基于MSP430F149單片機的智能化電動機保護器

閆長財，閆武林

（天水二一三電器有限公司，甘肅天水741024）

在大規模現代化生產中，對電動機既有長時間連續工作的要求，也有間隙、變負荷、變速等各種狀態運行要求和進行集中監控的要求。電動機保護器也向著具有測試、自檢測、故障識別、受控、自處理等智能化功能和要求的方向發展。單片機及其應用技術的發展為電動機保護的研制提供了新的解決方案。基于MSP430F149單片機的電動機保護器是一種多功能的智能電機保護器，對于電動機的過載、缺相、短路、堵轉、過壓、接地／漏電、欠載等造成的故障具有判斷、保護、報警、控制等功能。

1 電動機故障分析

電動機的損壞主要是繞組過熱和絕緣性能降低引起的，而繞組的過熱往往是流經繞組的電流過大引起的。根據流經繞組的電流，可以把電動機故障形式分為對稱故障和不對稱故障兩類。

對稱故障主要包括過載、堵轉和三相短路等。其主要特征為：三相電流仍基本對稱，同時出現過電流，故障嚴重程度基本反映過電流程度，因此常用過電流程度判斷此類故障。對于嚴重的三相短路的保護，應采用速斷跳閘；對于堵轉故障的保護，應采用短時限跳閘；對于過載應采用反時限跳閘，其反時限特性應與電動機的溫升特性相配合。

不平衡故障又可分為非接地性故障和接地性故障兩種。非接地性不對稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運行等。其主要特征是三相電流不對稱且出現負序電流分量。可以用負序電流分量作為此類故障的判別標準，保護應采用短時限跳閘或速斷。接地性不對稱故障主要包括單相接地短路和兩相接地短路。其主要特征為三相電流不對稱且出現零序電流分量。可以用零序電流分量來判斷此類故障，可采用速斷或短時限跳閘加以保護。

由上述分析，過電流、負序和零序三個分量的不同分布組合與各故障類型之間具有很好的對應關系（見表1）。因此，以電流為判據，將電動機保護分解為過流、負序和零序保護三大類，由此構成的綜合電動機保護可基本覆蓋電動機所有常見的故障類型。此外，還可以通過采集的電壓信號判別過壓和欠壓兩種故障。

表1 電動機故障特征分布表

2 保護原理

本裝置采用電流繼電器元件作為電動機起動的判別元件，用帶時限的速斷保護作為電動機的主保護。對各類故障的保護均給予定時，一旦到達定時且滿足動作條件時，定時器隨即發出動作指令。

2.1 帶時限的速斷保護

在電動機保護中，起動過程的判別非常重要。當檢測到線路從無電流狀態起動至超越30%的電動機額定電流時，起動判別元件動作。當三相電流中任一相電流大于速斷保護整定值并達到整定延時后保護動作。由裝置自動判斷電動機的起動過程，當電動機啟動過程結束后，自動調整到起動后速斷定值，可有效地躲過起動瞬間暫態過程，且不影響保護的靈敏度。

2.2 過流（堵轉）保護和報警

為避免起動后高過載或堵轉時造成電動機燒毀，當電流達到過電流（堵轉）保護設定值時，保護器應在動作（延時）設定時間內動作或在報警時間內報警。

2.3 過載保護和報警

為避免電動機因長時間過載發熱而損壞，過載保護動作條件應滿足Iφmax≥115%Ie。其中，Ie為電動機的額定電流定值。當滿足條件后，可通過軟件控制選擇由跳閘接點還是輔助跳閘接點輸出跳閘。

2.4 缺相保護和報警

為避免電流不平衡或斷相時造成電動機燒毀，當任一相斷電或任意一相的電壓低于斷相保護設定值時，保護器應在動作（延時）設定時間內動作或在報警時間內報警。對具有三相不平衡保護功能的保護器，當三相的電流不平衡度達到設定值時，保護器應在動作（延時）設定的時間內動作或在報警時間內報警。

2.5 起動時間過長保護和報警

為避免堵轉或重載起動時造成起動時間過長，起動時間過長保護動作條件設定為Iφmax≥Idz。其中，Idz為起動時間到達時的過流定值，一般可取額定值的1.1倍。

2.6 接地（漏電）保護

為防止電動機因外殼接地（漏電）故障造成的損壞，接地（漏電）保護動作條件設定為：當接地（漏電）電流大于設定值時，保護器應在動作（延時）設定的時間內動作或在報警時間內報警。

