三相异步电动机智能保护器的设计

范肖肖 万金华

（江苏海事职业技术学院 轮机电气与智能工程学院，江苏 南京211170）

三相异步电动机作为拖动系统中的重要拖动设备, 广泛应用于风力发电厂、港口、矿山、自动化生产线等领域，在国民经济中占有举足轻重的地位。

在正常运行状态下，电机三相绕组中流过电流，在电机内部产生损耗，大部分损耗转换成热量，引起电机内部温度升高，如果在正常允许的温升范围内，不会影响电机正常运行。但是如果出现长时间过载、断相、三相不平衡、堵转等故障情况，则会引起绕组电流急剧增大，同时电机内部温度迅速升高，严重时造成电动机烧毁，造成安全事故和经济损失。据不完全统计，我国每年烧毁的电动机在20 万台次以上，直接损失达16 亿元[1]，因此设计一款可适配不同电流互感器的三相异步电机智能保护器非常重要。

1 电机保护器设计方案

1.1 电机保护器工作原理

电机保护器的作用是在电动机或线路发生故障时，可靠动作，保护电动机及相关设备，减轻事故造成的损失。目前电动机的常见电气故障主要包括[2]：（1）电源异常引起的电机缺相、三相失衡、过欠电压、过欠电流；（2）由于所带负载过大或过小而造成的过载和欠载等。这些故障都会导致电动机运行电流的异常，因此只要对电动机的运行电流进行实时监控，就能实现对电机的有效保护[3]。

1.2 硬件设计方案

本文设计的智能电机综合保护器主要由电源模块和主控板组成，框图如图1。其中主控板是以美国Microchip 公司的PIC16F877 单片机为核心部件，以电流采样模块、通讯模块、人机对话模块、报警模块等作为外围模块组成。其中，单片机是整个电机保护器的核心，主要实现电机保护程序的运算和控制。电流采样模块对电机运行数据进行采集并发送给单片机，单片机对采样结果进行分析、判断，并输出一个开关量作为继电器输出信号控制电机电源，如检测出电机运行故障，单片机触发报警模块提醒用户故障代码，同时输出继电器动作对电机进行保护。人机对话电路包含设置键盘和显示电路，键盘模块用来对保护器参数进行设置，显示模块用来对外显示电机运行状态参数和故障信号。保护器的通讯模块采用RS485 现场总线、标准Modbus RTU 协议通信，可同云服务器或其他智能设备交换数据。

图1 电机保护器设计结构图

1.3 软件设计方案

软件的作用是基于硬件设计和保护算法，完成对三相异步电动机的保护功能。本系统软件的主要功能有：（1）检测三路电流传感器模拟量输入，通过A/D 转换及换算，将三路电流实测值通过液晶屏实时显示。（2）通过外设按键对内部参数进行设置、修改和输出开关量的复位操作等。（3）具有三相过电流、欠电流、缺相及三相电流不平衡检测等功能，若单片机检测到电流异常，可触发继电器动作，及时切断电机电源，并且通过通讯系统实时将异常信息发送到客户端。

2 电机保护器功能模块设计

2.1 电流采样模块设计

故障检测信号取自三相异步电动机的三相定子电流，电动机的额定电压一般是380V，线电流能达到十几甚至上百安，因此需要对电流信号进行转换后才能送至单片机的A/D 口。经过电流互感器和电阻器分压，将采集到的电信号限定在-5V-+5V，然后经过运算单元ADOP07DQ 信号放大与电位提升将电压信号限定在0-5V。通过信号保持器LF398，使得单片机依次选通三相线电流的A/D 通路，读入线电流采样值。另外，通过配置不同的电流互感器，能够适用于不同功率不同工况的电机保护，适配性较强。

2.2 人机对话模块设计

显示电路采用1602 LCD 液晶屏与4 位LED 数码管，分别对电机状态与故障代码进行实时显示。LED 数码管以动态显示的方式显示故障类型标号，通过2 个74HC573 对数码管进行分时控制，可显示4 位故障代码。

为节约I/O 端口，键盘输入电路采用4×4 矩阵式按键。行线分别由单片机的RB4-RB7 控制，列线由RB0-RB3 控制。用户可以通过S0-S15 按键对终端内部参数进行设置、修改和输出开关量的复位操作等。

2.3 通讯模块设计

利用PIC16F877 单片机的USATR 功能模块，采用MAX485装置实现RS485 通信，完成单片机和PC 机的通信[4]，可以将采集分析后的电流、故障等信息上传到上位机或者云服务器[5]。

3 嵌入式软件设计

软件部分编程语言采用MPLAB XC8 Ver1.34，开发调试平台采用Microchip 的MPLAB X IDE V3.5。软件主要由系统配置文件和用户应用软件两部分构成，其中系统配置文件主要针对单片机的硬件资源和相关寄存器进行配置，由MPLAB X IDE里的插件MCC 自动完成，由MCC 完成的配置模块如图2 所示，主要软件模块构成如图3 所示。

图2 单片机资源配置文件图

图3 主要软件模块图

主程序设计：

软件系统采用主程序加中断处理的方式。本系统主程序流程图如图4 所示，主程序采用循环扫描的方式执行，单片机主频是20MHZ。如主程序在执行过程中出现定时器或通讯中断请求，将自动中断主程序的运行，响应中断程序。按照模块化的思想，软件设计可以划分电流采样及计算处理模块、报警检测及输出模块；LED 显示模块；按键扫描模块；通讯模块和参数设置模块等功能（如图4）。

电机保护器的参数可以通过手动设置，也可以通过参数自学习功能完成参数自动设置。参数自学习功能就是提前侦测电动机的额定运行特性，再根据监测的运行特性参数，测算各保护参数并自动保存。参数自学习过程如下：电机驱动额定负载或工作过程中的最大负载，在一个工作流程内，保护器内部软件会自动对这一过程的电流进行采样。采样完成后对电流曲线和电机铭牌参数进行比较分析，可得到电机电流的过电流、过载、三相不平衡、电机起动时间等设定值。基于电机实际运行工况进行参数自学习，无需终端用户具备相关经验以及专业知识，操作简单，运行可靠。

图4 嵌入式系统的主程序流程图

结束语

本文设计了以单片机为核心的智能电机保护器，通过实时采集电机运行时的电流，利用单片机分析和判断，完成对电机运行状态的监控和报警保护。本装置使用方便，保护功能全面，能够有效降低电机事故的损毁率。后续可以对本设计进一步完善和扩展，比如利用湿度变送器、振动传感器增设温湿度和振动监控功能，或结合云平台的存储和运算能力，实现工业电机集群的远程全面监控。