基于单片机的电机保护与软起动控制

张彦来

摘要：本文通过单片机系统循环检测电机是否发生过电流、过电压等故障，实现自检、自诊断、故障参数的记忆、保护参数的整定等多种功能。

关键词：单片机 异步电动机 监视保护装置

软起动器于上世纪80 年代初在国外得到应用，90 年代初引入国内，目前国内生产商较多，但质量水平参差不齐，与国际一线品牌比还有一定的差距。因此，国内软起动产品市场呈现低端过剩、高端不足的局面。有专家指出，如果电机的制造机理短期内不发生革命性的改变，就有软起动器的市场，软起动器未来几年的市场需求将稳定在十几亿的规模。可见，软起动产品具有广阔的市场。

1. 软起动及电机保护的机理

软起动器主要是由串接于电源与被控电机定子之间的三对反并联晶闸管构成，集成控制电路和外围电路。利用晶闸管的电子开关作用，通过微处理器控制晶闸管触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，从而控制电机的输入电压按不同的要求变化，实现软起动，当起动完成后，通过三相旁路接触器将电动机投入电网运行。引起电机烧毁的主要原因是电流型故障，常见的形式有缺相、短路、接地、堵转、过载及三相电流不平衡，等等。电机保护是将电机工作参数与设定值相比较从而判断电机运行状态是否正常， 然后采取相应的保护措施。电机启动前，设定好电机工作参数的上限值或下限值。电机启动后， 保护装置采集电机三相电流和电压。利用合适的算法对采集的电流和电压等工作参数进行处理和计算，得到工作参数的真实值。将实测的电机工作参数与事先设定好的上限值或下限值进行比较、判断，以确定电机工作状态是否正常。

2.软件实现设计

为了提高可靠性，增加了硬件电路组成，由单片机的P3.1与P3.2接24C08作掉电保护控制；由P3.3作欠压保护电路；由P3.7作程序控制复位电路。当电机发生过流时，由P3.6位使继电器跳闸，电动机断电。当过载时，由P3.4位给出报警信号。同时，设有74LS244，用于过载、欠压、欠流、过流与报警信号的显示电路。电机的异常运行，实质上是电机的定子、转子电流严重偏离额定值。电机的定、转子电流增大，势必导致电机损耗加大、温度升高，直至烧毁电机。所以用电机电流的高低控制电机电源的通断可有效地保护电机。该方案包括了电流互感器、控制电路、与非门电路及驱动电路等。电机正常运行时，三相控制电路全部输出高电平。如果电机出现过载、过流的异常时，对应的电流控制电路则输出低电平，从而单片机的“与非门”电路输出高电平，驱动继电器、交流接触器工作，切断电机电源，达到保护电机目的。（如图1）

3.系统硬件设计

软起动器硬件电路可分为主电路和控制电路，控制电路以高性能的AVR 单片机作为核心，集成有检测电路、同步电路、脉冲触发电路、电源电路、键盘和LCD人机交互等外围电路。该设计以最少的器件实现软起动器实用功能，可内置旁路接触器，系统低成本、性能高。

3.1采样电路

该设计对电机的起动、运行、停车等时的参数进行采集，然后进行分析计算和控制。将三相电源线电压UAB、UBC、UCA分别经整流、滤波、分压后送入单片机A/D 端口，作为故障检测、过压及欠压保护、电压显示等的依据；另一方面，产生方波信号，作为触发晶闸管的相控信号。采样电机实时工作电流，经整流、滤波、放大及A/D 转换后送入单片机。此电路准确地反映了主电路中的实时电流，又使控制电路与主电路隔开，既安全又减少了干扰。

3.2晶闸管触发电路

晶闸管的导通由控制极的触发脉冲来控制，由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性，门极触发信号强，可使晶闸管的放大门极均匀导通；信号弱，则局部导通，在门极附近产生热点而损坏器件。该设计采用强触发方式，改善导通时的动态一致性，保证可靠触发。作为该设计的重要内容，此处详细介绍晶闸管的触发过程。单片机检测到软起动器信号时，便对键盘进行扫描，以检测由键盘输入软起动器过程所需要的时间和初始起动的电压。单片机根据输入的起动时间、初始起动电压和同步信号等参数，根据软件程序输出一系列触发脉冲。具体来说，就是由单片机根据输入信号计算出第一个脉冲产生的时刻、每个脉冲持续的时间和相邻两个脉冲之间的时间间隔。电动机正常起动后，会自动输出控制信号接通旁路接触器、短路晶闸管，使三相电全部加到电动机上，然后单片机便会停止产生触发脉冲，从而使电动机投入正常工作状态。该设计采用智能旁路技术，把运行情况分为故障关断、延时旁路、正常旁路3 种模式，通过程序算法根据检测参数智能判定。最大程度保护系统器件，延长使用寿命，突出智能化特性。单片机检测到软停车信号时，先产生一系列触发脉冲开通晶闸管，然后断开旁路接触器，使加在电动机两端的电压缓慢降低，从而实现软停车。以限流起动模式简单介绍移相触发控制算法，软起动器将起动电流作为控制对象。限流起动通过降低电动机端电压，以限制起动电流不超过用户设定的最大值，通过电流环调节起动电流不超过用户设定值，以充分利用降压空间。

4.结语：国内外经历了电动机的热继电器保护器和模拟电子式保护器。由于热继电器保护器功能单一、灵敏度差、资源浪费率大、精度不高、误动作多，而模拟电子型电动机保护器受环境影响大、功能不够全面，因此难以真正的实现智能检测和控制。现代生产机械中，由于自动化生产的需要，对电机的安全运行要求越来越高。因此具有自检、自诊断、故障参数的记忆、保护参数的整定等多种功能的智能保护技术成为电机保护的必然发展方向。智能电机保护系统能准确、灵敏、有效地检测电机的初发故障，实现电机的及时有效保护，保证生产系统安全可靠运行。通过电动机的智能保护， 对提高生产效率和经济效益及节能降耗具有重要的现实意义。