电机微机保护系统的设计与实现

顾益民（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通226010）摘要：文章介绍了电机的微机保护系统的设计意义和实现方法，具体阐述了测量、控制、通信等微机保护系统硬件和软件的设计，该系统具有稳定性好、灵敏度高、误差小等特点，可以通过RS485通信口由后台机实现远程监控。关键词：电机；微机保护；RS485；远程监控中图分类号：TM307文献标识码：A文章编号：1671-9891（2009）04-0061-050引言电动机的故障大体分为两部分：一部分是机械故障，另一部分是电磁故障，二者互有关联。如轴承损坏，将引起电动机的过载甚至堵转，而风叶损坏，会使电动机绕组散热困难，温升提高，绝缘物老化。电磁故障的原因很多，如电动机的过载、断相、欠电压都足以使绕组内的电流增大，发热量增加，短路造成的危害更大。本微机保护系统可对电动机运行时的电流、电压、温度等参数进行监测，采用三段式电流保护方式，对电动机进行实时有效监测、保护。装置配有键盘和液晶显示器，可对设定参数进行查询和修改，操作方便。系统具有稳定性好、灵敏度高、测量误差小等特点，此外，还可以使用后台机，通过通信口与装置连接，对电动机实现远程实时数据采集、故障查询和控制等功能。1系统设计方案该微机保护系统将电流、电压信号量经过压频转换后，采用82C53计数，用DS80C320单片机进行数据计算与控制，通过液晶显示屏和键盘，查询显示与设定电机的保护定值等数据。结构框图如图1所示，项目主要技术参数如表1所示。图1统结构框图22.1硬件电路设计器件选择（1）处理器：采用DALLAS公司的DS80C320，与8051系列单片机兼容，执令指行速度更快。（2）采集：使用AD654进行A/D转换，采用82C53计数。2009－06－17收稿日期：作者简介：顾益民（1965—），男，江苏南通人，南通航运职业技术学院轮机工程系高级讲师。（3）显示：选用性价比较高的LM12864液晶显示屏。表1项目参数电压电流℃2.2硬件电路（1）测量。测量电路主要是采集三相电流、三相电压信号。电流测量，首先要将电流互感器CT的电流信号转换为电压信号,经过OP07高精度运放，将电压信号放大，经过整流，将交流信号转换为直流信号,由AD654将电压信号转换为频率信号。电压测量与电流测量方法相似，只是电压互感器PT过来的已经是电压信号，不需要经过电流到电压的转换了。电流测量电路如图2所示。图2电流测量电路铂电阻PT100是一种应用广泛的测温元件，在-50℃-600℃范围内具有精度高、稳定性好、抗干扰性强等优点。本电路温度传感器采用三线制桥式接法，消除了PT100温度传感器连接导线自身电阻对温度测量的影响，由R1、R2、VR2、PT100构成的电桥，电桥不平衡时输出一个mV级的压差信号，经差动电路放大后，电压信号可直接连A/D转换芯片。电桥的正电源接基准电源TL431输出，防止电网电压波动造成VCC发生变动，引起输出改变，造成温度测量不准。温度测量电路如图3所示。图3温度测量电路由于铂电阻PT100的电阻值与温度成非线性关系，计算时需要进行非线性校正，此处采用数字化校正方法，将PT100温度传感器的电阻值与温度的对应关系存入程序空间，通过查表法实现温度测量的非线性校正，得到正确值。（2）处理器电路。采用82C53芯片，可以对3路频率信号同时进行计数，而且与CPU通过并口来传输数据，这样提高了数据处理的速度，使用两片82C53同时计算电流和电压测量电路所输出的频率。CPU采用DALLAS公司的DS80C320，其速度比标准的8051快2.5倍，且功耗小。将CPU的P2.6、P2.7与82C53的地址线A0、A1口连接，P0口与数据线data口连接，读写口线相互连接,通过选择A0和A1来选择要读取的通道。（3）控制输出电路。控制输出电路用来控制电动机的运行，本装置采用12V继电器实现对电动机的控制，有效地将电机的高压电路与控制电路进行隔离，微处理器与继电器之间采用光耦进行隔离，这样整个控第4期顾益民：电机微机保护系统的设计与实现63制系统就可以安全、可靠地运行。[1]图4CPU与82C53连接电路3软件设计（1）数据测量部分。将从82C53中读取的电压、电流、温度的计数值进行处理，利用定时器T0定时2ms，在定时中断中读取计数值。T0初始化程序如下：MOVTMOD,#21HMOVTH0,#0F6H；晶振14.7456MHzMOVTL0,#07FHSETBTR0读82C53计数值：MOVDPTR,#CTC53；82C53地址MOVXA,@DPTR；读低位MOVR0,AMOVXMOVR1,AMOVA,R0JNZ；CTC0-L；CTC0-H；判低位A,@DPTR；读高位RCTC15；低位为0时重读A,@DPTRMOVR7,#05；重读次数RCTC11:MOVXCJNEMOVXCJNEA,08H,RCTC12A,@DPTRA,09H,RCTC14；相同认可；CTC0-LLJMPRCTC15MOVXRCTC12:MOVR0,AA,@DPTRMOVR1,ARCTC13:DJNZ；CTC0-HR7,RCTC11；CTC0-HLJMPRCTC15RCTC14:MOVR1,ALJMPRCTC13RCTC15:MOVDPH,#DPHHMOVDPL,#TIME2+1；终点值MOVXCLRSUBBCA,R0A,@DPTR；LMOVR3,AMOVA,R0MOVXDECMOVXSUBB@DPTR,ADPLA,@DPTR；HA,R1MOVR4,AMOVA,R1MOVXJNZCJNE@DPTR,ARCTC151A,#JSMAXL,RCTC150RCTC17；数据正确性判断A,R4MOVA,R4MOVA,R3RCTC150:JCRCTC151:MOVRCTC152:CJNEA,#JSMAXH,RCTC16RCTC16:JCRCTC18RCTC17:MOVMOVR4,#0MOVB,#55H；计数值=0ERRRCTC18:MOVDPL,#TIME1；保存净计数值MOVA,R4MOVXINCMOVX@DPTR,ADPL@DPTR,AR3,#0MOVA,R3当读到计数值为0时，再重新读取计数值，连续读5次，确保读到的数据是有效数据，并对数据进行判断，看是否在有效数值区间内，如果在范围内，则保存此正确数值。对所有数据都读取完成后，采用10次滚动平滑滤波方法处理，经过处理后，数据波动很小，占用时间也很短，为后面的正确保护动作作保证。（2）保护控制部分。电流保护采用三段式定时限保护方式，或者反时限电流保护方式，提高了电流保护的可选择性。[2]通过设定来躲过电动机正常启动时的大电流，避免了误保护动作。除了电流外，在程序中还有过压、欠压、零序、温度保护等。保护原理如图5所示。图5保护原理图4结束语经过现场使用情况分析，该电机保护系统使用方便、工作稳定、测量精度高，对电动机的运行起到了有效的保护作用。参考文献：[1]黄一夫.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社,1999.[2]李华.微机型继电保护装置软硬件技术探讨[J].电力建设,2001（5）:44-47.DesignandImplementationofMicro-computerProtectionSysteminElectricEngineGUYi-minKeywords:Motor;Microprocessor-basedprotection;RS485;Remotemonitoringandcontrol本刊声明为了适应我国信息化建设的需要，扩大本刊及作者知识信息交