范肖肖 萬(wàn)金華

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院，江蘇 南京211170）

三相異步電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)系統(tǒng)中的重要拖動(dòng)設(shè)備, 廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電廠、港口、礦山、自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)三相繞組中流過(guò)電流，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗，大部分損耗轉(zhuǎn)換成熱量，引起電機(jī)內(nèi)部溫度升高，如果在正常允許的溫升范圍內(nèi)，不會(huì)影響電機(jī)正常運(yùn)行。但是如果出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等故障情況，則會(huì)引起繞組電流急劇增大，同時(shí)電機(jī)內(nèi)部溫度迅速升高，嚴(yán)重時(shí)造成電動(dòng)機(jī)燒毀，造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年燒毀的電動(dòng)機(jī)在20 萬(wàn)臺(tái)次以上，直接損失達(dá)16 億元[1]，因此設(shè)計(jì)一款可適配不同電流互感器的三相異步電機(jī)智能保護(hù)器非常重要。

1 電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)方案

1.1 電機(jī)保護(hù)器工作原理

電機(jī)保護(hù)器的作用是在電動(dòng)機(jī)或線路發(fā)生故障時(shí)，可靠動(dòng)作，保護(hù)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備，減輕事故造成的損失。目前電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)電氣故障主要包括[2]：（1）電源異常引起的電機(jī)缺相、三相失衡、過(guò)欠電壓、過(guò)欠電流；（2）由于所帶負(fù)載過(guò)大或過(guò)小而造成的過(guò)載和欠載等。這些故障都會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流的異常，因此只要對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效保護(hù)[3]。

1.2 硬件設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的智能電機(jī)綜合保護(hù)器主要由電源模塊和主控板組成，框圖如圖1。其中主控板是以美國(guó)Microchip 公司的PIC16F877 單片機(jī)為核心部件，以電流采樣模塊、通訊模塊、人機(jī)對(duì)話模塊、報(bào)警模塊等作為外圍模塊組成。其中，單片機(jī)是整個(gè)電機(jī)保護(hù)器的核心，主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)程序的運(yùn)算和控制。電流采樣模塊對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量作為繼電器輸出信號(hào)控制電機(jī)電源，如檢測(cè)出電機(jī)運(yùn)行故障，單片機(jī)觸發(fā)報(bào)警模塊提醒用戶故障代碼，同時(shí)輸出繼電器動(dòng)作對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。人機(jī)對(duì)話電路包含設(shè)置鍵盤和顯示電路，鍵盤模塊用來(lái)對(duì)保護(hù)器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，顯示模塊用來(lái)對(duì)外顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和故障信號(hào)。保護(hù)器的通訊模塊采用RS485 現(xiàn)場(chǎng)總線、標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 協(xié)議通信，可同云服務(wù)器或其他智能設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

圖1 電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件的作用是基于硬件設(shè)計(jì)和保護(hù)算法，完成對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能。本系統(tǒng)軟件的主要功能有：（1）檢測(cè)三路電流傳感器模擬量輸入，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換及換算，將三路電流實(shí)測(cè)值通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示。（2）通過(guò)外設(shè)按鍵對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改和輸出開(kāi)關(guān)量的復(fù)位操作等。（3）具有三相過(guò)電流、欠電流、缺相及三相電流不平衡檢測(cè)等功能，若單片機(jī)檢測(cè)到電流異常，可觸發(fā)繼電器動(dòng)作，及時(shí)切斷電機(jī)電源，并且通過(guò)通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)將異常信息發(fā)送到客戶端。

2 電機(jī)保護(hù)器功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 電流采樣模塊設(shè)計(jì)

故障檢測(cè)信號(hào)取自三相異步電動(dòng)機(jī)的三相定子電流，電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般是380V，線電流能達(dá)到十幾甚至上百安，因此需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能送至單片機(jī)的A/D 口。經(jīng)過(guò)電流互感器和電阻器分壓，將采集到的電信號(hào)限定在-5V-+5V，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算單元ADOP07DQ 信號(hào)放大與電位提升將電壓信號(hào)限定在0-5V。通過(guò)信號(hào)保持器LF398，使得單片機(jī)依次選通三相線電流的A/D 通路，讀入線電流采樣值。另外，通過(guò)配置不同的電流互感器，能夠適用于不同功率不同工況的電機(jī)保護(hù)，適配性較強(qiáng)。

