電機保護器增加嵌入式操作系統技術研究

李 兵

（中水三立數據技術股份有限公司，安徽 合肥 230068）

電機保護器增加嵌入式操作系統技術研究

李 兵

（中水三立數據技術股份有限公司，安徽 合肥 230068）

電動機保護器（電機保護器）是發電、供電、用電系統的重要器件，是跨行業、量大面廣、節能效果顯著的節能機電產品，幾乎滲透到所有用電領域，是工業、農業和國防建設及人民生活正常生產和安全工作的重要保證，在國民經濟和節能事業中有著不可替代的重要地位和作用。《中華人民共和國節約能源法》規定：節能是指加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理以及環境和社會可以承受的措施，減少從能源生產到消費各個環節中的損失和浪費，更加有效、合理地利用能源，這是節能發展經濟的一項長遠戰略方針。

電機保護器；嵌入式操作系統；DSP

1　當前國內電動機使用情況及電動機保護器技術發展的重要性

據不完全統計，目前全國運行的1kW-320kW低壓電動機數量為6000萬臺，占電網用電量的70%以上，是工農業及商業系統中應用最為廣泛的動力設備。全國每年燒毀電動機數量約300萬臺，容量為10億千瓦，每年僅電動機在燒毀過程中就耗電億萬度，修理費高達100億元左右，造成停工停產損失達100億元。不僅如此，電機修理后還會造成功率下降，耗電量大，性能變差等后果，直接影響企業正常生產。全國每年因維修電動機浪費電磁線約1億萬公斤，若少生產1億萬公斤電磁線（每公斤需用電33.4度）每年就可節約用電33.4億度。上述情況說明，電動機保護器技術的不斷發展，可以節約大量能源和費用，避免不必要的損耗。

2　目前國內智能型電機保護器的發展狀態

國內外一些廠家為適應電動機保護的需要研制過智能型電機保護器，但技術水平高低不一。少部分采用液晶顯示屏，較少采用先進的高速DSP芯片，國內目前尚未應用嵌入式系統電機保護器。

3　對引入嵌入式操作系統的可能性探討

目前工控領域已經開始大量引入嵌入式系統，如果基于DSP技術，在市場已有智能型電機保護器所實現功能的基礎上加入嵌入式操作系統，就可以將電機保護器升級為一個嵌入式平臺。

引入嵌入式操作系統后，可以使軟件的通用性增強，擴展性增強，并且可以增加產品的穩定性、容錯性和可升級能力，同時可以為產品今后進一步擴充功能打下基礎。

該創新符合了產品技術發展的潮流，同時也會帶動軟件、工業電子產品、數字技術及產品、新型傳感器等應用產品的研究與開發。

4　新型電機保護器的技術目標

引入嵌入式操作系統的智能電機保護器將用于工業領域的電機保護，水利工程中用于水庫、船閘、水電站、泵站及供排水工程的閘門啟閉機的保護。

新型電機保護器應具有高速處理能力，高可靠性，擴展兼容性強的特點，適用于中小型電動機，可以對電動機發生過熱、過載、短路、欠壓、堵轉和不平衡等故障時實現保護。其主要技術特點為：六位數碼管分頁顯示和數據掉電保護；采用高速高集成度的DSP芯片；并行高精度高速AD轉換芯片，同時采樣3路電壓和三路電流值；標準的ModbusRTU接口；采用了嵌入式操作系統提高系統的穩定性擴展性和兼容性。

5　本技術產品的實現

作者采用DSP作為處理器，該處理器具有運算速度快功能強大的特點。該處理器采用多路高精度AD芯片，可同時采集三相交流電壓和三相電流，裝置具有過載、堵轉、電流不平衡、缺相、過壓、欠壓、欠載、過流等保護功能的電機保護器。

新型電機保護器包括電源板、控制板和顯示板。電源板與控制板通過3個雙排插針成90度角相插接，電源板上設置有電源模塊、19個外接線的接線端子、繼電器和電壓互感器，電源模塊為其它模塊的工作提供直流電源，繼電器用來輸出控制信號，電壓互感器用來把高壓信號轉化為毫安信號。

