基于MSP430F149单片机的智能化电动机保护器

闫长财，闫武林

（天水二一三电器有限公司，甘肃天水741024）

在大规模现代化生产中，对电动机既有长时间连续工作的要求，也有间隙、变负荷、变速等各种状态运行要求和进行集中监控的要求。电动机保护器也向着具有测试、自检测、故障识别、受控、自处理等智能化功能和要求的方向发展。单片机及其应用技术的发展为电动机保护的研制提供了新的解决方案。基于MSP430F149单片机的电动机保护器是一种多功能的智能电机保护器，对于电动机的过载、缺相、短路、堵转、过压、接地／漏电、欠载等造成的故障具有判断、保护、报警、控制等功能。

1 电动机故障分析

电动机的损坏主要是绕组过热和绝缘性能降低引起的，而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。根据流经绕组的电流，可以把电动机故障形式分为对称故障和不对称故障两类。

对称故障主要包括过载、堵转和三相短路等。其主要特征为：三相电流仍基本对称，同时出现过电流，故障严重程度基本反映过电流程度，因此常用过电流程度判断此类故障。对于严重的三相短路的保护，应采用速断跳闸；对于堵转故障的保护，应采用短时限跳闸；对于过载应采用反时限跳闸，其反时限特性应与电动机的温升特性相配合。

不平衡故障又可分为非接地性故障和接地性故障两种。非接地性不对称故障主要包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行等。其主要特征是三相电流不对称且出现负序电流分量。可以用负序电流分量作为此类故障的判别标准，保护应采用短时限跳闸或速断。接地性不对称故障主要包括单相接地短路和两相接地短路。其主要特征为三相电流不对称且出现零序电流分量。可以用零序电流分量来判断此类故障，可采用速断或短时限跳闸加以保护。

由上述分析，过电流、负序和零序三个分量的不同分布组合与各故障类型之间具有很好的对应关系（见表1）。因此，以电流为判据，将电动机保护分解为过流、负序和零序保护三大类，由此构成的综合电动机保护可基本覆盖电动机所有常见的故障类型。此外，还可以通过采集的电压信号判别过压和欠压两种故障。

表1 电动机故障特征分布表

2 保护原理

本装置采用电流继电器元件作为电动机起动的判别元件，用带时限的速断保护作为电动机的主保护。对各类故障的保护均给予定时，一旦到达定时且满足动作条件时，定时器随即发出动作指令。

2.1 带时限的速断保护

在电动机保护中，起动过程的判别非常重要。当检测到线路从无电流状态起动至超越30%的电动机额定电流时，起动判别元件动作。当三相电流中任一相电流大于速断保护整定值并达到整定延时后保护动作。由装置自动判断电动机的起动过程，当电动机启动过程结束后，自动调整到起动后速断定值，可有效地躲过起动瞬间暂态过程，且不影响保护的灵敏度。

2.2 过流（堵转）保护和报警

为避免起动后高过载或堵转时造成电动机烧毁，当电流达到过电流（堵转）保护设定值时，保护器应在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警。

2.3 过载保护和报警

为避免电动机因长时间过载发热而损坏，过载保护动作条件应满足Iφmax≥115%Ie。其中，Ie为电动机的额定电流定值。当满足条件后，可通过软件控制选择由跳闸接点还是辅助跳闸接点输出跳闸。

2.4 缺相保护和报警

为避免电流不平衡或断相时造成电动机烧毁，当任一相断电或任意一相的电压低于断相保护设定值时，保护器应在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警。对具有三相不平衡保护功能的保护器，当三相的电流不平衡度达到设定值时，保护器应在动作（延时）设定的时间内动作或在报警时间内报警。

2.5 起动时间过长保护和报警

为避免堵转或重载起动时造成起动时间过长，起动时间过长保护动作条件设定为Iφmax≥Idz。其中，Idz为起动时间到达时的过流定值，一般可取额定值的1.1倍。

2.6 接地（漏电）保护

为防止电动机因外壳接地（漏电）故障造成的损坏，接地（漏电）保护动作条件设定为：当接地（漏电）电流大于设定值时，保护器应在动作（延时）设定的时间内动作或在报警时间内报警。

