CN106849012A - 一种基于单片机技术的电动机综合保护器及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动机技术领域，涉及一种基于单片机技术的电动机综合保护器及其保护方法。所述保护器包括，单片机、A/D转换模块、电源模块、电流互感器、电流信号调理模块、变压器、电压信号调理模块、JTAG通讯模块、输入单元、复位单元、继电器、接触器、显示单元。所述保护方法设定了短路、过载、过压、欠压保护策略。根据软件设定的保护策略，当实际值与设定值偏差超过安全范围时，所述单片机认为所述电动机出现故障，控制切断所述继电器线圈电源。本发明的有益效果为：体积小，成本低，安装简单方便；A/D转换模块转换精度更高；可靠性好；符合人机界面友好化的设计要求。

Description

一种基于单片机技术的电动机综合保护器及其保护方法

技术领域

本发明属于电动机技术领域，涉及一种基于单片机技术的电动机综合保护器及其保护方法。

背景技术

随着中国自动化水平的不断提高，对电动机运行的要求也就越来越高。传统的保护装置多采用分离元件或集成电路组成的电子线路，保护装置的灵敏性和可靠性都不是很高。为满足自动化生产的要求，迫切需要开发和完善电动机的控制和保护装置。因此，开发一种可靠性好、灵敏度高、动作迅速、方便实用的电动机综合保护器具有重要的现实意义。随着电子科学技术的快速发展，应用微处理器设计电动机综合保护器已成为发展的必然趋势。

申请号为CN201310471780.3的中国发明专利公开了一种基于单片机的JDB电动机保护器，包括电流互感器、电压互感器、检测模块、电流整定模块、模数转换模块、单片机、继电器执行模块、无线通讯模块、以太网模块和显示与操作模块；电流互感器，用于实时采集电动机电流信号，并将电流信号发送给检测模块；电压互感器，用于实时采集电动机电压信号，并将电压信号发送给检测模块；检测模块，用于将接收到的电压信号和电流信号进行检测，并生成检测信号发送给单片机；模数转换模块，用于将接收到的检测信号与电流整定模块提供的基准电流值进行比较，并生成数字信号发送给单片机；单片机，用于对接收到的数字信号进行分析处理，并将处理后的数字信号发送给无线通讯模块、以太网模块和显示与操作模块，还生成驱动信号发送给继电器执行模块；电流整定模块，用于向模数转换模块提供基准电流值；显示与操作模块，用于显示单片机发送的信号；还用于实现电动机的人工操作；通讯模块，用于将单片机发送的信号无线传输到控制台；以太网接口，用于将单片机发送的信号通过以太网传输到控制台。

该专利实现了利用单片机技术对电动机进行保护，但是在可靠性、灵敏度等方面仍然不能满足现在的技术要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于单片机技术的电动机综合保护器，包括单片机，A/D转换模块，电源模块，电流互感器，电流信号调理模块，变压器，电压信号调理模块，JTAG通讯模块，输入单元，复位单元，继电器，接触器和显示单元，

所述电流互感器用于实时采集所述电动机的电流信号，并将采集到的所述电流信号送给所述电流信号调理模块；所述电流信号调理模块通过2K精密采样电阻将交流电流信号转成交流电压信号，然后再经精密整流电路以及滤波电路转换成合适的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块；

所述变压器用于实时采集所述电动机的电压信号，并将采集到的所述电压信号送给所述电压信号调理模块；所述电压信号调理模块采用单相桥式整流电路，用于将交流电压信号转换成适合的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块；

所述A/D转换模块用于将模拟信号转换成所述单片机可以识别的数字信号，并且将转换的信号输送给所述单片机；

所述电源模块用于将系统输入的5V电压转换成所述A/D转换模块所需要的±12V电压以及所述单片机所需要的3.3V电压；

所述JTAG通讯模块用于向所述单片机写入程序以及调试所述保护器的功能；

所述输入单元用于在所述单片机上设置电流阀值以及电压阀值；

所述复位单元，用于所述单片机上电复位以及人工复位；

所述单片机，用于获取设定值以及电流、电压的实际值，并将实际电流、电压值与输入单元在所述单片机上设置的电流阀值以及电压阀值设定值进行比较，向所述继电器输出相应的控制信号，并将实际电流、电压以及设置的阀值输出到所述显示单元显示；

