摘要：文章介紹了電機保護的一些理論和電機故障檢測方法。使用對稱分量法，基于STM32設(shè)計了一個微機電機保護裝置，可以智能檢測電機工作狀態(tài)，并顯示電機主要的電氣參數(shù)。介紹了裝置的主要硬件組成及各組成部分實現(xiàn)的功能，結(jié)合軟件流程圖，分析了裝置的內(nèi)部運行原理。

引言

　　電機主要實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能，廣泛地應(yīng)用于各種設(shè)備，小到玩具大到飛機、高鐵、造船工業(yè)、電動汽車等，都離不開電動機。電動機的電能轉(zhuǎn)換效率很高，通常能達到70%以上。電動機設(shè)計原理的不同，轉(zhuǎn)換效率、功率還有應(yīng)用場合都會有差異。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國擁有大中型電機2000萬臺以上，每年大約有20萬臺以上電動機因為短路、過載等故障而損壞，大量的人力和物力花費在電機維修上，同時電動機故障會導(dǎo)致工廠停產(chǎn)，甚至?xí)l(fā)一些其它的安全事故。

　　電機保護發(fā)展由以熔斷器、接觸器和熱繼電器構(gòu)成的簡單的過流保護系統(tǒng)^[1-2]到晶體管型，再到集成電路型的電子式保護系統(tǒng)，而現(xiàn)在則是基于微機技術(shù)的電機保護系統(tǒng)，通過一個嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)電機工作狀態(tài)監(jiān)測和保護。電機保護的理論除了常規(guī)的保護理論，還有對稱分量法電動機保護理論^[3]和基于信號處理方法的電機保護理論。常規(guī)的電機保護理論根據(jù)過流保護的基本原理，就是以電流幅值作為故障依據(jù)，從原理上反映對稱故障，對其它不對稱的電機故障無法及時檢測并進行保護^[4]。對稱分量法可以根據(jù)發(fā)生不對稱故障時的電流分量來判斷電動機的故障，電動機電流可以分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，電機的故障類型與電動機的各序電流之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此，這一原理廣泛應(yīng)用于一系列的微機型電機保護裝置中。先進信號處理方法主要是基于以前的電機保護理論，使用更強的微機系統(tǒng)，運用現(xiàn)代的信號處理理論，能夠更快、更準(zhǔn)確地判斷故障并作出反應(yīng)。從電流和電壓中提取有用的電參數(shù)，基于傅立葉變換，通過頻域分析電動機故障，適合處理一些特征性的電機故障，捕捉速度異常的快。而且現(xiàn)在正朝著智能化、數(shù)字化的趨勢發(fā)展。

1 電機保護故障分析

　　電動機燒毀的原因有很多，像電流過載、三相不平衡、負(fù)載荷不均勻等都可能導(dǎo)致電機短路、過負(fù)載斷相等故障。一般將電機的電氣故障分為對稱和不對稱兩類。對稱故障主要包括堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這些故障通常會導(dǎo)致電機過熱燒壞。由于對稱故障的電流變化都很大，因此，這類故障可以通過電流的幅值變化檢測出來。不對稱故障主要是斷相、逆相、相間短路等，不對稱故障不但會造成電機發(fā)熱還會引起負(fù)序效應(yīng)，對電動機的損害更大^[5]。電機保護分為電流速斷保護、過負(fù)荷保護、啟動時間過長保護、堵轉(zhuǎn)保護、零序保護、負(fù)序過流保護、低壓保護、PT斷線保護和過電壓保護。表1列出了電機故障類別和主要特征。

2 關(guān)鍵電氣參數(shù)采樣和處理算法

　　電機保護的核心是算法，首先要采樣一些電流電壓的數(shù)據(jù)，接著通過A/D轉(zhuǎn)換實時地采樣交流模擬信號，再經(jīng)過微機系統(tǒng)對數(shù)字信號進行處理。交流采樣的方法有很多種，各種算法各有優(yōu)缺點。本文系統(tǒng)使用的是均方根算法。

　　兩點采樣算法是基于正弦函數(shù)模型：

　　其中u_k和I_k分別為第k次的電壓采樣值和電流采樣值，N為每周期間隔采樣次數(shù)。同樣的還可以得到有功功率、視在功率以及功率因數(shù)等。

　　為了分析系統(tǒng)的不對稱情況，常把三相分解為對稱分量(正、負(fù)序)及同向的零序分量。正序、負(fù)序和零序可以表示為：

3 電機保護裝置的硬件框架圖

　　電機保護裝置主要測量電機電路中的電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)等電機參數(shù)，對電機參數(shù)通過算法處理，得到三相電流的正序、負(fù)序和零序電流。根據(jù)電流序就可以判斷出電機的故障。本文設(shè)計的系統(tǒng)硬件如圖1，包括電壓、電流及零序電流互感器、前端的信號調(diào)理單元和核心處理控制單元。

