單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)系統(tǒng)上的應(yīng)用

蘇曉勇 曾彩玲 傅熳雅 韋海月 張營(yíng)

【摘 ?要】本文提出以單片機(jī)作為核心的電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，詳細(xì)的說(shuō)明單片機(jī)如何應(yīng)用在過(guò)載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)、缺相運(yùn)行保護(hù)等幾個(gè)比較常見(jiàn)的保護(hù)系統(tǒng)中。并作出總結(jié)把單片機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中可以穩(wěn)定可靠的保證電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中不被損壞。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);過(guò)載保護(hù);堵轉(zhuǎn)保護(hù);啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù);缺相運(yùn)行保護(hù)

引言：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要工具。電動(dòng)機(jī)的使用幾乎遍及到各個(gè)行業(yè)。是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)正常有序開(kāi)展的重要保證。但是在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)因?yàn)楦鞣N原因損壞的情況屢見(jiàn)不鮮。因?yàn)槠鋾r(shí)刻都在承受著電壓波動(dòng)，高溫，負(fù)荷變化沖擊等各種不利因素帶來(lái)的危害，所以確保電動(dòng)機(jī)的正常安全運(yùn)行就顯得尤為重要。

基于單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的主要功能應(yīng)該包括：過(guò)載保護(hù)、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、短路保護(hù)等。如果用傳統(tǒng)的模擬電路要實(shí)現(xiàn)這么全面的功能，那么這個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的線路勢(shì)必會(huì)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的體積也會(huì)變得異常的龐大。所以現(xiàn)在模擬電路所實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一，不能周全的保護(hù)電動(dòng)機(jī)不被其他原因損壞。但是單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動(dòng)機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)有了本質(zhì)的變化其相比模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)范圍廣、性能穩(wěn)定可靠、顯示直觀、操作方便、體積小等。因此電動(dòng)機(jī)能夠得到更好的保護(hù)，其損壞率也顯著的下降。

基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)電機(jī)過(guò)載是一種非正常的運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)或者一定時(shí)間內(nèi)的過(guò)載是被允許的，但是大范圍或者長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載是不允許的。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載電動(dòng)機(jī)運(yùn)電流超過(guò)額定值，導(dǎo)致電機(jī)線圈和電纜發(fā)熱。電流的增加使電動(dòng)機(jī)的溫升超過(guò)允許值，導(dǎo)致繞組絕緣降低，電阻增加，甚至?xí)龎睦@組。過(guò)載損壞電動(dòng)機(jī)的原因主要是運(yùn)行電流超過(guò)額定電流導(dǎo)致繞組發(fā)熱引起的，所以過(guò)載的嚴(yán)重程度可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組溫度來(lái)判斷。當(dāng)達(dá)到極限溫度是采取切斷電動(dòng)機(jī)電源，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

單片機(jī)過(guò)載保護(hù)使用的是基于AT89C51單片機(jī)的電子式過(guò)載保護(hù)繼電器，主要包括信號(hào)電路、傳感器、地址鎖存器、報(bào)警控制、單片機(jī)等。

1、傳感器AD590

溫度傳感器的作用是將電動(dòng)機(jī)繞組溫度轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，其測(cè)溫范圍為-50℃—+150℃，線性度好。整個(gè)測(cè)溫量程內(nèi)溫度誤差小于0.3℃。

2、地址鎖存器

地址鎖存器的作用是讓單片機(jī)分時(shí)復(fù)用

3、報(bào)警控制

通過(guò)控制交流接觸器線圈斷電、通電來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的停止與啟動(dòng)。光電耦合器的動(dòng)作時(shí)間在0.1ms之內(nèi)，滿足快速保護(hù)的要求。

4、AT89C51單片機(jī)

它把電動(dòng)機(jī)輸送來(lái)的溫度信號(hào)處理后和允許溫度比較，如果超過(guò)允許溫度值就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警控制，同時(shí)顯示溫度。

單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)

