基于MSP430F149單片機(jī)的智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

閆長財(cái)，閆武林

（天水二一三電器有限公司，甘肅天水741024）

在大規(guī)?，F(xiàn)代化生產(chǎn)中，對電動(dòng)機(jī)既有長時(shí)間連續(xù)工作的要求，也有間隙、變負(fù)荷、變速等各種狀態(tài)運(yùn)行要求和進(jìn)行集中監(jiān)控的要求。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器也向著具有測試、自檢測、故障識別、受控、自處理等智能化功能和要求的方向發(fā)展。單片機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展為電動(dòng)機(jī)保護(hù)的研制提供了新的解決方案?；贛SP430F149單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是一種多功能的智能電機(jī)保護(hù)器，對于電動(dòng)機(jī)的過載、缺相、短路、堵轉(zhuǎn)、過壓、接地／漏電、欠載等造成的故障具有判斷、保護(hù)、報(bào)警、控制等功能。

1 電動(dòng)機(jī)故障分析

電動(dòng)機(jī)的損壞主要是繞組過熱和絕緣性能降低引起的，而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。根據(jù)流經(jīng)繞組的電流，可以把電動(dòng)機(jī)故障形式分為對稱故障和不對稱故障兩類。

對稱故障主要包括過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等。其主要特征為：三相電流仍基本對稱，同時(shí)出現(xiàn)過電流，故障嚴(yán)重程度基本反映過電流程度，因此常用過電流程度判斷此類故障。對于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)，應(yīng)采用速斷跳閘；對于堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)，應(yīng)采用短時(shí)限跳閘；對于過載應(yīng)采用反時(shí)限跳閘，其反時(shí)限特性應(yīng)與電動(dòng)機(jī)的溫升特性相配合。

不平衡故障又可分為非接地性故障和接地性故障兩種。非接地性不對稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運(yùn)行等。其主要特征是三相電流不對稱且出現(xiàn)負(fù)序電流分量。可以用負(fù)序電流分量作為此類故障的判別標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)應(yīng)采用短時(shí)限跳閘或速斷。接地性不對稱故障主要包括單相接地短路和兩相接地短路。其主要特征為三相電流不對稱且出現(xiàn)零序電流分量?？梢杂昧阈螂娏鞣至縼砼袛啻祟惞收?，可采用速斷或短時(shí)限跳閘加以保護(hù)。

由上述分析，過電流、負(fù)序和零序三個(gè)分量的不同分布組合與各故障類型之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系（見表1）。因此，以電流為判據(jù)，將電動(dòng)機(jī)保護(hù)分解為過流、負(fù)序和零序保護(hù)三大類，由此構(gòu)成的綜合電動(dòng)機(jī)保護(hù)可基本覆蓋電動(dòng)機(jī)所有常見的故障類型。此外，還可以通過采集的電壓信號判別過壓和欠壓兩種故障。

表1 電動(dòng)機(jī)故障特征分布表

2 保護(hù)原理

本裝置采用電流繼電器元件作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的判別元件，用帶時(shí)限的速斷保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)。對各類故障的保護(hù)均給予定時(shí)，一旦到達(dá)定時(shí)且滿足動(dòng)作條件時(shí)，定時(shí)器隨即發(fā)出動(dòng)作指令。

2.1 帶時(shí)限的速斷保護(hù)

在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中，起動(dòng)過程的判別非常重要。當(dāng)檢測到線路從無電流狀態(tài)起動(dòng)至超越30%的電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)，起動(dòng)判別元件動(dòng)作。當(dāng)三相電流中任一相電流大于速斷保護(hù)整定值并達(dá)到整定延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作。由裝置自動(dòng)判斷電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程結(jié)束后，自動(dòng)調(diào)整到起動(dòng)后速斷定值，可有效地躲過起動(dòng)瞬間暫態(tài)過程，且不影響保護(hù)的靈敏度。

2.2 過流（堵轉(zhuǎn)）保護(hù)和報(bào)警

為避免起動(dòng)后高過載或堵轉(zhuǎn)時(shí)造成電動(dòng)機(jī)燒毀，當(dāng)電流達(dá)到過電流（堵轉(zhuǎn)）保護(hù)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

2.3 過載保護(hù)和報(bào)警

為避免電動(dòng)機(jī)因長時(shí)間過載發(fā)熱而損壞，過載保護(hù)動(dòng)作條件應(yīng)滿足Iφmax≥115%Ie。其中，Ie為電動(dòng)機(jī)的額定電流定值。當(dāng)滿足條件后，可通過軟件控制選擇由跳閘接點(diǎn)還是輔助跳閘接點(diǎn)輸出跳閘。

2.4 缺相保護(hù)和報(bào)警

為避免電流不平衡或斷相時(shí)造成電動(dòng)機(jī)燒毀，當(dāng)任一相斷電或任意一相的電壓低于斷相保護(hù)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。對具有三相不平衡保護(hù)功能的保護(hù)器，當(dāng)三相的電流不平衡度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