　　整個系統(tǒng)的核心處理單元是STM32F407VGT6，STM32F407是32位的ARM處理器，工作頻率可到168MHz，可以滿足大量數(shù)據(jù)處理的要求。內(nèi)部的資源非常豐富，有片內(nèi)AD、串口等。電機保護裝置中主要用到了STM32F407的片內(nèi)AD和串口，鍵盤輸入、電機邏輯控制輸出以及LCD都是使用普通IO口來驅(qū)動。核心處理單元主要完成模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，以及對信號進行處理，并實現(xiàn)電機保護算法，判斷電機工作狀態(tài)，并實時地通過LCD顯示出來。配置電機保護裝置主要通過按鍵輸入，通過按鍵來配置參數(shù)，STM32F407會將配置參數(shù)保存到片內(nèi)的FLASH，每次開機啟動時會重新加載配置參數(shù)。此外，這套系統(tǒng)還支持MODBUS/RTU，可以通過MODBUS主機訪問系統(tǒng)的一些寄存器，這些虛擬的寄存器中存儲了三相的電壓、電流、有功功率及工作狀態(tài)等參數(shù)。并可以通過MODBUS主機來配置一些虛擬的系統(tǒng)寄存器，里面存儲了配置參數(shù)。大大增強了這個裝置的交互能力。

　　第一版電機保護系統(tǒng)可以分為3個模塊，第一個模塊是電流和電壓互感模塊。此模塊提供7路采樣信號，包括3路電壓信號、3路電流信號和1路零序電流信號。主要將一次線圈上的大電流和大電壓變?yōu)槎位芈返牡碗妷汉托‰娏?，方便測量，同時隔離了高壓電路。如圖2為電壓和電流互感器電路。

　　第二部分是主控板部分，如圖3為主控板實物圖，包括上板和下板。第一版的主控板設(shè)計了可以同時保護兩路三相交流電機，下板有2排接線柱，可以連接兩個互感模塊，控制8個繼電器，兩排接口各預(yù)留了一路繼電器。下板包括電源(DC-DC)、繼電器驅(qū)動電路、電壓和電流采樣保持電路。采樣保持電路如圖4，采樣保持電路將互感模塊輸入進來的7路電壓信號由OPA2171放大濾波，調(diào)理到0~2.5V的范圍，由采樣保持電路LF398鎖存，然后通過接線柱連接到上板，將調(diào)理過后的信號輸出到STM32F407。

　　主控板上板包括D-Sub接口、LED狀態(tài)顯示燈、LCD、按鍵擴展接口和核心處理單元STM32F407VGT6。D-sub接口為RS232和RS485通信接口，RS232可以用來下載程序，而RS485為MODBUS-RTU從機接口。如圖5為RS485的接口電路，使用MAX491將電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，可以實現(xiàn)全雙工通信。狀態(tài)顯示燈可以顯示目前兩路電機的工作狀態(tài)，上下各9個燈可以顯示電機的9種故障，第一版程序中只檢測了7種故障燈，另外2個狀態(tài)燈作為備用，還包括1個測試燈和1個電源指示燈。LCD和按鍵擴展接口用于擴展人機交互板。

　　第三部分為鍵盤和LCD人機交互板，主要用來配置參數(shù)，顯示工作狀態(tài)和各相電壓電流參數(shù)。第一版的人機交互板只預(yù)留了接口，沒有進行調(diào)試。

4 電動機保護裝置軟件設(shè)計

　　電機保護軟件部分主要分為三個階段，第一階段是初始化，第二階段是數(shù)據(jù)采集和故障判斷，第三階段是故障處理。電機保護的處理程序首先是對外設(shè)進行初始化，包括IO、LCD、串口、定時器、片內(nèi)AD等，接著從STM32F407VGT6中的片內(nèi)FLASH讀取配置參數(shù)，配置保護裝置的運行參數(shù)。此外通信部分使用到了MODBUS/RTU通信協(xié)議，需要初始化MODBUS從機。然后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中完成數(shù)據(jù)采樣、計算和故障判斷，將各種故障分門別類地進行處理。STM32完成7個交流分量每周期36點信號采樣并計算，在發(fā)生故障時迅速輸出保護控制。主要處理的故障類型為短路、啟動時間長、堵轉(zhuǎn)、負(fù)序過流、零序過流、過負(fù)荷、低壓等，針對不同的故障作出不同的動作，短路直接執(zhí)行速斷，其它的故障會有一定時間延時，根據(jù)故障不同，延時上會有一些差別。整體的軟件流程圖如圖6所示。

5 總結(jié)

　　本文介紹了一個基于STM32的電機保護裝置，通過對三相電機的電壓電流進行采樣，然后將采樣信號分解為對稱分量(正、負(fù)序)及同向的零序分量，使用對稱分量法分析電機的工作狀態(tài)。這套系統(tǒng)實現(xiàn)了人計交互，而且可以與MODBUS主機通信，可以遠程配置和查看工作狀態(tài)，方便了設(shè)備的調(diào)試安裝。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第64頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。