［摘要］文章分析了电机损坏的原因，介绍了一种基于16位单片机80C196KC为控制核心的电机智能监测保护系统的研制，提出了新的故障判据，并给出了部分硬件和软件的设计思想。
［关键词］电机；单片机；智能监测；故障
1 引言
电机在国民经济中起着十分重要的作用，电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等都离不开电机。据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16%，约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。
造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带CPU 的集成电路制作的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护仪十分必要。
随着数字计算机、电子技术、集成电路的迅速发展，用计算机测控系统取代传统测控系统的条件已经成熟。为此，我们详细地分析了电动机的运行和故障情况，采用了一套过载保护的数学模型。在此基础上，使用当前性能、价格比合理的INTEL系列80C196微处理器作CPU，研究开发了具有智能分析能力的电机综合保护装置，本文将主要讨论在研究新型保护装置过程中着重考虑的几个关键技术。
2 系统功能特点
本智能监测电机保护仪能够实现的基本控制功能为：
(1)电机三相电流过载、超限、漏电、不平衡、缺相、接地电阻、电机和环境温度等参数的测定；
(2)各种故障隐患与产生工作故障的智能判断，并在故障发生之前报警或切断系统电源，防止电机损坏和提醒用户及时排除故障；
(3)掉电数据保护、液晶屏幕字符显示等。
其控制核心采用MCS—96系列单片机80C196KC，系统配备有A／D转换接口用于输入电机电流采样、动态液晶显示驱动电路用于显示各种信息、故障数据掉电保护存储电路在系统断电时纪录故障数据、输出接点控制电路、报警控制电路用于退出故障，具有以下优点：
(1)80C196为16位CPU，它有较高的运算速度和功能丰富的指令系统，克服了一般常用单片机存在的数据运算必须通过累加器来实现的瓶颈现象，该系统可以对16位和32位直接进行操作，编程简便、指令简便；
(2)系统中含有8路10位A／D转换器，直接测试精度可以达到0.1%，精度合理经济；
(3)具有16位监视定时器Watchdog(看门狗)，当系统产生软硬件故障时，看门狗定时器将使系统复位，提高了系统的抗干扰能力。由于A／D转换器和看门狗电路与CPU制作在一个芯片上，使系统体积小，适合于在对结构尺寸有限制的场合使用。
(4)为方便查找电机故障原因，观察记录数据必须有掉电数据保护功能，检修时使用电池供电，读取存放在X25045中的记录故障信息，它包括：由于接地电阻超限引起的漏电、线路断路、短路、电流不平衡、开关内温度、接地电阻大小等。
3 故障种类及判据
引起电动机烧毁的主要原因是电流型故障，常见的形式有过载、缺相、电流不平衡、短路、漏电、超限等情况。本保护系统把来自电流采样电路的电流信号经取样滤波转化成电压信号送给A／D模块，A／D模块把模拟信号转化成数字信号送给CPU。单片机同时对三相电流值进行数字处理，任何一种出现故障都会检测出来，保证了处理的准确性。它们各有特点，下面分几部分进行介绍：
3.1 漏电闭锁
漏电闭锁指电缆在停电状态出现漏电故障时，接触器不得闭合，电动机不能起动。漏电闭锁保护采用电压鉴别检测信号，取样电压为：
r＝R0E-U/U (3—1)
式中：U——取样检测电压；
E——驱动电源电压；
R0——回路分压电阻；
r——电网对地绝缘电阻。
通过以上计算，求得r值，由标准确定的漏电阻值为22KΩ(660 V电网)或7KΩ(380 V电网)一旦出现漏电现象，液晶屏幕将显示实际绝缘值。
3.2 缺相和相间电流不平衡
根据电机使用规范，电机三相电流之差与平均值不超过5%。相间不平衡及缺相的计算公式如下：
δ＝(Imax－Imin)*100%IP (3—2)