2.7 欠載保護

當三相的平均電流與額定電流的百分比達到設定值時，保護器應在動作（延時）設定的時間內動作或在報警時間內報警。

2.8 欠壓保護

當外施電壓下降，甚至緩慢下降至設定的欠壓保護范圍時，保護器應在動作（延時）設定的時間內動作或在報警時間內報警。當電壓恢復至設定的可恢復電壓時，保護器應恢復正常工作狀態。

2.9 過壓保護

當外施電壓大于設定的保護電壓時，保護器應在動作（延時）設定的時間內動作或在報警時間內報警。

3 硬件結構

該電動機保護器以MSP430F149單片機為核心，其主要的工作流程為：分別通過電壓互感器和電流互感器采集電動機的三相電壓和三相電流信號，經電流、電壓變換器及放大部分轉化為合適的電平。MSP430F149單片機內部集成了采樣保持電路和A／D轉換電路，因而可直接將電平送入CPU進行保持和轉換。轉換后的數據經MSP430F149分析處理后做出相應的判斷，并對輸出回路發出動作指令，通過繼電器執行跳閘，同時該裝置上的指示燈報警并指示故障類型。其硬件設計如圖1所示。

圖1 硬件結構原理圖

3.1 電流和電壓信號采集電路

采用高性能的電壓互感器SPT204采集三相之間的相電壓信號，采用穿芯電流互感器SCT265采集通過各相的電流及零序電流，并由放大電路轉換為合適的電平。

3.2 信號整理電路

采集的電壓信號PT1～PT3直接送到MSP430F149單片機的A／D通道進行采樣保持，然后進行模數轉換。三相電流信號CT1～CT3及零序電流信號CT0分別有兩路電流信號進行差動比較。采用Max 4674寬帶4路2：1模擬多路復用器，這樣每次只有1路信號進入MSP430F149單片機的A／D轉換器進行轉換。

3.3 CPU

采用16bit單片機MSP430F149作為CPU，它集成了微處理器、60KB Flash存儲器、1KB的RAM、看門狗定時器和12bit的A／D模塊，結構簡單，功能強大。該系列單片機最為突出的特點是超低功耗。其內部2個不同的時鐘系統產生的時鐘信號可以在指令的控制下打開或關閉，從而選擇所需運行的功能模塊，即采用不同的工作模式。系統中共有1種活動模式和5種低功耗模式。采用矢量中斷，將CPU從電動機故障中喚醒只需6ms.這樣，通過合理的編程，即可降低系統功耗，又可以快速響應外部事件。MSP430F149單片機內置12路12bit A／D轉換模塊，無須外接A／D轉換器。片內有采用邊界掃描技術的JTAG模塊，可通過JTAG接口實現CPU仿真調試功能，便于在線調試和程序下載。

3.4 串行時鐘電路

采用帶報警串行實時時鐘接口的芯片DS1305組成串行時鐘系統。MSP430F149通過訪問DS1305中的RAM實現模塊設置和時間讀取。其串行接口模式（SERMODE）引腳接電源，選擇SPI串行通信。

3.5 指示、報警及執行電路

指示、報警及執行電路包括跳閘輸出、輔助跳閘輸出、報警指示燈和事故復位按鈕。由CPU發出的報警輸出信號（低電平）可以驅動共陽極的報警發光二極管，分別指示各類故障。而輸出的跳閘信號和輔助跳閘信號可以迅速控制電動機的工作狀態，從而實現對電動機的保護。

3.6 電源供電電路

該裝置采用24V直流工作電源，選用LM2575系列開關穩壓集成電路作為電壓轉換器，為各芯片提供穩定的直流3.3V和5V工作電源。

4 軟件設計

首先對系統進行初始化，用自檢程序對RAM執行一個簡單的交互式0／1測試。通過將一個AAH、55H模型寫入整個RAM，將其求反后的RAM值寫入RAM并重新檢查，再清除整個RAM，若發現錯誤則復位。然后，判斷電動機是否上電運行。若是，則進行數據采集處理并自動檢測電動機運行狀態。若發現電動機運行不正常，則立即識別故障類型，進行故障處理，并顯示故障信息，接著執行相應的跳閘環節，其主程序流程圖如圖2所示。

