谷廣超， 陳佳林

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 漯河 462000）

1 工業(yè)生產(chǎn)中電動機故障分析

在工業(yè)生產(chǎn)中，電動機在運行中可能發(fā)生的故障種類繁多，它與設(shè)計制造、使用環(huán)境、工作狀態(tài)以及使用維護等因素都有關(guān)系，因此，故障原因通常也比較復(fù)雜。電動機的故障原因主要分為繞組損壞與軸承損壞兩種。軸承損壞的原因一般為機械負(fù)荷太大、潤滑劑不合適，或者惡劣的工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等造成軸承損壞。繞組損壞的原因有：長期受電、熱、機械或化學(xué)作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪罚浑娫措妷禾?，?dǎo)致電動機不能順利啟動；短時間內(nèi)重復(fù)啟動，電動機因長時間大啟動電流而造成過熱；三相電源電壓不平衡、波動太大或者電動機斷相運行等。

從電氣的角度來分析電動機的故障，引起電動機繞組損壞的常見故障可分為對稱故障和非對稱故障兩大類。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)和對稱過載等，這類故障對電動機的損壞主要是機械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)，導(dǎo)致繞組發(fā)熱甚至燒毀。因此，對稱故障可以由電流過流程度來反映。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地和相間短路等，不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，若不能及時查找故障原因并排除故障，則可能造成嚴(yán)重的后果。

2 電動機保護系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的電動機智能保護系統(tǒng)以PIC16F884 為主控單元，主要對三相異步電機的電壓、電流及溫度進行智能化時實保護。結(jié)合實際使用情況，系統(tǒng)共分為6 個子模塊，如圖1 所示。

圖1 電動機保護系統(tǒng)

2.1 處理器單元

處理器選取PIC16F884 單片機，具有處理速度較快、功耗低和資源豐富等特點，能夠滿足本設(shè)計需求。處理器外圍圖如圖2 所示，AN0—AN7 為數(shù)據(jù)采集端口，分別對電動機的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)進行采集。RC0 負(fù)責(zé)報警電路工作，RC3 負(fù)責(zé)自動路閘電路工作。RD0—RD7 分別為按鍵及顯示。

圖2 處理器外圍電路

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要對電壓、電流和溫度等進行采集。電流采集電路如圖3 所示，設(shè)計R1 采樣電阻，將互感器中的電流信號轉(zhuǎn)換成交流電壓。AR1 保證了采樣精度。R2、RF1、R3 和AR2 組成了加法器。R7、RF2 和AR3 組成了反相器。R9、C1 組成了濾波器。

圖3 電流采集電路

令RF1=R2=R3，R7=RF2，可得V0=V1+Vf。當(dāng)偏置電壓Vf=2.5V，V1取-2.5～+2.5 V 時，輸出電壓V0在0～5 V之間，符合單片機A/D 轉(zhuǎn)換需要。電壓采集與電流采集相似，電壓采集電路如圖4 所示。

圖4 電壓采集電路

2.3 執(zhí)行單元

本系統(tǒng)的執(zhí)行單元指的是報警系統(tǒng)與跳閘系統(tǒng)，電動機輕微故障會觸發(fā)報警功能，電動機嚴(yán)重故障會觸發(fā)跳閘功能，電動機報警電路如圖5 所示。

圖5 電動機報警電路

電動機跳閘電路如圖6 所示，正常狀態(tài)下，電動機RC3 輸出高電平。嚴(yán)重故障發(fā)生時，RC3 輸出低電平。此時，會導(dǎo)通光耦合器，電流流入繼電器并形成回路，自動切斷電動機電源，確保電動機的安全。

圖6 電動機跳閘電路

2.4 通信單元

為了實現(xiàn)后臺上位機與工作現(xiàn)場的電動機實時交換信息，綜合比較各種通信方式的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)選取RS-485 作為電動機保護系統(tǒng)的通信裝置，電路設(shè)計如圖7 所示，工作電壓為5 V，半雙工工作模式，集成了驅(qū)動器與收發(fā)器，能夠很友好地實現(xiàn)與PIC16F884 之間的信息交互。

圖7 通信接口電路

3 電動機保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

電動機智能化保護裝置對電動機安全運行意義重大，良好的軟件系統(tǒng)必不可少。本文設(shè)計的軟件系統(tǒng)由主程序與功能子程序構(gòu)成，主程序?qū)崿F(xiàn)了對各個子單元完成初始化工作，并且按流程對各個子程序進行調(diào)用，科學(xué)管理各個子程序?qū)崿F(xiàn)各自的功能，是一個科學(xué)的模塊化設(shè)計方式。主程序是一個循環(huán)操作架構(gòu)，不斷地去檢測電動機系統(tǒng)的電流、電壓和溫度等信號，對故障進行判斷，決定是否發(fā)出報警信號，并將信息實時顯示出來。圖8 為本系統(tǒng)設(shè)計的主程序流程，上電后，首先會進行系統(tǒng)自檢。自檢通過后，才會進行程序初始化。之后，進行各個子功能模塊調(diào)用，保證了電動機智能化保護功能。

圖8 保護系統(tǒng)的主程序

4 結(jié)語

電動機被廣泛使用于工業(yè)生產(chǎn)中，是生產(chǎn)線上極為重要的生產(chǎn)設(shè)備。電動機是否可以安全可靠地工作，對工業(yè)經(jīng)濟影響重大。因此，如何有效降低電動機故障率成為亟待解決的問題。從信息化角度出發(fā)，提出了一種基于PIC16F884 單片機的電動機智能保護裝置，分別從硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩個方面對電動機智能化保護系統(tǒng)進行設(shè)計。應(yīng)用表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)不僅響應(yīng)速度快、可靠性好，而且智能化程度高、操作方便，對提高工業(yè)生產(chǎn)水平具有推動作用。