2.7 欠载保护

当三相的平均电流与额定电流的百分比达到设定值时，保护器应在动作（延时）设定的时间内动作或在报警时间内报警。

2.8 欠压保护

当外施电压下降，甚至缓慢下降至设定的欠压保护范围时，保护器应在动作（延时）设定的时间内动作或在报警时间内报警。当电压恢复至设定的可恢复电压时，保护器应恢复正常工作状态。

2.9 过压保护

当外施电压大于设定的保护电压时，保护器应在动作（延时）设定的时间内动作或在报警时间内报警。

3 硬件结构

该电动机保护器以MSP430F149单片机为核心，其主要的工作流程为：分别通过电压互感器和电流互感器采集电动机的三相电压和三相电流信号，经电流、电压变换器及放大部分转化为合适的电平。MSP430F149单片机内部集成了采样保持电路和A／D转换电路，因而可直接将电平送入CPU进行保持和转换。转换后的数据经MSP430F149分析处理后做出相应的判断，并对输出回路发出动作指令，通过继电器执行跳闸，同时该装置上的指示灯报警并指示故障类型。其硬件设计如图1所示。

图1 硬件结构原理图

3.1 电流和电压信号采集电路

采用高性能的电压互感器SPT204采集三相之间的相电压信号，采用穿芯电流互感器SCT265采集通过各相的电流及零序电流，并由放大电路转换为合适的电平。

3.2 信号整理电路

采集的电压信号PT1～PT3直接送到MSP430F149单片机的A／D通道进行采样保持，然后进行模数转换。三相电流信号CT1～CT3及零序电流信号CT0分别有两路电流信号进行差动比较。采用Max 4674宽带4路2：1模拟多路复用器，这样每次只有1路信号进入MSP430F149单片机的A／D转换器进行转换。

3.3 CPU

采用16bit单片机MSP430F149作为CPU，它集成了微处理器、60KB Flash存储器、1KB的RAM、看门狗定时器和12bit的A／D模块，结构简单，功能强大。该系列单片机最为突出的特点是超低功耗。其内部2个不同的时钟系统产生的时钟信号可以在指令的控制下打开或关闭，从而选择所需运行的功能模块，即采用不同的工作模式。系统中共有1种活动模式和5种低功耗模式。采用矢量中断，将CPU从电动机故障中唤醒只需6ms.这样，通过合理的编程，即可降低系统功耗，又可以快速响应外部事件。MSP430F149单片机内置12路12bit A／D转换模块，无须外接A／D转换器。片内有采用边界扫描技术的JTAG模块，可通过JTAG接口实现CPU仿真调试功能，便于在线调试和程序下载。

3.4 串行时钟电路

采用带报警串行实时时钟接口的芯片DS1305组成串行时钟系统。MSP430F149通过访问DS1305中的RAM实现模块设置和时间读取。其串行接口模式（SERMODE）引脚接电源，选择SPI串行通信。

3.5 指示、报警及执行电路

指示、报警及执行电路包括跳闸输出、辅助跳闸输出、报警指示灯和事故复位按钮。由CPU发出的报警输出信号（低电平）可以驱动共阳极的报警发光二极管，分别指示各类故障。而输出的跳闸信号和辅助跳闸信号可以迅速控制电动机的工作状态，从而实现对电动机的保护。

3.6 电源供电电路

该装置采用24V直流工作电源，选用LM2575系列开关稳压集成电路作为电压转换器，为各芯片提供稳定的直流3.3V和5V工作电源。

4 软件设计

首先对系统进行初始化，用自检程序对RAM执行一个简单的交互式0／1测试。通过将一个AAH、55H模型写入整个RAM，将其求反后的RAM值写入RAM并重新检查，再清除整个RAM，若发现错误则复位。然后，判断电动机是否上电运行。若是，则进行数据采集处理并自动检测电动机运行状态。若发现电动机运行不正常，则立即识别故障类型，进行故障处理，并显示故障信息，接着执行相应的跳闸环节，其主程序流程图如图2所示。