控制板包括供電單元、6路采樣電阻和濾波電路、運算放大器、A/D轉換器、DSP處理器、模擬量轉換輸出電路和485通訊模塊，采樣電阻和濾波電路用來轉換電壓互感器輸出的電流信號并進行低通濾波后經運算放大器和A/D轉換器進入DSP處理器，DSP處理器對數據進行處理和計算，模擬量轉換輸出電路和485通訊模塊與DSP處理器連接。

顯示板包括8段數碼管、多個按鍵和多個報警指示燈，所述8段數碼管、按鍵和報警指示燈均焊接在顯示板上并且通過10腳插排與所述控制板連接。

電源模塊上設置有一個為所述控制板提供直流電源10針排插、一個10針模擬和數字信號排插和一個16針的模擬和數字信號排插。

電源板上設置有19個外接線的接線端子中，有3個接線端子為220V電源，其余均為信號線。19個外接線端子成單排排列。

可設置：電動機啟動時間、額定電流、過載動作時間、過壓動作值、欠壓動作值、堵轉電流倍數（相對于額定電流）、漏電保護動作電流值、三相電流不平衡率、欠載動作值。

對比市場上同類產品，定位小尺寸純保護功能的電機保護器，新型電機保護器測量的電機參數較全，包括三路電壓三路電流的模擬量測量。而相類似尺寸和功能的電機保護裝置有的只測量三相電流有的測量三相電壓或三相電流加一相電壓，因此裝置的保護功能受到一定限制，而本產品測量參數較全，在現有基本保護功能的基礎上可提供全面的三相電壓欠過壓保護及由用戶選配的相序保護和功率保護，因此與市場同類小型的電機保護器相比，新型電機保護器在做到小型化及低成本的情況下可為用戶提供更多的保護功能和選擇，使保護功能更接近大型的電機保護器。

6　本技術產品的具體實現

以下將結合圖1-2對新型電機保護器作進一步說明。

新型電機保護器包括電源板1、控制板2和顯示板3。電源板1與控制板2通過3個雙排插針成90度角相插接，電源板1上設置有電源模塊11、成單排排列的19個外接線的接線端子12、繼電器13和電壓互感器14，電源模塊11為其它模塊的工作提供直流電源，電源模塊11上設置有一個為控制板2提供直流電源10針排插、一個10針模擬和數字信號排插和一個16針的模擬和數字信號排插，19個外接線的接線端子中，有3個接線端子為220V電源，其余均為信號線，繼電器13用來輸出控制信號，電壓互感器14用來把高壓信號轉化為毫安信號。

控制板2包括供電單元21、6路采樣電阻和濾波電路25，運算放大器24，A/D轉換器23，DSP處理器22，模擬量轉換輸出電路26和485通訊模塊27。采樣電阻和濾波電路25用來轉換電壓互感器14輸出的電流信號并進行低通濾波后經運算放大器24和A/D轉換器23進入DSP處理器22。DSP處理器22對數據進行處理和計算，模擬量轉換輸出電路27和485通訊模塊26均與DSP處理器22連接，顯示板3包括8段數碼管、多個按鍵和多個報警指示燈，八段數碼管、按鍵和報警指示燈均焊接在顯示板上并且通過10腳插排與控制板2連接。

電機保護檢測三相電壓UA，UB，UC，三相電流以IA，IB，IC為基礎。

新型電機保護器具體的工作過程如圖1所示。

（1）當220V交流電輸入電源模塊后系統上電，DSP對各子系統初始化，設置各項參數（自動保存前次參數）點亮顯示屏。（2）電機動力線電壓電流信號通過接線端子進入互感器，把強電信號轉化為弱電信號，此信號為電流信號，由采樣電阻轉化為電壓信號，經濾波電路濾波和運算放大器放大后送往A/D轉換器，DSP控制高精度的模數（A/D）轉換器采用三相電壓、三相電流的實時數據，DSP通過并行16位數據總線讀入六路模擬量的實時值。（3）DSP對數據進行處理和計算，得到三相電壓、三相電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數，通過零序電流互感器得到漏電流值。（4）DSP通過以上數值計算判斷電機是否處于不正常的運行狀態，處于何種非正常狀態，并將當前電壓、電流值或故障代碼等數據通過串行總線發送給顯示電路顯示，如發生異常狀態由DSP驅動雙路繼電器動作報警。（5）儀表通過應答方式或實時方式應用485總線與上位機聯系，傳輸當前電壓電流值或故障代碼等信息，可接受來自上位機的指令控制修改參數。同時儀表可通過4～20mA信號輸出當前任意一路可選電壓或電流值。

