小功率电机保护系统设计方案

摘 要

电动机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失，因此在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电动机保护装置己经成为必要。 近年来，随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，各种类型的微控制器、数字信号处理器、以及其它嵌入式处理器在电动机保护领域得到了广泛的应用。本文围绕基于微控制器的电动机综合保护装置的研究这一任务而展开，开发了适用于各种现场环境的交流电机测量、监控、保护一体化装置。本文的主要研究内容概括如下。

1.分析了电动机运行的基本原理、电动机故障特征以及保护原理。

2.给出了电动机保护装置的实现方案。本装置可实现以下故障保护：短路保护、堵转保护、过流保护、不平衡保护、断相保护、过压保护、欠压保护、漏电保护以及过热保护等功能。

3.以80C196KC单片机为核心控制器设计了电动机保护硬件单元，并配以液晶显示器等外围设备构成电动机保护系统。

1 保护方法

1.1 国内外研究的状况

随着微电子技术和单片机应用技术的发展，以微处理器为核心的智能型多功能电动机保护器应运而生。基于微处理器的电动机保护装置具有优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监测与控制。经过多年的发展，国外一些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心的智能化电机保护器。如：德国SIEMENS公司的3UBI系列继电器、日本FUJI公司的QA系列继电器、美国ABB公司的SPEM继电器、英国GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制继电器。国内也有许多单位在进行研制(如上海电器科学研究所，南京自动化研究所等)。各类产品除基本的保护功能外，一般还具有自检、自诊断、故障参数(如故障值、故障类型等)的记忆、保护参数的整定等多种功能。进入20世纪90年代以来，由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保护信息网络;也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运行参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策，以减少线路和设备的停机和维修时间，大大提高了整个系统的可靠性。

2 三相异步电动机常见故障及分析

2.1 短路故障特征分析及保护判据

电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大。短路故障包括定子绕组的相间短路和一相绕组匝间短路。定子绕组的相间短路是电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，影响其它用电设备的正常工作。一相匝间短路是较常见的短路故障，该故障初期仅表现为三相电流不对称，使故障相的相电流增大，严重的情况会导致匝间线圈绝缘全部烧毁，使电动机的一相绕组全部短接。此时，负载星形联接的非故障相将承受线电压，负载三角形联接的将产生相间短路，这会使电动机遭受严重损坏。

电动机相间短路故障最明显的特征是三相供电线路的故障相会出现大电流，危害性很大，应进行速断保护。短路保护的整定值应大于电动机最大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8～lO倍。在进行短路保护时，通过检测电动机A，B，C三相线电流来实现，超过整定值后，直接进行断电保护。短路保护的原则是，当在一定时限(当然很短)内检测到三相最大电流超过电动机额定线电流K倍时(K为短路过流倍数，一般取8～10)，就认为电动机有短路故障，应进行速断保护。

3 电机保护装置框图及硬件电路设计

3.1 电机保护装置总体框图

电动机保护器实现的功能主要包括：三相电流显示、声音报警、故障脱扣、故障记忆、过载保护、短路保护、漏电保护、缺相保护、相失衡保护、相序保护、过欠压保护等。用传统的模拟线路要实现如此综合的功能，其线路将会变得非常复杂，整个装置的体积也会非常庞大。目前一些模拟电子式电动机保护器能实现的功能都比较单一，例如：过流保护器、缺相保护器、漏电保护器等，而单片机的出现，使得电动机保护器的发展有了质的飞跃，在智能化、功能多样化、小型化、模块化、性能可靠性等方面达到前所未有的水平。

用单片机系统实现电动机保护的功能，在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部分构成。

硬件系统基本工作原理是：由电流、电压互感器实时检测电动机的三相线电压和线电流，并经信号调理电路转换后输入单片机A/D转换器的模拟输入通道，根据一定的算法，计算出信号的有效值，将计算出来的信号有效值与预先设定的相应整定值进行比较判断，若在一定时限内，采样到的信号有效值都在设定的故障范围值之内，则认为有故障产生，并由单片机发出故障控制信号对电动机进行跳闸断电和报警。若无故障产生，则循环采样、显示和存储电压、电流信号。

4 电动机保护装置的软件设计

4.1 系统初始化及主程序设计

主程序主要作用是对系统进行初始化以及主要部件的自检，初始化主要完成80C196KC单片机多功能引脚的定义、堆栈(SP)地址设置、键盘作方式的设置以及液晶模块显示设置。自检对象主要有外部扩展随机存储器(RAM)。主程序流程下图所示。

程序开始执行后，首先运行初始化模块，初始化的主要任务是完成80C196KC有关I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的设置、多功能引脚定义、串行口设置、堆栈地址设置、8255A工作方式设置、液晶显示模块设置以及保护装置自身的一些系统变量初始化等功能。

自检程序主要检测RAM存储器是否损坏，自检方法是先向整个R枷地址区写入数据，然后再一一读出比较，若不一样，则出错。出错后，由用户自己决定处理，程序不进行出错处理。