基于单片机和软件保护算法实现电动机智能化故障诊断和保护

1、引 言

三相交流异步电动机因其结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便、机械性能满足大多数生产机械的要求等优点被广泛地应用于各大工厂，已经成为动力设备的主力军，但是由于电动机故障而产生的直接或间接损失也是逐年增加，因此对电动机保护算法研究和保护装置的设计已经越来越受到厂商和专家的关注。目前就电动机的故障种类而言，可分为内部故障与外部故障两种。电动机的常规外部故障保护，无论从理论还是从诊断与保护的实现手段上都比较完善。因此电动机内部故障的诊断与检测是电动机保护的主要研究方向，常见的内部故障可以分为对称和不对称两大类。近年来，这一领域的研究主要在两个方面：一方面是追寻在保护理论上的突破；另一方面是在实现手段上的发展，逐步由常规保护方式向基于先进信号处理的方法和微机保护技术的现代保护方式进化。

本文在分析电动机故障原理的基础上设计了电动机正、负序电流的硬件检测电路，提出了反时限和定时限相结合的软件保护算法，不仅实现了信号处理方法和微机保护技术的有机结合，而且还解决了电动机关闭后智能再启动问题。对广州富利明公司提供的37 kW鼓风电动机进行现场试验，以验证系统的正确性和完备性，并分析和总结了软件算法的优越性以及电动机关闭后智能再启动带来的问题。

2、电动机保护原理分析

根据对称分量法，当电动机发生对称故障时，会出现明显的过流。因此，可以利用过电流检测来实现对称故障的诊断和保护。假设已知不对称三相电流各为IA，IB，IC，电流的正序、负序、零序分量分别为IA+，IA-，IA0（以A相为例）。根据对称分量法，有以下关系：

当电动机正常运行时负序和零序电流没有或很小，一旦出现必然表示出现了故障。因此利用电流中负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性。

2.1 非对称故障保护

对于断相、逆相、定子绕组、相间短路及三相电流等不对称故障，均能引起较大的负序电流，所以将负序过电流保护作为不对称故障的主保护。负序电流滤序器的等效电路如图1所示。为了使滤序器的输出只与负序电流有关，电路的参数选择如下： 。则滤序器的输出电压为：

式（3）表明滤序器输出电压只与负序电流有关。当电动机正常运行，滤序器的输出电压为零，即USC=0。当电动机发生不对称故障时，滤序器输出电压USC≠0，如式（3）所示。因为只有在故障情况下才有负序分量，所以选取合适的电路参数和判断门限，可以使保护的灵敏度得到很大的提高。

2.2 对称性故障保护

对于过载、堵转、三相短路等对称故障，电动机的主要损害是出于电流增大引起的热效应，并且此时系统中只存在正序电流，所以采用正序电流作为保护算法的判断准则。我们知道电动机允许过电流通过时间与其电流值的大小成反比关系，即电流值越大，其允许通过的时间越短。为了充分发挥电动机的效益，又不至于使电动机长时间过热而损坏，本文采用反时限和定时限相结合的过流保护策略。具体保护方式如图2所示。

3、系统硬件实现框图

所设计的基于C8051F005的电动机保护装置的硬件结构如图3所示。

系统主要由单片机、RMS转换电路、电流电压信号转换电路、实时时钟、键盘、液晶显示电路、ModBus通信电路、控制电路、电源等部分组成。CPU采用8位单片机C8051F005，其内部具有8路12位A／D转换器，A／D转换周期可达50 μs。保护装置取电动机的三相电流，然后转换为电压信号，经过滤波及整形电路改善波形、消除直流和高次谐波信号，进入RMS转换电路，得到电压信号的有效值后送人12位A／D转换器。CPU根据当前实时采集的电压数据和用户设定的保护动作的整定值进行比较分析、判断电动机当前的运行状态、是否将发生故障以及发生故障的类型，控制保护动作的输出，同时将发生的故障类型、故障数据记录及故障发生的时间按照ModBus协议规则上传给上位计算机系统。

3.1 RMS转换电路

AD637是一款高精度TRMS／DC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值，其附加误差仅为1％，并且在实际应用中惟一的外部调整元件为平均电容CAV，其影响到求平均值的时间、低频精度、输出波纹水平及输出稳定时间。所以本系统采用AD637有效值检测器将输入的交流电压信号转换为直流电压，然后通过A／D转换器采样得到电动机的电压。电路图如图4所示。

3.2 电机控制电路

本模块的开关执行器件是模块内嵌的固态继电器SSR，有两种方式提供SSR的触发信号。第一种方式由单片机控制，P1.6输出一个控制信号（高电平），激励光电耦合器导通，从而控制固态继电器闭合。第二种方式由外部触发信号Con控制，外部触发信号为直流电压信号，直接加在模块内部的控制继电器线圈的两端，当外部信号存在时，固态继电器闭合，关闭电动机。通过这两种方式可以实现对电动机的实时控制。具体电路图如图5所示。

