三相異步電動機智能保護器的設(shè)計

范肖肖 萬金華

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院 輪機電氣與智能工程學院，江蘇 南京211170）

三相異步電動機作為拖動系統(tǒng)中的重要拖動設(shè)備, 廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電廠、港口、礦山、自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。

在正常運行狀態(tài)下，電機三相繞組中流過電流，在電機內(nèi)部產(chǎn)生損耗，大部分損耗轉(zhuǎn)換成熱量，引起電機內(nèi)部溫度升高，如果在正常允許的溫升范圍內(nèi)，不會影響電機正常運行。但是如果出現(xiàn)長時間過載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等故障情況，則會引起繞組電流急劇增大，同時電機內(nèi)部溫度迅速升高，嚴重時造成電動機燒毀，造成安全事故和經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年燒毀的電動機在20 萬臺次以上，直接損失達16 億元[1]，因此設(shè)計一款可適配不同電流互感器的三相異步電機智能保護器非常重要。

1 電機保護器設(shè)計方案

1.1 電機保護器工作原理

電機保護器的作用是在電動機或線路發(fā)生故障時，可靠動作，保護電動機及相關(guān)設(shè)備，減輕事故造成的損失。目前電動機的常見電氣故障主要包括[2]：（1）電源異常引起的電機缺相、三相失衡、過欠電壓、過欠電流；（2）由于所帶負載過大或過小而造成的過載和欠載等。這些故障都會導致電動機運行電流的異常，因此只要對電動機的運行電流進行實時監(jiān)控，就能實現(xiàn)對電機的有效保護[3]。

1.2 硬件設(shè)計方案

本文設(shè)計的智能電機綜合保護器主要由電源模塊和主控板組成，框圖如圖1。其中主控板是以美國Microchip 公司的PIC16F877 單片機為核心部件，以電流采樣模塊、通訊模塊、人機對話模塊、報警模塊等作為外圍模塊組成。其中，單片機是整個電機保護器的核心，主要實現(xiàn)電機保護程序的運算和控制。電流采樣模塊對電機運行數(shù)據(jù)進行采集并發(fā)送給單片機，單片機對采樣結(jié)果進行分析、判斷，并輸出一個開關(guān)量作為繼電器輸出信號控制電機電源，如檢測出電機運行故障，單片機觸發(fā)報警模塊提醒用戶故障代碼，同時輸出繼電器動作對電機進行保護。人機對話電路包含設(shè)置鍵盤和顯示電路，鍵盤模塊用來對保護器參數(shù)進行設(shè)置，顯示模塊用來對外顯示電機運行狀態(tài)參數(shù)和故障信號。保護器的通訊模塊采用RS485 現(xiàn)場總線、標準Modbus RTU 協(xié)議通信，可同云服務(wù)器或其他智能設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

圖1 電機保護器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件設(shè)計方案

軟件的作用是基于硬件設(shè)計和保護算法，完成對三相異步電動機的保護功能。本系統(tǒng)軟件的主要功能有：（1）檢測三路電流傳感器模擬量輸入，通過A/D 轉(zhuǎn)換及換算，將三路電流實測值通過液晶屏實時顯示。（2）通過外設(shè)按鍵對內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)置、修改和輸出開關(guān)量的復位操作等。（3）具有三相過電流、欠電流、缺相及三相電流不平衡檢測等功能，若單片機檢測到電流異常，可觸發(fā)繼電器動作，及時切斷電機電源，并且通過通訊系統(tǒng)實時將異常信息發(fā)送到客戶端。

2 電機保護器功能模塊設(shè)計

2.1 電流采樣模塊設(shè)計

故障檢測信號取自三相異步電動機的三相定子電流，電動機的額定電壓一般是380V，線電流能達到十幾甚至上百安，因此需要對電流信號進行轉(zhuǎn)換后才能送至單片機的A/D 口。經(jīng)過電流互感器和電阻器分壓，將采集到的電信號限定在-5V-+5V，然后經(jīng)過運算單元ADOP07DQ 信號放大與電位提升將電壓信號限定在0-5V。通過信號保持器LF398，使得單片機依次選通三相線電流的A/D 通路，讀入線電流采樣值。另外，通過配置不同的電流互感器，能夠適用于不同功率不同工況的電機保護，適配性較強。

