异步电动机智能保护器设计

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摘要：为了克服传统异步电动机中受环境温度影响误动作次数多、余热滞后动作、功耗大、易热劳损等缺点，采用了对主电路、控制电路和辅助电路进行分析调试的方法，以及对包括主程序、保护程序、液晶程序在内的控制系统进行软件设计，优化了整个硬件电路，很大程度上提升了异步电动机的性能。
关键词：异步电机；晶闸菅；电机保护；触发脉冲

0 引言
随着当今社会的飞速发展，电动机以广泛应用于纺织、化工、石油、冶金等工业部门之中，但常因断相、过载、堵转、短路等原因被烧毁或殃成事故。随着电动机在各行各业的应用领域不断扩大，对电动机的保护也愈来愈受到人们的关注。作为重要的驱动执行机构的电动机来说，其控制技术也越来越受到人们的重视，尤其异步电动机作为应用最广泛的电动机，约占电动机总数的70％，根据统计，通用三相异步电动机每年的耗电量约为全球总发电量的50％，其起动电流高达额定电流的5～10倍，故大中型异步电机在直接起动时会产生很大的冲击电流，不仅对电动机及所拖动的设备造成电气和机械的损伤，而且会造成电网电压下降，影响电网其他电气设备的正常运行。因而存在的问题是既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动时对电网及拖动设备的冲击。
现在工程应用上常见的电动机保护器可分为机械式和电子式两种。机械式主要指双金属片机械式热继电器，热继电器之所以能延用至今，除受传统观念的影响，价格低廉等原因之外，还有其本身固有的反时限保护特性强(动态范围宽)等原因。但也存在着巨大的缺点，如受环境温度影响误动作次数多、余热滞后动作、功耗大、易热劳损等，因为这些缺点现在已逐渐被电子式电动机保护器所替代。电子式保护器是由电子电路组合来完成的，易实施多功能化，具有更宽的反时限动态范围、功率消耗低、调节精度高、耐冲击振动等优势。

1 智能保护器的总体设计方案
系统方案的选择包括了系统硬件方案的选择和软件方案的选择。系统方案的选择非常重要，不仅决定了电动机保护器所能实现的功能，还决定了保护器的功耗、性能以及产品的价格。而由系统方案决定的系统功能特点还必须与被保护的电动机所需要保护功能相一致。下面将对保护器的系统功能特点和系统方案的选择分别进行介绍。
1．1 系统硬件总体方案
根据实际生产过程中三相异步电动机所可能出现的故障，可以确定电动机保护器所需具备的功能。其包括：启动时的过载、堵转的保护，运行中过载的保护，断相的保护，三相不平衡的保护，过压的保护，欠压的保护。
该保护器具有很强的人机交互功能，由于采用了字符型的液晶显示模块，使得用户可以很清楚的了解到电动机的运行状态，以及在故障发生时能够进行相应的故障显示，便于进行故障检修。
同时该保护器还具有键盘输入功能，允许用户对电动机保护器进行自行设定，有利于对电动机进行更加有效的保护，便于查找故障原因。而整个保护器的核心部分就是控制系统电路。电动机的故障判断，故障类型的判别就是由它来确定。同时它还负责控制继电器动作电路进行保护动作。通过软件的设计控制系统可以进行定时限与反时限的保护。
在控制系统电路的选择上，由于Atmel公司的AVR系列单片机具有一系列的优点，所以我采用它作为控制的核心。
在采样电路的选择上，由于采样电路是为控制系统电路提供被保护对象的各种状态参数的电路，为了节约单片机的系统时间，在选择系统的采样方案时选择了可以最大的节约系统时间的直流采样方案。因此在设计采样电路时就必须对电动机的各相分别进行电流与电压的采样。为了保证采样信号的可靠性，在整流之后必须进行滤波，所以采样电路包括整流与滤波两个部分。
在调速电路的选择上，采用星形三相交流调压电路，只要依次给每个晶闸管以不同的脉冲就可以得到所需要的电压实现调速。在显示电路的选择上，由于液晶显示模块具有体积小，功能多等优点，而且液晶显示模块与数码管显示电路相比最大的优点就是除了可以显示数字之外，还可以显示中文字符和其他字母、数字符号。同时还可以自定义汉字和符号。所以选用液晶模块较好。
在键盘方案的选择上，由于用户要通过键盘将各种保护数据输入到保护器中去，从而使得保护器得到各种保护参数来完成保护任务，所以本设计为减小中断处理的时间和外部中断触发，键盘电路采用独立式非编码键盘，软件采用查询式。
1．2 系统软件总体方案
系统的软件方面为了简化程序的设计，在信号的采样方面为了简化程序设计和节省系统时间，采用较简单的直流采样。将液晶显示程序、键盘扫描程序、采样程序以及保护程序分别做成功能子程序，在主程序之中调用这些子程序，以此来实现整个电动机保护器的各项功能，同时也方便以后系统软件功能的升级。

