三相异步电动机保护电路在停车器控制系统中的应用与选型

摘要：以往，在停车器控制系统中使用接触器来控制执行电机的正转与反转，由于接触器有动作触点，当触点动作时会产生电火花,而且随着触点动作次数的增加，触点接触电阻会变大，导致电机供电缺相，容易造成堵转，从而可能烧坏电机。本文介绍了使用大功率晶闸管进行电动机正反转控制和相关的故障保护，应用ARM微控制器实现了晶闸管故障状态的诊断，并分别实现了具有过载保护、断相、三项不平衡等电机保护，并通过CAN总线将故障内容传送至上位机。
关键词：机电一体化；晶闸管；断相；电机控制；保护措施
0引言
       大功率反晶闸管具有无触点、无火花、快速开关频率等优点，非常适合进行电动机正反转控制。随着自动化程度的提高，出现越来越复杂的过程控制，电机工作状态不断恶化。对电动机的保护提出了更高的要求，停车器控制系统就是比较典型的。结合晶闸管优点和电机保护的需求，设计了一种一体化的电机保护电路。
1正反转控制及电流检测电路
       电动机保护主电路采用了五路反并联晶闸管，控制导通顺序,从而实现电动机正、反转。电流传感器用来测量主回路工作电流，根据停车器的三相异步电机工作功率,选择TA1402-02M互感器。在可控硅两端引出接线端子检测可控硅两端电压。
2晶闸管击穿和晶闸管开路检测电路
       按照工作状态将晶闸管障分成两种,分别是晶闸管路和晶闸管击穿，电机在不启动的情况下检测晶闸管击穿，电机在开启时以及运行状态下检测晶闸管开路。如果发现故障，对于故障状态分别设置对应的标记，并及时关断晶闸管。晶闸管击穿检测是在电机正转或反转启动信号发出后延时50ms,然后进行晶闸管状态检测。如图1所示，采集晶闸管两端的电压，检测晶闸管的导通状态，根据五路反并联晶闸管导通状态和实际状态的异同，可判断是击穿还是开路。

图1　击穿和开路检测电路
3断相和三项不平衡保护
       在控制程序中断相检测以低于额定电流的1/8为电流断相依据，停车器电机额定功率为750W，额定工作电流为1.5A左右,断相检测在启动信号发出50ms后开始检测，目的是跳过接触器的动作延时。但是在启动电流很大的时间内还是要进行断相检测，在出现具有断相故障标志信号开始后2s内检测到的有效断相故障信号的次数大于总的检测次数的75%，那么认为断相，发出断相故障信号。三相不平衡检测过程中，找到主回路三相电流的大值和小值，如果大值大于小值的两倍那么就认为三相不平衡发生。在发现具有三相不平衡信号开始后5s时间范围内检测到有效三相不平衡的故障信号次数大于总的检测次数的75%，就认为是三相不平衡发生。电路图2采集主电路中电流互感器输出的电流经电阻转换成的正弦电压信号进行处理，经CPU 进行AD采样后获取主电路电流大小。 

图2　电流采集电路
4反时限过电流保护
       反时限保护特性是故障电流(或称短路电流)越大,接触器保护的动作延时越小,更接近电机出现故障时的特性，用反时限进行过电流保护更有优势。国外广泛使用反时限进行过电流保护，并较早建立了数学模型。 

（1）式中：I——过电流倍数，以额定电流为基准； r——是常数，取值在范围有三种[1] ，针对电机保护，采用r = 2； Q——常数[2]，量纲为时间，s； T——出现过电流保护时间，s。使用该模型可以有效进行反时限过电流保护计算，但是由于电机运行中的电流不断变化，不是严格的反时限关系，直接使用该模型，计算结构不够准确，将该模型演变为积分方式更适合实际情况，演变后公式为： 

（2）式中：Ik——是第K次采样时的过电流倍数； ΔT——采样周期，s； N——累计次数； Q——由用户确定的时间常[3],s。
5软件设计
软件采用多任务设计方法，任务分为：外设参数采集、电流采集、电压采集、电机正反转输入检测、故障类型判断、状态指示。
（1）外设参数采集包括：停车器电动机功率设置、启动时间设置、零位检测。
（2）电流采集：通过NXP ARM处理器内部自带AD(12位)转换器采集由电流互感器输出的主电路电流信号，每路电流信号采集10次，采用中值滤波法，滤波效果良好。
（3）电压采集：采集可控硅两端的电压，采用统计4N35B光耦输出的高电平时间确定电压是否存在。
（4）电机正反转输入检测：使用软件滤波采集正转反转控制信号，进行按键的互锁处理，只有在一个按键在松开状态，另一个按键的输入才有效。按键释放50m后才开始检测下一次按键信号。
（5）故障类型判断: 故障类型包括三相不平衡、晶闸管击穿、晶闸管开路、反时限过载、断相。通过输入信号按照故障判别原理进行多种故障分析。
（6）状态指示：通过指示灯显示设备运行状态，如果出现故障，相应的故障指示灯会点亮。
6安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型
6.1产品简介
ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。
6.2产品选型
产品功能

说明：“√”表示具备“■”表示可选
7结束语
       停车器保护控制器具有结构紧凑，保护功能完善，设计上使用反并联可控硅进行电机正反转控制等特点，ARM处理器主要采集可控硅的电压和电流信号从而实现电机的保护，经过实际运行检测，停车器电机保护控制器运行稳定可靠，各项指标符合设计规定。
【参考文献】
[1]周小丽，陈刚.反时限过流保护在微机保护装置中的实现[J].江苏电机工程，2003（9）.
[2]黄猛.可控硅交流接触器柜在三辊热轧机上的应用[J].特钢技术，2010（4）.
[3]隋国强，董长宝.三相异步电动机保护电路在停车器控制系统中的应用[J].哈尔滨铁道科技，2020（04）.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：
王蒙蒙，女，本科安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为电动机保护器的设计与应用