高壓開關(guān)柜電動底盤車防堵轉(zhuǎn)技術(shù)與應用
黃新波1 ,王海東1 ,胡海燕2 ,朱永燦1 ,張浩1,薛智鵬1
(1.西安工程大學電子信息學院 ,西安710048; 2.中國石油化工股份有限公司靑島安全工程研究院.山東靑島266072)
摘要:針對高壓開關(guān)柜電動底盤車內(nèi)直流電動機的堵轉(zhuǎn)保護時間過長、保護閾值設(shè)置不規(guī)范等問題 ,文中提出了一套基于Daubechies6小波去嗓算法的堵轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)。其以堵轉(zhuǎn)電流為特征值 ,依據(jù)直流電機在過栽 、堵轉(zhuǎn)故障情況下的溫升關(guān)系所建立的數(shù)學模型確定了保護閾值的設(shè)定范 ,同時采用Daubechies6小波算法對電流信號進行降嗓分析 ,有效消除了運行過程中干擾因素 ,最大限度地接近真實值并能快速找出電流的最大值 。文中搭建了10k高壓開關(guān)柜內(nèi)電動底盤車的測試平臺 ,經(jīng)實驗證明該系統(tǒng)可以滿足高壓開關(guān)柜內(nèi)電動底盤車的堵轉(zhuǎn)保護要求,且具備保護響應速度快 、動作可靠性高和區(qū)分啟動時刻尖峰電流的優(yōu)點 。
關(guān)鍵調(diào):電動底盤車 ;堵轉(zhuǎn)保護 ;Daubechies6小波 ;數(shù)學模型
0 引言 在數(shù)字化及智能化變電站快速發(fā)展的大背景下 ,通過“手搖”方式實現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)斷路器的進 、出車操作已不能滿足實際需要。隨著智能電網(wǎng)的推
進,傳統(tǒng)手搖式底盤車已逐漸被電動機構(gòu)所替代,其在有效提高工作效率的同時,也為實現(xiàn)快速恢復供電、保證維修人員的人身安全提供了保障。由于直流電機在制造質(zhì)量 、使用環(huán)境 、工作方式和日常維
護等方面的差異 ,電動底盤車內(nèi)直流電機故障情況時有發(fā)生 ,主要有過載 、堵轉(zhuǎn) 、以及一些機械故障等 ,其中以堵轉(zhuǎn)故障最為常見。堵轉(zhuǎn)電流作為評價電機堵轉(zhuǎn)性能的重要指標 ,被視為判斷電機堵轉(zhuǎn)故障的重要參數(shù) 。
起初,國內(nèi)通過以熱繼電器為主的機械組合方式實現(xiàn)對直流電機的保護 ,其主要是以電機的發(fā)熱量為特征量 ,根據(jù)熱量變化而實現(xiàn)的保護。而后采用的電磁型繼電器是根據(jù)電流的變化來判斷電機是否產(chǎn)生故障 ,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了電流速斷以及定時限過流保護。隨著電力電子技術(shù)的逐漸成
熟 ,人們逐漸開始利用晶閘管等大功率半導體器件實現(xiàn)對直流電機的保護,其具有動作迅速 ,使用壽命長的優(yōu)點。
上述研究雖結(jié)構(gòu)簡單 、易于維護 ,但動作緩慢,反應時間長且忽略了直流電機在運行過程中因強烈振動及惡劣的電磁環(huán)境所帶來的噪聲干擾,所以對
運行過程中出現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)故障保護效果并不理想。因此本文在建立直流電機堵轉(zhuǎn)數(shù)學模型確定保護閾值范圍的基礎(chǔ)上,提出一套堵轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以直流電機的運行電流為特征量,利用Daubechies6小波去噪算法對電流信號進行分解,并由小波包重構(gòu)以便在強噪聲背景下快速提取特征量,通過判斷其是否超過閾值而實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護。
