基于單片機的低壓馬達保護裝置

因結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便、價(jià)格低廉，機械特性較好等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟各行業(yè)例如鋼鐵、冶金、石油、化工、煤炭等工業(yè)領(lǐng)域的380 V低壓系統中，低壓馬達獲得了廣泛應用。低壓馬達經(jīng)常運行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉以及變負荷等切換多種工作方式，環(huán)境極為惡劣的條件下，現在的馬達很容易損壞，尤其是過(guò)載、短路、斷相、不平衡等故障出現的頻率很高。但由于原有的保護技術(shù)落后，其故障燒損情況十分嚴重，給國民經(jīng)濟帶來(lái)的損失巨大。無(wú)論是從安全還是經(jīng)濟的角度來(lái)看，低壓馬達保護對于生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)安全的保證等都具有重要意義。因此，研究安全可靠、性能先進(jìn)的低壓馬達保護方法與裝置，使其既能對馬達可能出現的各種故障實(shí)施可靠的保護，又能充分發(fā)揮馬達的過(guò)負荷能力，是在生產(chǎn)過(guò)程中減小經(jīng)濟損失，提高經(jīng)濟效益必須解決的問(wèn)題。

1 馬達常見(jiàn)故障分析和判定依據

馬達的損壞一般是馬達受潮或使用日久，絕緣電阻下降，導致流經(jīng)繞組的電流過(guò)大，引起繞組過(guò)熱而燒壞馬達。從機械角度來(lái)看，馬達故障是軸承損壞和繞組損壞兩方面的，造成這兩種損壞的原因有很多。從電氣角度來(lái)看，馬達故障可以分為對稱(chēng)故障和非對稱(chēng)故障兩大類(lèi)，這是根據流經(jīng)繞組的電流來(lái)分析的。保證馬達保護性能好壞的關(guān)鍵是對馬達保護原理的分析，通過(guò)研究和對比發(fā)現對稱(chēng)分量法來(lái)判斷故障是否發(fā)生及嚴重程度，能夠對馬達的三相電流進(jìn)行詳盡的描述分析，準確及時(shí)地反映馬達的各種故障狀況，從而可以為故障診斷和保護提供準確的信息，具有一定的可靠性，且利于計算機控制。

對稱(chēng)故障包括過(guò)載、堵轉和三相短路等。馬達轉子處于堵轉狀態(tài)，流經(jīng)繞組電流很大，發(fā)熱很?chē)乐?。其主要特征為三相電流基本對稱(chēng)，但會(huì )出現過(guò)電流，電流的過(guò)流程度基本上可以反映其故障的嚴重程度，主要是產(chǎn)生一定的機械應力和電流增大引起的熱效應使繞組發(fā)熱甚至燒毀導致馬達的損壞，所以可以用過(guò)流的程度來(lái)判定此類(lèi)故障。傳統保護方式中，過(guò)載保護是采用熱繼電器，根據馬達的溫升特性模型，有利于分析馬達定子的發(fā)熱特點(diǎn)，充分利用馬達的過(guò)載能力，來(lái)實(shí)現優(yōu)良的反時(shí)限過(guò)載跳閘保護;對于堵轉保護，一旦堵轉電流過(guò)大，保護裝置應及時(shí)動(dòng)作，采用短時(shí)限過(guò)流保護跳閘，另外還需躲過(guò)馬達的啟動(dòng)電流，防止誤動(dòng)作;而對于三相短路保護，可使用傳統的保護裝置如熔斷器，斷路器或是過(guò)電流繼電器等來(lái)實(shí)現常規保護，一旦超過(guò)整定值時(shí)，應采用速斷跳閘來(lái)發(fā)出保護信號和報警。

