基于單片機的低壓馬達保護裝置

因結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉，機械特性較好等優(yōu)點，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)領域的380 V低壓系統(tǒng)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、制動、正反轉(zhuǎn)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(xiàn)在的馬達很容易損壞，尤其是過載、短路、斷相、不平衡等故障出現(xiàn)的頻率很高。但由于原有的保護技術落后，其故障燒損情況十分嚴重，給國民經(jīng)濟帶來的損失巨大。無論是從安全還是經(jīng)濟的角度來看，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、性能先進的低壓馬達保護方法與裝置，使其既能對馬達可能出現(xiàn)的各種故障實施可靠的保護，又能充分發(fā)揮馬達的過負荷能力，是在生產(chǎn)過程中減小經(jīng)濟損失，提高經(jīng)濟效益必須解決的問題。

1 馬達常見故障分析和判定依據(jù)

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)繞組的電流過大，引起繞組過熱而燒壞馬達。從機械角度來看，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。從電氣角度來看，馬達故障可以分為對稱故障和非對稱故障兩大類，這是根據(jù)流經(jīng)繞組的電流來分析的。保證馬達保護性能好壞的關鍵是對馬達保護原理的分析，通過研究和對比發(fā)現(xiàn)對稱分量法來判斷故障是否發(fā)生及嚴重程度，能夠?qū)︸R達的三相電流進行詳盡的描述分析，準確及時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。

對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等。馬達轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，流經(jīng)繞組電流很大，發(fā)熱很嚴重。其主要特征為三相電流基本對稱，但會出現(xiàn)過電流，電流的過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，所以可以用過流的程度來判定此類故障。傳統(tǒng)保護方式中，過載保護是采用熱繼電器，根據(jù)馬達的溫升特性模型，有利于分析馬達定子的發(fā)熱特點，充分利用馬達的過載能力，來實現(xiàn)優(yōu)良的反時限過載跳閘保護;對于堵轉(zhuǎn)保護，一旦堵轉(zhuǎn)電流過大，保護裝置應及時動作，采用短時限過流保護跳閘，另外還需躲過馬達的啟動電流，防止誤動作;而對于三相短路保護，可使用傳統(tǒng)的保護裝置如熔斷器，斷路器或是過電流繼電器等來實現(xiàn)常規(guī)保護，一旦超過整定值時，應采用速斷跳閘來發(fā)出保護信號和報警。

不對稱故障包括接地性和非接地性兩種。根據(jù)對稱分量法理論，馬達發(fā)生不對稱故障時負載電流會出現(xiàn)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故障的依據(jù)，而且具有一定的靈敏度。不對稱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的隱患，若不及時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判定接地性故障，因此采用零序定時限來加以接地保護。非接地性不對稱故障主要包括斷相、三相不平衡、相間短路等，其基本特征是三相電流不對稱，會出現(xiàn)負序電流分量，所以此類故障可以通過檢測其負序電流分量來判定。馬達的燒壞以三相不平衡故障率為最高，一般采用負序定時限來加以保護。斷相保護也可用熱繼電器，采用短時限跳閘或速斷保護。而相間短路是故障相會出現(xiàn)大電流，危害非常大，所以應采用速斷來加以保護。

馬達所常見故障與過電流，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C相故障，兩相接地故障時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)缺點不盡相同。選擇研究一種快速而又精確的保護算法，實現(xiàn)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(wěn)定性及濾波效果好等優(yōu)點，因此該保護裝置采用傅里葉算法，實行數(shù)字化處理。

