电机保护控制器的设计

电力系统在各种环境影响下往往会有很多干扰，例如冲击脉冲会瞬间产生数倍于额定电流的电流信号；电缆电线中不可避免的漏电及绝缘失效现象;三相电中相与相之间的短路现象等等。这些电力系统中的异常现象都会对依赖此电力系统工作的电机造成损坏。对此，我们需要在电力系统和电机之间应用一种中间控制器来检测电力系统的电压电流信息，并和已经设定的电机额定电流和电压进行比较判断，从而通过通断来控制电机和电力系统之间的连接，最终达到电力系统异常状态时对电机的保护目的。在这里，可将这种中间控制器称之为电机保护控制器。电机保护控制器拥有独立的电源供电、高精度的采样和检测电路、简单的操作界面和高灵敏度的控制终端。

1  总体方案

电机保护控制器一般可分为四个部分，分别是电源模块、检测模块、CPU和终端。电源模块用于对电机保护控制器提供额定的电压,用于控制器各部分模块的电源供给;检测模块可对电力系统中的模拟信号进行采样，并进行漏电和绝缘检测；CPU可对检测信号作出计算和判断，并发送到终端进行显示和控制；终端的高灵敏度继电器可有效通断电力系统和电机之间的连接，从而在电力系统异常时对电机进行保护。其电机保护控制器的系统结构如图1所示。

2  硬件设计

2.1  电源模块

电源模块由开关电源和5V转3.3V电路两部分组成。开关电源的模块工作原理框图如图2所示。该电源可分别提供±12V、±40V和±﹢5V三种直流电压，前两种电压用于给检测模块供电，后一种电压用于转换3.3V电压，并用于给CPU供电。

因为CPU的额定工作电压需要精确的3.3V电压，所以，在开关电源提供5V电压的基础上，还需要通过芯片产生3.3V电压，以用于CPU的供电。本设计采用AMS1117芯片来进行5V到3.3V电压的转换，其具体电路如图3所示。

2.2  检测模块

检测模块主要完成对电压信号的采样以及对电压幅值的判断，并将判断信息送入CPU进行处理。检测模块的信息采样精度和灵敏度对于后续CPU的信息处理以及整个系统的灵敏度都有着至关重要的作用。

采样系统的模块框图如图4所示。市电通过变压器隔离后可对电压进行分压,故可取设定的额定电压(例如分压取2V),然后通过100Hz低通滤波器,再经过基于运算放大器的高精度全桥整流将其转换为直流电压，然后通过HCNR200高线性度模拟光电耦合器对模拟电路和数字电路进行隔离传输。此釆样系统可以保证釆样信号的高精确度传输。

HCNR200芯片的典型应用电路如图5所示。

在图1中，改变R₁和R₃的值，就能按照R₁/R₃的比例值进行线性传输，本设计需要进行1:1的线性传输,所以，R₁和R₃都取值为100kΩ。

本设计将采样信号和各检测模块的基准电压信号进行比较，再将比较后的信号送入CPU进行处理。

2.3  终端模块

本系统终端由LCD显示、按键输入、继电保护三部分组成。并由LCD显示和按键输入构成人机界面，以显示电机保护控制器的相关信息，(例如是否正常工作、故障原因、解决办法等)。继电保护选用高灵敏度继电器，这样，当CPU输出保护信号时,继电器将以通断方式来保护电机。

3  软件设计

本系统的软件部分主要是控制单片机内部的定时器来对中断引脚进行扫描，然后输入下一级的控制信号。单片机内部通过相应算法对检测信号进行处理。也可以调节内部基准电压信号来改变电机额定工作电压的大小，该方法具有良好的移植性，可满足不同工作环境下的不同需求。由于单片机外接液晶显示器，所以，通过相应算法就可显示相关电路的信息，从而更好的服务于人机操作。

4  结语

本文的电机保护控制器可在保护电机、避免其在异常电力系统中的故障发挥明显的作用。目前，已广泛应用于各种电力环境复杂的电机保护作用中，例如矿井下的各种电机保护。目前，本系统在实际运行中，其工作十分稳定可靠。