不對稱(chēng)故障包括接地性和非接地性?xún)煞N。根據對稱(chēng)分量法理論，馬達發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)負載電流會(huì )出現零序和負序分量，因此這兩種分量的大小可以作為判定不對稱(chēng)故障的依據，而且具有一定的靈敏度。不對稱(chēng)故障對馬達的損害不僅僅是電流增加引起的逐漸發(fā)熱，更重要的是負序效應帶來(lái)的隱患，若不及時(shí)排查故障則可能造成嚴重后果，所以必須引起高度重視。接地性不對稱(chēng)故障包括單相接地短路和兩相接地短路，其主要特征是產(chǎn)生零序電流分量，因此可以檢測零序電流分量來(lái)判定接地性故障，因此采用零序定時(shí)限來(lái)加以接地保護。非接地性不對稱(chēng)故障主要包括斷相、三相不平衡、相間短路等，其基本特征是三相電流不對稱(chēng)，會(huì )出現負序電流分量，所以此類(lèi)故障可以通過(guò)檢測其負序電流分量來(lái)判定。馬達的燒壞以三相不平衡故障率為最高，一般采用負序定時(shí)限來(lái)加以保護。斷相保護也可用熱繼電器，采用短時(shí)限跳閘或速斷保護。而相間短路是故障相會(huì )出現大電流，危害非常大，所以應采用速斷來(lái)加以保護。

馬達所常見(jiàn)故障與過(guò)電流，零序和負序分量的分布情況及保護特性如表1所示，Ie為故障前電流幅值;假設單相接地故障時(shí)C相故障，兩相接地故障時(shí)A，B相故障。

2 采樣算法

交流采樣有很多種算法，常用的算法有兩點(diǎn)采樣法、交直流變換法、均方根法和傅里葉算法等，每種算法的速度和精度等優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同。選擇研究一種快速而又精確的保護算法，實(shí)現故障量的測量、分析和判斷，才能使馬達保護裝置迅速采取保護措施。由于傅里葉算法具有運算精度高、穩定性及濾波效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此該保護裝置采用傅里葉算法，實(shí)行數字化處理。

傅里葉算法令采樣的電流等信號都可以用一個(gè)周期函數表示，即f(t)=f(t+kT)，其中T為周期函數的周期，k=0，1，2，…對離散的采樣值進(jìn)行計算，設N為采樣數，經(jīng)采樣離散化后可計算出諧波相電流I的實(shí)部，虛部Ii=，因此N越大采樣精度越高。傅里葉算法本身具有濾波作用，能夠濾除直流分量和高次諧波(n=2,3,4 …)。傅里葉算法需要在1個(gè)周期內采樣N個(gè)數據，同步采樣就是在一個(gè)完整周期內等間隔均勻采樣，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。在CPU做實(shí)時(shí)運算時(shí)，每采樣一次就要計算一次，并且對前N個(gè)采樣值進(jìn)行運算。在運算時(shí)對N個(gè)采樣值都分別乘以不同系數，求和可得電流幅值方根，相位角θ=，即可計算出任意諧波的振幅和相位。其中n=0時(shí)為直流分量，n=1時(shí)為基波分量，馬達保護只需計算出基波的電流分量。但是，故障發(fā)生時(shí)存在衰減的直流分量，傅里葉算法計算會(huì )產(chǎn)生一定量的誤差。因此，先進(jìn)行減法濾波，再采用傅里葉算法處理，能夠更好地抑制衰減直流分量的影響。

3 硬件電路設計

該低壓馬達保護裝置以TI公司16位單片機MSP430作為控制核心。它集成了微處理器、60 kB的FLASH存儲器、1kR的RAM、12位的A/D模塊和看門(mén)狗定時(shí)器，結構簡(jiǎn)單，功能強大，具有運算速度快，處理能力強，片內資源豐富，開(kāi)發(fā)環(huán)境高效等特點(diǎn)。此外還具有一定的抗干擾能力，監視電動(dòng)機故障，具有成本低、性?xún)r(jià)比高、可靠性強的優(yōu)點(diǎn)。其內部?jì)蓚€(gè)不同時(shí)鐘信號，可以在指令的控制下關(guān)閉或打開(kāi)，從而能夠輕易地選擇作用于不同的工作模式。片內集成了邊界掃描的JTAG調試接口，可以實(shí)現核心仿真調試功能，便于在線(xiàn)編程和調試。采用矢量中斷時(shí)，用中斷將單片機從馬達故障中喚醒反應很快。這樣一旦發(fā)生故障，可以對外部請求做出快速響應。

