基于89c52單片機的電動機檢測保護系統設計

王文華

(山東萊蕪職業技術學院，山東 萊蕪 271100)

1 開發電動機檢測保護系統的意義

電動機在國民經濟中起著十分重要的作用，但由于電動機的故障、損壞所造成的直接和間接經濟損失巨大，關鍵的問題是電動機保護技術尚有不盡人意之處，誤動、拒動的情況時有發生，常影響電動機的正常使用。因此開發一種性能穩定、保護種類齊全、動作速度快、靈敏度高、可靠性好的智能監測電動機保護裝置十分必［1］。

隨著計算機技術、智能傳感器技術、數字信號處理技術、集成電路技術的迅速發展，工業測控系統的應用研究取得了巨大的進步。隨著新技術、新工藝不斷地向傳統的技術與工藝挑戰，用計算機測控系統取代傳統的測控儀表，現代的控制算法取代經典的控制算法，用靈敏、節能的新型智能傳感器取代老式的變送器，己成為工礦企業及科研院所設計與改造的工業測控系統首先考慮的問題。隨著科學技術的發展，電動機監測系統正趨于走向智能化、模塊化、虛擬化。智能監測電動機保護儀的使用，不但可以提高工藝控制的準確性、科學性、降低事故率，而且對于提高電氣控制系統的自動化水平和發展國民經濟，也必將起到積極的推動作用。

2 電動機常見故障特征分析及故障判據

電動機的常見電流故障可分為對稱和不對稱兩大類［2］。對稱故障如表1所示，有對稱過載、堵轉、三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是由于電流增大引起的熱效應，因此，可通過過流程度來反映;電動機的不對稱故障如表2所示，除嚴重的短路會造成故障相電流明顯增加外，多數不出現明顯的電流幅值變化，因此過流保護常常不能及時鑒別，而不對稱故障對電動機的損害又不僅僅是電流增加引起的發熱，更重要的是不對稱引起的負序效應及其給電動機運行帶來的隱患，甚至造成電動機的嚴重損壞。

表1 電流對稱故障分析

表2 電流不對稱故障分析

在分析電動機的故障特征基礎上，通過對電機保護算法的綜合性研究，提出了一種基于電動機負載電流正、負序分量的智能保護算法及具體實現條件，根據正、負序和零序定時限保護判定電機對稱故障、非對稱性故障，能夠準確及時地反映電機的各種故障情況，且易于計算機控制。

根據對稱分量法理論，電動機在發生不對稱故障時，負載電流可分解為正序、負序和零序分量，其中正序分量可以用來衡量電機的過流程度，作為對稱故障(短路、堵轉、過載及欠載保護)的判斷依據。在電機正常運行情況下發生對稱性故障時，負載電流是沒有負序和零序分量的，因此根據負載電流負序和零序分量的大小可以作為判別電機各類不對稱故障的依據，而且這種判據應具有較高的靈敏度。

3 智能型電機保護儀的設計

電動機智能綜合保護儀主要包括硬件電路的設計和軟件設計。

硬件電路由89c52系列單片機、存儲器的擴展，顯示器、鍵盤設置及輸出控制電路、信號傳感器以及執行繼電器等組成。對于單片機控制的測試系統，其硬件模塊包括傳感器和信號調理模塊、A/D轉換模塊、數據存儲模塊、程序存儲模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊等。電動機保護裝置的硬件框圖如圖1所示［3］。

圖1 電動機保護裝置的硬件框圖

此電動機智能綜合保護儀需要采集的數據有7個、3個電流數據和3個電壓數據、1個有功功率數據，需要電流傳感器、電壓傳感器、有功功率傳感器實時采集，并且將采集數據送入單片機中進行處理。可以根據所監測的電動機參數自由選擇。其工作原理為:各路模擬信號經采樣轉換為電壓信號后傳送給單片機監控系統，經放大、濾波、A/D轉換等完成各物理量的數字化，并由程序控制對數字量進行采集、存儲及預處理。若存在的故障參數超標，繼電器得電，接點動作，電機電源被關斷，則可以檢查故障原因。

根據上述的保護系統功能，設計軟件流程圖，在軟件設計中，需要考慮電動機啟動時的電流，電動機的起動電流一般在5～7Ie，在設計軟件時，為了不造成電動機啟動使得誤判斷，根據不同的電動機型號，我們可以通過鍵盤輸入電路設定電動機的啟動時間，系統在啟動時間內如果判斷電流在5～7Ie時，電動機的溫度不超過我們設定的上限溫度，執行機構不會切斷電源。電動機過負荷、斷相、堵轉、頻繁啟動等故障發生時，均導致電流增大，繞組過熱;其他故障發生時，線電流沒有變化(或變化很小)，直接導致電動機內部溫度升高，損壞電動機。因此，所設計系統的電動機故障判斷依據是綜合判斷電流和電動機溫度。

(1)根據異步電動機的電流，如果出現過載、堵轉、斷相、不平衡故障，然后根據定轉子溫度做出決定，出現上述故障并且溫度超過限定溫度時，電源斷開，否則繼續運行(稱之為故障三)。

(2)如果判斷出現短路、逆相、相間短路、單相接地、兩相接地故障，電源斷開(稱之為故障一)。

(3)如果不是上述故障，而出現定轉子溫度超過設定限度，電源斷開(稱之為故障二)。系統的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統的軟件流程圖

本電動機智能綜合保護儀能夠實現的基本控制功能為:

(1)電機三相電流超限、不平衡、缺相、接地電阻、電機和環境溫度等參數的測定;

(2)各種故障隱患與產生工作故障的智能判斷，并在故障發生之前報警或切斷系統電源，防止電動機損壞和提醒用戶及時排除故障;

(3)系統配備有故障數據掉電保護存儲電路。在系統斷電時紀錄故障數據，以方便查找電機故障原因;

(4)系統具有8位監視定時器 Watchdog(看門狗)，當系統產生軟硬件故障時，看門狗定時器將使系統復位，提高了系統的抗干擾能力。

該保護系統功能完善，各保護參數和CT比可由用戶定制，因而可以滿足不同容量的電動機的保護。采用了中文顯示和菜單式操作，界面友好、操作方便。采用基于實時專家系統的故障診斷，開創了電動機保護的先河，使電動機保護更具智能化。具有數據錄波、實時時鐘顯示軟、硬件自檢功能。跟隨信息時代的發展，將CAN總線引入電動機保護裝置，并形成智能電動機保護網絡的基本框架。因而可將電動機保護納入網絡化管理和控制。

［1］ 馬宏忠.電機狀態監測與故障診斷技術［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］ 劉重軒.論我國電機保護的現狀和未來［J］.西北紡織工學院學報，1998，12(1):.

［3］ 孫涵芳.MCS51/96系列單片機原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1999.

［4］ 郝迎吉李良福.基于80C196單片機的智能監測電機保護系統的研制［J］.工業儀表與自動化裝置，2006，(4):.

［5］ 馮凱，陳迎松，胡濤.負序保護在低壓電動機綜合保護中應用［J］.電力系統自動化設備，2007，27(2):.