【導(dǎo)讀】本文根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實際情況，從軟硬件角度提出了基于PLC的電機反時限過流保護方案，核心部分是反時限過流數(shù)學(xué)模型的建立。該電機保護系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，已應(yīng)用于實際生產(chǎn)，保護電機效果很好。
為解決電機使用過程中發(fā)熱和燒壞的問題，需要對電機電流進行檢測，以實現(xiàn)對電機限流保護。結(jié)合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的實際情況，在電機過流保護數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了適用于PLC的電機反時限過流保護方案，給出了方案的軟硬件設(shè)計。本方案的電機保護性能，已經(jīng)在實際生產(chǎn)申得到驗證。
在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中會用到大容量的電機，由于這些電機的長時間連續(xù)工作，并且長期受企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中粉塵、電流變化等影響，電機很容易發(fā)熱。如果電機不超過限定發(fā)熱量，則可以安全運行，如果發(fā)熱量超過限定值，且長時間持續(xù)運轉(zhuǎn)，電機溫度就會逐漸升高，導(dǎo)致電機性能降低，甚至?xí)龎碾姍C，因此對電機進行熱保護就顯得非常重要。電機發(fā)熱的原因通常是電流超過額定值引起的，啟動時的瞬間電流過高是允許的，但持續(xù)的過流必須在限定時間內(nèi)降下來，否則就需要啟動斷電電路來保護電機。也就是說電機熱保護的實質(zhì)是：判定電機的過流性質(zhì)。
1電機反時限過流保護器的發(fā)展趨勢
反時限過流保護可以理解為保護動作時間隨電機電流變化而變化。其關(guān)鍵點有兩個：一是電機電流超過額定電流規(guī)定時間保護將被啟動;二是電機電流越大保護動作時間越短。各國專家都在研究這種保護方式，最早采用常規(guī)雙金屬片熱繼電器，上世紀七、八十年代采用模擬電路設(shè)計的反時限過流保護電路，九十年代后采用功能強大的智能化儀器，現(xiàn)代企業(yè)是以PLC為核心的電機保護系統(tǒng)。常規(guī)雙金屬片熱繼電器的缺點是不可靠、不穩(wěn)定，模擬電路設(shè)計的反時限過流保護電路是利用電容恒流充電設(shè)計的過流保護器，缺點是電路設(shè)計繁雜、通用性較差、電子器件多，以單片機為核心的電機保護器采樣精度有了質(zhì)的飛躍，PLC為核心的電機保護系統(tǒng)采樣精度更進一步。
圖1 反時限過流保護曲線圖
2建立電機反時限過流保護的數(shù)學(xué)模型
電機正常運行時電機發(fā)熱量和電機散熱量相等可達到熱平衡，電機連續(xù)運行不會燒壞，保護電路不啟動。設(shè)Ie為該電機額定電流值，在時間段t內(nèi)的額定電流發(fā)熱量為：
在電機過載運行時，電流的大小不是恒定的，而是不同時刻實際電流的大小可能不同，過載電流的熱效應(yīng)隨時間累積，過載熱量對時間積分。因此式(1)可以表示為：
式(3)只適用于1.05≤n≤7時的熱效應(yīng)變化情況。實際使用中還有兩種種情況，一是當計算機只能處理離散數(shù)據(jù)，而式(3)積分形式是連續(xù)曲線，因此，將式(3)進行離散化處理整理得：
式中啟動前熱量累加求和的次數(shù)為N.采樣時間間隔為△t，取循環(huán)中斷OB38的時長100 ms.因△t很小，假設(shè)采樣電流基本不變。當累積熱量小于C時，清除過載閉鎖，電機重新啟動。
程序?qū)崿F(xiàn)：根據(jù)行業(yè)標準，考慮熱量積累快慢不同，散熱速度不同，結(jié)合實際及現(xiàn)場的通風(fēng)散熱，經(jīng)反復(fù)計算和測試，調(diào)整數(shù)學(xué)模型中參數(shù)C，最終為提高電機的反時限過流保護精度，確定采用：
3電機反時限過流保護方案的設(shè)計框圖
本方案的主控制器選PLC，原因是其具有易擴展、故障率低、穩(wěn)定性高、可靠性強等優(yōu)點。
電機保護系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。
硬件主要包括主控計算機、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制接觸器和模擬信號提取等部分。主控計算機由主控制器PLC(西門子公司的可編程邏輯控制器PLC)、鍵盤、鼠標、顯示器構(gòu)成，控制接觸器由中間繼電器和主接觸器構(gòu)成，模擬信號提取由電流互感和變送器構(gòu)成，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由外部擴展數(shù)字量輸出模塊DO、數(shù)字量輸入模塊DI和模擬量輸入模塊AI等構(gòu)成。硬件設(shè)計框圖如圖2所示。
軟件部分采用STEP7軟件的STL語言編程。
設(shè)計思路：一是測當前的電流值；二是根據(jù)電流過載倍數(shù)分段；三是計算出隨實時電流變化的保護時間(根據(jù)電流過載倍數(shù))；四是按固定時間延時保護。
設(shè)計缺點：這是一個時間的累積過程，只能估計熱量的變化，不能反映電機熱量的實時變化(忽略了電流上升的升溫過程)，需經(jīng)反復(fù)實驗得程序流程圖如圖3。
圖3 軟件流程圖
4 實驗結(jié)果
電流恒定實驗：設(shè)為實際恒定電流值，當n=4.87倍時，保護時間14 s。
可見，電流動態(tài)變化時的保護時間小于計算公式算出的保護時間，電流波動時能較好的保護，體現(xiàn)了電機反時限過流保護程序的積分效應(yīng)。
抗干擾實驗：超2倍額定值時，50 s不保護，突然加以干擾時，超額定電流6倍時，電機停2 s后回到額定電流值正常工作，按時間累加立即跳閘，抗干擾實驗成功。
