基于單片機(jī)的低壓馬達(dá)保護(hù)裝置

因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，機(jī)械特性較好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)例如鋼鐵、冶金、石油、化工、煤炭等工業(yè)領(lǐng)域的380 V低壓系統(tǒng)中，低壓馬達(dá)獲得了廣泛應(yīng)用。低壓馬達(dá)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)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(dá)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(hù)技術(shù)落后，其故障燒損情況十分嚴(yán)重，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的損失巨大。無(wú)論是從安全還是經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，低壓馬達(dá)保護(hù)對(duì)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(jìn)的低壓馬達(dá)保護(hù)方法與裝置，使其既能對(duì)馬達(dá)可能出現(xiàn)的各種故障實(shí)施可靠的保護(hù)，又能充分發(fā)揮馬達(dá)的過負(fù)荷能力，是在生產(chǎn)過程中減小經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益必須解決的問題。

1 馬達(dá)常見故障分析和判定依據(jù)

馬達(dá)的損壞一般是馬達(dá)受潮或使用日久，絕緣電阻下降，導(dǎo)致流經(jīng)繞組的電流過大，引起繞組過熱而燒壞馬達(dá)。從機(jī)械角度來(lái)看，馬達(dá)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(lái)看，馬達(dá)故障可以分為對(duì)稱故障和非對(duì)稱故障兩大類，這是根據(jù)流經(jīng)繞組的電流來(lái)分析的。保證馬達(dá)保護(hù)性能好壞的關(guān)鍵是對(duì)馬達(dá)保護(hù)原理的分析，通過研究和對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)稱分量法來(lái)判斷故障是否發(fā)生及嚴(yán)重程度，能夠?qū)︸R達(dá)的三相電流進(jìn)行詳盡的描述分析，準(zhǔn)確及時(shí)地反映馬達(dá)的各種故障狀況，從而可以為故障診斷和保護(hù)提供準(zhǔn)確的信息，具有一定的可靠性，且利于計(jì)算機(jī)控制。

對(duì)稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等。馬達(dá)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(yán)重。其主要特征為三相電流基本對(duì)稱，但會(huì)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(yán)重程度，主要是產(chǎn)生一定的機(jī)械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀導(dǎo)致馬達(dá)的損壞，所以可以用過流的程度來(lái)判定此類故障。傳統(tǒng)保護(hù)方式中，過載保護(hù)是采用熱繼電器，根據(jù)馬達(dá)的溫升特性模型，有利于分析馬達(dá)定子的發(fā)熱特點(diǎn)，充分利用馬達(dá)的過載能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的反時(shí)限過載跳閘保護(hù);對(duì)于堵轉(zhuǎn)保護(hù)，一旦堵轉(zhuǎn)電流過大，保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，采用短時(shí)限過流保護(hù)跳閘，另外還需躲過馬達(dá)的啟動(dòng)電流，防止誤動(dòng)作;而對(duì)于三相短路保護(hù)，可使用傳統(tǒng)的保護(hù)裝置如熔斷器，斷路器或是過電流繼電器等來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)，一旦超過整定值時(shí)，應(yīng)采用速斷跳閘來(lái)發(fā)出保護(hù)信號(hào)和報(bào)警。

不對(duì)稱故障包括接地性和非接地性兩種。根據(jù)對(duì)稱分量法理論，馬達(dá)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)負(fù)載電流會(huì)出現(xiàn)零序和負(fù)序分量，因此這兩種分量的大小可以作為判定不對(duì)稱故障的依據(jù)，而且具有一定的靈敏度。不對(duì)稱故障對(duì)馬達(dá)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(fù)序效應(yīng)帶來(lái)的隱患，若不及時(shí)排查故障則可能造成嚴(yán)重后果，所以必須引起高度重視。接地性不對(duì)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(cè)零序電流分量來(lái)判定接地性故障，因此采用零序定時(shí)限來(lái)加以接地保護(hù)。非接地性不對(duì)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(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流分量，所以此類故障可以通過檢測(cè)其負(fù)序電流分量來(lái)判定。馬達(dá)的燒壞以三相不平衡故障率為最高，一般采用負(fù)序定時(shí)限來(lái)加以保護(hù)。斷相保護(hù)也可用熱繼電器，采用短時(shí)限跳閘或速斷保護(hù)。而相間短路是故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害非常大，所以應(yīng)采用速斷來(lái)加以保護(hù)。

馬達(dá)所常見故障與過電流，零序和負(fù)序分量的分布情況及保護(hù)特性如表1所示，Ie為故障前電流幅值;假設(shè)單相接地故障時(shí)C相故障，兩相接地故障時(shí)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(diǎn)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(diǎn)不盡相同。選擇研究一種快速而又精確的保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)故障量的測(cè)量、分析和判斷，才能使馬達(dá)保護(hù)裝置迅速采取保護(hù)措施。由于傅里葉算法具有運(yùn)算精度高、穩(wěn)定性及濾波效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此該保護(hù)裝置采用傅里葉算法，實(shí)行數(shù)字化處理。

