掘进机电动机过载保护的算法优化

朱军帅 陈辉

摘要：对于掘进机电动机的过载保护，宜采用反时限保护的思想，为在微机计算中实现该思想，引入电流—时间关系式，从而引入发热常数K;然后根据少量已知的电动机过载保护要求，求得K值的保护限值;对K值进行累加计算，当K值超过限值时即发出电动机保护指令。现对优化后的微机算法代码进行举例说明，该算法相较于传统的分段式算法更为准确，特别是对于动态过载的情况，其效果尤为明显。

关键词：电动机;过载;微机;反时限;算法

0    引言

对电动机的保护应将温度保护和热（电流）保护两者结合，组成温度—电流保护，这是一种比较理想的过负荷保护方式[1]。目前，以微机为基础的热（电流）保护，以其处理数据灵活、适用范围广等特点，得到了越来越广泛的应用[2]。本文主要讨论以微机为基础的悬臂式掘进机的电动机热（电流）保护算法。

1    标准算法

矿用悬臂式掘进机电控系统执行标准《悬臂式掘进机 电气控制设备》（MT/T 971—2005），其中要求对掘进机电动机的过载短路保护应符合表1的规定[3]。

若按照表1所列数据执行，对于1.20倍过载保护和1.50倍过载保护，在微机上的ST语言代码表达如下：

IF Current_real>（Current_rated*1.20）  THEN

Mid_120：=TRUE;

ELSE

Mid_120：=FALSE;

END_IF

TON_120（IN：=Mid_120，PT：=T#1200S）;

IF TON_120.Q  THEN

Overload_current_120：=TRUE;

END_IF

（*1.2倍过载1 200 s*）

IF Current_real>（Current_rated*1.50）  THEN

Mid_150：=TRUE;

ELSE

Mid_150：=FALSE;

END_IF

TON_150（IN：=Mid_150，PT：=T#180S）;

IF TON_150.Q  THEN

Overload_current_150：=TRUE;

END_IF

（*1.5倍过载180 s*）

IF Overload_current_120 OR Overload_current_150  THEN

Motor_stop：=TRUE;

ELSE

Motor_stop：=FALSE;

END_IF

（*过载后电动机停止*）

IF Reset THEN

Overload_current_120：=FALSE;

Overload_current_150：=FALSE;

END_IF

（*复位*）

备注：Current_real—实时电流;Current_rated—額定电流（整定电流）;Mid_120—1.2倍过载计算的中间变量;Overload_current_120—1.2倍过载;Motor_stop—电动机停止;Reset—复位。

对于表1所述及其在微机上的算法，有两个问题：

（1）在1.5倍至6倍过载之间，数据缺失，没有2倍、3倍、4倍、5倍等过载的动作时间。

（2）算法不够合理。掘进机负载是一直变化的，电流也随之变化，过载倍数也是一直变化的，那么过载保护的时间也应当是实时变化的，上文分段式算法无法准确反映动态过载的情况[4]。

2    算法优化

对于电流频繁变化的电动机宜采用反时限电流保护[2]。采用反时限电流保护方法，首先要建立电流—时间的关系式。

电动机短时过负荷时，发热时间短，发热量大，电动机绕组在最初发热时与铁芯间存在热绝缘，且铁芯质量大而发热缓慢，所以短时过负荷状态的电动机的发热状态应由绕组发热时间常数T′决定[1]。

额定稳态后的过载保护时间可用下式表示：

式中，t为额定稳态后的过载保护时间（s）;θn为额定稳态温升（℃）;Δθ为超出θn的温升（℃）;Tn′为额定稳态时的绕组发热时间常数（s）;IZ为电流倍数，IZ=I/In。

变形得：

则过载电流倍数与保护时间的关系式为[1]：

采用反时限过流保护算法时，绕组发热时间常数T′一般应由电动机制造商提供，但国内制造商一般都不提供此数据，我们可以根据制造商提供的其他数据或相应标准来计算[5]。

有多种方法可以计算K值大小，我们可以根据已知的电动机过载负荷能力对K值进行计算，根据表1数据计算K值：

1.2倍过载时：

1.5倍过载时：

二者取小，则K=225。

由此我们可以反推2倍、3倍、4倍、5倍等其他倍数的过载保护时间，如3倍电流过载的保护时间则为：

在变化过载电流条件下，为了在微机中实现电动机过载保护的计算，我们可以对K值进行累加计算，在微机上的ST语言代码表达如下：

IF Num<5 THEN

Num：=Num+1;

Current_real_sum：=Current_real_sum+Current_real;

END_IF

IF Num=5 THEN

Current_real_average：=Current_real_sum/Num

（*计算5个数据采集周期内的电流平均值，5可调*）

Multiple_current：=（Current_real_average/Current_rated）

K1：=（Multiple_current*Multiple_current-1）*Num*Cycle;

K：=K+K1;

Num：=0;

Current_real_sum：=0;

END_IF

（*计算K值*）

IF K>225 THEN

Motor_stop：=TRUE;

END_IF

IF K<0 THEN

K：=0

END_IF

（*电动机停止*）

IF Reset THEN

Motor_stop：=FALSE;

END_IF

（*复位*）

备注：Num—计数，初始值為0;Current_real—实时电流;Current_real_sum—实时电流求和;Current_real_average—时间元内的电流平均值;Multiple_current—电流倍数;Current_

rated—额定电流;Cycle—实时电流的采集周期;K1—K值计算的中间变量;K—过载K值累加值，初始值为0。

考虑到计算量的问题，所以引入了Current_real_average—时间元内的电流平均值，如果微机计算能力允许的话，时间元应尽量取小，时间元越小则计算结果越真实准确，最小直接取数据采集周期Cycle的大小，此时Num取1。

3    结语

对于掘进机电动机的过载保护，宜采用反时限保护的思想。本文引入电流—时间关系式，对关系式中的K值进行累加计算，当K值超过限值时即发出电动机保护指令，从而将该控制思想融入到了微机上的实际算法中。该算法相较于传统的分段式算法更为准确，特别是对于动态过载的情况，其效果尤为明显。

[参考文献]

[1] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，1997.

[2] 黄彦全，肖建，蔡勇，等.新型微机反时限电流保护时间—电流特性的工程应用[J].电力系统自动化，2003，27（23）：71-73.

[3] 悬臂式掘进机 电气控制设备：MT/T 971—2005[S].

[4] 牟龙华，邢锦磊.反时限过载保护精确算法[J].电力自动化设备，2008，28（6）：36-38.

[5] 郑蔚，温佶强，王宁.数字式电动机过热保护的整定计算[J].浙江电力，2007，26（4）：30-31.

收稿日期：2019-12-24

作者简介：朱军帅（1985—），男，江苏徐州人，工程师，研究方向：机械电气自动化。