摘 要：電動機保護器以ARMLPC2136芯片為主控核心，充分利用LPC2136強大的功能，以采樣電流及采樣電壓為判據(jù)，對電動機是否異常和故障類別進行正確的判斷和處理。介紹該保護器總體設(shè)計方案、采用的保護邏輯、系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)成及特點，并給出軟件工作流程。此保護裝置經(jīng)反復(fù)試驗后投入實際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果，具有良好的市場前景。

    關(guān)鍵詞：電動機保護器;LPC2136;故障檢測

    隨著我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電動機的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常進行的重要保證。因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要。但是在實際使用過程中，由于電網(wǎng)、電動機本身質(zhì)量及工作環(huán)境等多種因素，電動機會出現(xiàn)過壓、欠壓、電流不平衡、欠載及過流等故障，并由此帶來了巨大的經(jīng)濟損失。因此，智能型電動機保護裝置的開發(fā)與研制勢在必行。

    目前多數(shù)電動機保護裝置仍在使用8/16位的單片機，由于此類單片機大部分缺少SPI接口、I2C總線及A/D轉(zhuǎn)換口等功能模塊。如果要進一步提高電動機保護裝置的性能，則需要通過添加相應(yīng)的芯片進行擴展。這無形中增加了系統(tǒng)制造成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時產(chǎn)品的體積將隨著芯片的增加而增加。與此相比，本文采用的ARM單片機由于采用了新型的32 位ARM核處理器，使其在指令系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、調(diào)試技術(shù)、功耗以及性價比等方面遠遠超過了傳統(tǒng)的8/16位單片機。同時ARM單片機在芯片內(nèi)部集成了大量的片內(nèi)外設(shè), 使其功能和可靠性大大提高。

    一、系統(tǒng)功能特點

    本文設(shè)計的智能電動機保護器采用了飛利浦公司生產(chǎn)的嵌入式LPC2136芯片為主控核心。LPC2136屬于ARM7系列處理器，是一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S核微處理器，其體積小、功耗低，性價比高。它使用了0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)，有效地提高了處理器的利用率；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。而Thumb超精簡指令集可以在芯片性能基本不受影響的情況下，使程序代碼減少30%。加上其指令大部分在寄存器中執(zhí)行, 從而進一步提高了系統(tǒng)運算速度。同時其豐富的片上資源，可以很好得滿足用戶的使用要求。

    正是由于本保護器使用了LPC2136芯片，使得本保護裝置在完成傳統(tǒng)保護功能的前提下，還具有以下特點：

系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以對電動機的電壓和電流進行實時跟蹤采樣，快速計算出采樣量的有效值。并根據(jù)有效值和保護值比較結(jié)果，能迅速對電動機工作狀態(tài)和故障類別進行正確的判斷和區(qū)別處理。極大地提高了電動機保護系統(tǒng)的可靠性、速動性。

    先進的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。系統(tǒng)支持MODBUS-RTU總線協(xié)議，具有RS-485遠程通訊接口。通過通訊接口可將保護器與上位機相連，既能實現(xiàn)各個保護單元的資源共享，又可以實現(xiàn)遠程控制和集中控制，從而為電動機構(gòu)筑了有效的保護測控網(wǎng)絡(luò)。

    二、硬件設(shè)計

    本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要分為六個部分：處理器LPC2136、信號采集模塊、顯示模塊、通訊模塊、控制模塊和按鍵模塊。圖1為電動機保護器硬件結(jié)構(gòu)圖。

    (一)信號采集模塊
    一方面，為了及時監(jiān)控電動機的運行狀況，需實時對電動機的電壓和電流進行采樣。同時考慮到電動機多用于環(huán)境惡劣的現(xiàn)場，周圍存在大量的干擾信號。因此，本系統(tǒng)在保護器前端采用了抗干擾性能較強的互感器對電流和電壓信號進行采集。這樣在不影響主回路的情況下即實現(xiàn)了強電與弱電的完全隔離，又進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

    對電流信號，本保護器采用了穿芯式三相電流互感器進行采集。電流互感器為定做產(chǎn)品，需根據(jù)所要保護的電動機額定功率的不同進行選擇。本裝置所選用的互感器比值分別為6.3A:10mA，25A:10mA，100A:10mA，400A:10mA。電流采樣電路如圖2所示。

    其中Ia為電流互感器輸出的二次電流值，+1.65V為基值電壓，IaP為保護通道，IaM為測量通道。因LPC2136集成的A/D轉(zhuǎn)換器電壓工作范圍為0-3.3V，所以必須對電流互感器輸出的二次電流值進行一定的轉(zhuǎn)換。為此，系統(tǒng)采用+1.65V的基準電壓并結(jié)合運放將其轉(zhuǎn)換為0-3.3V之間的電壓信號，然后再將其送至A/D通道。B相電流、C相電流采樣結(jié)構(gòu)與上圖相同。