所述继电器接受所述单片机发送的控制信号，控制接触器开合；

所述接触器通过所述继电器的控制，开合三相电源和所述电动机的连接，实现对所述电动机的保护。

进一步的，所述继电器的常开触点与所述交流接触器线圈串联。

进一步的，所述电动机的三相电分别与所述接触器三个常开触点串联。

进一步的，所述A/D转换模块采用16位A/D转换芯片。

进一步的，所述A/D转换芯片为AD7656芯片。

进一步的，所述单片机采用STM32F103芯片。

进一步的，所述电流互感器为DL-CT14C。

进一步的，所述显示单元为LCD显示屏。

进一步的，所述LCD显示屏采用TFTLCD显示屏。

进一步的，通过所述保护器对所述电动机保护的方法，所述方法包括：

1.短路保护，所述单片机将接收到的所述电动机的最大电流值与所述电动机的额定电流比较，当满足以下公式(1)时：

(I_max/I_e)＞7 ……(1)

Imax：电动机的最大电流；Ie：电动机的额定电流；

所述单片机确认所述电动机短路，向所述继电器发送短路保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路。

2.过载保护，所述电动机过载倍数与电动机允许过载时间t的近似关系：

t：电动机允许过载时间；β：电动机的过载倍数；α：电动机绕组允许的温升，

当t超出公式(2)的范围时，所述单片机判断为过载，向所述继电器发送过载保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路；

3.欠压保护，当电压满足以下公式(3)时：

U/U_e＜0.8 ......(3)

U：电动机的工作电压；U_e：电动机的额定电压，

所述单片机判断为欠压，向所述继电器发送欠压保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路；

4.过压保护，过压判别公式为：

U/U_e＞1.2 ……(4)

U：电动机的工作电压；U_e：电动机的额定电压，

当满足公式(4)时，所述单片机判断为过压，向所述继电器发送过压保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路。

本发明的有益效果为：

在电压采集模块创新的采用小变压器，价格相对更低，既满足了电压采集要求又节约了成本。A/D转换模块采用16位A/D转换芯片，转换精度更高，该芯片采用正负电压供电，可以采集正负电压，为电压电流采集程序的编写提供了更大的可能性。采用STM32F103单片机，当出现故障时能迅速给出控制信号，切断电源保护电机，可靠性好。另外，CPU可以带操作系统工作，为软件的编写提供了更大的发挥空间。采用TFTLCD显示屏，该屏为触摸屏，除了能实时显示设置的阀值以及实际值，还能用于用户的输入操作，更符合人机界面友好化的设计要求。所述保护器体积小，安装简单方便。

附图说明

图1为所述保护器的结构示意图。

图2为所述继电器的电路示意图。

图3为所述继电器与所述接触器的电路示意图。

图4为所述接触器与所述电动机的电路示意图。

图中：1-单片机，2-A/D转换模块，3-电流信号调理模块，4-电压信号调理模块，5-电流互感器，6-变压器，7-JTAG通讯模块，8-输入单元，9-复位单元，10-继电器，101-继电器线圈，102-二极管，103-三极管，104-继电器常开触点，11-接触器，111-接触器线圈，112-接触器常开触点，12-显示单元，13-电动机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。

实施例一

所述综合保护器，如图1所示，包括单片机1，A/D转换模块2，电源模块(图中未示)，电流互感器5，电流信号调理模块4，变压器6，电压信号调理模块4，JTAG通讯模块7，输入单元8，复位单元9，继电器10，接触器11和显示单元12，

所述电流互感器5用于实时采集所述电动机13的电流信号，并将采集到的所述电流信号送给所述电流信号调理模块3；所述电流信号调理模块3通过2K精密采样电阻将交流电流信号转成交流电压信号，然后再经精密整流电路以及滤波电路转换成合适的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块2；

所述变压器6用于实时采集所述电动机13的电压信号，并将采集到的所述电压信号送给所述电压信号调理模块4；所述电压信号调理模块4采用单相桥式整流电路，用于将交流电压信号转换成适合的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块2；

