电动机综合保护器设计

第08卷 2008钜 第6期 6月 中国水运 ChnaWaterTransport V01．8 June No．6 2008 电动机综合保护器设计 冯浩源1，乔广路2 (1襄樊学院，湖北襄樊441053；2天水星火机床有限责任公司，甘肃天水741024) 摘要：单片机电动机综合保护系统由电动机电流、电压、转速信号采集处理单元，A／D转换单元，单片机及外围 辅助芯片，故障显示单元，输出驱动单元，继电器输出控制单元等构成。该系统具备以下功能：(1)逆序保护(2) 断相保护(3)过电流／过载保护(4)欠电压保护。采用单片机控制将减少保护器的元器件，提高可靠性，降低成 本，还能实现单片机与其他智能元件的通信。 关键词：电动机；单片机；综合保护器 中图分类号：TM301．2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973(2008)06-0122—03 一、电动机综合保护器设计 电动机综合保护器硬件系统由以下几部分构成：(1)电 动机保护与控制电路，(2)逆序检测与保护电路，(3)电网 电压检测电路，(4)电动机电流与转速检测电路，(5)A／D 转换，(6)单片机与外围系统(7)故障显示与保护信号输 出。如图一所示。 图一电动机综合保护器原理图 电动机综合保护器的工作原理是，在电动机起动之前， 逆序检测与保护电路对电网的三相电源进行检测，如果电网 正常，便可起动电动机。同时单片机将根据输入值设定主程 序延时时间，在延时一段时间后，单片主程序才开始工作。 因为电动机在起动时，起动电流很大，将超过单片机程序设 定的保护值，因此，必须在电动机起动完成后再使单片机系 统投入工作。单片机的主程序延时值可以根据电动机起动时 间设定。当单片机系统投入工作后，单片机将对电流信号、 转速信号、电压信号进行扫描，如果超过保护设定值，单片 机系统将发出故障保护信号。 二、电动机信号检测与处理电路 1．相序指示器 相序指示器见图二所示，三相电源u、v、w通过阻值 栩同的三个电阻RtR。R。连接到M点。用稳压二极管D。 收稿日期：2008—04—28 作者简介：冯浩源，襄樊学院。 和D。检测电源电压的变化，当U相过零时，将产生电压跳 变。如U端电压正相过零，D2的压降由4．7V变为-0．6V， 使三极管T2由导通变截止，则D型触发器的时钟端CLK由 0V变为9V正跳变，由于CLK为上升沿触发，此时输出Q 的状态由D决定。若w相超前u相1200，则U、v、W在 相位图上按顺时针排列，此时w相电压为负，D3的压降为 一0．6V，使T1截止，则D端为高电平，这时Q输出高电平， 使T4导通把发光二极管LED7点亮，而Q输出为低电平， 使T3截止，则LED6不亮。若w落后U120度，即U、V、 w在相位图上按逆时针排列，此时w相电压为正，此时D3 压降为4．7V，使Tl导通，则D为低电平，这时Q输出为 低电平，使T4截止，则LED7不亮，而Q输出为高电乎， 使T3导通，LED6发光。 图二相序指示电路图 综上所述，U，V，w为顺时针排列时LED7亮，若为 逆时针则LED6亮。应用时电动机的A、B、C三相绕组电 源必须对应u、V、w，否则相序指示器指示错误结果。如果 U，V，W三相为逆序，则不允许电动机起动，，如图三所示。 图三电动机起动控制电路 圈 万方数据 第6期 冯浩源等：电动机综合保护器设计 123 继电器l队线圈串接在双向可控硅电路中，KA的一个常 闭触点串联在电动机起动控制电路中，相序指示器的保护信 号使双向可控硅导通，以切断电动机控制电路。 2．电流检测与处理电路 电动机在实现电功率转换为机械功率的过程中，总有一 部分损耗在电动机内部并转化成热量。使绝缘材料的温度升 高。但各种类型的绝缘材料的最高工作温度都是有限的，超 过此温度，绝缘材料的工作寿命将显著降低，甚至造成永久 性损坏。