某系統電機保護器的硬件電路設計淺談

摘 要：電機是工業生產最常見的電器設備，它的安全運行對于企業生產而言至關重要。以煤礦為例，壓風機、抽風機、主輔提升機、膠帶輸送機其核心部件都是大、中型電機，因此設計一個安全可靠、功能齊全的電機保護器是十分必要的。本文筆者結合自身實踐，對某電機保護器的硬件電路設計做了簡要介紹。

關鍵詞：電機；保護器；設計

1 電機保護器的結構

結合不同的用戶要求，保護器的設計要求實現多種功能。首先是電氣基本保護功能：如漏電閉鎖保護、過、欠壓保護、過載保護、短路保護、缺相保護、三相不平衡保護、相序保護等。還應有電機過熱保護和環境溫度過高及過低等附加保護功能。此外，還應具有：故障存儲功能、參數設置功能、非停機保護、強制啟動模式以及通訊功能等。

2 某系統電機保護器的硬件電路設計

2.1 模擬信號的取樣

模擬信號主要采集電機工作時的電壓量、電流量、相序參數以及漏電信號等，顯然，這些量要被數字化的CPU接收，必須通過符合轉換要求的A/D轉換器。在本系統中采集的模擬信號有三相電流、電機工作電壓、絕緣電阻、相序信號等6個，同時考慮測量的精度和分辨力指標，選用了具有串行接口的11路12位A/D轉換器TLC2543作為A/D轉換電路。

溫度信號主要用來測量電機的各部分發熱情況，包括電機軸承溫度、機身溫度等模擬信號的取樣主要包括電壓信號的采樣、電流信號的采樣以及相序信號的采樣等。其中電壓信號經過變壓器變壓之后，經過電阻分壓、半波整流和電容濾波，送到A/D轉換口作為輸入；而電流信號由互感器產生，經過半波整流和電容濾波，送到A/D轉換口作為輸入。兩者都有二極管限幅保護電路，當輸入電壓高于5V時，由于二極管的鉗位作用，從而保護單片機I/O口不被損壞。三相電壓經過三相變壓器變壓后，經過移相網絡和電壓疊加，再經過橋式整流把交流電壓變為直流電壓，然后經過電阻網絡分壓送給A/D轉換器。這個電路在三相電壓相位為正序和副序的時候電壓會有明顯的差別，所以在單片機軟件中，可以根據送入單片機的電壓來判斷相序。

2.2 開關信號的獲取

開關信號主要是接收外部來的各類開關信號，包括是否允許開機信號、各類繼電器的輔助觸點返回信號等，為保證信號的可靠性要求，這些開關信號都通過光耦后再送入CPU。在電機保護系統中，有許多外部觸點的通斷狀態需要輸入到CPU中，參與控制和保護。對于從裝置外部引入的觸點，為了避免給微機保護系統引入干擾，采用光電耦合器實現電器隔離。電路如下圖所示。

2.3 鍵盤/顯示

顯示/鍵盤是人機接口，其主要功能是用于實時顯示電機工作參數，各類現場參數的調整等，同時在參數異常而保護后顯示詳細的報警信息，并可通過鍵盤可以查詢歷史故障信息等。鍵盤主要用來設置各種參數，包括電壓等級的選擇，過壓、欠壓倍數的設定、環境溫度過高、過低保護值的設定，電機的整定電流的設定、電機短路倍數的設定、系統時間的設定、液晶屏幕保護（背光）延時時間的設定、系統三級菜單密碼的設置以及強制啟動模式的選擇等等。由于在工業現場，設計的鍵盤應盡量少，因此，一共設計了4個鍵，分別為功能鍵、增量鍵、減量鍵和復位鍵，這里的復位鍵實際上是系統出了故障后而又排除故障后的解除閉鎖鍵，不按下本復位鍵，系統仍將無法啟動，主要還是從安全的角度考慮，防止現場的誤操作。鍵與CPU的接口因數量較少，可以采用獨立式鍵盤。

