基于P89LPC952单片机的电动机保护装置研究

第37卷第2期电力系统保护与控制V ol.37 No.2 2009年1月16日 Power System Protection and Control Jan. 16, 2009

基于P89LPC952单片机的电动机保护装置研究

戴光武，都洪基，贾 磊，章 柯

（南京理工大学,江苏 南京 210094）

摘要：讲述了电动机的常见故障及其保护原理，基于单片机的电动机保护系统主要由采样、控制输出、通讯、显示和软件部分构成。采用软硬件相结合的方法设计了一电动机保护装置，并通过软件仿真验证了其正确性和可靠性，比较得出智能式电动机保护装置具有明显的技术优势，大大提高了电动机保护的安全运行性。

关键词: 单片机；电动机故障；保护装置；硬件电路；软件；故障仿真

Motor protection equipment research based on P89LPC952 microcontroller

DAI Guang-wu，DU Hong-ji，JIA Lei，ZHANG Ke

(Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094，China)

Abstract: Describing the normal faults and protection principles of electric motor ,the motor protection system based on microcontroller is mainly formed by sampling ,controlled outputs ,communication ,display and software. Design a motor protection equipment by combining software and hardware and verify its validity and reliability by simulation. Intelligent motor protection equipment has obvious advantages in technology, which greatly heightens the security of motor’s run.

Key words: microcontroller; motor faults; protection equipment; circuit of hardware; software; faults simulation

中图分类号： TM774 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2009)02-0073-03

0 引言

电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足重轻的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，但在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，因此设计性能优越的保护装置，做好电动机故障的监控和保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。

1 电动机的常见故障及其保护原理

1.1 短路故障

因绕组过流引起温升超高时，造成绝缘损坏，会导致短路故障。此类故障一般发生在电动机内部，故障时电流急剧增大。

短路保护：传统的保护装置为熔断器或具有延时脱扣器的断路器；对个别容量大的电动机可采用过电流继电器。采用电流速断保护方法，由保护装置发出短路信号和报警。

1.2 电动机过载

容易过负荷的电动机，由于起动或自起动条件苛刻，可能引起起动失败或需要限制起动时间；重载起动的电动机，容易发生过载现象。电动机过载时，电流超过额定值，但电动机本身允许在一定时间内的过载运行。

过载保护：传统方式是采用热继电器，对于转动惯量大、起动困难的电动机可采用反时限或定时限过电流继电器。过载保护采常用计算机分析当前电动机的温升，然后和设定值相比较，达到合理准确地保护，并考虑环境温度的影响，最大限度地发挥电动机的过载能力。

1.3 缺相故障

触头烧伤、松脱、电动机一相绕组短路、接线盒内一相接头松脱等都会引起缺相故障。当发生缺相运行时，由于定子三相电压极度不平衡，中性点对地的零序电压升高。

缺相和三相不平衡保护：缺相保护一般采用零序电压继电器，也有采用带断相保护装置的热继电器作缺相保护。

1.4 漏电故障

当电动机绕组绝缘损坏时，容易发生电动机外壳带电，造成漏电故障。

漏电保护：一般采用电动机外壳接地，或者在回路中接入漏电开关的方式。

- 74 - 电力系统保护与控制

1.5 过压和欠压

不论是过压还是欠压都会对电动机运行的稳定性产生影响。传统的欠电压保护装置一般采用断路器中的欠电压脱扣器、起动器、接触器的吸引线圈、自耦减压起动器中的欠压脱扣器。

过压和欠压保护：为防止电压过分增大和减小，影响电动机稳定运行，设定两组电压范围：80%U～110%U和75%U～115%U。当超过范围时保护装置即刻动作。

2 电动机保护装置硬件电路的设计

2.1电路的总体框架

用P89LPC952单片机系统实现电动机保护的功能，保护电路框架见图1，由以下几部分构成：a)单片机系统；b)传感器电路，用于数据的采集及转换；c)RS485串口通信电路，将采集的信号传递给单片机；d)电源电路；e)指示电路；f)报警电路；

g)电动机控制电路。

图1 电路总体框架

Fig.1 Main frame of circuit

2.2 单片机系统

单片机系统主要由P89LPC952型CPU、输入输出接口以及显示模块组成。利用P89LPC952内部的A/D转换功能，可以采集多路电流、电压、温度信号。输入接口主要接收经过电流、电压转换之后的信号，通过A/D电路转换后送给单片机。单片机通过与设定值进行比较，判断电动机是否出现缺相、过流、过载、短路、堵转等故障。一旦出现故障信号，单片机将根据故障类型延时，然后给出信号，通过输出口送至继电器，断开继电器常闭触点，将电动机的控制线路断电，使电动机停止工作，从而达到保护电动机的目的。

2.3 传感器电路

2.3.1电流检测电路

为了及时获得电动机的运行情况，设计了一个电流采集电路。该电路利用电流耦合器将电动机电源线上的电流信号转换成交流电压信号，通过全桥整流成直流脉动电压信号，再通过积分放大电路变换成相对平稳的电压信号，其值就可以反映电动机工作电流的大小。

2.3.2 电压检测电路

电压检测与电流检测的原理大致相同，利用变压器采集电压。电压经过变压器，全控桥后再经过积分放大电路变成平稳的信号输出。

2.3.3 温度检测电路

温度检测电路利用热敏电阻采集，然后与串联电阻分压后经放大器放大。加上稳压二极管起保护作用，在电压超过一定数量时即会保护电路。 2.4 通信电路

通信电路实现信号的传递，将传感器电路采集的电压、电流、温度信号通过RS485串口通信传递给单片机。

2.5 电源电路

用稳压器LM7805组成电源电路，输出特定的电压供单片机、运算放大器，光耦合器等使用。 2.6 指示电路

使用绿色LED显示管指示单片机电压正常的工作情况，使用红色闪烁的LED显示管显示电动机的各种故障，便于观察。

2.7 报警电路

当电动机发生故障时要及时发出报警信号，使用了一个复合NPN三极管（达林顿管）作为开关,控制一个声光告警模块，使用复合NPN三极管可以增强驱动能力。

2.8 电动机的控制电路

利用光耦合器控制电动机三相电路的各相开关，光耦合器起到隔离保护的作用。当接收到报警信号时，耦合器产生的电压经过复合NPN管传递到继电器，从而控制各相的开关。

3 软件的主要模块及流程图

3.1软件的组成

3.1.1输入输出模块

通过串口接收启动、停止、参数设置等指令，打印运行结果。

3.1.2 电动机检测模块

通过P89LPC952的A/D，转换电动机的电流、电压、温度等参数，计算处理，从而进行电动机的故障判断和处理。为了准确地检测电动机的参数，A/D转换以10次求平均值来滤除误差和突发干扰。A/D转换采用定时器触发，5 ms启动一次。

3.1.3 RTC模块

提供时间信息，用于超时处理。

3.2 主程序的流程

主程序流程图见图2所示。