【導讀】本文根據設計經驗，結合工業企業生產實際情況，從軟硬件角度提出了基于PLC的電機反時限過流保護方案，核心部分是反時限過流數學模型的建立。該電機保護系統具有廣闊的應用前景，已應用于實際生產，保護電機效果很好。
為解決電機使用過程中發熱和燒壞的問題，需要對電機電流進行檢測，以實現對電機限流保護。結合工業企業生產的實際情況，在電機過流保護數學模型的基礎上，提出了適用于PLC的電機反時限過流保護方案，給出了方案的軟硬件設計。本方案的電機保護性能，已經在實際生產申得到驗證。
在工業企業生產中會用到大容量的電機，由于這些電機的長時間連續工作，并且長期受企業生產環境中粉塵、電流變化等影響，電機很容易發熱。如果電機不超過限定發熱量，則可以安全運行，如果發熱量超過限定值，且長時間持續運轉，電機溫度就會逐漸升高，導致電機性能降低，甚至會燒壞電機，因此對電機進行熱保護就顯得非常重要。電機發熱的原因通常是電流超過額定值引起的，啟動時的瞬間電流過高是允許的，但持續的過流必須在限定時間內降下來，否則就需要啟動斷電電路來保護電機。也就是說電機熱保護的實質是：判定電機的過流性質。
1電機反時限過流保護器的發展趨勢
反時限過流保護可以理解為保護動作時間隨電機電流變化而變化。其關鍵點有兩個：一是電機電流超過額定電流規定時間保護將被啟動;二是電機電流越大保護動作時間越短。各國專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限過流保護電路，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是不可靠、不穩定，模擬電路設計的反時限過流保護電路是利用電容恒流充電設計的過流保護器，缺點是電路設計繁雜、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的飛躍，PLC為核心的電機保護系統采樣精度更進一步。
圖1 反時限過流保護曲線圖
2建立電機反時限過流保護的數學模型
電機正常運行時電機發熱量和電機散熱量相等可達到熱平衡，電機連續運行不會燒壞，保護電路不啟動。設Ie為該電機額定電流值，在時間段t內的額定電流發熱量為：
在電機過載運行時，電流的大小不是恒定的，而是不同時刻實際電流的大小可能不同，過載電流的熱效應隨時間累積，過載熱量對時間積分。因此式(1)可以表示為：
式(3)只適用于1.05≤n≤7時的熱效應變化情況。實際使用中還有兩種種情況，一是當計算機只能處理離散數據，而式(3)積分形式是連續曲線，因此，將式(3)進行離散化處理整理得：
式中啟動前熱量累加求和的次數為N.采樣時間間隔為△t，取循環中斷OB38的時長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，清除過載閉鎖，電機重新啟動。
程序實現：根據行業標準，考慮熱量積累快慢不同，散熱速度不同，結合實際及現場的通風散熱，經反復計算和測試，調整數學模型中參數C，最終為提高電機的反時限過流保護精度，確定采用：
3電機反時限過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、可靠性強等優點。
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(西門子公司的可編程邏輯控制器PLC)、鍵盤、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。
軟件部分采用STEP7軟件的STL語言編程。
設計思路：一是測當前的電流值；二是根據電流過載倍數分段；三是計算出隨實時電流變化的保護時間(根據電流過載倍數)；四是按固定時間延時保護。
設計缺點：這是一個時間的累積過程，只能估計熱量的變化，不能反映電機熱量的實時變化(忽略了電流上升的升溫過程)，需經反復實驗得程序流程圖如圖3。
圖3 軟件流程圖
4 實驗結果
電流恒定實驗：設為實際恒定電流值，當n=4.87倍時，保護時間14 s。
可見，電流動態變化時的保護時間小于計算公式算出的保護時間，電流波動時能較好的保護，體現了電機反時限過流保護程序的積分效應。
抗干擾實驗：超2倍額定值時，50 s不保護，突然加以干擾時，超額定電流6倍時，電機停2 s后回到額定電流值正常工作，按時間累加立即跳閘，抗干擾實驗成功。
