帶RS485通信的電流型三相保護器的設計

李 朋，施火泉，朱 杰

(江南大學，江蘇無錫214122)

0 引 言

電能質量、負載、現場環境惡劣往往造成三相用電設備損壞，因此需要對三相電流進行實時監測，以確保用電設備的正常運行。常見的三相保護器有電壓型和電流型兩種，電壓型雖結構簡單但可靠性較差，如三相電動機接線端和內部缺相時，起不到保護作用。本文針對三相交流電缺相、不平衡、逆相及過流或短路等故障［1］，設計了具有三相電流采集與顯示、故障保護功能的數字式保護控制器，具有RS485串行通信接口，便于控制器之間或與上位機進行通信。

1 系統結構

三相保護器的系統結構如圖1所示，由按鍵模塊、電流采集模塊、RS485通信模塊、顯示模塊、動作模塊、MCU等組成。

圖1 系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 電流采集模塊

三相保護器通過電流互感器對三相電流瞬時值進行實時采樣，對于短路故障，必須對短路電流進行快速采集，同時也不能采用有效值來判斷是否短路，因此本文對短路電流進行單獨采集。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路(A、B相)

從圖2可以看出，當A點的電流大于B點的電流時，則T0則為高電平，否則，T0為低電平。端口AD4、AD5采集三相電流瞬時值，以此檢測過流、短路故障。AD1、AD2端口采集電流用于檢測缺相、錯相等故障。

2.2 RS485 通信模塊

RS485接口電路采用 LTC1535，通過光耦使MCU和RS485完全隔離，端口使用TVS管和PTC熱敏電阻實現抗瞬變保護［2］，如圖3所示。

2.3 其他模塊

圖3 RS485接口電路

(1)鍵盤與顯示模塊:CPU動態掃描實現鍵盤與顯示功能，實現輪流顯示三相電流及故障狀態，在LED數碼管段選端口與MCU引腳之間加470 Ω的電阻，起限流作用。

(2)動作模塊:MCU輸出故障信息驅動繼電器，推動外部接觸器動作以實現保護用電設備的目的。

3 系統軟件設計

系統軟件由數據處理程序和MODBUS通信程序組成。數據處理程序用于電流采集及數據的一系列處理，如圖4所示;當模塊接受到主機的通信命令時，則進入通信中斷程序，如圖5所示。

圖4 電流采集程序流程圖

圖5 MODBUS通信中斷程序流程圖

4 故障判斷方法

設三相電流整流后分別為 Ia、Ib、Ic［3］:

令iab，即求得A、B相交點電流ij:

式中:I2為電流有效值;m整數。

從式(3)可知，當 k=2m，即 T0上升沿時，A、B相電流的交點值是電流有效值設定值的1.225倍，表示工作正常;當 k=2m+1，即T0下降沿時，A、B相電流交點值是電流有效值設定值的0.707倍，表示工作正常，否則與過流、短路電流設定值進行比較，進而輸出故障信號。

當k=2m時，比較此時的C相電流值是否小于A、B相電流的交點值，如果小于的話，則表示三相相序為順相序，否則表示錯相。

電源端缺一相時，在電機端該相電壓仍然存在，因此，通過判斷任一相電壓為零認為缺相是不可靠的。但缺相時，線電流為零，因此通過電流判別缺相是可靠的。

I1為三相電流中最小值，I2為三相電流中最大值，IP為平均值。根據系統的要求，設置所需要的不平衡系數，當其達到設定的三相不平衡系數就可以認為系統出現故障。

當Ia＜0.2IP、Ib＜0.2IP或Ic＜0.2IP時，表示缺相。

對于過載、堵轉等故障判斷，可按應用需要設定。

5 結 語

本文對該保護器進行了實驗室測試，以額定功率為100 W、電壓為220 V、電流為0.55 A的三相繞線式異步電動機為樣機，采用ATMEGA32單片機作為控制芯片［4］，由電流互感器采集三相電流，通過本文介紹的故障判斷方法進行電機故障判斷，繼而控制繼電器的關斷，RS485通信波特率選取4 800 b/s，經過測試，效果良好，實驗室測試實物圖如圖6所示。通過在某中央空調上的試運行，實踐證明該保護器滿足企業電流誤差不超過3%，動作時間誤差不超過1%的要求。既解決了電壓型的不足之處，又具有可靠性高、測量精度高、功能強、操作方便、價格低廉、工作可靠等優點。

圖6 三相保護器實驗室樣機測試

［1］ 崔陸軍，陳幼平，張岡，等.基于ATmega16L單片機的智能型電機保護器的設計［J］.儀表技術與傳感器，2009(12):94-96.

［2］ 潘群，向軍，王琳.RS-485串行通信接口電路的設計與應用［J］.常州工學院學報，2009，22(3):38-42.

［3］ 陳柱峰.三相交流電相序、缺相檢測保護電路設計［J］.湖南農機，2009，36(1):34-36.

［4］ 張鑫.單片機原理及應用［M］.北京:電子工業出版社，2005:90-92.