基于单片机的低压马达保护装置

 因结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，机械特性较好等优点，在国民经济各行业例如钢铁、冶金、石油、化工、煤炭等工业领域的380 V低压系统中，低压马达获得了广泛应用。低压马达经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等切换多种工作方式，环境极为恶劣的条件下，现在的马达很容易损坏，尤其是过载、短路、断相、不平衡等故障出现的频率很高。但由于原有的保护技术落后，其故障烧损情况十分严重，给国民经济带来的损失巨大。无论是从安全还是经济的角度来看，低压马达保护对于生产效率的提高和生产安全的保证等都具有重要意义。因此，研究安全可靠、性能先进的低压马达保护方法与装置，使其既能对马达可能出现的各种故障实施可靠的保护，又能充分发挥马达的过负荷能力，是在生产过程中减小经济损失，提高经济效益必须解决的问题。

1 马达常见故障分析和判定依据

马达的损坏一般是马达受潮或使用日久，绝缘电阻下降，导致流经绕组的电流过大，引起绕组过热而烧坏马达。从机械角度来看，马达故障是轴承损坏和绕组损坏两方面的，造成这两种损坏的原因有很多。从电气角度来看，马达故障可以分为对称故障和非对称故障两大类，这是根据流经绕组的电流来分析的。保证马达保护性能好坏的关键是对马达保护原理的分析，通过研究和对比发现对称分量法来判断故障是否发生及严重程度，能够对马达的三相电流进行详尽的描述分析，准确及时地反映马达的各种故障状况，从而可以为故障诊断和保护提供准确的信息，具有一定的可靠性，且利于计算机控制。

对称故障包括过载、堵转和三相短路等。马达转子处于堵转状态，流经绕组电流很大，发热很严重。其主要特征为三相电流基本对称，但会出现过电流，电流的过流程度基本上可以反映其故障的严重程度，主要是产生一定的机械应力和电流增大引起的热效应使绕组发热甚至烧毁导致马达的损坏，所以可以用过流的程度来判定此类故障。传统保护方式中，过载保护是采用热继电器，根据马达的温升特性模型，有利于分析马达定子的发热特点，充分利用马达的过载能力，来实现优良的反时限过载跳闸保护;对于堵转保护，一旦堵转电流过大，保护装置应及时动作，采用短时限过流保护跳闸，另外还需躲过马达的启动电流，防止误动作;而对于三相短路保护，可使用传统的保护装置如熔断器，断路器或是过电流继电器等来实现常规保护，一旦超过整定值时，应采用速断跳闸来发出保护信号和报警。

不对称故障包括接地性和非接地性两种。根据对称分量法理论，马达发生不对称故障时负载电流会出现零序和负序分量，因此这两种分量的大小可以作为判定不对称故障的依据，而且具有一定的灵敏度。不对称故障对马达的损害不仅仅是电流增加引起的逐渐发热，更重要的是负序效应带来的隐患，若不及时排查故障则可能造成严重后果，所以必须引起高度重视。接地性不对称故障包括单相接地短路和两相接地短路，其主要特征是产生零序电流分量，因此可以检测零序电流分量来判定接地性故障，因此采用零序定时限来加以接地保护。非接地性不对称故障主要包括断相、三相不平衡、相间短路等，其基本特征是三相电流不对称，会出现负序电流分量，所以此类故障可以通过检测其负序电流分量来判定。马达的烧坏以三相不平衡故障率为最高，一般采用负序定时限来加以保护。断相保护也可用热继电器，采用短时限跳闸或速断保护。而相间短路是故障相会出现大电流，危害非常大，所以应采用速断来加以保护。

马达所常见故障与过电流，零序和负序分量的分布情况及保护特性如表1所示，Ie为故障前电流幅值;假设单相接地故障时C相故障，两相接地故障时A，B相故障。

2 采样算法

交流采样有很多种算法，常用的算法有两点采样法、交直流变换法、均方根法和傅里叶算法等，每种算法的速度和精度等优缺点不尽相同。选择研究一种快速而又精确的保护算法，实现故障量的测量、分析和判断，才能使马达保护装置迅速采取保护措施。由于傅里叶算法具有运算精度高、稳定性及滤波效果好等优点，因此该保护装置采用傅里叶算法，实行数字化处理。