監控電路能夠監控電源電壓故障和CPU的工作狀態(tài)，故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出復位信號。故障顯示和報警電路包括跳閘輸出、報警指示燈和故障復位按鈕，跳閘信號迅速控制馬達的工作狀態(tài)以實(shí)現保護。通訊接口電路采用基于MODBUS協(xié)議的RS-485通訊方式與上位機進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)傳遞和記錄故障信息，以供測試和監測保護裝置的狀態(tài)，以組網(wǎng)實(shí)現遙測、遙控和遙信功能。保護裝置的硬件結構電路設計如圖1所示。

先分別通過(guò)電壓和電流互感器采集馬達的三相電壓和電流信號，經(jīng)由電流電壓變換器及放大轉化為合適的電平。裝置通過(guò)鍵盤(pán)接口能夠設定馬達的工作參數、保護參數和通信設置參數。利用MSP430內部的A/D轉換和采樣功能，可直接將電平送到CPU進(jìn)行保持和轉換。轉換后的數據經(jīng)MSP430分析處理后，通過(guò)與原設定值進(jìn)行比較，判斷馬達是否出現過(guò)載、堵轉、短路、斷相、接地、不平衡等故障。一旦出現故障信號后，單片機將根據故障類(lèi)型進(jìn)行延時(shí)處理，然后給出信號，通過(guò)輸出口送至繼電器，斷開(kāi)繼電器常閉觸點(diǎn)，切斷馬達的控制線(xiàn)路電流，同時(shí)指示燈報警并指示故障類(lèi)型，使馬達停止工作，從而達到保護低壓馬達的目的。

4 軟件設計

系統軟件是在開(kāi)發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫(xiě)調試完成，采用模塊化設計，程序維護方便，運行可靠，包括數據的采樣和處理、參數設定、保護子程序、顯示子程序等。參數設定模塊是設定系統保護參數的，其功能的實(shí)現主要由鍵盤(pán)接口、LCD顯示器和編寫(xiě)的程序來(lái)共同完成。系統先進(jìn)行初始化后，單片機進(jìn)行A/D轉換，完成采樣，采用同步采樣多次求得平均值濾波的方法來(lái)提高系統的抗干擾性能，然后通過(guò)傅里葉算法進(jìn)行計算參數。根據采樣得到的馬達的電流值等參數判斷此時(shí)馬達是否處于運行狀態(tài)，若此時(shí)馬達已經(jīng)開(kāi)始運行，就進(jìn)入保護子程序。顯示子程序可通過(guò)按鍵來(lái)查看當前馬達的電流值;在馬達正常運行時(shí)有按鍵動(dòng)作的情況下，顯示與按鍵功能相應的數值;若發(fā)現馬達運行不正常，則立即識別故障，根據故障類(lèi)型進(jìn)行處理，輸出保護動(dòng)作并顯示出故障信息并帶有指示燈報警，接著(zhù)執行相應的跳閘環(huán)節。軟件設計主程序流程圖如圖2所示。

5 結束語(yǔ)

本文所介紹的低壓馬達保護裝置，是以MSP430單片機為核心研究設計的，由于MSP430單片機具有豐富的片上外圍模塊，大大簡(jiǎn)化了系統硬件電路的設計，系統的數據處理功能強大，而自帶A/D模塊能夠實(shí)現12位精度的模數轉換，使保護裝置的可靠性大大提高。其內部集成的看門(mén)狗定時(shí)器，保證了系統的工作穩定。監視低壓馬達故障，此保護裝置具有精度高、保護參數設定方便簡(jiǎn)單和數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化等優(yōu)點(diǎn);可在線(xiàn)調試和編程等，實(shí)現軟件的在線(xiàn)升級;成本低、性能價(jià)格比高，自適應能力很強，動(dòng)作可靠性較高，使得保護更加靈活完善。實(shí)驗經(jīng)編程調試，對于出現的常見(jiàn)故障能及時(shí)、準確地進(jìn)行識別和處理，適合低壓馬達保護的需要。