傅里葉算法令采樣的電流等信號都可以用一個周期函數(shù)表示，即f(t)=f(t+kT)，其中T為周期函數(shù)的周期，k=0，1，2，…對離散的采樣值進行計算，設N為采樣數(shù)，經(jīng)采樣離散化后可計算出諧波相電流I的實部，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個周期內(nèi)采樣N個數(shù)據(jù)，同步采樣就是在一個完整周期內(nèi)等間隔均勻采樣，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。在CPU做實時運算時，每采樣一次就要計算一次，并且對前N個采樣值進行運算。在運算時對N個采樣值都分別乘以不同系數(shù)，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時為直流分量，n=1時為基波分量，馬達保護只需計算出基波的電流分量。但是，故障發(fā)生時存在衰減的直流分量，傅里葉算法計算會產(chǎn)生一定量的誤差。因此，先進行減法濾波，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模塊和看門狗定時器，結構簡單，功能強大，具有運算速度快，處理能力強，片內(nèi)資源豐富，開發(fā)環(huán)境高效等特點。此外還具有一定的抗干擾能力，監(jiān)視電動機故障，具有成本低、性價比高、可靠性強的優(yōu)點。其內(nèi)部兩個不同時鐘信號，可以在指令的控制下關閉或打開，從而能夠輕易地選擇作用于不同的工作模式。片內(nèi)集成了邊界掃描的JTAG調(diào)試接口，可以實現(xiàn)核心仿真調(diào)試功能，便于在線編程和調(diào)試。采用矢量中斷時，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(jiān)控電路能夠監(jiān)控電源電壓故障和CPU的工作狀態(tài)，故障時能及時發(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)以實現(xiàn)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行通訊，實時傳遞和記錄故障信息，以供測試和監(jiān)測保護裝置的狀態(tài)，以組網(wǎng)實現(xiàn)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(zhuǎn)化為合適的電平。裝置通過鍵盤接口能夠設定馬達的工作參數(shù)、保護參數(shù)和通信設置參數(shù)。利用MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換和采樣功能，可直接將電平送到CPU進行保持和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)MSP430分析處理后，通過與原設定值進行比較，判斷馬達是否出現(xiàn)過載、堵轉(zhuǎn)、短路、斷相、接地、不平衡等故障。一旦出現(xiàn)故障信號后，單片機將根據(jù)故障類型進行延時處理，然后給出信號，通過輸出口送至繼電器，斷開繼電器常閉觸點，切斷馬達的控制線路電流，同時指示燈報警并指示故障類型，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(tǒng)軟件是在開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫調(diào)試完成，采用模塊化設計，程序維護方便，運行可靠，包括數(shù)據(jù)的采樣和處理、參數(shù)設定、保護子程序、顯示子程序等。參數(shù)設定模塊是設定系統(tǒng)保護參數(shù)的，其功能的實現(xiàn)主要由鍵盤接口、LCD顯示器和編寫的程序來共同完成。系統(tǒng)先進行初始化后，單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，完成采樣，采用同步采樣多次求得平均值濾波的方法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能，然后通過傅里葉算法進行計算參數(shù)。根據(jù)采樣得到的馬達的電流值等參數(shù)判斷此時馬達是否處于運行狀態(tài)，若此時馬達已經(jīng)開始運行，就進入保護子程序。顯示子程序可通過按鍵來查看當前馬達的電流值;在馬達正常運行時有按鍵動作的情況下，顯示與按鍵功能相應的數(shù)值;若發(fā)現(xiàn)馬達運行不正常，則立即識別故障，根據(jù)故障類型進行處理，輸出保護動作并顯示出故障信息并帶有指示燈報警，接著執(zhí)行相應的跳閘環(huán)節(jié)。軟件設計主程序流程圖如圖2所示。

5 結束語

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，大大簡化了系統(tǒng)硬件電路的設計，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能強大，而自帶A/D模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使保護裝置的可靠性大大提高。其內(nèi)部集成的看門狗定時器，保證了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。監(jiān)視低壓馬達故障，此保護裝置具有精度高、保護參數(shù)設定方便簡單和數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化等優(yōu)點;可在線調(diào)試和編程等，實現(xiàn)軟件的在線升級;成本低、性能價格比高，自適應能力很強，動作可靠性較高，使得保護更加靈活完善。實驗經(jīng)編程調(diào)試，對于出現(xiàn)的常見故障能及時、準確地進行識別和處理，適合低壓馬達保護的需要。