軟件在Embedded Workbench可視化集成開發環境下運行，使用C430編寫，能提供方便且功能豐富的界面。其C430編譯器提供了C語言的標準特性，并且添加了許多為利用MSP430系列特性而設計的擴展功能。

圖2 主程序流程圖

5 保護器特性

（1）保護特性

反時限動作特性：電動機保護器的動作時間與電流的倍數成正反比，即過電流的倍數越大，電動機保護器的動作時間越短，具體的過電流特性如表2所示。

定時限動作特性：電動機保護器過電流的動作時間是固定的，即從工作電流超出設定電流的1.2倍開始，到電動機保護器動作跳閘所需的延時時間為止。

（2）實時顯示和設置

用戶可根據需要進行保護功能和參數的設定。在電動機正常運行狀態，實時數碼顯示三相電流和負載率，能查詢各設定值。在電動機運行發生故障時，可顯示故障類型并發出預警，且能夠輸出保護信號并進行記憶儲存。

表2 過電流反時限特性

6 保護器結構特點

保護器由主體單元和互感器單元兩部分組成。

（1）主體單元：由所有的電子器件和顯示器組成，安裝在門板上或抽屜的面板上，可通過面板上的控制按鈕、LCD顯示屏進行控制、監視或參數設置。

（2）互感器單元：固定在標準35mm卡軌上實現電流檢測功能。

（3）連接：主體單元通過專用電纜RJ512接口和互感器單元連接。

7 保護器設計上的特點

（1）無源化：在外接電源不方便的地方，采用該電動機保護器就能夠滿足用戶的要求。它的輸出采用微功耗固態繼電器，從而輕易地實現了電動機保護器的無源穿芯化。

（2）穿芯式：該電動機保護器為穿芯式結構，采用環形鐵芯，不受大電流及周圍磁場的影響，具有很好的穩定性。其具有大電流回路，穿芯式結構，無需接線，與主回路完全隔離，徹底解決了主電路端子發熱的問題，顯著提高了系統的可靠性及抗干擾性，也提高了對電網電壓的適應性。

（3）完善的保護功能：由于該電動機保護器內部設有最大值和最小值檢測電路，故當電動機出現對稱性故障（如過載、堵轉等）時，電動機保護器就會自動檢測出三相電流的最大值，并同設定值進行比較。當超過設定值時，會按設定的動作特性脫扣跳閘。而當電動機出現不對稱故障（如斷相、電流不平衡等）時，電動機保護器會把檢測出的最大值和最小值進行相互比較，當差值（不平衡度）超過50%時，電動機保護器能在1秒內脫扣動作，不管是直接斷相，還是變壓器高壓側斷相，或是多臺電動機并聯時共用母線斷相，或是電動機繞組內部斷相，均能可靠地實現保護。

（4）優越的保護性能：該電動機保護器具有冷態起動延時時間長、熱態過電流動作迅捷等特點，對于大慣量或大容量電動機的保護更具有其獨特的優勢，可以完全滿足大慣量電動機（如風機、離心機等）起動時間長的要求，可使電動機在整個工作過程中受到可靠保護。另外，由于該電動機保護器的斷相檢測環節和過電流檢測環節互相獨立，這樣即使過電流設定值不當，也不會影響斷相保護功能，不管是輕負荷、重負荷時斷相，還是起動前、起動時、運行中斷相，其均能在1秒內可靠動作。

（5）可靠性：由于在設計時采用了無源化穿芯式結構，故該電動機保護器工作時不發熱，其又與主回路隔離，且輸出接口采用過零關斷型固態開關，不存在機械磨損或電火花燒蝕現象。其整體采用全封閉結構，既防水又防塵，工藝上選用了優質的元器件并通過了嚴格的篩選和老化試驗，這使該電動機保護器的可靠性得到了有效保證。

8 結束語

本文介紹的低壓電動機保護器充分利用了MSP430F149單片機的各種功能，能夠對電動機故障進行實時顯示和保護，具有成本低、性價比高、可靠性強等特點。對初步設計的樣機進行程序調試和實驗測試，其各項保護功能均達到了預期效果，其對出現的各種故障能夠進行及時、準確地識別和處理。