所述A/D转换模块2用于将模拟信号转换成所述单片机1可以识别的数字信号，并且将转换的信号输送给所述单片机1；

所述电源模块用于将系统输入的5V电压转换成所述A/D转换模块2所需要的±12V电压以及所述单片机1所需要的3.3V电压；

所述JTAG通讯模块7用于向所述单片机1写入程序以及调试所述保护器的功能；

所述输入单元8用于在所述单片机1上设置电流阀值以及电压阀值；

所述复位单元9，用于所述单片机1上电复位以及人工复位；

所述单片机1，用于获取设定值以及电流、电压的实际值，并将实际电流、电压值与输入单元8在所述单片机1上设置的电流阀值以及电压阀值进行比较，向所述继电器10输出相应的控制信号，并将实际电流、电压以及设置的阀值输出到所述显示单元12显示；

所述继电器10接受所述单片机1发送的控制信号，控制所述接触器11开合；

所述接触器11通过所述继电器10的控制，开合三相电源和所述电动机13的连接，实现对所述电动机13的保护。

进一步的，所述继电器10的常开触点104与所述交流接触器线圈111串联。

进一步的，所述电动机13的三相电分别与所述接触器11的三个常开触点112串联。

进一步的，所述A/D转换模块2采用16位A/D转换芯片。

进一步的，所述A/D转换芯片为AD7656芯片。

进一步的，所述单片机1采用STM32F103芯片。

进一步的，所述电流互感器5为DL-CT14C。

进一步的，所述显示单元12为LCD显示屏。

进一步的，所述LCD显示屏采用TFTLCD显示屏。

所述保护器采用所述电流互感器5以及所述变压器6实时采集所述电动机13运行时的电流、电压。所述电流互感器5的二次侧接精密采样电阻，将电流信号转换成电压信号，所述电压信号经精密整流、滤波、运放等信号调理电路转换成直流电压信号送给所述A/D转换模块2。所述变压器6采集到的电压信号经单相桥式整流电路以及分压电路等信号调理电路变成合适的电压送给所述A/D转换模块2。所述A/D转换模块2采用AD7656芯片，所述芯片为16位的模数转换芯片，提高了所述保护器的保护精度。最后将所述A/D转换模块2的数字信号值传送到所述单片机1，所述单片机1将数字信号值与设定值进行比较，输出相应的控制信号到所述继电器10。

进一步的，通过所述保护器对所述电动机13保护的方法，包括：

1.短路保护，当发生短路故障时，应采用快速切断的保护方法，短路判别公式如下所示：

(I_max/I_e)＞7 ……(1)

Imax：电动机的最大电流；Ie：电动机的额定电流。

2.过载保护，过载也会导致电动机电流增大，但是在一定的时间内，电动机是允许处于过载运行状态的，过载电流与允许的运行时间呈反时限特性。当电动机处于过载运行状态时，下式近似成立：

τ_∞＝β²τ_e

τ_∞：电动机最终温升；β：电动机过载倍数；τ_e：电动机额定运行时温升。

通过查阅相关资料，可以得出电动机过载倍数与电动机允许过载时间t的近似关系：

t：电动机允许过载时间；β：电动机的过载倍数；α：电动机绕组允许的温升，通常取α＝1.1～1.2，考虑到一定的安全裕量，本设计中取α＝1.2,则：

3.欠压保护，当电网电压低于电动机额定电压一定范围时，保护器立即动作，欠压的判别公式为：

U/U_e＜0.8 ……(3)

U：电动机的工作电呀；U_e：电动机的额定电压。

4.过压保护：过压判别公式为：

U/U_e＞1.2 ……(4)

U：电动机的工作电呀；U_e：电动机的额定电压。

所述方法设定了短路、过载、过压、欠压保护策略。如图2、图3和图4所示，当实际值与设定值偏差超过安全范围时，所述单片机1认为所述电动机13出现故障，并输出低电平控制信号(默认未发生故障时为高电平信号)，所述低电平信号控制三极管103的关断，从而达到切断所述继电器线圈101电源的目的。所述继电器10的常开触点104串联到所述交流接触器11的线圈111回路中，所述电动机13的三相电分别与所述交流接触器11的三个常开触点112串联。一旦发生故障，所述单片机1输出低电平控制信号，所述继电器线圈101电源被切断，所述继电器10的常开触点104断开，所述交流接触器11的线圈111失电，所述交流接触器11的常开触点112断开，所述电动机13的三相电源被切断，从而达到保护所述电动机13的目的。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单片机技术的电动机综合保护器，包括单片机，A/D转换模块，电源模块，电流互感器，电流信号调理模块，变压器，电压信号调理模块，JTAG通讯模块，输入单元，复位单元，继电器，接触器和显示单元，