1 電動底盤車堵轉(zhuǎn)故障分析 1.1 故障產(chǎn)生機理 通常將直流電機在電壓過低 、負荷過大、機械故障等環(huán)境下,轉(zhuǎn)子因非正常旋轉(zhuǎn)而完全靜止或低于正常轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象,稱為直流電機的堵轉(zhuǎn)故障電機的堵轉(zhuǎn)故障被視為最輕的短路故障,也是最重的 過載故障。根據(jù)定義可將堵轉(zhuǎn)故障分為兩類 ,正常運行過程中的堵轉(zhuǎn)和起動時的堵轉(zhuǎn)。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的直流電機由于轉(zhuǎn)速很低甚至為零,常表現(xiàn)出反電勢很低,繞組的電流增大等特點。直流電機的轉(zhuǎn)子在被卡死或長時間低速工作時常常伴隨大量熱量的產(chǎn)生,造成電機繞組過熱,進而引起定子絕緣老化 ,縮短直流電機的使用壽命,甚至燒毀電機 。
1.2 堵轉(zhuǎn)等效電路 直流電機的等效電路見圖1。圖1中:Ua 、Ea分別代表直流電機電樞電壓和反電勢; Ia、Ra、La指電機電樞電流、電樞電阻、電樞電感;Ia、Rf、Lf、Uf指電機的勵磁電流、勵磁電阻、勵磁電感、勵磁電壓;ω指電機的角速度;T指電機的轉(zhuǎn)矩;T2指電機的負載轉(zhuǎn)矩。
圖1 直流電機等效電路
由直流電機的等效電路可得堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下5個基本方程
式(1)中:Ta=La/Ra為電樞電路時間常數(shù);Tf=Lf/Rf為勵磁電路時間常數(shù);p為電機的磁極對 數(shù);M為電樞繞組和勵磁繞組的互感。
直流電機在啟動時 ,對電機的要求包括:①啟動轉(zhuǎn)矩要足夠大,以保證能夠克服啟動時的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩;②啟動電流不要太大,以免對電源及電 機產(chǎn)生有害影響。若在啟動過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn),直流 電機轉(zhuǎn)速為0,反電勢Ea也為0,而電機的勵磁繞組Rf和電樞繞組Ra的值都比較小,導致勵磁電流If、電樞電流Ia ,急劇增大,通常為數(shù)倍的額定電流 。如果電機長時間工作于這種狀態(tài) ,繞組會產(chǎn)生巨大的熱量從而導致絕緣材料的絕緣性能降低 ,最終燒毀
電機 。
1.3 堵轉(zhuǎn)的數(shù)學模型與分析 直流電機作為一種多變量 、強耦合 、非線性的機電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),當其發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時伴隨著電流急劇上升 ,發(fā)熱迅速增加的主要特征。所以,從一
定程度而言直流電機的堵轉(zhuǎn)故障可以被視為一種嚴重的過載現(xiàn)象,在該條件下直流電機中的過電流在一段時間后就會引起電機的發(fā)熱甚至是損壞。若把電機視為一個均勻發(fā)熱體,其功率W為恒定值,dt時間間隔內(nèi)電機的溫升增量為dτ ![]()
式(2)中:H為散熱系數(shù);S為散熱面積 ;c為比 熱容;τ為溫升值。等式左邊為電機在出時間內(nèi)產(chǎn) 生的熱量,右邊為電機升溫所消耗的熱量和散失到周圍的熱量。由式(2)可得電機的溫升為
式(3)中:Tc為發(fā)熱的時間常數(shù)且Tc=cm/HS; C1為初始條件的積分常數(shù)。在電機接通電源時初始溫升為0,則式(3)可寫為
當功率W增加到C倍時 ,在t時刻τ=τW,求解式(4)可得
式(5)中 , ![]() 當電機堵轉(zhuǎn)時:由過電流引起的發(fā)熱量遠遠大于過載 。此時若將電機視為一個單純的發(fā)熱體 ,則電機繞組溫度將隨損耗和時間直線上升 ,可以認為電機處于一種絕熱狀態(tài)下的發(fā)熱過程 ,且
式(6)中:G為繞組重量 ;P為損耗 ;t為堵轉(zhuǎn)時 間。此時的電機溫升可以用過載發(fā)熱曲線的切線表
示 。當電流過載倍數(shù)為c ![]()
為簡化計算過程,避免在保護程序中對自然對數(shù)的使用
過載時
堵轉(zhuǎn)時
式(9)
圖2 電機保護特性曲線
從圖2可知,保護的動作時間與電流值的過載倍數(shù)有關(guān)系,過載倍數(shù)越大
2 電動底盤車防堵轉(zhuǎn)故障技術(shù)硬件設(shè)計
根據(jù)上述分析,堵轉(zhuǎn)故障對直流電機的損害主要是因電流增大而引起的熱效應
文中的堵轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)主要包括電機驅(qū)動電路和堵轉(zhuǎn)保護電路兩部分