4 、软件算法设计

软件设计采用模块化设计思想，把系统软件划分为键盘显示、通信、电流采集处理及电机保护算法等模块。

4.1 负序电流软件保护算法

本文根据负序量的特征作为保护的依据，制定出反时限保护特性方程：t2=T2／［（I2／KCM）2-1］。T2为负序保护时间常数；KCM为负序保护动作门槛；I2为负序电流值；t2为出现负序电流后，系统延时多少时间实施保护动作。

对于严重的不平衡故障（反相、断相等），具有高灵敏度KCM，短延时t2，但是为了躲开断路器跳、合闸及其他暂态干扰，根据实际情况，系统选取KCM=1.25。

由于实际供电电源总存在一定不对称，即使在正常运行时，电动机也有一定的负序电流，所以负序保护必须躲过这一不平衡电流。在电动机正常运行及启动过程中，允许三相电压之间有持续性的5％以内的误差，此时测量I2比较小，得到的t2比较大。但是对于三相电源严重不对称的情况，I2将变得比较大，得到的t2比较小，所以为了保证负序电流保护可靠地动作，系统设定了一个参考时间t2′，当t2《t2′时，保护动作才执行。

4.2 速断电流软件保护算法

速断保护也称短路保护。由于电动机在启动时，电机电流会从0增加到额定电流的4～7倍，启动完成后，电机电流会降为其额定电流值的附近。为了在这段时间防止电机发生故障，必须在这段时间单独设定速断保护算法。系统本身设定一个速断定值Ip及电动机启动时间Ts，算法实现如下：

（1） 在100ms内，如果电机电流从0增加到额定电流的2倍以上，系统将自动将速断定值抬高一倍。启动完成后，速断定值自动恢复原值。

（2） 若在100ms内，电机电流超过速断定值的两倍，则速断保护立即执行。

4.3 过流软件保护算法

过流保护主要在电机正常启动后投入使用，主要针对过流、堵转、启动时间过长或者无法启动等故障，根据实际试验，过流定值一般为2～4倍额定电流。考虑到此时电机发热已经比较严重，并且由于电动机本身热积累的缘故，所以采用定时限过流保护算法，即保护时间采用IS／IN=2时所对应的时刻。

4.4 过热软件保护算法

过热保护在电动机正常启动后自动投入使用，主要针对系统过负荷故障设计的。但是为了充分发挥电动机的过载能力，避免频繁启停，所以采用反时限保护措施。

根据介绍电动机热积累模型，本文采用具有反时限特性的过流保护发热模型的动作判据如下式所示：

式中，IN为电机的额定电流，T为电动机发热时间常数。

软件流程图如图6所示。

5、基于本系统的电机保护试验

电动机微机保护系统设计完成后，需要对系统的各项功能进行试验。本系统根据广州富利明公司提供的37 kW鼓风电动机进行了现场试验。

交流电嵌表（型号为CIE-2600）用于测量三相交流电的电流和电压，与所设计系统测得数据进行比较。同时通过增加电路中的负载，可以模拟出各种类型故障，检验各种保护动作和保护算法。对电流的检测结果如表1所示。

从表中数据可以看出，速断动作时间均不大于1 s，负序保护和过热保护时间符合反时限规律，即可以充分发挥电动机的效率，又可以有效地保护电动机。并且保护时间和实际动作时间相差均在±1 s的误差允许范围之内，装置的正确动作率达到了百分之百。

当电机由于故障原因被系统暂停后，只要故障被排除，线路恢复正常，微机会自动重新启动电动机，并且恢复故障前用户设置的系统参数。现场试验证明这样不仅可以解决系统检修后用户再次设置的问题，还可以很好地躲避电源的暂态干扰，不会因为电流的暂时突变而导致电动机停止工作。

6 、结 语

本文根据对称分量法的分析理论，采用了通过检测电动机的负序电流分量判别不对称故障，通过检测正序电流分量判别对称故障的方法，设计了电流检测电路和电机软件保护算法。通过对37 kW鼓风电动机的现场试验证明，该方法能很好地反映电动机常见故障的特征和程度，该软件算法能够进行故障自诊断，从而实现了对电动机智能化故障诊断和保护，并且通过采用智能化的启动方式解决了系统检修后系统参数再设置问题。本系统采用超低功耗的单片机和较少的外围电路检测电动机故障，具有成本低、性价比高、可靠性强、适应性好的特点，应用前景比较广阔。

责任编辑：gt