傅里叶算法令采样的电流等信号都可以用一个周期函数表示，即f(t)=f(t+kT)，其中T为周期函数的周期，k=0，1，2，…对离散的采样值进行计算，设N为采样数，经采样离散化后可计算出谐波相电流I的实部，虚部Ii=，因此N越大采样精度越高。傅里叶算法本身具有滤波作用，能够滤除直流分量和高次谐波(n=2,3,4 …)。傅里叶算法需要在1个周期内采样N个数据，同步采样就是在一个完整周期内等间隔均匀采样，即采样频率为被测信号频率的N倍。在CPU做实时运算时，每采样一次就要计算一次，并且对前N个采样值进行运算。在运算时对N个采样值都分别乘以不同系数，求和可得电流幅值方根，相位角θ=，即可计算出任意谐波的振幅和相位。其中n=0时为直流分量，n=1时为基波分量，马达保护只需计算出基波的电流分量。但是，故障发生时存在衰减的直流分量，傅里叶算法计算会产生一定量的误差。因此，先进行减法滤波，再采用傅里叶算法处理，能够更好地抑制衰减直流分量的影响。

3 硬件电路设计

该低压马达保护装置以TI公司16位单片机MSP430作为控制核心。它集成了微处理器、60 kB的FLASH存储器、1kR的RAM、12位的A/D模块和看门狗定时器，结构简单，功能强大，具有运算速度快，处理能力强，片内资源丰富，开发环境高效等特点。此外还具有一定的抗干扰能力，监视电动机故障，具有成本低、性价比高、可靠性强的优点。其内部两个不同时钟信号，可以在指令的控制下关闭或打开，从而能够轻易地选择作用于不同的工作模式。片内集成了边界扫描的JTAG调试接口，可以实现核心仿真调试功能，便于在线编程和调试。采用矢量中断时，用中断将单片机从马达故障中唤醒反应很快。这样一旦发生故障，可以对外部请求做出快速响应。

监控电路能够监控电源电压故障和CPU的工作状态，故障时能及时发出复位信号。故障显示和报警电路包括跳闸输出、报警指示灯和故障复位按钮，跳闸信号迅速控制马达的工作状态以实现保护。通讯接口电路采用基于MODBUS协议的RS-485通讯方式与上位机进行通讯，实时传递和记录故障信息，以供测试和监测保护装置的状态，以组网实现遥测、遥控和遥信功能。保护装置的硬件结构电路设计如图1所示。

先分别通过电压和电流互感器采集马达的三相电压和电流信号，经由电流电压变换器及放大转化为合适的电平。装置通过键盘接口能够设定马达的工作参数、保护参数和通信设置参数。利用MSP430内部的A/D转换和采样功能，可直接将电平送到CPU进行保持和转换。转换后的数据经MSP430分析处理后，通过与原设定值进行比较，判断马达是否出现过载、堵转、短路、断相、接地、不平衡等故障。一旦出现故障信号后，单片机将根据故障类型进行延时处理，然后给出信号，通过输出口送至继电器，断开继电器常闭触点，切断马达的控制线路电流，同时指示灯报警并指示故障类型，使马达停止工作，从而达到保护低压马达的目的。

4 软件设计

系统软件是在开发环境下用C语言编写调试完成，采用模块化设计，程序维护方便，运行可靠，包括数据的采样和处理、参数设定、保护子程序、显示子程序等。参数设定模块是设定系统保护参数的，其功能的实现主要由键盘接口、LCD显示器和编写的程序来共同完成。系统先进行初始化后，单片机进行A/D转换，完成采样，采用同步采样多次求得平均值滤波的方法来提高系统的抗干扰性能，然后通过傅里叶算法进行计算参数。根据采样得到的马达的电流值等参数判断此时马达是否处于运行状态，若此时马达已经开始运行，就进入保护子程序。显示子程序可通过按键来查看当前马达的电流值;在马达正常运行时有按键动作的情况下，显示与按键功能相应的数值;若发现马达运行不正常，则立即识别故障，根据故障类型进行处理，输出保护动作并显示出故障信息并带有指示灯报警，接着执行相应的跳闸环节。软件设计主程序流程图如图2所示。

5 结束语

本文所介绍的低压马达保护装置，是以MSP430单片机为核心研究设计的，由于MSP430单片机具有丰富的片上外围模块，大大简化了系统硬件电路的设计，系统的数据处理功能强大，而自带A/D模块能够实现12位精度的模数转换，使保护装置的可靠性大大提高。其内部集成的看门狗定时器，保证了系统的工作稳定。监视低压马达故障，此保护装置具有精度高、保护参数设定方便简单和数字化、智能化、网络化等优点;可在线调试和编程等，实现软件的在线升级;成本低、性能价格比高，自适应能力很强，动作可靠性较高，使得保护更加灵活完善。实验经编程调试，对于出现的常见故障能及时、准确地进行识别和处理，适合低压马达保护的需要。