低壓電機保護裝置項目技術(shù)報告

PAGEPAGE6WQJ-271低壓電機保護裝置項目技術(shù)報告文件編號TS1001-038生效日期2010-06-28受控編號保密級別秘密版本號V1.00修改狀態(tài)0總頁數(shù)14正文11附錄無編制劉志明審核馬如明批準(zhǔn)雷賢忠變更日志編號版本修改內(nèi)容修改人修改日期目錄1 概述 11.1 編寫目的 11.2 背景 12 設(shè)計目標(biāo) 22.1 總體目標(biāo) 22.2 預(yù)期收益 23 方案描述 33.1 方案概述 33.2 硬件系統(tǒng)構(gòu)架 33.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)架 33.4 性能描述 44 設(shè)計原則 55 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn) 65.1 UC/OS-II的使用 66 技術(shù)參數(shù) 76.1 額定參數(shù) 76.2 技術(shù)指標(biāo) 76.2.1 保護元件 76.2.2 時間元件 86.2.3 參量精度 86.3 過載能力 86.4 環(huán)境條件 86.5 絕緣性能 86.6 耐濕熱性能 96.7 機械性能 96.8 電磁兼容 106.9 型式試驗 10PAGE10WQJ-271低壓電機保護裝置項目技術(shù)報告概述編寫目的通過對WQJ-271低壓電機保護裝置項目的設(shè)計目標(biāo)，方案描述，設(shè)計原則，關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容的總結(jié)和描述，從技術(shù)的角度評價研發(fā)的成果，并為以后相關(guān)項目的研發(fā)工作提供參考。本文檔面向的主要對象是：項目組成員、項目驗收評審人員、公司高層背景項目名稱：WQJ-271低壓電機保護裝置；項目的任務(wù)提出者：金寶云；項目開發(fā)者：劉志明，王曉斌；應(yīng)用范圍：低壓電動機的保護。項目技術(shù)報告設(shè)計目標(biāo)總體目標(biāo)三相交流異步電動機在各行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，確保電機的安全控制和經(jīng)濟運行就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電動機二次控制電路通常由硬接線實現(xiàn)，成本高，控制原理和接線復(fù)雜，設(shè)計、調(diào)試和維護工作量大，出現(xiàn)問題難排查。WQJ-271低壓電機保護裝置，以嵌入式微控制器為核心，結(jié)合通訊及顯示，監(jiān)視電動機啟動、運行以及故障異常時電動機的電參數(shù)。利用微控制器的快速處理能力，結(jié)合具體的電動機額定參數(shù)和用戶整定的時間以及極限參數(shù)對電動機是否異常和故障類型進行準(zhǔn)確判斷和區(qū)別處理，確保電動機的安全運行，并通過液晶顯示、發(fā)光指示、信號輸出、通訊等多種形式及時告知用戶。預(yù)期收益方案描述方案概述WQJ-271低壓電機保護裝置，是低壓電機保護測控裝置系列的低端產(chǎn)品。WQJ-271的設(shè)計采用WQJ-210平臺的模具殼體，配合外置電流互感器，實現(xiàn)最基本的電流保護功能，采用段碼液晶顯示，另加入兩個指示燈。WQJ-271只帶2路跳閘出口，以及1路告警出口，不帶電機啟動控制出口。硬件系統(tǒng)構(gòu)架CPUCPUSTM32F103核心系統(tǒng)電源系統(tǒng)開關(guān)電源輸入運放信號調(diào)理電流信號ADC模擬量輸入開入、開出鐵電超級電容DC/DC光耦RS485晶振JTAG通訊開入開出板圖3-1硬件系統(tǒng)框架系統(tǒng)軟件構(gòu)架初始化寄存器、外設(shè)，讀取運行參數(shù)、定值。初始化寄存器、外設(shè)，讀取運行參數(shù)、定值。