基于STC12C5410 的電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)研究

軒克輝， 孫 建， 李 遠(yuǎn)

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 漯河 462000）

0 引言

三相異步電機(jī)因其性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)械行業(yè)、電子信息行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，就目前來講，我國用電設(shè)備總?cè)萘康?5%為電動(dòng)機(jī)，其耗電量也占據(jù)總耗電量的70%。每年因使用不當(dāng)?shù)仍驘龤У碾妱?dòng)機(jī)大概占電動(dòng)機(jī)總數(shù)的16%，維修費(fèi)超百億元。在所有的電設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)故障率最高。不僅如此，隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)小型化的趨勢也愈加明顯，體積變小的同時(shí)，隨之就會(huì)帶來新的問題，例如電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電流密度顯著增加，這就會(huì)使得電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的概率更加難以控制，故障所導(dǎo)致的后果也是難以提前預(yù)知的。所以，對于電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行進(jìn)行研究意義重大，基于此，研究電動(dòng)機(jī)的智能保護(hù)方法顯得極為重要。本文選取異步電機(jī)為研究對象，在對異步電機(jī)運(yùn)行原理與故障特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于單片機(jī)技術(shù)對電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置進(jìn)行研究。

1 異步電機(jī)工作原理及故障分析

在接入三相交流電源的情況下，電機(jī)的定子繞組會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而會(huì)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對的切割運(yùn)動(dòng)，會(huì)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(huì)被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這時(shí)，轉(zhuǎn)子上有負(fù)載時(shí)，就會(huì)輸出機(jī)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(jī)勵(lì)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(jī)等效電路

關(guān)于電動(dòng)機(jī)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(gè)方面：一是絕緣裝置老化，導(dǎo)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；三是電壓過低，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不起來，會(huì)產(chǎn)生過大的啟動(dòng)電流，進(jìn)而使得電機(jī)產(chǎn)生大量熱，會(huì)燒壞電機(jī)。對于軸承損壞的原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是負(fù)載過大，電機(jī)長期過載運(yùn)行；二是缺少潤滑劑；三是環(huán)境惡劣。下面結(jié)合異步電機(jī)工作原理及故障分析，對電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置進(jìn)行研究。

2 電機(jī)智能保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

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

圖2 電機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在電機(jī)運(yùn)行過程中，需要對電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，主要的參數(shù)為電機(jī)端電壓、電流及電機(jī)溫度三個(gè)方面，在將這些參數(shù)傳輸給STC12C5410 之前，需要先進(jìn)行調(diào)理濾波操作。本文設(shè)計(jì)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(hào)的采集調(diào)理單元，其輸入為電機(jī)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(jí)放大電路中將電壓變?yōu)?.5 V，滿足單片機(jī)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(hào)的采集調(diào)理單元，其輸入為電動(dòng)機(jī)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(jī)。

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(hào)，然后直接傳體給單片機(jī)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(jī)，結(jié)合總體各模塊的規(guī)劃，處理器模塊外圍設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 處理器外圍

3 電機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序主要目的是對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化以及對子程序進(jìn)行調(diào)用準(zhǔn)備工作，在系統(tǒng)上電之后，先執(zhí)行復(fù)位操作，控制器先將復(fù)位向量寫進(jìn)對應(yīng)的寄存器中，之后控制器從該復(fù)位向量執(zhí)行程序。在進(jìn)行初始化之后，對按鍵進(jìn)行查詢，以檢測是否有需要更新的參數(shù)，如果有則進(jìn)入?yún)?shù)更新子程序。執(zhí)行完此步驟后程序進(jìn)入大的循環(huán)體，不斷對采集參數(shù)進(jìn)行故障判斷，一旦觸發(fā)故障就會(huì)向上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警，由子程序去進(jìn)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(dāng)前，對于電動(dòng)機(jī)的使用越來越頻繁，電動(dòng)機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，因此本文對于電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研究意義重大。本文首先分析了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理與故障，然后分別從硬件與軟件兩個(gè)角度對電機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，希望本文的研究對電機(jī)保護(hù)研究具有一定的指導(dǎo)作用。