Động cơ là nguồn động lực quan trọng nhất trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Làm thế nào để giám sát hiệu quả trạng thái hoạt động của động cơ, bảo vệ mạch động cơ, cải thiện thời gian vận hành của động cơ, giảm lỗi động cơ, và rất quan trọng đối với hoạt động của lưới tổng thể của nhà máy.
Có rất nhiều loại thiết bị bảo vệ động cơ. Hiện nay, nó thường được sử dụng dựa trên các rơle nhiệt cơ kim loại tấm. Nó có cấu trúc đơn giản và có đặc tính thời gian nghịch đảo trong việc bảo vệ quá tải động cơ. Tuy nhiên, nó có ít chức năng bảo vệ hơn, không có bảo vệ chống pha, và không thể bảo vệ động cơ khỏi sự thông gió kém, chổi, trì trệ, quá tải lâu dài, thường xuyên khởi động, vv Ngoài ra, rơle nhiệt cũng có khuyết tật như độ lặp lại kém, quá tải lớn hoặc lỗi ngắn mạch, không thể sử dụng lại được, lỗi điều chỉnh lớn, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, chuyển động sai hoặc từ chối, tiêu thụ điện năng lớn, vật tư tiêu hao và chỉ số hoạt động kém.
Để đáp ứng các yêu cầu về bảo tồn năng lượng và giảm phát thải quốc gia, việc sử dụng các bộ bảo vệ động cơ điện tử vi điều khiển để thay thế các rơle nhiệt hiện có có một thị trường rộng lớn. Dòng chip ARM STM32 với các thiết bị ngoại vi tích hợp được thiết kế như bộ bảo vệ động cơ thông minh lõi, có lợi thế về phản ứng nhanh, ít chip bổ sung, gỡ lỗi sản xuất đơn giản, sản xuất cao và mang lại lợi ích xã hội.
1 chức năng bảo vệ thông minh và kiến trúc phần cứng
Các lỗi chính trong hoạt động của động cơ bao gồm: thời gian chờ khởi động, quá tải, gian hàng, mất pha, mất cân bằng, quá nóng, quá tải, quá áp, giảm áp, vv Do đó, bộ bảo vệ thông minh cần theo dõi điện áp hoạt động, dòng điện hoạt động và nhiệt độ khung của động cơ .
Đồng thời, do các loại khác nhau, khả năng và các loại tải của động cơ, các thông số của bảo vệ động cơ cũng khác nhau, do đó, nó là cần thiết để có thể thiết lập các thông số bảo vệ cho động cơ khác nhau.
Hơn nữa, để cho phép rơle bảo vệ thông minh đáp ứng nhu cầu của Trung tâm điều khiển động cơ thông minh hiện nay (IMCC), các bộ bảo vệ động cơ thông minh cũng cần có các chức năng giao tiếp mạng.
Hình 1 là sơ đồ khối của cấu trúc phần cứng của bộ bảo vệ động cơ thông minh.
2 thiết kế phần cứng hệ thống
2.1 MCU
MCU là phần cốt lõi của bộ bảo vệ động cơ và chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, điều khiển đầu ra và cài đặt thông số. Đây là dòng chip ARM STM32F103xD mới nhất của ST.
Loạt chip này sử dụng C0rtex M3 32 bit của ARM làm lõi và tần số cao nhất là 72MHz. Cốt lõi Cortex có một đơn vị nhân và chia phần cứng đơn chu trình, vì vậy nó thích hợp cho việc xử lý dữ liệu tốc độ cao.
Chip này có ba chu kỳ chuyển đổi độc lập, bộ chuyển đổi analog-to-digital tối thiểu 1 giây và ba bộ chuyển đổi digital-to-analog độc lập với các mạch mẫu và giữ riêng biệt, vì vậy nó đặc biệt thích hợp cho động cơ ba pha kiểm soát, giám sát lưới và các công cụ đa tham số. Sử dụng thiết bị.
Chip này cũng đi kèm với một đơn vị truyền thông phong phú, bao gồm tối đa năm giao diện nối tiếp không đồng bộ, một thiết bị nô lệ USB, một thiết bị CAN, các mô-đun I2C và SPI.
2.2 Đơn vị mua lại tương tự
Bộ phận bảo vệ động cơ chủ yếu cần thu thập ba lượng điện, điện áp và nhiệt độ tương tự để theo dõi và bảo vệ trạng thái hoạt động của động cơ.
Có nhiều loại cảm biến hiện tại, bao gồm máy biến dòng lõi, cảm biến Hall và điện trở shunt. Động cơ kết nối với bộ phận bảo vệ động cơ chủ yếu có động cơ vài kilowatt đến vài chục kilowatt, do đó dòng điện của động cơ chủ yếu từ vài ampe đến vài chục ampe. Do đó, máy biến áp hiện tại được sử dụng làm bộ thu hiện tại, có ưu điểm là dải đo rộng, tạo nhiệt nhỏ và điện áp cách ly cao. Đồng thời, không thay đổi các thông số của mạch xử lý, cảm biến hiện tại với các tỷ lệ khác nhau có thể dễ dàng thay đổi phạm vi phát hiện hiện tại của bộ bảo vệ động cơ, để nó có thể được sử dụng thuận tiện để bảo vệ động cơ công suất lớn hơn.