主程序開始清除看門狗初始化多任務(wù)環(huán)境開中斷進入while循環(huán)采樣任務(wù)保護任務(wù)通訊任務(wù)測量任務(wù)鐵電任務(wù)圖3-2系統(tǒng)軟件架構(gòu)性能描述WQJ-271的具體功能如下：測量：三相保護電流測量，相間電流不平衡度，熱容量等級；保護：保護器具備完善的電流、過熱保護功能，包括起動時間過長保護、起動過流（堵轉(zhuǎn)）保護、短路（堵轉(zhuǎn)）保護過載保護、防爆電機tE熱過載保護、欠載保護、電流不平衡保護、DCS聯(lián)鎖；輸入輸出：4路開入量輸入，3路繼電器輸出，1路模擬量輸出（支持4～20mA、0～5V）；通訊：支持RS485接口，帶光電隔離，并支持擴展為CANBUS；記錄：能夠記錄裝置相關(guān)操作，系統(tǒng)運行狀態(tài)，保護動作事件，電機啟動事件等信息，裝置失電不丟失。設(shè)計原則WQJ-271是在WQJ-210系列單相網(wǎng)絡(luò)電力儀表和WQJ-270系列低壓電機保護測控裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)的，故設(shè)計原則是盡量少改動硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，保持原有的設(shè)計風(fēng)格，減少技術(shù)風(fēng)險。外觀工藝WQJ-271的機殼由專業(yè)設(shè)計公司設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀精致，整體工藝達到國內(nèi)領(lǐng)先的水平。人機界面采用段式液晶屏幕顯示菜單，具有顯示簡潔，高低溫特性好，顯示穩(wěn)定，使用壽命長的特點。按鍵采用符合人工學(xué)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，具有美觀、易于生產(chǎn)和操作手感舒適的特點。硬件平臺STM32F103具有主頻高，性能穩(wěn)定，外設(shè)資源豐富，價格低的特點，非常適合電力保護裝置的開發(fā)，在國內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先行列?？煽啃栽O(shè)計可靠性設(shè)計主要包括硬件本身的自檢功能和抗EMC設(shè)計。WQJ-271的硬件自檢功能完善，可以檢測系統(tǒng)的AD采集、總線通訊狀態(tài)、FLASH和RAM存貯、FRAM鐵電等?？撮T狗復(fù)位只能讓程序跑飛的情況下CPU重新復(fù)位，但是如果芯片本身出現(xiàn)不可恢復(fù)的故障，看門狗就不起作用，同時裝置也不能保證告警信息。本裝置可以通過識別看門狗的復(fù)位脈沖電平，通過一顆門電路芯片的邏輯判斷，輸出告警告警脈沖，驅(qū)動故障出口。裝置系統(tǒng)化的考慮EMC的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和PCB布板方面，已經(jīng)總結(jié)出一套非常有效的設(shè)計規(guī)范，可以使裝置能夠輕松的通過的EMC測試。元件可靠性WQJ-271所使用到的元器件，除了電源模塊和互感器使用國內(nèi)一線品牌。其他芯片、電阻電容、繼電器、光耦、按鍵等等全部采用國際一線品牌。高標(biāo)準(zhǔn)的原材料使用保障了裝置的可靠運行。關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)UC/OS-II的使用WQJ-271主機硬件平臺沿襲WQJ-210，同樣移植了uC/OS-II。移植操作系統(tǒng)后，各功能模塊相互獨立，并被分配到各個任務(wù)中，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級執(zhí)行各個功能模塊的任務(wù)。移植操作系統(tǒng)，會帶來一定的系統(tǒng)開銷，如一定的程序空間和數(shù)據(jù)空間。