圖3 系統(tǒng)保護框圖
2.1 電機驅(qū)動電路
采用大功率半導體器件的斬波器控制方式
圖4中,R10
圖4 電機驅(qū)動電路
2.2 堵轉(zhuǎn)保護電路
直流電機的電流急劇增加是發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障的重要特征之一,所以文中采用穿心式翟爾電流傳感器直接監(jiān)測電流信號。正常工作時K2繼電器吸合,整流橋KBU810將交流電轉(zhuǎn)換為直流電向電機進行供電。當發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時,信號經(jīng)如圖5所示的電流調(diào)理電路放大、濾波后,由MCU對此時的電流值進行判斷,當其超過設(shè)定的保護閾值時,MCU迅速將K2繼電器斷開,并切斷電機的供電回路以保護電機 的安全。堵轉(zhuǎn)保護電路見圖6。
圖5 堵轉(zhuǎn)保護電路
圖6 電流信號調(diào)理電路
3 電動底盤車防堵轉(zhuǎn)故障技術(shù)軟件設(shè)計
3.1 軟件功能分析
文中所設(shè)計的高壓開關(guān)柜電動底盤車在整個進
圖7 電機堵轉(zhuǎn)保護流程圖
在電機的整個運行過程中,保護系統(tǒng)通過實時檢測堵轉(zhuǎn)故障以確保底盤車的安全可靠運行。若遇到輕微阻力或者摩擦較大的情況時,可通過自身力矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)使底盤車順利運行;如果遇到嚴重阻力甚至卡死的情況則啟動電機堵轉(zhuǎn)保護程序,即底盤車立即停止的同時切斷電機供電回路
3.2 數(shù)據(jù)濾波處理
在電動底盤車實際運行過程中受測試環(huán)境、外界干擾等因素的影響使得采集到的電流數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高噪聲、非線性
3.2.1 Daubechies小波理論
小波去噪處理通常涉及小波分解
式(11)中:dij表示di中的第j個值;dij表示dij經(jīng)過截斷處理后的值。由第n層an重構(gòu)信號和閾值處理結(jié)果,即可得到去噪結(jié)果。
設(shè); {Vj;j∈Z}是一個多分辨率分析
相應的小波由式(13)給出
其中,構(gòu)造兩尺度方程
1)
選定一個正整數(shù)N≥32
2)
選定一個多項式
3)
選定一個實系數(shù)三角多項式Q(z)
4)
使用Daubechies小波系列的db6小波對原始電 流信號進行4層分解
基于DaubeChies6小波信號處理流程見圖8。首先對原始電流信號進行采集
圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖
3.2.2 數(shù)據(jù)濾波性能測試
電動底盤車進車過程中的直流電機運行電流數(shù)據(jù)見圖9
圖9 原始電流監(jiān)測數(shù)據(jù)
對比分析了中值濾波算法
由圖10可知:中值濾波算法可以消除電流數(shù)據(jù)中的噪聲,但其無法辨別噪聲而對所有點進行中值處理
圖10 3種濾波算法數(shù)據(jù)處理效果對比圖
4 電動底盤車防堵轉(zhuǎn)性能測試
為了驗證所設(shè)計的高壓開關(guān)柜電動底盤車堵轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)功能的完整性,搭建起如圖11所示的實驗平臺
圖11 測試平臺實物圖
在圖11所述平臺上,采用施加外力的方法對直 流電機的防堵轉(zhuǎn)技術(shù)進行驗證
圖12 實測電機堵轉(zhuǎn)波形
由圖10可知
由圖12可知,直流電機在堵轉(zhuǎn)時的電壓為2.11V
基于此,在對底盤車進行10次運行堵轉(zhuǎn)故障的
情況下統(tǒng)計保護可靠動作次數(shù)及其誤動作次數(shù)
表1 不同故障情況下保護動作信息
參照交流電機保護規(guī)定《IEEE Guide for
AC motor protection》
5 結(jié)論
高壓開關(guān)柜智能化程度的不斷提高
1) 系統(tǒng)以直流電機的運行電流為堵轉(zhuǎn)特征量
2)通過Daubechies6小波去噪算法對電流信號分解的基礎(chǔ)上
3)系統(tǒng)根據(jù)啟動電流幅值較大、持續(xù)時間短的特點
經(jīng)實驗結(jié)果表明 |