所述电流互感器用于实时采集所述电动机的电流信号，并将采集到的所述电流信号送给所述电流信号调理模块；所述电流信号调理模块通过2K精密采样电阻将交流电流信号转成交流电压信号，然后再经精密整流电路以及滤波电路转换成合适的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块；

所述变压器用于实时采集所述电动机的电压信号，并将采集到的所述电压信号送给所述电压信号调理模块；所述电压信号调理模块采用单相桥式整流电路，用于将交流电压信号转换成适合的直流电压信号，并将所述直流电压信号送给所述A/D转换模块；

所述A/D转换模块用于将模拟信号转换成所述单片机可以识别的数字信号，并且将转换的信号输送给所述单片机；

所述电源模块用于将系统输入的5V电压转换成所述A/D转换模块所需要的±12V电压以及所述单片机所需要的3.3V电压；

所述JTAG通讯模块用于向所述单片机写入程序以及调试所述保护器的功能；

所述输入单元用于在所述单片机上设置电流阀值以及电压阀值；

所述复位单元，用于所述单片机上电复位以及人工复位；

所述单片机，用于获取设定值以及电流、电压的实际值，并将实际电流、电压值与输入单元在所述单片机上设置的电流阀值以及电压阀值设定值进行比较，向所述继电器输出相应的控制信号，并将实际电流、电压以及设置的阀值输出到所述显示单元显示；

所述继电器接受所述单片机发送的控制信号，控制接触器开合；

所述接触器通过所述继电器的控制，开合三相电源和所述电动机的连接，实现对所述电动机的保护。

2.根据权利要求1所述的保护器，其特征在于，所述继电器的常开触点与所述交流接触器线圈串联。

3.根据权利要求2所述的保护器，其特征在于，所述电动机的三相电分别与所述接触器三个常开触点串联。

4.根据权利要求1所述的保护器，其特征在于，所述A/D转换模块采用16位A/D转换芯片。

5.根据权利要求4所述的保护器，其特征在于，所述A/D转换芯片为AD7656芯片。

6.根据权利要求1所述的保护器，其特征在于，所述单片机采用STM32F103芯片。

7.根据权利要求1所述的保护器，其特征在于，所述电流互感器为DL-CT14C。

8.根据权利要求1所述的保护器，其特征在于，所述显示单元为LCD显示屏。

9.根据权利要求8所述的保护器，其特征在于，所述LCD显示屏采用TFTLCD显示屏。

10.通过权利要求1所述保护器对所述电动机保护的方法，其特征在于，包括，

1)短路保护：所述单片机将接收到的所述电动机的最大电流值与所述电动机的额定电流比较，当满足以下公式(1)时：

(I_max/I_e)＞7……(1)

Imax：电动机的最大电流；Ie：电动机的额定电流；

所述单片机确认所述电动机短路，向所述继电器发送短路保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路。

2)过载保护：所述电动机过载倍数与电动机允许过载时间t的近似关系：

$t=1500\ln \frac{{\mathrm{\β}}^2-1}{{\mathrm{\β}}^2-\mathrm{\α}}\mathrm{......}\left(2\right)$

t：电动机允许过载时间；β：电动机的过载倍数；α：电动机绕组允许的温升，

当t超出公式(2)的范围时，所述单片机判断为过载，向所述继电器发送过载保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路；

3)欠压保护：当电压满足以下公式(3)时：

U/U_e＜0.8……(3)

U：电动机的工作电压；U_e：电动机的额定电压，

所述单片机判断为欠压，向所述继电器发送欠压保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路；

4)过压保护：过压判别公式为：

U/U_e＞1.2……(4)

U：电动机的工作电压；U_e：电动机的额定电压，

当满足公式(4)时，所述单片机判断为过压，向所述继电器发送过压保护信号，所述继电器控制所述接触器切断电路。