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　為解決電機使用過(guò)程中發(fā)熱和燒壞的問(wèn)題，需要對電機電流進(jìn)行檢測，以實(shí)現對電機限流保護。結合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，在電機過(guò)流保護數學(xué)模型的基礎上，提出了適用于PLC的電機反時(shí)限過(guò)流保護方案，給出了方案的軟硬件設計。本方案的電機保護性能，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)申得到驗證。

　　在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中會(huì )用到大容量的電機，由于這些電機的長(cháng)時(shí)間連續工作，并且長(cháng)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(guò)限定發(fā)熱量，則可以安全運行，如果發(fā)熱量超過(guò)限定值，且長(cháng)時(shí)間持續運轉，電機溫度就會(huì )逐漸升高，導致電機性能降低，甚至會(huì )燒壞電機，因此對電機進(jìn)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(guò)額定值引起的，啟動(dòng)時(shí)的瞬間電流過(guò)高是允許的，但持續的過(guò)流必須在限定時(shí)間內降下來(lái)，否則就需要啟動(dòng)斷電電路來(lái)保護電機。也就是說(shuō)電機熱保護的實(shí)質(zhì)是：判定電機的過(guò)流性質(zhì)。

　　1電機反時(shí)限過(guò)流保護器的發(fā)展趨勢

　　反時(shí)限過(guò)流保護可以理解為保護動(dòng)作時(shí)間隨電機電流變化而變化。其關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)：一是電機電流超過(guò)額定電流規定時(shí)間保護將被啟動(dòng);二是電機電流越大保護動(dòng)作時(shí)間越短。各國專(zhuān)家都在研究這種保護方式，最早采用常規雙金屬片熱繼電器，上世紀七、八十年代采用模擬電路設計的反時(shí)限過(guò)流保護電路，九十年代后采用功能強大的智能化儀器，現代企業(yè)是以PLC為核心的電機保護系統。常規雙金屬片熱繼電器的缺點(diǎn)是不可靠、不穩定，模擬電路設計的反時(shí)限過(guò)流保護電路是利用電容恒流充電設計的過(guò)流保護器，缺點(diǎn)是電路設計繁雜、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采樣精度更進(jìn)一步。

　　2建立電機反時(shí)限過(guò)流保護的數學(xué)模型

　　電機正常運行時(shí)電機發(fā)熱量和電機散熱量相等可達到熱平衡，電機連續運行不會(huì )燒壞，保護電路不啟動(dòng)。設Ie為該電機額定電流值，在時(shí)間段t內的額定電流發(fā)熱量為

　　在電機過(guò)載運行時(shí)，電流的大小不是恒定的，而是不同時(shí)刻實(shí)際電流的大小可能不同，過(guò)載電流的熱效應隨時(shí)間累積，過(guò)載熱量對時(shí)間積分。因此式(1)可以表示為：

　　式(3)只適用于1.05≤n≤7時(shí)的熱效應變化情況。實(shí)際使用中還有兩種種情況，一是當

　　圖1 反時(shí)限過(guò)流保護曲線(xiàn)圖

　　計算機只能處理離散數據，而式(3)積分形式是連續曲線(xiàn)，因此，將式(3)進(jìn)行離散化處理整理得：

　　式中啟動(dòng)前熱量累加求和的次數為N.采樣時(shí)間間隔為△t，取循環(huán)中斷OB38的時(shí)長(cháng)100 ms.因△t很小，假設采樣電流基本不變。當累積熱量小于C時(shí)，清除過(guò)載閉鎖，電機重新啟動(dòng)。

　　程序實(shí)現：根據行業(yè)標準，考慮熱量積累快慢不同，散熱速度不同，結合實(shí)際及現場(chǎng)的通風(fēng)散熱，經(jīng)反復計算和測試，調整數學(xué)模型中參數C，最終為提高電機的反時(shí)限過(guò)流保護精度，確定采用：

　　3電機反時(shí)限過(guò)流保護方案的設計框圖

　　本方案的主控制器選PLC，原因是其具有易擴展、故障率低、穩定性高、可靠性強等優(yōu)點(diǎn)。

　　電機保護系統包括硬件和軟件兩部分。

　　硬件主要包括主控計算機、模數轉換模塊、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(mén)子公司的可編程邏輯控制器PLC)、鍵盤(pán)、鼠標、顯示器構成，控制接觸器由中間繼電器和主接觸器構成，模擬信號提取由電流互感和變送器構成，模數轉換模塊由外部擴展數字量輸出模塊DO、數字量輸入模塊DI和模擬量輸入模塊AI等構成。硬件設計框圖如圖2所示。

　　圖2 硬件設計框圖

　　軟件部分采用STEP7軟件的STL語(yǔ)言編程。

　　設計思路：一是測當前的電流值;二是根據電流過(guò)載倍數分段;三是計算出隨實(shí)時(shí)電流變化的保護時(shí)間(根據電流過(guò)載倍數);四是按固定時(shí)間延時(shí)保護。

　　設計缺點(diǎn)：這是一個(gè)時(shí)間的累積過(guò)程，只能估計熱量的變化，不能反映電機熱量的實(shí)時(shí)變化(忽略了電流上升的升溫過(guò)程)，需經(jīng)反復實(shí)驗得程序流程圖如圖3.

　　圖3 軟件流程圖

　　4實(shí)驗結果

　　電流恒定實(shí)驗：設為實(shí)際恒定電流值，當n=4.87倍時(shí)，保護時(shí)間14 s.

　　可見(jiàn)，由計算公式得出的保護時(shí)間與程序運行時(shí)的保護時(shí)間完全吻合。

　　電流波動(dòng)實(shí)驗：電流由額定值以下電流從小到大逐漸變化為7倍的額定值，持續2 s后，迅速回落為2.72倍，保護時(shí)間28s.

　　可見(jiàn)，電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)的保護時(shí)間小于計算公式算出的保護時(shí)間，電流波動(dòng)時(shí)能較好的保護，體現了電機反時(shí)限過(guò)流保護程序的積分效應。

　　抗干擾實(shí)驗：超2倍額定值時(shí)，50 s不保護，突然加以干擾時(shí)，超額定電流6倍時(shí)，電機停2 s后回到額定電流值正常工作，按時(shí)間累加立即跳閘，抗干擾實(shí)驗成功。

　　5結束語(yǔ)

　　根據設計經(jīng)驗，結合工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，從軟硬件角度提出了基于PLC的電機反時(shí)限過(guò)流保護方案，核心部分是反時(shí)限過(guò)流數學(xué)模型的建立。該電機保護系統具有廣闊的應用前景，已應用于實(shí)際生產(chǎn)，保護電機效果很好。