基于STC12C5410 的电动机智能保护研究

2023-11-10轩克辉

现代工业经济和信息化 2023年9期

轩克辉，孙建，李远

（漯河职业技术学院，河南漯河 462000）

0 引言

三相异步电机因其性价比高、结构简单、控制方便等优点，被广泛使用在各行各业中，例如化工行业、石油行业、机械行业、电子信息行业、运输行业等等。据统计，就目前来讲，我国用电设备总容量的75%为电动机，其耗电量也占据总耗电量的70%。每年因使用不当等原因烧毁的电动机大概占电动机总数的16%，维修费超百亿元。在所有的电设备中，电动机故障率最高。不仅如此，随着技术的发展，电动机小型化的趋势也愈加明显，体积变小的同时，随之就会带来新的问题，例如电动机内部电流密度显著增加，这就会使得电动机出现故障的概率更加难以控制，故障所导致的后果也是难以提前预知的。所以，对于电动机安全运行进行研究意义重大，基于此，研究电动机的智能保护方法显得极为重要。本文选取异步电机为研究对象，在对异步电机运行原理与故障特征进行分析的基础上，基于单片机技术对电动机智能保护装置进行研究。

1 异步电机工作原理及故障分析

在接入三相交流电源的情况下，电机的定子绕组会产生旋转磁场，进而会与转子产生相对的切割运动，会使得转子产生感应电流，结合电磁力理论，在电磁转矩的作用下，转子会被驱动旋转，这时，转子上有负载时，就会输出机械能。其能效电路如图1 所示。其中，U1、Lm、R1、X1、R2、X2分别表示定子端电压、电机励磁电抗、定子绕组电阻、定子绕组电抗、转子绕组电阻、转子绕组电抗。

图1 电机等效电路

关于电动机故障方面，常见的故障一般为绕组损坏与轴承损坏。对于绕组损坏的原因主要表现在以下几个方面：一是绝缘装置老化，导致定转子绕组短路；二是供电不稳定，电压波的产生阻碍了电机正常运转；三是电压过低，电机运转不起来，会产生过大的启动电流，进而使得电机产生大量热，会烧坏电机。对于轴承损坏的原因主要表现在以下几个方面：一是负载过大，电机长期过载运行；二是缺少润滑剂；三是环境恶劣。下面结合异步电机工作原理及故障分析，对电动机智能保护装置进行研究。

2 电机智能保护装置硬件设计

在电机智能保护装置硬件设计方面，结合保护装置实际情况及成本考虑，本文选取STC12C5410 单片机作为主控芯片，采用模块化的设计方式，共分为6个模块，其设计的硬件总体架构如图2 所示。

图2 电机保护装置硬件结构

2.1 数据采集模块

在电机运行过程中，需要对电机的运行参数进行实时检测，主要的参数为电机端电压、电流及电机温度三个方面，在将这些参数传输给STC12C5410 之前，需要先进行调理滤波操作。本文设计的数据采样电路模块如图3 所示。

图3 数据采样电路模块

对于电压信号的采集调理单元，其输入为电机三相电压，调理完之后输送给STC12C5410d 的AD 端，其电路结构如图4 所示。先互感后放大，其中，互感调理变比，放大调理变比为=5，串联后总的调理变比为Ku=Ku1Ku2=之后在第二级放大电路中将电压变为1.5 V，满足单片机采集要求。

图4 电压调理电路

图5 电流调理电路

对于电流信号的采集调理单元，其输入为电动机的线电流，调理完之后输送给STC12C5410d 的AD端，其电路结构如下图所示。先互感后放大，其中，互感调理变比放大调理变比为，串联后总的调理变比为处理完之后输送给单片机。

对于温度数据的采集，采用温度传感器LM35A将温度转化为电压信号，然后直接传体给单片机即可，其电路如图6 所示。

图6 温度采集电路

2.2 处理器模块

处理控制器采用STC12C5410d 单片机，结合总体各模块的规划，处理器模块外围设计如图7 所示。

图7 处理器外围

3 电机智能保护系统软件设计

主程序主要目的是对各个模块进行初始化以及对子程序进行调用准备工作，在系统上电之后，先执行复位操作，控制器先将复位向量写进对应的寄存器中，之后控制器从该复位向量执行程序。在进行初始化之后，对按键进行查询，以检测是否有需要更新的参数，如果有则进入参数更新子程序。执行完此步骤后程序进入大的循环体，不断对采集参数进行故障判断，一旦触发故障就会向上位机进行报警，由子程序去进行相应的操作。主程序软件流程图如图8 所示。