移植的操作系統(tǒng)功能比較豐富，在系統(tǒng)資源有限的情況下，為了節(jié)省資源，經(jīng)常要經(jīng)行適當(dāng)?shù)牟眉簟QJ-210所選用的CPU資源相當(dāng)豐富，完全能滿足移植裁剪過的uC/OS-II。μC/OS-II的內(nèi)核經(jīng)過嚴(yán)格的測試，可靠性是有保障的，并可以方便地將整個系統(tǒng)移植到其他項目中。技術(shù)參數(shù)額定參數(shù)工作電源輸入范圍85～264Vac/47～63Hz,或85～264Vdc允許偏差-20%～+15%額定功耗不大于5W額定交流交流電流2A、6.3A、25A、100A（外置互感器，二次側(cè)均為10mA）；250A、500A、800A（外置互感器，二次側(cè)均為5A）額定頻率50Hz或60Hz功率消耗交流電流回路每相<0.5VA（5A時），每相<0.1VA（1A時）出口容量信號出口1250VA、90W（最大開斷電流：30V（DC）、250V（AC）/3A）動作出口1250VA、90W（最大開斷電流：30V（DC）、250V（AC）/3A）開入電平開關(guān)量開入DC/AC220V（110V），DC24V（訂貨時需注明）技術(shù)指標(biāo)保護元件保護電流范圍0.05IN～10IN（IN為額定電流）；0.05IN～1.2IN（零序電流）級差0.01A誤差≤3％角度范圍0～360°級差1°誤差≤3°頻率范圍45～65Hz級差0.01Hz誤差≤0.01Hz時間元件瞬時動作誤差1.2倍額定值：≤40ms，5.0倍額定值：≤25ms延時動作誤差≤±20mstE和熱過載時間誤差≤3％參量精度遙信分辨率≤2ms模擬量輸出準(zhǔn)確度±0.5％過載能力交流電流通道2In，連續(xù)；10In，10s；40In，1s環(huán)境條件工作溫度-20℃～+70℃貯存溫度-40℃～+80℃相對濕度≤95％(無凝露)大氣壓力80～110Kpa絕緣性能絕緣電阻各電氣上無聯(lián)系的導(dǎo)電回路對地、各電氣上無聯(lián)系的導(dǎo)電回路之間，用開路電壓為500V的兆歐表測量它們之間的絕緣電阻值，電阻值均不小于20MΩ。介質(zhì)強度在正常試驗大氣條件下，裝置能承受頻率為50Hz，歷時1min的工頻耐壓試驗而無擊穿閃絡(luò)及元器件損壞現(xiàn)象，試驗電壓施加情況如下：施加部位施加電壓交流回路之間2000V交流回路對地2000V出口接點對地2000V直流電源對地2000V沖擊電壓各輸入、輸出端子分別對地能承受5kV（峰值）的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊檢驗交流回路和直流回路之間能承受5kV（峰值）的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊檢驗交流電流回路和交流電壓回路之間能承受5kV（峰值）的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊檢驗?zāi)蜐駸嵝阅芙^緣電阻各電氣上無聯(lián)系的導(dǎo)電回路對地、各電氣上無聯(lián)系的導(dǎo)電回路之間，用開路電壓為500V的兆歐表測量它們之間的絕緣電阻值，電阻值均不小于1.5MΩ。介質(zhì)強度不小于正常情況下規(guī)定的試驗電壓的75％。機械性能振動裝置能承受國標(biāo)GB/T7261中規(guī)定的嚴(yán)酷等級為I級的振動耐久和響應(yīng)試驗沖擊裝置能承受國標(biāo)GB/T7261中規(guī)定的嚴(yán)酷等級為I級的沖擊耐久和響應(yīng)試驗碰撞裝置能承受國標(biāo)GB/T7261中規(guī)定的嚴(yán)酷等級為I級的碰撞試驗電磁兼容靜電放電滿足GB/T14598.14－1998（idtIEC60255-22-2:1996）規(guī)定的4級試驗輻射電磁場騷擾通過GB/T14598.9－2002（IEC60255-22-3:2000，IDT）規(guī)定的3級試驗快速瞬變干擾通過GB/T14598.10－2007（idtIEC60255-22-