软件在Embedded Workbench可视化集成开发环境下运行，使用C430编写，能提供方便且功能丰富的界面。其C430编译器提供了C语言的标准特性，并且添加了许多为利用MSP430系列特性而设计的扩展功能。

图2 主程序流程图

5 保护器特性

（1）保护特性

反时限动作特性：电动机保护器的动作时间与电流的倍数成正反比，即过电流的倍数越大，电动机保护器的动作时间越短，具体的过电流特性如表2所示。

定时限动作特性：电动机保护器过电流的动作时间是固定的，即从工作电流超出设定电流的1.2倍开始，到电动机保护器动作跳闸所需的延时时间为止。

（2）实时显示和设置

用户可根据需要进行保护功能和参数的设定。在电动机正常运行状态，实时数码显示三相电流和负载率，能查询各设定值。在电动机运行发生故障时，可显示故障类型并发出预警，且能够输出保护信号并进行记忆储存。

表2 过电流反时限特性

6 保护器结构特点

保护器由主体单元和互感器单元两部分组成。

（1）主体单元：由所有的电子器件和显示器组成，安装在门板上或抽屉的面板上，可通过面板上的控制按钮、LCD显示屏进行控制、监视或参数设置。

（2）互感器单元：固定在标准35mm卡轨上实现电流检测功能。

（3）连接：主体单元通过专用电缆RJ512接口和互感器单元连接。

7 保护器设计上的特点

（1）无源化：在外接电源不方便的地方，采用该电动机保护器就能够满足用户的要求。它的输出采用微功耗固态继电器，从而轻易地实现了电动机保护器的无源穿芯化。

（2）穿芯式：该电动机保护器为穿芯式结构，采用环形铁芯，不受大电流及周围磁场的影响，具有很好的稳定性。其具有大电流回路，穿芯式结构，无需接线，与主回路完全隔离，彻底解决了主电路端子发热的问题，显著提高了系统的可靠性及抗干扰性，也提高了对电网电压的适应性。

（3）完善的保护功能：由于该电动机保护器内部设有最大值和最小值检测电路，故当电动机出现对称性故障（如过载、堵转等）时，电动机保护器就会自动检测出三相电流的最大值，并同设定值进行比较。当超过设定值时，会按设定的动作特性脱扣跳闸。而当电动机出现不对称故障（如断相、电流不平衡等）时，电动机保护器会把检测出的最大值和最小值进行相互比较，当差值（不平衡度）超过50%时，电动机保护器能在1秒内脱扣动作，不管是直接断相，还是变压器高压侧断相，或是多台电动机并联时共用母线断相，或是电动机绕组内部断相，均能可靠地实现保护。

（4）优越的保护性能：该电动机保护器具有冷态起动延时时间长、热态过电流动作迅捷等特点，对于大惯量或大容量电动机的保护更具有其独特的优势，可以完全满足大惯量电动机（如风机、离心机等）起动时间长的要求，可使电动机在整个工作过程中受到可靠保护。另外，由于该电动机保护器的断相检测环节和过电流检测环节互相独立，这样即使过电流设定值不当，也不会影响断相保护功能，不管是轻负荷、重负荷时断相，还是起动前、起动时、运行中断相，其均能在1秒内可靠动作。

（5）可靠性：由于在设计时采用了无源化穿芯式结构，故该电动机保护器工作时不发热，其又与主回路隔离，且输出接口采用过零关断型固态开关，不存在机械磨损或电火花烧蚀现象。其整体采用全封闭结构，既防水又防尘，工艺上选用了优质的元器件并通过了严格的筛选和老化试验，这使该电动机保护器的可靠性得到了有效保证。

8 结束语

本文介绍的低压电动机保护器充分利用了MSP430F149单片机的各种功能，能够对电动机故障进行实时显示和保护，具有成本低、性价比高、可靠性强等特点。对初步设计的样机进行程序调试和实验测试，其各项保护功能均达到了预期效果，其对出现的各种故障能够进行及时、准确地识别和处理。