简谈掘进机电动机过载保护的算法优化

　　刘丹
 

　　安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
 

　　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。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。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/T971—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。
 

　　表1
 

　　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：
 

　　IFCurrent_real>(Current_rated*1.20)THEN
 

　　Mid_120:=TRUE;
 

　　ELSE
 

　　Mid_120:=FALSE;
 

　　END_IF
 

　　TON_120(IN:=Mid_120,PT:=T#1200S);
 

　　IFTON_120.QTHEN
 

　　Overload_current_120:=TRUE;
 

　　END_IF(*1.2倍过载1200s*)
 

　　IFCurrent_real>(Current_rated*1.50)THEN
 

　　Mid_150:=TRUE;
 

　　ELSE
 

　　Mid_150:=FALSE;
 

　　END_IF
 

　　TON_150(IN:=Mid_150,PT:=T#180S);
 

　　IFTON_150.QTHEN
 

　　Overload_current_150:=TRUE;
 

　　END_IF(*1.5倍过载180s*)
 

　　IFOverload_current_120OROverload_current_150THEN
 

　　Motor_stop:=TRUE;
 

　　ELSE
 

　　Motor_stop:=FALSE;
 

　　END_IF(*过载后电动机停止*)
 

　　IFResetTHEN
 

　　Overload_current_120:=FALSE;
 

　　Overload_current_150:=FALSE;
 

　　END_IF(*复位*)
 

　　备注：Current_real—实时电流；Current_rated—额定电流(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。
 

　　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。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。
 

　　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：
 

令：
 

       则过载电流倍数与保护时间的关系式为：

 

　　K=(IZ2-1)t
 

　　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。
 

　　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：
 

　　K=(1.22-1)×1200=528
 

　　1.5倍过载时：
 

　　K=(1.52-1)×180=225
 

　　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：
 

　　IFNum<5THEN
 

　　Num:=Num+1;
 

　　Current_real_sum:=Current_real_sum+Current_real;
 

　　END_IF
 

　　IFNum=5THEN
 

　　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*)
 

　　IFK>225THEN
 

　　Motor_stop:=TRUE;
 

　　END_IF
 

　　IFK<0THEN
 

　　K:=0
 

　　END_IF(*电动机停止*)
 

　　IFResetTHEN
 

　　Motor_stop:=FALSE;
 

　　END_IF(*复位*)
 

　　备注：Num—计数，初始值为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，直接取数据采集周期Cycle的大小，此时Num取1。
 

　　3.安科瑞智能电动机保护器介绍
 

　　3.1产品介绍
 

　　智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
 

　　3.2技术参数
 

　　3.2.1数字式电动机保护器
 

       4结束语

 

　　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] 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.
 

　　[2] 朱军帅，陈辉.掘进机电动机过载保护的算法优化
 

　　[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版