對(duì)于單片機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路來(lái)說(shuō)主要有三部分組成：電流采集模塊、限流采集模塊、驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊組成。保護(hù)系統(tǒng)采用24V直流電源供電，一路供驅(qū)動(dòng)電路，另外一路給控制系統(tǒng)供電。因?yàn)橄到y(tǒng)耗電量主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，所以采集電機(jī)的相電流作為衡量電機(jī)有無(wú)堵轉(zhuǎn)的依據(jù)。信號(hào)輸出的電流在4-20mA之間，極限報(bào)警值可以通過(guò)設(shè)定，只要電流達(dá)到極限報(bào)警值就報(bào)警。當(dāng)電流超過(guò)平均電流值的30%就會(huì)報(bào)警，作為平均報(bào)警值。系統(tǒng)原理圖如下圖所示：

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)運(yùn)行電流大于設(shè)定的額定堵轉(zhuǎn)電流I1時(shí)，同時(shí)超過(guò)額定時(shí)限I2時(shí)，本保護(hù)作用于出口跳閘。堵轉(zhuǎn)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)閉鎖，停止運(yùn)行時(shí)自動(dòng)投入。同時(shí)在一定意義上堵轉(zhuǎn)保護(hù)可以作為短路保護(hù)的備用保護(hù)，堵轉(zhuǎn)電流值可以參考電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流的倍數(shù)，一般在2-4倍范圍內(nèi)取值。

單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)的應(yīng)用

正常情況下電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流是小于額定電流的。但是啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流仍然比額定電流大較多。這個(gè)保護(hù)是當(dāng)在限定的啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，運(yùn)行電流仍然比額定電流大很多，本保護(hù)動(dòng)作，出口跳閘切斷電動(dòng)機(jī)電源。

單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)的應(yīng)用

三相異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)殡娫磾嘞噙\(yùn)行而燒壞的數(shù)量很驚人，但是部分使用人員對(duì)電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行的危害認(rèn)識(shí)不足，而且傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)裝置原理復(fù)雜，造價(jià)過(guò)高，自身故障率高等原因，致使電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)發(fā)揮不了效果。使用單片機(jī)和其附屬電路配件構(gòu)成的相序監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單可靠的控制方式，同時(shí)能夠降低保護(hù)系統(tǒng)的投入成本，下面介紹一下這個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的主要構(gòu)成。

（1）單片機(jī)AT89C2051：?jiǎn)纹瑱C(jī)是系統(tǒng)的核心部件，在硬件上，借施密特觸發(fā)器獲得有用輸入信號(hào)用來(lái)控制程序的運(yùn)行。還用于驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)控制指示燈和繼電器的動(dòng)作。

（2）降壓電壓：三相電源相間電壓為220V，這樣的高壓是不能直接引進(jìn)電子電路的。我們考慮到介入后續(xù)電路的電源是2V左右，所以一定要進(jìn)行降壓。一般使用電阻進(jìn)行降壓。

（3）光電隔離：開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道，都是干擾竄入的渠道，要切斷這些渠道，就要去掉外部輸入輸出通道之間的公共地線。實(shí)現(xiàn)彼此電氣隔離，這里我們用光電耦合隔離。這種方法實(shí)現(xiàn)了高低壓的隔離，使用廣電信號(hào)作為中間信號(hào)，即用來(lái)傳輸又用來(lái)隔離，提高線路的抗干擾能力。

（4）直流穩(wěn)壓電源：電子電路中通常都需要電源穩(wěn)定的直流電源供電。本裝置的芯片和繼電器使用的都是6V的電源供電。

（5）繼電器電路：繼電器的響應(yīng)時(shí)間小于0.1ms。可以保證電動(dòng)機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí)立刻跳閘切斷電動(dòng)機(jī)供電，從而保證電動(dòng)機(jī)不被損壞。

總結(jié)語(yǔ)

把單片機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，很大程度上提高了電動(dòng)機(jī)的保護(hù)特性。使用單片機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍廣，顯示直觀，性能穩(wěn)點(diǎn)可靠。而且是智能化系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)參數(shù)可以由用戶根據(jù)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和環(huán)境而自行設(shè)置。本文只是提到了幾種電動(dòng)機(jī)損壞率較高的常見(jiàn)故障，其實(shí)單片機(jī)可以應(yīng)用電動(dòng)機(jī)的絕大部分故障保護(hù)。如果能夠大范圍的把單片機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，相信電動(dòng)機(jī)的損壞率會(huì)大大的降低。

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（作者單位：閩江學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院）