三相电机保护器(精)

三相电动机智能保护器的研究

李晓

长沙理工大学

摘要：本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。本装置通过测量电机运行时的零序和负序分量，应用对称分量法，能够对电动机进行短路保护、断相保护、三相不平衡保护、接地保护、堵转保护、欠电压保护、过载保护、过电压保护。

关键词：电动机保护;AT89C51;对称分量法

0 引言

三相电动机由于其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点，因此被广泛应用实际使用过程中，除了恶劣的运行环境还有超技术条件运行，也是导致各类电机故障产生的主要原因。三相电机由于电网、负载及电机本身的原因，也会经常发生电机损坏现象。电机故障或损坏带来相当巨大的直接和间接损失。本文主要介绍设计与使用能及时、准确地检测出故障的发生，并能通过对故障特征的分析来确定故障原因并进行保护的装置，对维持电机的正常运转，确保生产安全显得至关重要。

1 电机保护器原理

图1电机保护器原理结构框图

本论文的重点是及时的发现三相电机出现的故障，并做出反映，在设计的时间内，如果没有及时的排除故障，则三相电机断电停车。通过对三相电流、电压监测，对电机的工作状态做出准确及时的判断，实现对电机的智能化管理。为电机提供完善的保护，避免因热过载、堵转、断相、相不平衡、欠载、漏电短路等故障引起的重大事故，最大限度的保证电机设备运行的有效性和安全性。如图1所示，为电机保护器原理结构框图。

1.1 数据采集模块

通过互感器对三相电压、电流数据进行采集，把采集到的数据，首先送入模拟多路开关中，在分别把数据送出。经过A/D转换单元，转换为单片机可读的信号，最后送入到单片机中。

(1) 三相电压采集

因为采集到的模拟信号无法直接输送到单片机中,首先经过A/D转换器把采集到的模拟信号转换为数字信号，再把经过A/D转换后的数字信号输送到单片机中，这个过程中是需要一定的时间，为了保持采集到的信号保持不变，所以需要由LM324的一组运算放大器构成一个采样保持电路，来确保在A/D转换的过程中信号保持不变。图2为采样保持电路。

图3 采样保持电路

现在大多数所用到的电压互感器采集到的信号可能会很小，AT89C51单片机无法读取。这就需要把采集到的信号进行放大，由LM324两组运算放大器构成一个串联25倍放大电路，把信号放大后送到单片机中。图3为信号放大电路。

图4 放大电路

(2) 电流采集模块

如图4所示，为OP07与两个二极管组成的电流与电压转换的电路，把采集到的三相电流信号转换为电压信号。

图5电压转换电路

1.3 单片机的选择

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。它具有传统微控制单元的功能，同时也集成了许多外围模块。内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，有两个16位的可编程定时/计数器，实现定时或计数中断，内置一个全双工串行通信口，内置最高频率达12MHz的时钟电路[8]。

1.4 LCD显示电路

显示电路的作用是把采集到的电压数据和电流数据及时的显示出来，方便工作人员对电机的数据进行了解。

1.5 键盘电路

本设计采用矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交上。与独立式按键键盘相比，矩阵式键盘节省了很多输入/输出口。根据设计需要，要设置4个按键，分别为

“确认”键、“返回” 键、“上翻” 键、“下翻” 键。

2 系统软件设计

本设计的总体程序设计采用模块化结构，由系统主程序和各功能应用子程序组成，相对独立的功能程序段均作为子程序来调用。目前通常的保护程序流程的设计是采用集中控制处理的模式，即故障启动后，通过改变中断和指针，强行执行故障处理程序的模式。

2.1 总流程图

上电复位后，从程序入口执行，首先是封闭出口，防止保护误操作，然后执行初始化程序。保护器初始化包括：AT89C51单片机芯片I/O控制寄存器的设置、多功能引脚定义、串口通信设置、堆栈地址设置、工作方式设置等，还有液晶屏、键盘、通信等的初始化，以及保护装置自身的一些系统变量的初始化[15]。

首先要初始化程序主要执行单片机和外设的初始化，其流程如图4-2所示：（1）上电复位后，先执行数据采集和单片机的初始化；

（2）初始化液晶显示器，显示系统当前基本信息；

（3）对采样定时器进行初始化，设定采样频率为，即使电流电压为每周采样；（4）比较数据初始化，即开始采样。

结论

本文论述了一种三相电动机智能保护与监控系统的研制。保护器以AT89C51高速单片机为核心，通过交流采样测量电动机的三相电压和电流，并计算出负序、正序、零序电流来实现对电机的综合保护的判断。就目前而言，各种电机保护装置中，普遍存在要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的地方安装控制装置，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，导致放弃使用这类保护器。所以未来要加深对于保护器的研究，改变不足，减少成本与体积的同时，增强智能化程度，以满足人们的需求。

参考文献

[1]. THE 16TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NOISE CONTROL ENGINEERING[J]. Chinese Journal of Acoustics,1987,03:187-293.

[2]. 高强，徐殿国．异步电动机微机保护装置的设计和实现．传动与控制，2004，(1)：58-60．

[3]. 陈西发．智能型电动机保护装置的研发fl；JJED]：[硕士学位论文]．西安：西安工大学，2007