为零。

设系统三相相电压为:

式中:ω 为工频角频率，ω =2πf=100π;t为时间;φ1、φ2、φ0分别为基波正序分量、负序分量、零序分量的初始相位角。

根据式(2)和式(3)，要分离出基波正序分量，需先分离出dq坐标系下的直流分量，再求这两个直流分量的均方根(实际上为基波正序分量的峰值，与标准电压峰值进行比较，从而判断电压幅值是否下降，而幅值下降正是电压发生跌落的判据。

为了克服滤波器的响应延时，保证分离出坐标系下的直流分量的实时性，对这种算法稍作改进，通过下式可以得到其直流分量。

式中:ud'、uq'分别为 ud、uq的微分值。

再进行“dq-abc”变换就可以得到电压跌落时相电压的参考值。这种方法就是上面所说的参考电压幅值为理想电压幅值，相角为跌落电压的基波正序分量相角。

这里提出的基于派克变换的改进检测方法，由于其在dq坐标系下的直流分量的获得是实时的，因此该算法不仅可以准确地检测出电压跌落发生的起止时刻和电压幅值跌落的深度，而且可以准确地检测出基波正序分量相角的跳变。

2 智能防护系统构建

2.1 硬件系统设计

本系统主要由微控制器系统主板、电能质量检测板、I/O接口板、用户操作界面和外围器件组成。系统的功能结构框图如图1所示。

图1 系统功能结构框图Fig.1 Functional structure of the system

图1中，基于微控制器的中央控制模块采用 Phil-ips半导体公司的 P89C662HFA单片机。该单片机的1个机器周期为6个时钟周期，同样晶振下运行速度是传统的80C51的两倍;采用先进的CMOS工艺制造，是80C51单片机的派生品;指令集在执行和时序上与80C51完全兼容;具有4个8位I/O口、3个16位定时/事件计数器、1个多中断源、4个优先级嵌套的中断结构、1个增强型UART以及片内振荡器和时序电路。

电能质量检测模块由隔离变压器、A/D转换(包括采样保持)等电路组成。A/D转换器选用MAXIM公司的MAX197A芯片。该芯片是多量程(±10 V，±5 V，+10 V，+5 V)、8通道、12位高精度的 A/D 转换器。MAX197A采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口和三态数据I/O口，仅需单一的+5 V供电，转换时间为 10 μs。

受控设备监控模块的输入信号主要是受控设备运行状态的开关量信号。该模块由并行I/O接口电路、光电耦合隔离电路、功率驱动电路和中间继电器电路组成。受控设备的运行状态由其原有的主控电路(如电动机主接触器的辅助触点)直接引出。通过设备本身的操作电路或装置对受控设备进行重启动操作。为了保证本系统不会受到电网运行状态的影响，通过不间断电源为系统供电。

2.2 软件系统设计

系统软件设计采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于系统的功能组合。系统软件包括主程序、电能质量检测模块、系统参数设置模块、受控设备监控模块和显示及打印模块等。

主程序主要完成系统初始化、系统参数初始化以及装置自检等任务。系统初始化部分包括各个 I/O端口输入输出设置、中断设置、外围驱动及译码电路的设置、数据 RAM的初始化等。电能质量检测模块的功能主要是对两段母线的电压值进行检测，以判断电网是否有“闪变”发生。

A/D转换芯片MAX197A的输入量程选为0～5 V。MAX197A芯片的时钟范围在0～2 MHz，采用内部时钟工作，选用内部基准电压。编程要求每次将两段母线的6路电压模拟输入信号依次采集一遍，此时采用等待查询方式。

在额定工频50 Hz交流电信号的0.5周期(0.01 s)内，进行N(N=20～50)次采样，每路得到N个电压瞬时值，并由此计算各路的电压有效值。软件充分考虑MAX197A的工作时序，需要考虑采集时间和变换时间以及各控制信号之间的时序关系。A/D转换程序流程如图2所示。

图2 A/D转换程序流程图Fig.2 Flowchart of A/D conversion program

电能质量检测模块对两段母线电压值的检测，通过定时中断方式计算各路电压有效值，0.5个周期(0.01 s)计算一次，并根据检测、计算的数据对受控设备进行相关操作。检测处理程序流程如图3所示。

图3 检测处理程序流程图Fig.3 Flowchart of detection processing program

3 结束语

本文提出了基于“abc-dq”变换的检测算法检测闪变电压波动起止时刻和有效值，并依此设计了智能自启动防护系统。实际应用证明，系统在对大规模连续性生产企业双回路电网进行实时监测过程中，若电网出现闪变，可在电网恢复正常的瞬间(0.01 s)将因闪变而停机的受控设备按照工艺要求分批重新启动，验证了基于“abc-dq”变换的检测算法检测闪变电压波动起止时刻和有效值方法的正确性和实用性。

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