三相異步電動機智能保護器的設計

范肖肖 萬金華

（江蘇海事職業技術學院 輪機電氣與智能工程學院，江蘇 南京211170）

三相異步電動機作為拖動系統中的重要拖動設備, 廣泛應用于風力發電廠、港口、礦山、自動化生產線等領域，在國民經濟中占有舉足輕重的地位。

在正常運行狀態下，電機三相繞組中流過電流，在電機內部產生損耗，大部分損耗轉換成熱量，引起電機內部溫度升高，如果在正常允許的溫升范圍內，不會影響電機正常運行。但是如果出現長時間過載、斷相、三相不平衡、堵轉等故障情況，則會引起繞組電流急劇增大，同時電機內部溫度迅速升高，嚴重時造成電動機燒毀，造成安全事故和經濟損失。據不完全統計，我國每年燒毀的電動機在20 萬臺次以上，直接損失達16 億元[1]，因此設計一款可適配不同電流互感器的三相異步電機智能保護器非常重要。

1 電機保護器設計方案

1.1 電機保護器工作原理

電機保護器的作用是在電動機或線路發生故障時，可靠動作，保護電動機及相關設備，減輕事故造成的損失。目前電動機的常見電氣故障主要包括[2]：（1）電源異常引起的電機缺相、三相失衡、過欠電壓、過欠電流；（2）由于所帶負載過大或過小而造成的過載和欠載等。這些故障都會導致電動機運行電流的異常，因此只要對電動機的運行電流進行實時監控，就能實現對電機的有效保護[3]。

1.2 硬件設計方案

本文設計的智能電機綜合保護器主要由電源模塊和主控板組成，框圖如圖1。其中主控板是以美國Microchip 公司的PIC16F877 單片機為核心部件，以電流采樣模塊、通訊模塊、人機對話模塊、報警模塊等作為外圍模塊組成。其中，單片機是整個電機保護器的核心，主要實現電機保護程序的運算和控制。電流采樣模塊對電機運行數據進行采集并發送給單片機，單片機對采樣結果進行分析、判斷，并輸出一個開關量作為繼電器輸出信號控制電機電源，如檢測出電機運行故障，單片機觸發報警模塊提醒用戶故障代碼，同時輸出繼電器動作對電機進行保護。人機對話電路包含設置鍵盤和顯示電路，鍵盤模塊用來對保護器參數進行設置，顯示模塊用來對外顯示電機運行狀態參數和故障信號。保護器的通訊模塊采用RS485 現場總線、標準Modbus RTU 協議通信，可同云服務器或其他智能設備交換數據。

圖1 電機保護器設計結構圖

1.3 軟件設計方案

軟件的作用是基于硬件設計和保護算法，完成對三相異步電動機的保護功能。本系統軟件的主要功能有：（1）檢測三路電流傳感器模擬量輸入，通過A/D 轉換及換算，將三路電流實測值通過液晶屏實時顯示。（2）通過外設按鍵對內部參數進行設置、修改和輸出開關量的復位操作等。（3）具有三相過電流、欠電流、缺相及三相電流不平衡檢測等功能，若單片機檢測到電流異常，可觸發繼電器動作，及時切斷電機電源，并且通過通訊系統實時將異常信息發送到客戶端。

2 電機保護器功能模塊設計

2.1 電流采樣模塊設計

故障檢測信號取自三相異步電動機的三相定子電流，電動機的額定電壓一般是380V，線電流能達到十幾甚至上百安，因此需要對電流信號進行轉換后才能送至單片機的A/D 口。經過電流互感器和電阻器分壓，將采集到的電信號限定在-5V-+5V，然后經過運算單元ADOP07DQ 信號放大與電位提升將電壓信號限定在0-5V。通過信號保持器LF398，使得單片機依次選通三相線電流的A/D 通路，讀入線電流采樣值。另外，通過配置不同的電流互感器，能夠適用于不同功率不同工況的電機保護，適配性較強。

2.2 人機對話模塊設計

顯示電路采用1602 LCD 液晶屏與4 位LED 數碼管，分別對電機狀態與故障代碼進行實時顯示。LED 數碼管以動態顯示的方式顯示故障類型標號，通過2 個74HC573 對數碼管進行分時控制，可顯示4 位故障代碼。

為節約I/O 端口，鍵盤輸入電路采用4×4 矩陣式按鍵。行線分別由單片機的RB4-RB7 控制，列線由RB0-RB3 控制。用戶可以通過S0-S15 按鍵對終端內部參數進行設置、修改和輸出開關量的復位操作等。

2.3 通訊模塊設計

利用PIC16F877 單片機的USATR 功能模塊，采用MAX485裝置實現RS485 通信，完成單片機和PC 機的通信[4]，可以將采集分析后的電流、故障等信息上傳到上位機或者云服務器[5]。

3 嵌入式軟件設計

軟件部分編程語言采用MPLAB XC8 Ver1.34，開發調試平臺采用Microchip 的MPLAB X IDE V3.5。軟件主要由系統配置文件和用戶應用軟件兩部分構成，其中系統配置文件主要針對單片機的硬件資源和相關寄存器進行配置，由MPLAB X IDE里的插件MCC 自動完成，由MCC 完成的配置模塊如圖2 所示，主要軟件模塊構成如圖3 所示。

圖2 單片機資源配置文件圖

圖3 主要軟件模塊圖

主程序設計：

軟件系統采用主程序加中斷處理的方式。本系統主程序流程圖如圖4 所示，主程序采用循環掃描的方式執行，單片機主頻是20MHZ。如主程序在執行過程中出現定時器或通訊中斷請求，將自動中斷主程序的運行，響應中斷程序。按照模塊化的思想，軟件設計可以劃分電流采樣及計算處理模塊、報警檢測及輸出模塊；LED 顯示模塊；按鍵掃描模塊；通訊模塊和參數設置模塊等功能（如圖4）。

電機保護器的參數可以通過手動設置，也可以通過參數自學習功能完成參數自動設置。參數自學習功能就是提前偵測電動機的額定運行特性，再根據監測的運行特性參數，測算各保護參數并自動保存。參數自學習過程如下：電機驅動額定負載或工作過程中的最大負載，在一個工作流程內，保護器內部軟件會自動對這一過程的電流進行采樣。采樣完成后對電流曲線和電機銘牌參數進行比較分析，可得到電機電流的過電流、過載、三相不平衡、電機起動時間等設定值。基于電機實際運行工況進行參數自學習，無需終端用戶具備相關經驗以及專業知識，操作簡單，運行可靠。

圖4 嵌入式系統的主程序流程圖

結束語

本文設計了以單片機為核心的智能電機保護器，通過實時采集電機運行時的電流，利用單片機分析和判斷，完成對電機運行狀態的監控和報警保護。本裝置使用方便，保護功能全面，能夠有效降低電機事故的損毀率。后續可以對本設計進一步完善和擴展，比如利用濕度變送器、振動傳感器增設溫濕度和振動監控功能，或結合云平臺的存儲和運算能力，實現工業電機集群的遠程全面監控。