圖1　新型電機保護器系統結構

新型電機保護器中由雙路繼電器輸出控制信號，電機異常時切斷電機動力回路；DSP（TMS320LF2407）作為系統處理器，它是TI公司開發的帶16×16硬件乘法器模塊的工控處理器；運算放大器和TI的高速并行16bitADC芯片（ADS8364）組成測量電路，檢測轉換后的交流電壓信號；485通訊模塊進行儀表和上位機的通訊，采用ModbusRTU協議；4～20毫安轉換電路，由DSP通過PWM把電壓電流值調制成方波信號，再由運放轉換成電壓信號后送往U/I轉換芯片（AD694）轉換成4～20mA電流信號輸出。

新型電機保護器具體以下特點：（1）六位數碼管可翻頁顯示電壓電流及各種參數，內容清晰，操作方便。（2）高可靠的模塊電源，220V交流電輸入。（3）可顯示三相電壓三相電流，顯示內容全面。（4）采用工作電壓監控和防止死機的看門狗技術。（5）采用高速處理器高精度AD器件保證采樣的實時性和反應速度，采用數字濾波技術和誤碼檢測技術，以提高測量準確性和可靠性。（6）通過面板上的按鈕可完成各種數據設置操作，操作直觀易懂。（7）大容量無源觸點輸出，功能可編程，控制、報警功能強大。（8）具有掉電記憶功能，各種預置數據在停機后再加電開機無需作任何調整即可投入使用。（9）內嵌RS—485通訊接口，便于組網通訊，實現遠程監控。（10）具有漏電流輸入功能。漏電保護更精確，響應時間更短。

7 新型電機保護器的特點及實用性

新型電機智能保護器（電機保護器）主要以單片機作為

控制器，可實現電機的智能化綜合保護，具有遠程通訊功能，可在PC機上實現對多達256臺聯網的電機在線綜合監視與控制，在采樣和整定精度方面與模擬型電機保護器相比有質的飛躍，可對采樣信號進行軟件非線性校正，并可實現真有效值計算，從而極大地降低了被測信號波形畸變的影響，真正實現了高精度采樣，在整定方面采用數字設定，通過鍵盤由用戶自行現場設定，不存在誤差，還可為過載保護設置多條更科學的反時限曲線。因為采用了單片機就使得在相同硬件條件下集多種功能于一體的綜合保護器的出現成為可能，具有遠程通訊、聲光報警、過載、堵轉、短路、漏電、欠流、故障記憶等多種功能，采用交流采樣技術、多點線性校正技術、量程自動切換技術，能保持很高的采樣精度。隨著微電子技術的發展，電動機保護器（電機保護器）正朝著智能化、綜合化、高精度、高可靠方向發展。

Research on the Technology of Embedded Operating System for Motor Protector

Li Bing
（China Water Sunny Data Technology Co.， Ltd.， Hefei 230068， China）

The motor protector（motor protector）is a crucial device of power generation， power supply and power system， which is also an energy-saving mechanical and electrical product of cross industry with a large amount of remarkable energy-saving effect.It almost penetrated into all electric field， which is the important guarantee of industry， agriculture and national defense construction and people's normal life and production safety work， in the national economy and the energy conservation， it has the important status and importance that cannot be replaced. The People's Republic of China Energy Conservation Law regulations that energy efficiency means the measures of strengthening energy management， taking technical， economy， environment and society can undertake to reduce the energy of the loss and waste in each link of consumption. Whose goal is to make effective and rational use of energy.And this is a long-term strategic policy of energy saving development.

motor protector； embedded operating system； DSP

李兵（1973— ），男，安徽蚌埠。