浅谈掘进机电动机过载保护的算法优化

李婧婧

安科瑞电气股份有限公司 

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）；θ_n为额定稳态温升（℃）；Δθ为超出θ_n的温升（℃）；T_n′为额定稳态时的绕组发热时间常数（s）；IZ为电流倍数，I_Z=I/I_n。

变形得：

令：

则过载电流倍数与保护时间的关系式为：

K=（I_Z2-1）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

作者简介：李婧婧，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电