2.5 起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)和報(bào)警

為避免堵轉(zhuǎn)或重載起動(dòng)時(shí)造成起動(dòng)時(shí)間過長，起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)動(dòng)作條件設(shè)定為Iφmax≥Idz。其中，Idz為起動(dòng)時(shí)間到達(dá)時(shí)的過流定值，一般可取額定值的1.1倍。

2.6 接地（漏電）保護(hù)

為防止電動(dòng)機(jī)因外殼接地（漏電）故障造成的損壞，接地（漏電）保護(hù)動(dòng)作條件設(shè)定為：當(dāng)接地（漏電）電流大于設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

2.7 欠載保護(hù)

當(dāng)三相的平均電流與額定電流的百分比達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

2.8 欠壓保護(hù)

當(dāng)外施電壓下降，甚至緩慢下降至設(shè)定的欠壓保護(hù)范圍時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。當(dāng)電壓恢復(fù)至設(shè)定的可恢復(fù)電壓時(shí)，保護(hù)器應(yīng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

2.9 過壓保護(hù)

當(dāng)外施電壓大于設(shè)定的保護(hù)電壓時(shí)，保護(hù)器應(yīng)在動(dòng)作（延時(shí)）設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或在報(bào)警時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

3 硬件結(jié)構(gòu)

該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器以MSP430F149單片機(jī)為核心，其主要的工作流程為：分別通過電壓互感器和電流互感器采集電動(dòng)機(jī)的三相電壓和三相電流信號，經(jīng)電流、電壓變換器及放大部分轉(zhuǎn)化為合適的電平。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成了采樣保持電路和A／D轉(zhuǎn)換電路，因而可直接將電平送入CPU進(jìn)行保持和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)MSP430F149分析處理后做出相應(yīng)的判斷，并對輸出回路發(fā)出動(dòng)作指令，通過繼電器執(zhí)行跳閘，同時(shí)該裝置上的指示燈報(bào)警并指示故障類型。其硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 電流和電壓信號采集電路

采用高性能的電壓互感器SPT204采集三相之間的相電壓信號，采用穿芯電流互感器SCT265采集通過各相的電流及零序電流，并由放大電路轉(zhuǎn)換為合適的電平。

3.2 信號整理電路

采集的電壓信號PT1～PT3直接送到MSP430F149單片機(jī)的A／D通道進(jìn)行采樣保持，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。三相電流信號CT1～CT3及零序電流信號CT0分別有兩路電流信號進(jìn)行差動(dòng)比較。采用Max 4674寬帶4路2：1模擬多路復(fù)用器，這樣每次只有1路信號進(jìn)入MSP430F149單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.3 CPU

采用16bit單片機(jī)MSP430F149作為CPU，它集成了微處理器、60KB Flash存儲器、1KB的RAM、看門狗定時(shí)器和12bit的A／D模塊，結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大。該系列單片機(jī)最為突出的特點(diǎn)是超低功耗。其內(nèi)部2個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而選擇所需運(yùn)行的功能模塊，即采用不同的工作模式。系統(tǒng)中共有1種活動(dòng)模式和5種低功耗模式。采用矢量中斷，將CPU從電動(dòng)機(jī)故障中喚醒只需6ms.這樣，通過合理的編程，即可降低系統(tǒng)功耗，又可以快速響應(yīng)外部事件。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置12路12bit A／D轉(zhuǎn)換模塊，無須外接A／D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有采用邊界掃描技術(shù)的JTAG模塊，可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能，便于在線調(diào)試和程序下載。

3.4 串行時(shí)鐘電路

采用帶報(bào)警串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口的芯片DS1305組成串行時(shí)鐘系統(tǒng)。MSP430F149通過訪問DS1305中的RAM實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)置和時(shí)間讀取。其串行接口模式（SERMODE）引腳接電源，選擇SPI串行通信。

3.5 指示、報(bào)警及執(zhí)行電路

指示、報(bào)警及執(zhí)行電路包括跳閘輸出、輔助跳閘輸出、報(bào)警指示燈和事故復(fù)位按鈕。由CPU發(fā)出的報(bào)警輸出信號（低電平）可以驅(qū)動(dòng)共陽極的報(bào)警發(fā)光二極管，分別指示各類故障。而輸出的跳閘信號和輔助跳閘信號可以迅速控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

3.6 電源供電電路

該裝置采用24V直流工作電源，選用LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為電壓轉(zhuǎn)換器，為各芯片提供穩(wěn)定的直流3.3V和5V工作電源。

4 軟件設(shè)計(jì)

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，用自檢程序?qū)AM執(zhí)行一個(gè)簡單的交互式0／1測試。通過將一個(gè)AAH、55H模型寫入整個(gè)RAM，將其求反后的RAM值寫入RAM并重新檢查，再清除整個(gè)RAM，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則復(fù)位。然后，判斷電動(dòng)機(jī)是否上電運(yùn)行。若是，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理并自動(dòng)檢測電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不正常，則立即識別故障類型，進(jìn)行故障處理，并顯示故障信息，接著執(zhí)行相應(yīng)的跳閘環(huán)節(jié)，其主程序流程圖如圖2所示。