2.2 人機(jī)對(duì)話模塊設(shè)計(jì)

顯示電路采用1602 LCD 液晶屏與4 位LED 數(shù)碼管，分別對(duì)電機(jī)狀態(tài)與故障代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。LED 數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)顯示的方式顯示故障類型標(biāo)號(hào)，通過(guò)2 個(gè)74HC573 對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行分時(shí)控制，可顯示4 位故障代碼。

為節(jié)約I/O 端口，鍵盤輸入電路采用4×4 矩陣式按鍵。行線分別由單片機(jī)的RB4-RB7 控制，列線由RB0-RB3 控制。用戶可以通過(guò)S0-S15 按鍵對(duì)終端內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改和輸出開(kāi)關(guān)量的復(fù)位操作等。

2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

利用PIC16F877 單片機(jī)的USATR 功能模塊，采用MAX485裝置實(shí)現(xiàn)RS485 通信，完成單片機(jī)和PC 機(jī)的通信[4]，可以將采集分析后的電流、故障等信息上傳到上位機(jī)或者云服務(wù)器[5]。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件部分編程語(yǔ)言采用MPLAB XC8 Ver1.34，開(kāi)發(fā)調(diào)試平臺(tái)采用Microchip 的MPLAB X IDE V3.5。軟件主要由系統(tǒng)配置文件和用戶應(yīng)用軟件兩部分構(gòu)成，其中系統(tǒng)配置文件主要針對(duì)單片機(jī)的硬件資源和相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，由MPLAB X IDE里的插件MCC 自動(dòng)完成，由MCC 完成的配置模塊如圖2 所示，主要軟件模塊構(gòu)成如圖3 所示。

圖2 單片機(jī)資源配置文件圖

圖3 主要軟件模塊圖

主程序設(shè)計(jì)：

軟件系統(tǒng)采用主程序加中斷處理的方式。本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示，主程序采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行，單片機(jī)主頻是20MHZ。如主程序在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)定時(shí)器或通訊中斷請(qǐng)求，將自動(dòng)中斷主程序的運(yùn)行，響應(yīng)中斷程序。按照模塊化的思想，軟件設(shè)計(jì)可以劃分電流采樣及計(jì)算處理模塊、報(bào)警檢測(cè)及輸出模塊；LED 顯示模塊；按鍵掃描模塊；通訊模塊和參數(shù)設(shè)置模塊等功能（如圖4）。

電機(jī)保護(hù)器的參數(shù)可以通過(guò)手動(dòng)設(shè)置，也可以通過(guò)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能完成參數(shù)自動(dòng)設(shè)置。參數(shù)自學(xué)習(xí)功能就是提前偵測(cè)電動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行特性，再根據(jù)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行特性參數(shù)，測(cè)算各保護(hù)參數(shù)并自動(dòng)保存。參數(shù)自學(xué)習(xí)過(guò)程如下：電機(jī)驅(qū)動(dòng)額定負(fù)載或工作過(guò)程中的最大負(fù)載，在一個(gè)工作流程內(nèi)，保護(hù)器內(nèi)部軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)這一過(guò)程的電流進(jìn)行采樣。采樣完成后對(duì)電流曲線和電機(jī)銘牌參數(shù)進(jìn)行比較分析，可得到電機(jī)電流的過(guò)電流、過(guò)載、三相不平衡、電機(jī)起動(dòng)時(shí)間等設(shè)定值?；陔姍C(jī)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)，無(wú)需終端用戶具備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)知識(shí)，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

圖4 嵌入式系統(tǒng)的主程序流程圖

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的智能電機(jī)保護(hù)器，通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流，利用單片機(jī)分析和判斷，完成對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和報(bào)警保護(hù)。本裝置使用方便，保護(hù)功能全面，能夠有效降低電機(jī)事故的損毀率。后續(xù)可以對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，比如利用濕度變送器、振動(dòng)傳感器增設(shè)溫濕度和振動(dòng)監(jiān)控功能，或結(jié)合云平臺(tái)的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)電機(jī)集群的遠(yuǎn)程全面監(jiān)控。