    對剩余電流的保護，本系統(tǒng)采用了兩種方法。一種方法是直接將三相電流互感器輸出的二次電流值連接到系統(tǒng)內(nèi)部運放，計算電流矢量和。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Ia、Ib、Ic分別為電流互感器輸出的二次電流值，運放則是作為加法器使用。這種方法成本較低，但是準確性不高。另一種方法是需外接一個剩余電流互感器，此種方法檢測的電流靈敏度較高，它是保護器增選功能。

    對電壓信號，本保護器選用了電流型電壓互感器對一路線電壓進行采集。
    其中+1.65V為基值電壓，電流型電壓互感器配比為1:1，原電流值為2mA，二次電流值為2mA。信號經(jīng)運放轉(zhuǎn)換后送入LPC2136的AD通道。基準電壓選擇的原因與電流采樣相同。

    (二)通訊模塊
    本系統(tǒng)具有RS485物理接口，遵循國際標準的MODBUS通訊協(xié)議，可以實現(xiàn)遙控、遙測等功能。通訊部分采用了周立功公司開發(fā)生產(chǎn)的通訊集成模塊RSM3485CHT。該模塊內(nèi)部集成電源隔離、電氣隔離、RS-485收發(fā)器及總線保護器件于一身，具有很好的抗干擾性能。

    LPC2136具有兩個符合16C550工業(yè)標準的通用異步收發(fā)器接口，圖中應(yīng)用了P0.0管腳及P0.1管腳分別與RSM3485CHT模塊的TXD及RXD相連。模塊的A管腳和B管腳分別與外部裝置相連。

    (三)按鍵模塊
    按鍵模塊分為參數(shù)設(shè)置鍵和復(fù)位鍵。其中參數(shù)設(shè)置鍵由上翻、下翻、返回和確認四個鍵組成，通過這些按鍵可以進行面板菜單操作，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。復(fù)位鍵用于故障解除后的復(fù)位或者在緊急停車時使用。圖5為復(fù)位電路圖。

    智能保護器中，電動機數(shù)據(jù)如電動機型號、額定電壓、額定電流、歷史故障、從站地址、主站地址、識別號等，在斷電的情況下應(yīng)保持。因此系統(tǒng)中采用了CAT1025芯片。它將2K 位的串行E2PROM 和用于掉電保護的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集于一體，具有I2C串行接口，支持串行總線協(xié)議。其串行口SCL、SDA分別于LPC2136的P0.2、P0.3相連接。同時，它還兼有復(fù)位功能，其RESET 管腳或者獨立的復(fù)位輸入管腳MR都可以用作手動按鍵復(fù)位輸入。本系統(tǒng)采用了手動復(fù)位。

    三、保護邏輯條件

    本裝置通過對電動機正序電流、負序電流、零序電流，及電壓進行檢測，使其與相應(yīng)的設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果對電動機實施保護動作。系統(tǒng)具體保護邏輯條件：

    (一)電流速斷保護
    對電動機嚴重短路故障包括相間短路和三相短路采用電流速斷保護。如果任一相電流大于速斷電流定值至整定時間，保護就報警或動作。
    其中，IΦmax為相電流最大值，Isd為速斷電流定值，T1為速斷時間定值。

    (二)堵轉(zhuǎn)保護
    電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電流呈上升趨勢，且要求發(fā)生時間很短，為此本系統(tǒng)采用正序短時限保護。當(dāng)任一相電流大于堵轉(zhuǎn)電流定值至整定時限，保護就報警或動作。
   其中，IΦmax為相電流最大值，Idz為堵轉(zhuǎn)電流定值， 為堵轉(zhuǎn)時間定值。

    (三)過負荷保護
    主要防止由過負荷、不對稱過負荷引起、定值斷線等引起的電動機過熱。過負荷保護是在各種運行情況下，建立電動機發(fā)熱模型，為電動機提供保護?？筛鶕?jù)正、負序電動機對電動機熱效應(yīng)的不同，采用正序和負序電流的等效電流 來模擬電動機的發(fā)熱效應(yīng)
    其中，I1為負序電流，I2為正序電流，K1為正序電流發(fā)熱序數(shù)，在起動時間內(nèi)為0.5，起動結(jié)束后為1；K2為負序電流發(fā)熱序數(shù)，一般取為6。
    其中，T為過熱保護動作時間， 為電動機熱積累常數(shù)，Ieq為熱等效電流，Is為保護整定動作電流。    

    (四)負序反時限保護
    負序反時限保護主要針對各類非接地性不對稱故障，包括斷相、匝間短路、相間短路、轉(zhuǎn)子開焊等。其故障主要特征就是會出現(xiàn)較大的負序電流，負序電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生2倍工頻的電流，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱大大增加，危及電動機的安全運行。

    負序反時限保護具有和過負荷保護相似的特性，其運行時間－電流曲線數(shù)學(xué)模型  
    其中T為動作時間，I2為負序電流，IS2為保護整定電流。
    本裝置采用兩段式定時限負序電流保護作為電動機斷相、定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護：
    第一段具有高整定值I21（負序電流Ⅰ段電流定值），短延時T21（負序電流I段時間定值）。
    第二段具有低定值（負序電流Ⅱ段電流定值），長延時T22（負序時間n段時間定值）。