顯示電路包括兩部分：指示工作和故障狀態的LED燈和顯示運行數據、故障信息的液晶顯示模塊。LED燈指示包括電機運行指示、漏電閉鎖指示、過壓指示、欠壓指示、短路指示、過載指示、缺項指示、逆向指示、三相不平衡指示、環境溫度異常指示、環境溫度傳感器缺損指示、電機過熱指示等。LED燈的驅動采用擴展兩個串入并出的移位寄存器74HC164，兩個74HC164采用片連接方式，因此，只需占用CPU的兩個I/O口，一個接移位時鐘信號，一個接第一個74HC164數據輸入端。

正常工作時液晶模塊顯示當前主電機的三相工作電流、工作電壓、風機工作電流、電機連續運行時間等參數；在參數進入保護狀態時顯示各種故障信息等。為提醒現場工作人員，在進入保護狀態時，液晶的屏幕保護時間失效，即液晶的背光燈處于常亮狀態；而在正常停機和正常工作時，無人按下鍵盤時間超過設定時間后，液晶模塊將進入低功耗狀態，即自動關閉背光燈，進入屏幕保護模式；只要再按下任意鍵，將重新點亮液晶背光燈。本設計采用液晶顯示模塊OCMJ5x10B，該液晶模塊含有GB2312 15x15點陣國標一、二級簡體漢字和8x8點陣及8x16點陣ASCII字符，可實現文本、圖形顯示。該模塊具有上/下/左/右整屏清除屏幕、光標顯示、反白等操作，硬件接口采用REQ/BUSY握手通信協議，簡單可靠。

2.4 時鐘設計

時鐘的主要作用不僅記錄故障發生的時間，而且可以記錄電機的運行時間曲線，為設備的定期維護提供科學的參考。由于系統要求在各參數異常記錄故障信息，該故障信息除包括故障類別外，故障發生時的時間，因此，體統還需設計計時實時時鐘電路。考慮系統的體積、功耗、價格等綜合因素，本系統選用了Philips公司生產的具有串行I2C總線結構的PCF8563作為系統時鐘，該時鐘電路具有外圍電路簡單、操作簡單、功耗低、等特點，為保證系統的時間的連續性、實時性，本電路設計一個3.6V/60mAh直流充電電池并設計了簡單的涓流充回路。

2.5 存儲器的設計

儲存器不僅儲存系統的參量，如額定電壓、額定電流、過欠壓的值等，而且對發生的故障進行歷史記錄，供現場分析使用。因為本系統中需要儲存一定深度的故障信息以及系統參、保護參數等，所需儲存空間較大，所以我們選擇了同樣是I2C總線結構的具有32KB的AT24C256作為本設計的儲存器，可實現節省CPU的I/O口的目的。

2.6 控制輸出設計

控制輸出是CPU根據參數的測量、狀態判斷后向用戶提供只報警不停機、停機信號的保護信號。它由單片機的P2.4口來驅動，當保護器檢測到故障后，P2.4輸出低電平，使光電隔離器導通，經過三極管的功率放大使繼電器吸合，從而送出保護觸點。

2.7 通信電路

本系統還設計了RS-485總線標準的通信接口電路，設計中我們采用了價格低廉、結構簡單、使用方便的75LBC184作為通信的電平轉換芯片，75LBC184是具有瞬變電壓抑制功能的差分收發器。為保證信號傳輸的可靠性以防止長線傳輸給系統帶來的干擾或其他信號，對通信電路采取了光電隔離措施，為保證至少達到20kbit/s的通信速度，光電耦合器選擇了高速光耦PC400。要注意的是，光耦兩側不能采用同一組電源，除了發送信號TXD、接收信號RXD需要隔離外，控制接收/發送狀態的RE/DE信號也需要進行隔離處理。

參考文獻

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[3]周繼軍.淺談智能電機保護器的應用[J].中國科技信息，2007（3）.

作者簡介：龐研（1981，2-），女，漢族，就職于太原重工起重機分公司技術科，助理工程師