基于STC12C5410 的電動機智能保護研究

軒克輝， 孫 建， 李 遠

（漯河職業(yè)技術(shù)學院， 河南 漯河 462000）

0 引言

三相異步電機因其性價比高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等優(yōu)點，被廣泛使用在各行各業(yè)中，例如化工行業(yè)、石油行業(yè)、機械行業(yè)、電子信息行業(yè)、運輸行業(yè)等等。據(jù)統(tǒng)計，就目前來講，我國用電設(shè)備總?cè)萘康?5%為電動機，其耗電量也占據(jù)總耗電量的70%。每年因使用不當?shù)仍驘龤У碾妱訖C大概占電動機總數(shù)的16%，維修費超百億元。在所有的電設(shè)備中，電動機故障率最高。不僅如此，隨著技術(shù)的發(fā)展，電動機小型化的趨勢也愈加明顯，體積變小的同時，隨之就會帶來新的問題，例如電動機內(nèi)部電流密度顯著增加，這就會使得電動機出現(xiàn)故障的概率更加難以控制，故障所導致的后果也是難以提前預(yù)知的。所以，對于電動機安全運行進行研究意義重大，基于此，研究電動機的智能保護方法顯得極為重要。本文選取異步電機為研究對象，在對異步電機運行原理與故障特征進行分析的基礎(chǔ)上，基于單片機技術(shù)對電動機智能保護裝置進行研究。

1 異步電機工作原理及故障分析

在接入三相交流電源的情況下，電機的定子繞組會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，進而會與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對的切割運動，會使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，結(jié)合電磁力理論，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子會被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，這時，轉(zhuǎn)子上有負載時，就會輸出機械能。其能效電路如圖1 所示。其中，U1、Lm、R1、X1、R2、X2分別表示定子端電壓、電機勵磁電抗、定子繞組電阻、定子繞組電抗、轉(zhuǎn)子繞組電阻、轉(zhuǎn)子繞組電抗。

圖1 電機等效電路

關(guān)于電動機故障方面，常見的故障一般為繞組損壞與軸承損壞。對于繞組損壞的原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是絕緣裝置老化，導致定轉(zhuǎn)子繞組短路；二是供電不穩(wěn)定，電壓波的產(chǎn)生阻礙了電機正常運轉(zhuǎn)；三是電壓過低，電機運轉(zhuǎn)不起來，會產(chǎn)生過大的啟動電流，進而使得電機產(chǎn)生大量熱，會燒壞電機。對于軸承損壞的原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是負載過大，電機長期過載運行；二是缺少潤滑劑；三是環(huán)境惡劣。下面結(jié)合異步電機工作原理及故障分析，對電動機智能保護裝置進行研究。

2 電機智能保護裝置硬件設(shè)計

在電機智能保護裝置硬件設(shè)計方面，結(jié)合保護裝置實際情況及成本考慮，本文選取STC12C5410 單片機作為主控芯片，采用模塊化的設(shè)計方式，共分為6個模塊，其設(shè)計的硬件總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電機保護裝置硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在電機運行過程中，需要對電機的運行參數(shù)進行實時檢測，主要的參數(shù)為電機端電壓、電流及電機溫度三個方面，在將這些參數(shù)傳輸給STC12C5410 之前，需要先進行調(diào)理濾波操作。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采樣電路模塊如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采樣電路模塊

對于電壓信號的采集調(diào)理單元，其輸入為電機三相電壓，調(diào)理完之后輸送給STC12C5410d 的AD 端，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。先互感后放大，其中，互感調(diào)理變比，放大調(diào)理變比為=5，串聯(lián)后總的調(diào)理變比為Ku=Ku1Ku2=之后在第二級放大電路中將電壓變?yōu)?.5 V，滿足單片機采集要求。

圖4 電壓調(diào)理電路

圖5 電流調(diào)理電路

對于電流信號的采集調(diào)理單元，其輸入為電動機的線電流，調(diào)理完之后輸送給STC12C5410d 的AD端，其電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。先互感后放大，其中，互感調(diào)理變比放大調(diào)理變比為，串聯(lián)后總的調(diào)理變比為處理完之后輸送給單片機。

對于溫度數(shù)據(jù)的采集，采用溫度傳感器LM35A將溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后直接傳體給單片機即可，其電路如圖6 所示。

圖6 溫度采集電路

2.2 處理器模塊

處理控制器采用STC12C5410d 單片機，結(jié)合總體各模塊的規(guī)劃，處理器模塊外圍設(shè)計如圖7 所示。

圖7 處理器外圍

3 電機智能保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序主要目的是對各個模塊進行初始化以及對子程序進行調(diào)用準備工作，在系統(tǒng)上電之后，先執(zhí)行復位操作，控制器先將復位向量寫進對應(yīng)的寄存器中，之后控制器從該復位向量執(zhí)行程序。在進行初始化之后，對按鍵進行查詢，以檢測是否有需要更新的參數(shù)，如果有則進入?yún)?shù)更新子程序。執(zhí)行完此步驟后程序進入大的循環(huán)體，不斷對采集參數(shù)進行故障判斷，一旦觸發(fā)故障就會向上位機進行報警，由子程序去進行相應(yīng)的操作。主程序軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序軟件流程架構(gòu)

4 結(jié)語

當前，對于電動機的使用越來越頻繁，電動機故障時有發(fā)生，因此本文對于電動機保護裝置的研究意義重大。本文首先分析了電動機運行原理與故障，然后分別從硬件與軟件兩個角度對電機智能保護系統(tǒng)進行了設(shè)計，希望本文的研究對電機保護研究具有一定的指導作用。