因此，保证电动机在运行中的实际温度不高于绝缘 材料允许的最高温度，乃是电动机安全运行的重要前提。电 动机长期工作在过电流工作状态，会使电动机的绕组因过热 而被烧坏。引起电动机过电流状态的情况有电动机过载运行， 或由于某相熔断器开路引起的缺相故障。电动机的工作电流 由L1、L2、L3三个电流互感器检测，如L1输出电流信号 经过整流和滤波后送至放大器IC1将电流信号转换成电压信 号，最后送至A／D转换器。由于该检测系统可能用于不同型 号的电动机。应_}}j时可以通过WRl与WR4来调节检测电流。 电流检测电路如图四所示。在应用中，为了保证电流检测精 度，应根据电动机额定电流值选用电流互感器。 图四 电流检测原理图 3．电压检测与处理电路 欠电压保护是指电动机在运行过程中，当电网电压降低 时，而电动机仍保持运行状态，只是电动机的电磁转矩和转 速降低，在负载一定的情况下，电动机电流将增大，不仅影 响产品的加工质量，还影响设备的正常运行，甚至造成事故。 另一方面，由于电网电压的降低，控制电路中的交流接触器， 继电器既不能很好的吸合，处于抖动状态，线圈电流增大， 甚至造成电器元件和电动机的烧毁。电压保护功能由隔离变 压器(或电压互感器)TAl、TA2、TA3分别对电网的A、B、 C三相的电压进行检测。 图五电压检测原理图 图五是电压检测电路原理图，以A相为例，隔离变压器 从电网采集到电压后，经整流后送至IC4进行处理。电阻R7、 R8、R13和电容C4以及IC4共同构成一阶低通滤波器，对 电压信号处理后，送给A／D转换器，可变电阻器WR7用来 调节输出电压，以便A／D转换器得到一个电压。变压器 选用220V／8V，1SW的，集成芯片选用LM224。电阻值 根据实际情况选用。 4．转速检测与处理电路 当电动机处于过载状态时，电动机的转速将下降，当过 载严重时将造成电动机堵转。因此，保障电动机安全运行，必 须对电动机转速进行检测。测速有多种方法，本控制器采用 测速发电机测速。速度检测以及信号处理电路如图六所示。 TG是测速发电机，它将转速信号转换为电压信号，电压信号 经过整流和滤波后送给A／D转换器。可变电阻器WRl0调 节它的输出电压。 10 图六速度检测原理图 三、A／D转换器与单片机的接口 单片机与A／D转换器选用MCS--51系列单片机，使用 单片机的PO口与A／DC0809的输出口相连。A／DC0809 的最低位DO对应单片机的P0．0位，以次类推。另外，单片 机的P1．2、P1．1、P1．O接A／D转换器的A／DDA，A／DDB， A／DDC。单片机的P1．7与RD经或门接A／D转换器的OE 口，WR与P1．7经或门接A／D转换器的START与ALE口， 单片机的ALE经过触发器2分频后接A／D转换器的 COCLK，为A／D转换器提供转换脉冲。如图七所示。 图七单片机与A／D转换器的连接图 单片机和A／D转换器的接口要处理好以下几个问(1) 要给START线送一个100ns的起动脉冲。(2)获取EOC 线上的状态信息，因为它是A-／D转换结束的；(3)要给 OE线上送一个地址译码器输出信号。单片机与A／D0809 接口之间通常可采用查询和中断两种方式。采用查询时，单 片机应对EOC查询工作状态，若为低电平。表示A／D转换 正在进行，单片机应继续查询，若为高电平，就给OE送一 个高电平，从数据传输口提取A／D转换后的数据。采用中断 传输数据时，EOC做为CPU的中断请求线，CPU响应中断 后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，提取A／D转 换后的数据。 万方数据 124 中国水运 第08卷 A／D转换器的精度由其位数决定Q=1／(2--1)， A／D0809是8位的，例如当输入为10V电压时，经转换后 它可以识别39mV的电压信号。