基于A(yíng)VR單片機電動(dòng)機智能保護器的設計

1 故障種類(lèi)及保護策略
電動(dòng)機的常見(jiàn)故障有：短路、漏電、過(guò)電壓、堵轉、過(guò)載、斷相等。短路故障又分為兩相接地短路、
單相接地短路、兩相短路、三相短路。對于三相對稱(chēng)性短路故障采用相敏保護，電動(dòng)
機作為感性負載，在直接啟動(dòng)時(shí)，其功率因數偏低(cos =0．3～0．5)，當線(xiàn)路中出現短路情況時(shí)功率
因數則偏高(eos 一1)。若在檢測電流大小的同時(shí)檢測其功率因數，把電流與功率因數的乘積作為短
路保護的動(dòng)作參數判據，即可準確區分短路電流和啟動(dòng)電流。
利用非接地性不對稱(chēng)故障時(shí)的負序分量電流從小到大來(lái)判斷不平衡故障，如三相不平衡故障、
相間短路和斷相等。過(guò)載保護即電動(dòng)機長(cháng)時(shí)問(wèn)處于過(guò)載狀態(tài)會(huì )引起電動(dòng)機繞組過(guò)熱，極易導致匝問(wèn)短路的發(fā)生。利用電動(dòng)機生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的熱容曲線(xiàn)進(jìn)行反時(shí)限保護。
漏電故障是利用零序電流互感器檢測電動(dòng)機的零序分量，即可對電動(dòng)機的漏電故障進(jìn)行保護。
合閘前故障檢測是在送電前，通過(guò)對供電線(xiàn)路和供電設備與大地之間的絕緣電阻進(jìn)行檢測。當檢測到該絕緣電阻低于漏電閉鎖整定值時(shí)，則進(jìn)行漏電閉鎖保護。
2 硬件設計
本保護裝置具有在電動(dòng)機運行時(shí)對電機進(jìn)行參數測量、故障保護、控制、遠程通訊、故障信息的
存儲及查詢(xún)等功能。保護裝置通過(guò)傳感器對主回路的三相電壓、三相電流、零序電流等模擬信號進(jìn)
行檢測，通過(guò)單片機的運算，判斷是否出現故障，若有故障發(fā)生能夠迅速切斷供電并及時(shí)報警顯示各
種故障信息。系統硬件如圖1所示。

由圖1可以看出，硬件系統主要由以下幾部分構成：
(1)單片機部分 本設計主單片機選用AVR系列ATmega128，AVR是8位單片機中的第1個(gè)真
正的精簡(jiǎn)指令集(RISC結構)單片機，ATmega128在AVR單片機中具有性能好、性?xún)r(jià)比高、使用方便
功能強大的特點(diǎn)。具有128K Flash；4K E PROM；4K SRAM；53個(gè)I／O口；34個(gè)中斷源；2個(gè)16位定
時(shí)器、2個(gè)8位定時(shí)器；自帶SPI、TwI通信接口；2個(gè)串行通訊接口；硬件乘法器；8路PWM；8路10位
A／D通道。ATmega128單片機內部的這些資源完全滿(mǎn)足本系統的設計要求。
(2)模擬量采樣處理單元采用高性能電壓互感器采集三相之間的相電壓信號，穿心電流互感器
采集通過(guò)各相的電流及零序電流，并由放大電路轉換為合適的電壓范圍，信號經(jīng)過(guò)調理濾波后進(jìn)行
A／D轉換后進(jìn)人單片機。單片機ATmega128對電壓信號進(jìn)行分析計算以正確顯示當前電網(wǎng)電壓值
并對過(guò)電壓、欠電壓故障做出保護和報警；對三相電流信號進(jìn)行采集、計算、分析以正確顯示當前電
網(wǎng)電流值并對過(guò)載、短路、斷相等故障做出保護和顯示。
(3)鍵盤(pán)、顯示接口 由按鍵進(jìn)行整定參數的
輸入設定、產(chǎn)品信息和故障信息的查詢(xún)、時(shí)間參數的設定；保護裝置的運行參數、實(shí)時(shí)時(shí)問(wèn)以及當發(fā)
生故障時(shí)的故障信息采用128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊LCM12864ZK進(jìn)行中文、字符和圖
形顯示，直觀(guān)方便。
(4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元采用DALLAS公司生產(chǎn)的
SPI接口時(shí)鐘芯片DS1305作為保護器的時(shí)鐘電路，通過(guò)ATmega128對DS1305RAM 的操作實(shí)現時(shí)間的
設置和讀取。
(5)遠程通訊單元采用MAX485芯片實(shí)現遠距離上、下位機監控功能。
(6)故障閉鎖模塊保護裝置中設計 有漏電閉鎖功能，在送電前進(jìn)行檢測，避免送電前的漏電對人體和設備造成危害。
(7)報警跳閘單元 當檢測到故障發(fā)生，輸出單元控制相應繼電器動(dòng)作，實(shí)現跳閘切斷電機的供電，對電機進(jìn)行保護并伴隨蜂鳴器報警。
3 軟件設計
保護裝置的程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主程序包括系統初始化、開(kāi)機界面顯示、合閘前檢測、鍵盤(pán)掃描
處理、參數顯示、故障判斷和遠程通訊等。初始化程序包括I／O初始化、定時(shí)器初始化、中斷初始化、通訊初始化等。電壓，電流交流量的計算采用了均方根算法，本裝置在一個(gè)周期(20 ms)內等間隔采
集20個(gè)點(diǎn)，并將各組采集量依次進(jìn)行均方根運算，即可得到各路交流模擬信號的有效值。為了使人
眼觀(guān)察舒服，顯示界面每2 S刷新～次，程序實(shí)時(shí)判斷是否發(fā)生故障，如有故障發(fā)生立即跳閘，顯示故
障信息(故障序號、故障類(lèi)型、故障時(shí)間)并將故障信息存人E PROM中。主程序流程如圖2。

4 結語(yǔ)
該電動(dòng)機智能保護器是一種智能化、模塊化、高性?xún)r(jià)比的電動(dòng)機保護裝置，長(cháng)期實(shí)際運行證明該
保護裝置運行穩定、保護動(dòng)作可靠，人機操作界面簡(jiǎn)單，而且顯示信息豐富，具有很大的市場(chǎng)應用前景。