带RS485通信的电流型三相保护器的设计

2013-02-22施火泉

微特电机 2013年4期

李朋，施火泉，朱杰

(江南大学，江苏无锡214122)

0 引言

电能质量、负载、现场环境恶劣往往造成三相用电设备损坏，因此需要对三相电流进行实时监测，以确保用电设备的正常运行。常见的三相保护器有电压型和电流型两种，电压型虽结构简单但可靠性较差，如三相电动机接线端和内部缺相时，起不到保护作用。本文针对三相交流电缺相、不平衡、逆相及过流或短路等故障［1］，设计了具有三相电流采集与显示、故障保护功能的数字式保护控制器，具有RS485串行通信接口，便于控制器之间或与上位机进行通信。

1 系统结构

三相保护器的系统结构如图1所示，由按键模块、电流采集模块、RS485通信模块、显示模块、动作模块、MCU等组成。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 电流采集模块

三相保护器通过电流互感器对三相电流瞬时值进行实时采样，对于短路故障，必须对短路电流进行快速采集，同时也不能采用有效值来判断是否短路，因此本文对短路电流进行单独采集。电流采集电路如图2所示。

图2 电流采集电路(A、B相)

从图2可以看出，当A点的电流大于B点的电流时，则T0则为高电平，否则，T0为低电平。端口AD4、AD5采集三相电流瞬时值，以此检测过流、短路故障。AD1、AD2端口采集电流用于检测缺相、错相等故障。

2.2 RS485 通信模块

RS485接口电路采用 LTC1535，通过光耦使MCU和RS485完全隔离，端口使用TVS管和PTC热敏电阻实现抗瞬变保护［2］，如图3所示。

2.3 其他模块

图3 RS485接口电路

(1)键盘与显示模块:CPU动态扫描实现键盘与显示功能，实现轮流显示三相电流及故障状态，在LED数码管段选端口与MCU引脚之间加470 Ω的电阻，起限流作用。

(2)动作模块:MCU输出故障信息驱动继电器，推动外部接触器动作以实现保护用电设备的目的。

3 系统软件设计

系统软件由数据处理程序和MODBUS通信程序组成。数据处理程序用于电流采集及数据的一系列处理，如图4所示;当模块接受到主机的通信命令时，则进入通信中断程序，如图5所示。

图4 电流采集程序流程图

图5 MODBUS通信中断程序流程图

4 故障判断方法

设三相电流整流后分别为 Ia、Ib、Ic［3］:

令iab，即求得A、B相交点电流ij:

式中:I2为电流有效值;m整数。

从式(3)可知，当 k=2m，即 T0上升沿时，A、B相电流的交点值是电流有效值设定值的1.225倍，表示工作正常;当 k=2m+1，即T0下降沿时，A、B相电流交点值是电流有效值设定值的0.707倍，表示工作正常，否则与过流、短路电流设定值进行比较，进而输出故障信号。

当k=2m时，比较此时的C相电流值是否小于A、B相电流的交点值，如果小于的话，则表示三相相序为顺相序，否则表示错相。

电源端缺一相时，在电机端该相电压仍然存在，因此，通过判断任一相电压为零认为缺相是不可靠的。但缺相时，线电流为零，因此通过电流判别缺相是可靠的。

I1为三相电流中最小值，I2为三相电流中最大值，IP为平均值。根据系统的要求，设置所需要的不平衡系数，当其达到设定的三相不平衡系数就可以认为系统出现故障。

当Ia＜0.2IP、Ib＜0.2IP或Ic＜0.2IP时，表示缺相。

对于过载、堵转等故障判断，可按应用需要设定。

5 结语

本文对该保护器进行了实验室测试，以额定功率为100 W、电压为220 V、电流为0.55 A的三相绕线式异步电动机为样机，采用ATMEGA32单片机作为控制芯片［4］，由电流互感器采集三相电流，通过本文介绍的故障判断方法进行电机故障判断，继而控制继电器的关断，RS485通信波特率选取4 800 b/s，经过测试，效果良好，实验室测试实物图如图6所示。通过在某中央空调上的试运行，实践证明该保护器满足企业电流误差不超过3%，动作时间误差不超过1%的要求。既解决了电压型的不足之处，又具有可靠性高、测量精度高、功能强、操作方便、价格低廉、工作可靠等优点。