选用A／D转换器时精度只 要比系统要求的略高即可。 单片机输出P2．0、P2．1、P2．2、P2．3、P2．4分别显示 缺相、过流、过载、欠电流、欠电压几种故障。采用以上的 电路实现故障的输出指示电路简单，无须外接其他的驱动芯 片，可靠性高，并且成本低廉，显示直观。P2．7口驱动一个 固态继电器，固态继电器的输出点M、N接在电动机控制电 路中。 锯稳避缀澹裁欠凌戈鹾 图八故障显示与输出 图九延时选择电路 用户可以根据电动机的具体情况，用图九所示方法，来 确定单片机的主程序延时时间。它主要为使电动机在起动过 程中，单片机乍应发出保护信号。其中KAI是延时20S， KA2是延时15S，KA3是延时10S，KA4是延时5S。 四、电动机保护器软件设计 图十主程序流程图 图十为保护系统的主程序流程图。图十一为过载保护流 程图。图十二为欠电压保护流程图。P2．0口输出缺相故障； P2．1口输出过流故障；P6．2口输出过载故障；P'2．3口输出 欠流故障；P2．4口输出欠压故障；P2．7口用于驱动固态继 电器来执行对电动机的保护。在程序流程图和程序中In表示 电动机额定电流。Ne表示电动机拖动正常负载时的转速， Un表示电动机的额定工作电压。通常来说，以上3个额定 值即使在电动机正常工作时也不一定等于其工作时的实际 值，误差一般为5％之内。因此在流程图中视参量在额定值 的95％～105％内为正常。 l 逅回扫描下一路 图十一过流过载保护流程图 图十二欠电压保护流程图 五、结束语 电动机综合保护器可用于机床电气控制中，在机床凋试 或运行过程中，因电网和负载变化时对机床和电动机提供保 护。 平电高输陀- 场 一 叮彳 万方数据 电动机综合保护器设计 作者： 冯浩源， 乔广路 作者单位： 冯浩源(襄樊学院,湖北,襄樊441053)， 乔广路(天水星火机床有限责任公司,甘肃,天水 741024) 刊名： 中国水运（下半月） 英文刊名： CHINA WATER TRANSPORT 年，卷(期)： 2008,8(6) 本文读者也读过(10条) 1. 张杰.王佳庆 基于CAN总线的双CPU结构电动机综合保护器[期刊论文]-电气应用2007,26(10) 2. 佟为明.赵志衡 一种微机式电动机综合保护器的研制[期刊论文]-低压电器2003(3) 3. 佟为明.李中伟.赵志衡.TONG Wei-ming.LI Zhong-wei.ZHAO Zhi-heng 基于DSP和单片机双CPU结构的电动机综 合保护器[期刊论文]-低压电器2005(8) 4. 周勇刚.杨新华.Zhou Yong-gang.Yang Xin-hua 可通信电动机保护器硬件设计[期刊论文]-机械研究与应用 2010(5) 5. 李占平.王明星.李建.LI Zhan-ping.WANG Ming-xing.LI Jian-shu 智能电动机综合保护器[期刊论文]-煤炭 技术2006,25(4) 6. 许祥兰 浅谈电动机综合保护器的应用[期刊论文]-江苏水利2007(6) 7. 刘顺田.LIU Shun-tian 浅谈低压电动机综合保护器[期刊论文]-纯碱工业2008(3) 8. 朱文灏.胡景泰.贾镇宇 基于Modbus和DeviceNet总线技术的可通信智能电动机保护器[期刊论文]-低压电器 2003(4) 9. 连理枝 线路和设备的欠电压与保护[期刊论文]-华通技术2002(3) 10. 王强.彭继慎.王辉俊.WANG Qiang.PENG ji-shen.WANG hui-jun 基于TMS320LF2407A的电机保护系统硬件设计 [期刊论文]-自动化技术与应用2006,25(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgsy-xby200806060.aspx