2 智能保护器硬件设计
2．1 智能保护器主电路设计
保护器的主电路一般为三相交流调压电路。它主要通过改变晶闸管的导通角来实现主电路的调压，其框图如图1所示。

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主电路每相采用两个晶闸管反并联或一个双相晶闸管器件，一般当保护器的功率很大时，采用两个独立的晶闸管反并联，当功率不大时，可以采用双相晶闸管；与晶闸管并联的RC网络和非线性压敏电阻是用来做晶闸管的过电压吸收和保护的；交流接触器KM作为晶闸管的旁路开关，在电动机起动后，可以将晶闸管旁路，避免由晶闸管接通电源而产生的通态损耗；JR为热继电器，为电动机提供过载或缺项保护；TV为线路电源电压互感器，此信号送到控制检测，以实现电动机的过电压和欠压保护；TA为电流互感器，经TA衰减并隔离的电动机绕组电流线号送至控制电流处理，便于控制电路对启动电流的监控，并实现限电流起动、过电流保护等功能；三相同步变压器通过不同的连接方式，可以按照三相交流调压电路的控制规律要求，为晶闸管的移相触发电路提供同步信号；移相晶闸管的导通，实现主电路的正常调压工作。触发角指令是用0～5 V模拟电压信号给定的，当模拟电压信号为0 V时，晶闸管的移相触发角对应为180°，此时输出电压最低；而当模拟电压指令为5 V时，晶闸管的移相触发角为0°，此时输出电压最大。
2．2 智能保护器控制电路设计
在确定系统的整体方案之后，就要开始着手进行系统硬件。硬件电路是整个电动机保护器的基础，各项保护功能都必须通过这些硬件电路来实现。同时硬件电路还用来实现保护器的其他功能如显示、参数设定等，电路如图2～图4所示。

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2．3 采样电路
由于方案选择时，所选的采样方案为直流采样，而电动机的电流、电压信号由电流互感器和电压互感器获得，属于交流信号，所以在将信号送给单片机之前必须将交流信号转换为直流信号。在本次的设计之中由于保护的对象是三相交流电动机所以需要有六路采样信号，即需要六相整流电路，又因为电动机保护器需要单独采样每一相的电流与电压，所以每一相的整流电路都是相互独立的。
电流信号在经过全波整流电路的整流之后，虽然变成了直流电路，但是其幅值仍然是变化的，整流电路只是将处于负半周的电流转换到正半周上来，其幅值不变。所以在整流电路之后还需要加上滤波电路，而这两部分电路可集中在一起进行设计。
采样电路的整流部分在设计电路时，为了能够更好的反映电动机实际的电枢电流的变化，采用了全波整流电路。这样在进行采样时，所得到的电流就是一个连续的电流曲线，可以实时的监控电动机电枢电流的变化。
滤波电路用于滤去整流输出中的纹波，一般由电抗元件组成，可分为电容式输入式和电感输入式。在本设计中采用了较容易实现的电容滤波。滤波电路由两个并联在一起的电容以及串在它们之间的电阻组成。并联在一起的电容起到平波的作用，他们中间的电阻起到限流的作用。采样电路的原理图如图5所示。

2．4 驱动电路的设计
这部分主要用于驱动输出，使继电器吸合或释放来达到控制目的。电路由电阻R57，R58，R60，R61，晶体管VD1～VD2，发光二极管VL24～VL25，继电器K1，K2，开关S1，S2等组成。其中发光二极管用作动作提示，当单片机发出高电阻的驱动信号时，晶体管VD1或VD2导通，从而驱动继电器K1或K2吸合动作，利用其触点控制主电路合闸，同时发光二极管VL24或VL25也会随之变亮；当单片机发出低电平的闭锁信号，VL24或VL25则会随之灭，K1或K2继电器释放，利用其触点信号控制主电路接触器分闸，驱动电路如图6所示。