基于AVR單片機(jī)電動機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)

1 故障種類及保護(hù)策略
電動機(jī)的常見故障有：短路、漏電、過電壓、堵轉(zhuǎn)、過載、斷相等。短路故障又分為兩相接地短路、
單相接地短路、兩相短路、三相短路。對于三相對稱性短路故障采用相敏保護(hù)，電動
機(jī)作為感性負(fù)載，在直接啟動時，其功率因數(shù)偏低(cos =0．3～0．5)，當(dāng)線路中出現(xiàn)短路情況時功率
因數(shù)則偏高(eos 一1)。若在檢測電流大小的同時檢測其功率因數(shù)，把電流與功率因數(shù)的乘積作為短
路保護(hù)的動作參數(shù)判據(jù)，即可準(zhǔn)確區(qū)分短路電流和啟動電流。
利用非接地性不對稱故障時的負(fù)序分量電流從小到大來判斷不平衡故障，如三相不平衡故障、
相間短路和斷相等。過載保護(hù)即電動機(jī)長時問處于過載狀態(tài)會引起電動機(jī)繞組過熱，極易導(dǎo)致匝問短路的發(fā)生。利用電動機(jī)生產(chǎn)廠家提供的熱容曲線進(jìn)行反時限保護(hù)。
漏電故障是利用零序電流互感器檢測電動機(jī)的零序分量，即可對電動機(jī)的漏電故障進(jìn)行保護(hù)。
合閘前故障檢測是在送電前，通過對供電線路和供電設(shè)備與大地之間的絕緣電阻進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到該絕緣電阻低于漏電閉鎖整定值時，則進(jìn)行漏電閉鎖保護(hù)。
2 硬件設(shè)計(jì)
本保護(hù)裝置具有在電動機(jī)運(yùn)行時對電機(jī)進(jìn)行參數(shù)測量、故障保護(hù)、控制、遠(yuǎn)程通訊、故障信息的
存儲及查詢等功能。保護(hù)裝置通過傳感器對主回路的三相電壓、三相電流、零序電流等模擬信號進(jìn)
行檢測，通過單片機(jī)的運(yùn)算，判斷是否出現(xiàn)故障，若有故障發(fā)生能夠迅速切斷供電并及時報警顯示各
種故障信息。系統(tǒng)硬件如圖1所示。

由圖1可以看出，硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：
(1)單片機(jī)部分 本設(shè)計(jì)主單片機(jī)選用AVR系列ATmega128，AVR是8位單片機(jī)中的第1個真
正的精簡指令集(RISC結(jié)構(gòu))單片機(jī)，ATmega128在AVR單片機(jī)中具有性能好、性價比高、使用方便
功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。具有128K Flash；4K E PROM；4K SRAM；53個I／O口；34個中斷源；2個16位定
時器、2個8位定時器；自帶SPI、TwI通信接口；2個串行通訊接口；硬件乘法器；8路PWM；8路10位
A／D通道。ATmega128單片機(jī)內(nèi)部的這些資源完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
(2)模擬量采樣處理單元采用高性能電壓互感器采集三相之間的相電壓信號，穿心電流互感器
采集通過各相的電流及零序電流，并由放大電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓范圍，信號經(jīng)過調(diào)理濾波后進(jìn)行
A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)人單片機(jī)。單片機(jī)ATmega128對電壓信號進(jìn)行分析計(jì)算以正確顯示當(dāng)前電網(wǎng)電壓值
并對過電壓、欠電壓故障做出保護(hù)和報警；對三相電流信號進(jìn)行采集、計(jì)算、分析以正確顯示當(dāng)前電
網(wǎng)電流值并對過載、短路、斷相等故障做出保護(hù)和顯示。
(3)鍵盤、顯示接口 由按鍵進(jìn)行整定參數(shù)的
輸入設(shè)定、產(chǎn)品信息和故障信息的查詢、時間參數(shù)的設(shè)定；保護(hù)裝置的運(yùn)行參數(shù)、實(shí)時時問以及當(dāng)發(fā)
生故障時的故障信息采用128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊LCM12864ZK進(jìn)行中文、字符和圖
形顯示，直觀方便。
(4)實(shí)時時鐘單元采用DALLAS公司生產(chǎn)的
SPI接口時鐘芯片DS1305作為保護(hù)器的時鐘電路，通過ATmega128對DS1305RAM 的操作實(shí)現(xiàn)時間的
設(shè)置和讀取。
(5)遠(yuǎn)程通訊單元采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離上、下位機(jī)監(jiān)控功能。
(6)故障閉鎖模塊保護(hù)裝置中設(shè)計(jì) 有漏電閉鎖功能，在送電前進(jìn)行檢測，避免送電前的漏電對人體和設(shè)備造成危害。
(7)報警跳閘單元 當(dāng)檢測到故障發(fā)生，輸出單元控制相應(yīng)繼電器動作，實(shí)現(xiàn)跳閘切斷電機(jī)的供電，對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)并伴隨蜂鳴器報警。
3 軟件設(shè)計(jì)
保護(hù)裝置的程序采用C語言編寫，主程序包括系統(tǒng)初始化、開機(jī)界面顯示、合閘前檢測、鍵盤掃描
處理、參數(shù)顯示、故障判斷和遠(yuǎn)程通訊等。初始化程序包括I／O初始化、定時器初始化、中斷初始化、通訊初始化等。電壓，電流交流量的計(jì)算采用了均方根算法，本裝置在一個周期(20 ms)內(nèi)等間隔采
集20個點(diǎn)，并將各組采集量依次進(jìn)行均方根運(yùn)算，即可得到各路交流模擬信號的有效值。為了使人
眼觀察舒服，顯示界面每2 S刷新～次，程序?qū)崟r判斷是否發(fā)生故障，如有故障發(fā)生立即跳閘，顯示故
障信息(故障序號、故障類型、故障時間)并將故障信息存人E PROM中。主程序流程如圖2。

4 結(jié)語
該電動機(jī)智能保護(hù)器是一種智能化、模塊化、高性價比的電動機(jī)保護(hù)裝置，長期實(shí)際運(yùn)行證明該
保護(hù)裝置運(yùn)行穩(wěn)定、保護(hù)動作可靠，人機(jī)操作界面簡單，而且顯示信息豐富，具有很大的市場應(yīng)用前景。