基于89c52单片机的电动机检测保护系统设计

王文华

(山东莱芜职业技术学院，山东 莱芜 271100)

1 开发电动机检测保护系统的意义

电动机在国民经济中起着十分重要的作用，但由于电动机的故障、损坏所造成的直接和间接经济损失巨大，关键的问题是电动机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响电动机的正常使用。因此开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电动机保护装置十分必［1］。

随着计算机技术、智能传感器技术、数字信号处理技术、集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究取得了巨大的进步。随着新技术、新工艺不断地向传统的技术与工艺挑战，用计算机测控系统取代传统的测控仪表，现代的控制算法取代经典的控制算法，用灵敏、节能的新型智能传感器取代老式的变送器，己成为工矿企业及科研院所设计与改造的工业测控系统首先考虑的问题。随着科学技术的发展，电动机监测系统正趋于走向智能化、模块化、虚拟化。智能监测电动机保护仪的使用，不但可以提高工艺控制的准确性、科学性、降低事故率，而且对于提高电气控制系统的自动化水平和发展国民经济，也必将起到积极的推动作用。

2 电动机常见故障特征分析及故障判据

电动机的常见电流故障可分为对称和不对称两大类［2］。对称故障如表1所示，有对称过载、堵转、三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大引起的热效应，因此，可通过过流程度来反映;电动机的不对称故障如表2所示，除严重的短路会造成故障相电流明显增加外，多数不出现明显的电流幅值变化，因此过流保护常常不能及时鉴别，而不对称故障对电动机的损害又不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起的负序效应及其给电动机运行带来的隐患，甚至造成电动机的严重损坏。

表1 电流对称故障分析

表2 电流不对称故障分析

在分析电动机的故障特征基础上，通过对电机保护算法的综合性研究，提出了一种基于电动机负载电流正、负序分量的智能保护算法及具体实现条件，根据正、负序和零序定时限保护判定电机对称故障、非对称性故障，能够准确及时地反映电机的各种故障情况，且易于计算机控制。

根据对称分量法理论，电动机在发生不对称故障时，负载电流可分解为正序、负序和零序分量，其中正序分量可以用来衡量电机的过流程度，作为对称故障(短路、堵转、过载及欠载保护)的判断依据。在电机正常运行情况下发生对称性故障时，负载电流是没有负序和零序分量的，因此根据负载电流负序和零序分量的大小可以作为判别电机各类不对称故障的依据，而且这种判据应具有较高的灵敏度。

3 智能型电机保护仪的设计

电动机智能综合保护仪主要包括硬件电路的设计和软件设计。

硬件电路由89c52系列单片机、存储器的扩展，显示器、键盘设置及输出控制电路、信号传感器以及执行继电器等组成。对于单片机控制的测试系统，其硬件模块包括传感器和信号调理模块、A/D转换模块、数据存储模块、程序存储模块、键盘控制模块、显示模块等。电动机保护装置的硬件框图如图1所示［3］。

图1 电动机保护装置的硬件框图

此电动机智能综合保护仪需要采集的数据有7个、3个电流数据和3个电压数据、1个有功功率数据，需要电流传感器、电压传感器、有功功率传感器实时采集，并且将采集数据送入单片机中进行处理。可以根据所监测的电动机参数自由选择。其工作原理为:各路模拟信号经采样转换为电压信号后传送给单片机监控系统，经放大、滤波、A/D转换等完成各物理量的数字化，并由程序控制对数字量进行采集、存储及预处理。若存在的故障参数超标，继电器得电，接点动作，电机电源被关断，则可以检查故障原因。

根据上述的保护系统功能，设计软件流程图，在软件设计中，需要考虑电动机启动时的电流，电动机的起动电流一般在5～7Ie，在设计软件时，为了不造成电动机启动使得误判断，根据不同的电动机型号，我们可以通过键盘输入电路设定电动机的启动时间，系统在启动时间内如果判断电流在5～7Ie时，电动机的温度不超过我们设定的上限温度，执行机构不会切断电源。电动机过负荷、断相、堵转、频繁启动等故障发生时，均导致电流增大，绕组过热;其他故障发生时，线电流没有变化(或变化很小)，直接导致电动机内部温度升高，损坏电动机。因此，所设计系统的电动机故障判断依据是综合判断电流和电动机温度。

(1)根据异步电动机的电流，如果出现过载、堵转、断相、不平衡故障，然后根据定转子温度做出决定，出现上述故障并且温度超过限定温度时，电源断开，否则继续运行(称之为故障三)。

(2)如果判断出现短路、逆相、相间短路、单相接地、两相接地故障，电源断开(称之为故障一)。

(3)如果不是上述故障，而出现定转子温度超过设定限度，电源断开(称之为故障二)。系统的软件流程图如图2所示。

图2 系统的软件流程图

本电动机智能综合保护仪能够实现的基本控制功能为:

(1)电机三相电流超限、不平衡、缺相、接地电阻、电机和环境温度等参数的测定;

(2)各种故障隐患与产生工作故障的智能判断，并在故障发生之前报警或切断系统电源，防止电动机损坏和提醒用户及时排除故障;

(3)系统配备有故障数据掉电保护存储电路。在系统断电时纪录故障数据，以方便查找电机故障原因;

(4)系统具有8位监视定时器 Watchdog(看门狗)，当系统产生软硬件故障时，看门狗定时器将使系统复位，提高了系统的抗干扰能力。

该保护系统功能完善，各保护参数和CT比可由用户定制，因而可以满足不同容量的电动机的保护。采用了中文显示和菜单式操作，界面友好、操作方便。采用基于实时专家系统的故障诊断，开创了电动机保护的先河，使电动机保护更具智能化。具有数据录波、实时时钟显示软、硬件自检功能。跟随信息时代的发展，将CAN总线引入电动机保护装置，并形成智能电动机保护网络的基本框架。因而可将电动机保护纳入网络化管理和控制。

［1］ 马宏忠.电机状态监测与故障诊断技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］ 刘重轩.论我国电机保护的现状和未来［J］.西北纺织工学院学报，1998，12(1):.

［3］ 孙涵芳.MCS51/96系列单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1999.

［4］ 郝迎吉李良福.基于80C196单片机的智能监测电机保护系统的研制［J］.工业仪表与自动化装置，2006，(4):.

［5］ 冯凯，陈迎松，胡涛.负序保护在低压电动机综合保护中应用［J］.电力系统自动化设备，2007，27(2):.