傅里葉算法令采樣的電流等信號(hào)都可以用一個(gè)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(duì)離散的采樣值進(jìn)行計(jì)算，設(shè)N為采樣數(shù)，經(jīng)采樣離散化后可計(jì)算出諧波相電流I的實(shí)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?yàn)V除直流分量和高次諧波(n=2,3,4 …)。傅里葉算法需要在1個(gè)周期內(nèi)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，同步采樣就是在一個(gè)完整周期內(nèi)等間隔均勻采樣，即采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的N倍。在CPU做實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)，每采樣一次就要計(jì)算一次，并且對(duì)前N個(gè)采樣值進(jìn)行運(yùn)算。在運(yùn)算時(shí)對(duì)N個(gè)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(jì)算出任意諧波的振幅和相位。其中n=0時(shí)為直流分量，n=1時(shí)為基波分量，馬達(dá)保護(hù)只需計(jì)算出基波的電流分量。但是，故障發(fā)生時(shí)存在衰減的直流分量，傅里葉算法計(jì)算會(huì)產(chǎn)生一定量的誤差。因此，先進(jìn)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(shè)計(jì)

該低壓馬達(dá)保護(hù)裝置以TI公司16位單片機(jī)MSP430作為控制核心。它集成了微處理器、60 kB的FLASH存儲(chǔ)器、1kR的RAM、12位的A/D模塊和看門狗定時(shí)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，具有運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)，片內(nèi)資源豐富，開發(fā)環(huán)境高效等特點(diǎn)。此外還具有一定的抗干擾能力，監(jiān)視電動(dòng)機(jī)故障，具有成本低、性價(jià)比高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)不同時(shí)鐘信號(hào)，可以在指令的控制下關(guān)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(shí)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(shí)，用中斷將單片機(jī)從馬達(dá)故障中喚醒反應(yīng)很快。這樣一旦發(fā)生故障，可以對(duì)外部請(qǐng)求做出快速響應(yīng)。

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(shí)能及時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。故障顯示和報(bào)警電路包括跳閘輸出、報(bào)警指示燈和故障復(fù)位按鈕，跳閘信號(hào)迅速控制馬達(dá)的工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。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(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)傳遞和記錄故障信息，以供測(cè)試和監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置的狀態(tài)，以組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控和遙信功能。保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

先分別通過電壓和電流互感器采集馬達(dá)的三相電壓和電流信號(hào)，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(shè)定馬達(dá)的工作參數(shù)、保護(hù)參數(shù)和通信設(shè)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(jìn)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(shè)定值進(jìn)行比較，判斷馬達(dá)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(hào)后，單片機(jī)將根據(jù)故障類型進(jìn)行延時(shí)處理，然后給出信號(hào)，通過輸出口送至繼電器，斷開繼電器常閉觸點(diǎn)，切斷馬達(dá)的控制線路電流，同時(shí)指示燈報(bào)警并指示故障類型，使馬達(dá)停止工作，從而達(dá)到保護(hù)低壓馬達(dá)的目的。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在開發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫調(diào)試完成，采用模塊化設(shè)計(jì)，程序維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，包括數(shù)據(jù)的采樣和處理、參數(shù)設(shè)定、保護(hù)子程序、顯示子程序等。參數(shù)設(shè)定模塊是設(shè)定系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)的，其功能的實(shí)現(xiàn)主要由鍵盤接口、LCD顯示器和編寫的程序來(lái)共同完成。系統(tǒng)先進(jìn)行初始化后，單片機(jī)進(jìn)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(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能，然后通過傅里葉算法進(jìn)行計(jì)算參數(shù)。根據(jù)采樣得到的馬達(dá)的電流值等參數(shù)判斷此時(shí)馬達(dá)是否處于運(yùn)行狀態(tài)，若此時(shí)馬達(dá)已經(jīng)開始運(yùn)行，就進(jìn)入保護(hù)子程序。顯示子程序可通過按鍵來(lái)查看當(dāng)前馬達(dá)的電流值;在馬達(dá)正常運(yùn)行時(shí)有按鍵動(dòng)作的情況下，顯示與按鍵功能相應(yīng)的數(shù)值;若發(fā)現(xiàn)馬達(dá)運(yùn)行不正常，則立即識(shí)別故障，根據(jù)故障類型進(jìn)行處理，輸出保護(hù)動(dòng)作并顯示出故障信息并帶有指示燈報(bào)警，接著執(zhí)行相應(yīng)的跳閘環(huán)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的低壓馬達(dá)保護(hù)裝置，是以MSP430單片機(jī)為核心研究設(shè)計(jì)的，由于MSP430單片機(jī)具有豐富的片上外圍模塊，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)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(hù)裝置的可靠性大大提高。其內(nèi)部集成的看門狗定時(shí)器，保證了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。監(jiān)視低壓馬達(dá)故障，此保護(hù)裝置具有精度高、保護(hù)參數(shù)設(shè)定方便簡(jiǎn)單和數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn);可在線調(diào)試和編程等，實(shí)現(xiàn)軟件的在線升級(jí);成本低、性能價(jià)格比高，自適應(yīng)能力很強(qiáng)，動(dòng)作可靠性較高，使得保護(hù)更加靈活完善。實(shí)驗(yàn)經(jīng)編程調(diào)試，對(duì)于出現(xiàn)的常見故障能及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別和處理，適合低壓馬達(dá)保護(hù)的需要。