Điện áp thu được trực tiếp bằng bộ chia điện trở, do đó toàn bộ bộ điều khiển động cơ là một hệ thống chung. Điện trở sử dụng một trở kháng cao và điện trở loại điện áp cao. Để cải thiện khả năng quá áp của mạch thu nhận điện áp, mạch chia điện áp sử dụng một loạt nhiều điện trở để giảm điện áp định mức giảm trên mỗi điện trở và cải thiện toàn bộ nhánh. Điện áp chịu được cao nhất.
Cảm biến nhiệt độ sử dụng cảm biến kháng bạch kim thông thường hoặc điện trở nhiệt NTC và mạch điều chỉnh tín hiệu kháng nhiệt tương ứng được thiết kế trên phần cứng bảo vệ. Vì điện trở nhiệt là một thiết bị phi tuyến, kênh xử lý thu nhận nhiệt độ cần phải được xử lý phi tuyến tính. Để giảm độ phức tạp của mạch phần cứng, thiết bị điều hòa RTD thực tế chỉ được thiết kế để sử dụng bộ khuếch đại thiết bị, và việc xử lý phi tuyến của RTD được thực hiện bởi MCU. thực hiện. Ngoài ra còn có một cảm biến nhiệt độ bán dẫn được tích hợp vào chip MCU để phát hiện nhiệt độ bên trong bộ bảo vệ để ngăn chặn các lỗi điều khiển do quá nhiệt của hệ thống.
2.3 Màn hình LCD
Đối với bộ bảo vệ động cơ độc lập, cần thiết để có thể thiết lập các thông số bảo vệ, hiển thị trạng thái hoạt động hiện tại và cũng hiển thị loại lỗi khi xảy ra lỗi. Do đó, bộ bảo vệ động cơ yêu cầu thiết bị hiển thị.
Thiết kế hệ thống sử dụng mô-đun hiển thị tinh thể lỏng (LCD) STN màu đen và trắng. So với các mô-đun LCD màu TFT, nó có những ưu điểm của phạm vi nhiệt độ rộng, cuộc sống lâu dài và có thể đọc được dưới ánh sáng mạnh.
Bộ điều khiển tích hợp của mô-đun LCD sử dụng giao diện truyền dữ liệu song song, bao gồm bus dữ liệu, đọc và ghi các dòng điều khiển, strobes thiết bị và chân reset. Trong thiết kế hệ thống, bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh đa chức năng (FSMC) sử dụng chip STM32F103xD được kết nối với mô-đun LCD.
Mô-đun FSMC của chip STM32F là bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh đa chức năng hỗ trợ bộ nhớ tĩnh (SRAM), NOR F1ash và PSRAM. Nó có thể hỗ trợ bộ nhớ rộng 8 bit hoặc 16 bit.
Thời gian truy cập của mô-đun LCD giống với thời gian của SRAM và thời gian giao diện của loại 8080 hoặc 6800 có thể được chọn bằng chốt cấu hình. Hình 2 cho thấy kết nối điện giữa giao diện FSMC của chip STM32 và màn hình LCD. Màn hình LCD ở đây là thời gian giao tiếp 8080.
2.4 Mạch truyền thông
Cấu trúc điều khiển của Trung tâm điều khiển động cơ thông minh (IMCC) chủ yếu là cấu trúc mạng phân bố kiểu xe buýt, trong đó bộ điều khiển trung tâm chịu trách nhiệm lên lịch và giám sát hoạt động của tất cả các động cơ. Tùy thuộc vào bộ điều khiển trung tâm được sử dụng (chủ yếu là PLC), các giao thức truyền thông của hệ thống là MODBUS, Fieldbus và Ethernet. Phổ biến nhất trong số này là giao thức MODBUS. Lớp vật lý của giao thức MODBUS là một mạng truyền thông bán song công dựa trên RS485, trong đó bảo vệ động cơ ở trạng thái nô lệ.
Vì bộ phận bảo vệ động cơ được làm nóng bên trong, nên cần phải cách ly giao tiếp từ xa RS485 khỏi mạch chính của bộ điều khiển. Để tách bộ thu phát RS485, tín hiệu truyền thông và nguồn điện của bộ thu phát cần được cách ly. Thiết kế giao diện truyền thông của bộ bảo vệ động cơ yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu lên đến 57,6 kbps. Do đó, các optocouplers tốc độ cao hoặc các chip cách ly kỹ thuật số là cần thiết để cô lập các tín hiệu truyền thông.
Chip cách ly kỹ thuật số là một loại thiết bị mới. Các công ty như TI, ADI và Silicon Lab đã giới thiệu các thiết bị cách ly kỹ thuật số được cấp bằng sáng chế của riêng họ, nhưng các gói pin và chức năng pin của mỗi chip hầu như tương thích và có thể thay thế trực tiếp. So với các bộ ghép quang tốc độ cao truyền thống, các thiết bị cách ly kỹ thuật số có lợi thế về mức tiêu thụ điện năng thấp, tốc độ truyền dẫn cao, khả năng tương thích với các hệ thống 3V / 5V và các thiết bị ngoại vi đơn giản. Mạch kết nối thực tế được hiển thị trong Hình 3.