Imax三相中最大电流Imin三相中最小相电流IP三相平均电流电机的相间不平衡采用反时限动作原理，即δ数越大，动作的时间越短。考虑到电机本身的因素和测量值的误差，δ为10%时开始累加，当δ＞150%时，保护器立即动作，故障记忆显示为缺相，否则故障现象为不平衡。通过计算，当电机一相电流为零即发生缺相时，若其余两相相等但大于零，则δ为150%；当两相不相等，但大于零时，δ＞150%。因此，把缺相判别δ定为150%是合适的。
3.3 短路判别
系统的短路判别采用以下公式；
(Imax／I)≥7I设定 (3—3)
当符合上式条件时，保护器立即动作。
3.4 过载特性数学模型
电机过负荷运行时，由于电机损耗(主要是铜损，与I2成正比)的增加，发热量Q将增加，电机温升提高。分析与实验表明，电机的最终温升随着过载倍数β的增加而增加，保护器的过载特性采用反时限原理，当电机过载时，下式近似成立：
τ∞≈β2τe
式中：τ∞——电机最终温升，K；
β——电机过负荷倍数，即β＝I／Ie；
τe——电机额定运行时的温升，Ke。
根据某些电机实验测得的数据，我们可以得出电机过载倍数β与电机容许过载时间t的关系，即：
式中：t——电机容许过负荷时间；
β——电机过负荷倍数；
α——电机绕组容许温升倍数，一般α＝1.1～1.2。
考虑到电机的实际使用情况，设计时已留有一定裕量，故取α＝1.2，则：
其特性曲线如图3—1所示。
由于电机的工况经常变化，点动现象较多，因此，除了连续过载外，还有可能出现断续过载，热量逐渐积累的问题必须加以考虑。当电机断续过载，且过载倍数不同，其热积累时间按下式计算：
其中：β1——第一次过载倍数；
β2——第二次过载倍数；
t1——第一次过载时间，(s)；
Δt——从第一次过载停止到出现第二次过载的时间间隔，(s)。
总之，过载保护的判据由式(3—6)、(3—7)组成，既防止电机过热烧坏，又保证正常工作而不会频繁断电。
4 软件
本系统的软件系统具有检测电机三相电流，与电流设定值的比较和计算、温度检测、热积累计算、故障预报显示等功能。它不是简单的域值比较，而是分门别类判断电流过大(大于设定值的7倍为短路)、缺相(不平衡电流超过15%)、少量不平衡和超限进行不同的方法处理，以确定是立即报警、关断电机还是等待相应时间后再采取措施，电机短时间过载或电流不平衡并不会影响电机的正常工作。
本系统的软件设计采用模块化结构，便于分析、测试和扩充。
5 硬件设计原理及算法
1)A／D转换器的输出结果可用下式表示(当输入电压为0～5 V时)：
本系统设计中Vref＝4.85 V，在软件程序已经固化好的情况下，有时取样电阻不准确，造成A／D转换的不精确，可以通过调电位器来对A／Ｄ转换值进行微调。
2)测温度的算法如下：
本系统中用普通二极管作为温度传感器，其分辨率为2.19 mV／℃，每个硅二极管压降大概是0.7 V，本系统中共用了4个二极管，其变化系数则为8.76 mV/℃，我们用的A／D转换器是10位的，电源电压是5V，则其每位变化为5／1024(V／位)＝5000／1024(mV／位)，所以每摄氏度变化的单位数为8.76÷(5000／1024)＝1.794单位／℃。经标定其综合精度可以达到±1.5℃，能满足测量要求。
3)检测图5—2中Vain5点电位的高低，由软件来判断电池是否供电，开关断开时，电池不供电，Vain5＝0，由于二极管的存在，外部电源进入不了本回路，系统工作于交流电压下，我们可以通过液晶显示器观察当时工作时的现场故障情况；当交流电停了时，按动开关按钮则有Vain5＝4.5V，电池通过7805稳压块给系统提供电源，我们可以通过软件来查询停电前的故障状态，以便维修。
4)在设定电流调节的电路模块中，通过调节电位器控制Vain7，得到不同的设定值，用于对各种不同功率的电机的控制，调节设定合适的相电流。
6 结论
该系统前期产品已投入到煤矿井下实用，经过对硬件各部分的单独测试，基本上
能
够达到系统所要求的监测精度，使用效果良好，证明该产品设计方案切实可行。该系统运行
稳定，各项指标均符合现场要求，硬件尺寸小且操作简单方便。对本系统进行适当的变换可
进一步推广到其它工业测控、故障诊断以及用于需要按工况要求监测温度、压力、电流和电
压等物理量的场合，所以本系统具有一定的推广价值。
［参考文献］
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