軟件在Embedded Workbench可視化集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行，使用C430編寫，能提供方便且功能豐富的界面。其C430編譯器提供了C語言的標(biāo)準(zhǔn)特性，并且添加了許多為利用MSP430系列特性而設(shè)計(jì)的擴(kuò)展功能。

圖2 主程序流程圖

5 保護(hù)器特性

（1）保護(hù)特性

反時(shí)限動(dòng)作特性：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間與電流的倍數(shù)成正反比，即過電流的倍數(shù)越大，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間越短，具體的過電流特性如表2所示。

定時(shí)限動(dòng)作特性：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過電流的動(dòng)作時(shí)間是固定的，即從工作電流超出設(shè)定電流的1.2倍開始，到電動(dòng)機(jī)保護(hù)器動(dòng)作跳閘所需的延時(shí)時(shí)間為止。

（2）實(shí)時(shí)顯示和設(shè)置

用戶可根據(jù)需要進(jìn)行保護(hù)功能和參數(shù)的設(shè)定。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示三相電流和負(fù)載率，能查詢各設(shè)定值。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，可顯示故障類型并發(fā)出預(yù)警，且能夠輸出保護(hù)信號并進(jìn)行記憶儲存。

表2 過電流反時(shí)限特性

6 保護(hù)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

保護(hù)器由主體單元和互感器單元兩部分組成。

（1）主體單元：由所有的電子器件和顯示器組成，安裝在門板上或抽屜的面板上，可通過面板上的控制按鈕、LCD顯示屏進(jìn)行控制、監(jiān)視或參數(shù)設(shè)置。

（2）互感器單元：固定在標(biāo)準(zhǔn)35mm卡軌上實(shí)現(xiàn)電流檢測功能。

（3）連接：主體單元通過專用電纜RJ512接口和互感器單元連接。

7 保護(hù)器設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)

（1）無源化：在外接電源不方便的地方，采用該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器就能夠滿足用戶的要求。它的輸出采用微功耗固態(tài)繼電器，從而輕易地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的無源穿芯化。

（2）穿芯式：該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器為穿芯式結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形鐵芯，不受大電流及周圍磁場的影響，具有很好的穩(wěn)定性。其具有大電流回路，穿芯式結(jié)構(gòu)，無需接線，與主回路完全隔離，徹底解決了主電路端子發(fā)熱的問題，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性，也提高了對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性。

（3）完善的保護(hù)功能：由于該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器內(nèi)部設(shè)有最大值和最小值檢測電路，故當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)對稱性故障（如過載、堵轉(zhuǎn)等）時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器就會自動(dòng)檢測出三相電流的最大值，并同設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，會按設(shè)定的動(dòng)作特性脫扣跳閘。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不對稱故障（如斷相、電流不平衡等）時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器會把檢測出的最大值和最小值進(jìn)行相互比較，當(dāng)差值（不平衡度）超過50%時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能在1秒內(nèi)脫扣動(dòng)作，不管是直接斷相，還是變壓器高壓側(cè)斷相，或是多臺電動(dòng)機(jī)并聯(lián)時(shí)共用母線斷相，或是電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部斷相，均能可靠地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

（4）優(yōu)越的保護(hù)性能：該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具有冷態(tài)起動(dòng)延時(shí)時(shí)間長、熱態(tài)過電流動(dòng)作迅捷等特點(diǎn)，對于大慣量或大容量電動(dòng)機(jī)的保護(hù)更具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以完全滿足大慣量電動(dòng)機(jī)（如風(fēng)機(jī)、離心機(jī)等）起動(dòng)時(shí)間長的要求，可使電動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作過程中受到可靠保護(hù)。另外，由于該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的斷相檢測環(huán)節(jié)和過電流檢測環(huán)節(jié)互相獨(dú)立，這樣即使過電流設(shè)定值不當(dāng)，也不會影響斷相保護(hù)功能，不管是輕負(fù)荷、重負(fù)荷時(shí)斷相，還是起動(dòng)前、起動(dòng)時(shí)、運(yùn)行中斷相，其均能在1秒內(nèi)可靠動(dòng)作。

（5）可靠性：由于在設(shè)計(jì)時(shí)采用了無源化穿芯式結(jié)構(gòu)，故該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器工作時(shí)不發(fā)熱，其又與主回路隔離，且輸出接口采用過零關(guān)斷型固態(tài)開關(guān)，不存在機(jī)械磨損或電火花燒蝕現(xiàn)象。其整體采用全封閉結(jié)構(gòu)，既防水又防塵，工藝上選用了優(yōu)質(zhì)的元器件并通過了嚴(yán)格的篩選和老化試驗(yàn)，這使該電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的可靠性得到了有效保證。

8 結(jié)束語

本文介紹的低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器充分利用了MSP430F149單片機(jī)的各種功能，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和保護(hù)，具有成本低、性價(jià)比高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。對初步設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行程序調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測試，其各項(xiàng)保護(hù)功能均達(dá)到了預(yù)期效果，其對出現(xiàn)的各種故障能夠進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地識別和處理。