2.2 人機對話模塊設(shè)計

顯示電路采用1602 LCD 液晶屏與4 位LED 數(shù)碼管，分別對電機狀態(tài)與故障代碼進行實時顯示。LED 數(shù)碼管以動態(tài)顯示的方式顯示故障類型標號，通過2 個74HC573 對數(shù)碼管進行分時控制，可顯示4 位故障代碼。

為節(jié)約I/O 端口，鍵盤輸入電路采用4×4 矩陣式按鍵。行線分別由單片機的RB4-RB7 控制，列線由RB0-RB3 控制。用戶可以通過S0-S15 按鍵對終端內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)置、修改和輸出開關(guān)量的復位操作等。

2.3 通訊模塊設(shè)計

利用PIC16F877 單片機的USATR 功能模塊，采用MAX485裝置實現(xiàn)RS485 通信，完成單片機和PC 機的通信[4]，可以將采集分析后的電流、故障等信息上傳到上位機或者云服務(wù)器[5]。

3 嵌入式軟件設(shè)計

軟件部分編程語言采用MPLAB XC8 Ver1.34，開發(fā)調(diào)試平臺采用Microchip 的MPLAB X IDE V3.5。軟件主要由系統(tǒng)配置文件和用戶應(yīng)用軟件兩部分構(gòu)成，其中系統(tǒng)配置文件主要針對單片機的硬件資源和相關(guān)寄存器進行配置，由MPLAB X IDE里的插件MCC 自動完成，由MCC 完成的配置模塊如圖2 所示，主要軟件模塊構(gòu)成如圖3 所示。

圖2 單片機資源配置文件圖

圖3 主要軟件模塊圖

主程序設(shè)計：

軟件系統(tǒng)采用主程序加中斷處理的方式。本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示，主程序采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行，單片機主頻是20MHZ。如主程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)定時器或通訊中斷請求，將自動中斷主程序的運行，響應(yīng)中斷程序。按照模塊化的思想，軟件設(shè)計可以劃分電流采樣及計算處理模塊、報警檢測及輸出模塊；LED 顯示模塊；按鍵掃描模塊；通訊模塊和參數(shù)設(shè)置模塊等功能（如圖4）。

電機保護器的參數(shù)可以通過手動設(shè)置，也可以通過參數(shù)自學習功能完成參數(shù)自動設(shè)置。參數(shù)自學習功能就是提前偵測電動機的額定運行特性，再根據(jù)監(jiān)測的運行特性參數(shù)，測算各保護參數(shù)并自動保存。參數(shù)自學習過程如下：電機驅(qū)動額定負載或工作過程中的最大負載，在一個工作流程內(nèi)，保護器內(nèi)部軟件會自動對這一過程的電流進行采樣。采樣完成后對電流曲線和電機銘牌參數(shù)進行比較分析，可得到電機電流的過電流、過載、三相不平衡、電機起動時間等設(shè)定值。基于電機實際運行工況進行參數(shù)自學習，無需終端用戶具備相關(guān)經(jīng)驗以及專業(yè)知識，操作簡單，運行可靠。

圖4 嵌入式系統(tǒng)的主程序流程圖

結(jié)束語

本文設(shè)計了以單片機為核心的智能電機保護器，通過實時采集電機運行時的電流，利用單片機分析和判斷，完成對電機運行狀態(tài)的監(jiān)控和報警保護。本裝置使用方便，保護功能全面，能夠有效降低電機事故的損毀率。后續(xù)可以對本設(shè)計進一步完善和擴展，比如利用濕度變送器、振動傳感器增設(shè)溫濕度和振動監(jiān)控功能，或結(jié)合云平臺的存儲和運算能力，實現(xiàn)工業(yè)電機集群的遠程全面監(jiān)控。