異步電動機智能保護器設(shè)計

摘要：為了克服傳統(tǒng)異步電動機中受環(huán)境溫度影響誤動作次數(shù)多、余熱滯后動作、功耗大、易熱勞損等缺點，采用了對主電路、控制電路和輔助電路進行分析調(diào)試的方法，以及對包括主程序、保護程序、液晶程序在內(nèi)的控制系統(tǒng)進行軟件設(shè)計，優(yōu)化了整個硬件電路，很大程度上提升了異步電動機的性能。
關(guān)鍵詞：異步電機；晶閘菅；電機保護；觸發(fā)脈沖

0 引言
隨著當今社會的飛速發(fā)展，電動機以廣泛應(yīng)用于紡織、化工、石油、冶金等工業(yè)部門之中，但常因斷相、過載、堵轉(zhuǎn)、短路等原因被燒毀或殃成事故。隨著電動機在各行各業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，對電動機的保護也愈來愈受到人們的關(guān)注。作為重要的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的電動機來說，其控制技術(shù)也越來越受到人們的重視，尤其異步電動機作為應(yīng)用最廣泛的電動機，約占電動機總數(shù)的70％，根據(jù)統(tǒng)計，通用三相異步電動機每年的耗電量約為全球總發(fā)電量的50％，其起動電流高達額定電流的5～10倍，故大中型異步電機在直接起動時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅對電動機及所拖動的設(shè)備造成電氣和機械的損傷，而且會造成電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)其他電氣設(shè)備的正常運行。因而存在的問題是既要為智能控制打下良好基礎(chǔ)，又要降低電動機起動時對電網(wǎng)及拖動設(shè)備的沖擊。
現(xiàn)在工程應(yīng)用上常見的電動機保護器可分為機械式和電子式兩種。機械式主要指雙金屬片機械式熱繼電器，熱繼電器之所以能延用至今，除受傳統(tǒng)觀念的影響，價格低廉等原因之外，還有其本身固有的反時限保護特性強(動態(tài)范圍寬)等原因。但也存在著巨大的缺點，如受環(huán)境溫度影響誤動作次數(shù)多、余熱滯后動作、功耗大、易熱勞損等，因為這些缺點現(xiàn)在已逐漸被電子式電動機保護器所替代。電子式保護器是由電子電路組合來完成的，易實施多功能化，具有更寬的反時限動態(tài)范圍、功率消耗低、調(diào)節(jié)精度高、耐沖擊振動等優(yōu)勢。

1 智能保護器的總體設(shè)計方案
系統(tǒng)方案的選擇包括了系統(tǒng)硬件方案的選擇和軟件方案的選擇。系統(tǒng)方案的選擇非常重要，不僅決定了電動機保護器所能實現(xiàn)的功能，還決定了保護器的功耗、性能以及產(chǎn)品的價格。而由系統(tǒng)方案決定的系統(tǒng)功能特點還必須與被保護的電動機所需要保護功能相一致。下面將對保護器的系統(tǒng)功能特點和系統(tǒng)方案的選擇分別進行介紹。
1．1 系統(tǒng)硬件總體方案
根據(jù)實際生產(chǎn)過程中三相異步電動機所可能出現(xiàn)的故障，可以確定電動機保護器所需具備的功能。其包括：啟動時的過載、堵轉(zhuǎn)的保護，運行中過載的保護，斷相的保護，三相不平衡的保護，過壓的保護，欠壓的保護。
該保護器具有很強的人機交互功能，由于采用了字符型的液晶顯示模塊，使得用戶可以很清楚的了解到電動機的運行狀態(tài)，以及在故障發(fā)生時能夠進行相應(yīng)的故障顯示，便于進行故障檢修。
同時該保護器還具有鍵盤輸入功能，允許用戶對電動機保護器進行自行設(shè)定，有利于對電動機進行更加有效的保護，便于查找故障原因。而整個保護器的核心部分就是控制系統(tǒng)電路。電動機的故障判斷，故障類型的判別就是由它來確定。同時它還負責(zé)控制繼電器動作電路進行保護動作。通過軟件的設(shè)計控制系統(tǒng)可以進行定時限與反時限的保護。
在控制系統(tǒng)電路的選擇上，由于Atmel公司的AVR系列單片機具有一系列的優(yōu)點，所以我采用它作為控制的核心。
在采樣電路的選擇上，由于采樣電路是為控制系統(tǒng)電路提供被保護對象的各種狀態(tài)參數(shù)的電路，為了節(jié)約單片機的系統(tǒng)時間，在選擇系統(tǒng)的采樣方案時選擇了可以最大的節(jié)約系統(tǒng)時間的直流采樣方案。因此在設(shè)計采樣電路時就必須對電動機的各相分別進行電流與電壓的采樣。為了保證采樣信號的可靠性，在整流之后必須進行濾波，所以采樣電路包括整流與濾波兩個部分。
在調(diào)速電路的選擇上，采用星形三相交流調(diào)壓電路，只要依次給每個晶閘管以不同的脈沖就可以得到所需要的電壓實現(xiàn)調(diào)速。在顯示電路的選擇上，由于液晶顯示模塊具有體積小，功能多等優(yōu)點，而且液晶顯示模塊與數(shù)碼管顯示電路相比最大的優(yōu)點就是除了可以顯示數(shù)字之外，還可以顯示中文字符和其他字母、數(shù)字符號。同時還可以自定義漢字和符號。所以選用液晶模塊較好。
在鍵盤方案的選擇上，由于用戶要通過鍵盤將各種保護數(shù)據(jù)輸入到保護器中去，從而使得保護器得到各種保護參數(shù)來完成保護任務(wù)，所以本設(shè)計為減小中斷處理的時間和外部中斷觸發(fā)，鍵盤電路采用獨立式非編碼鍵盤，軟件采用查詢式。
1．2 系統(tǒng)軟件總體方案
系統(tǒng)的軟件方面為了簡化程序的設(shè)計，在信號的采樣方面為了簡化程序設(shè)計和節(jié)省系統(tǒng)時間，采用較簡單的直流采樣。將液晶顯示程序、鍵盤掃描程序、采樣程序以及保護程序分別做成功能子程序，在主程序之中調(diào)用這些子程序，以此來實現(xiàn)整個電動機保護器的各項功能，同時也方便以后系統(tǒng)軟件功能的升級。

2 智能保護器硬件設(shè)計
2．1 智能保護器主電路設(shè)計
保護器的主電路一般為三相交流調(diào)壓電路。它主要通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)主電路的調(diào)壓，其框圖如圖1所示。