单片机控制的异步电动机综合保护器设计

单片机控制电动机综合保护【摘要】利用单片机系统来实现电动机的过载、短路、断相等常见故障的综合保护。

保护范围比较宽，可对大小不同的电机进行保护，被保护的电机额定电流可自行设计，并可实时显示工作电流和各种故障状态。

【关键词】单片机；保护；过载；断相0 概述在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活起着十分重要的作用。

由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等多种方式。

在不同运行状态下，电动机的发热情况及其所受到的电动机和热力的冲击相差悬殊。

而电动机的经济使用期限正与它所受到的起动次数和持续时间密切相关。

因此，除要求使用人员了解所有有关电动机的运行知识并合理使用外，还应装设相应的保护装置，以确保电动机正常运行。

电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。

用单片机进行控制的电动机操作方便，整定值精确（可数字显示），保护效果好，但价格较模拟控制的电动机价格高。

1 用可编程器件GAL进行保护采用可编程器件GAL取代断相检测中的三个三极管串联。

利用GAL内部编制一个三与门，利用一个电压比较器比较过载电压。

输出信号接到GAL中，利用GAL内部的贴触发器，在GAL内部编制一个十进制计数器。

通过把交流电进行整形，变成一个50Hz的方波。

通过记录电网的频率，来达到过载延时的目的。

通过不同信号的输入，GAL器件可以相应地指示出电机的运行状态：过载、断相、正常运行，但GAL的抗过电压能力差，如果信号采样的输入过大，将会烧掉GAL，不能满足不同的电机的要求。

2 采用CPU为主器件进行保护随着工业自动化的发展，人们对电动机综合保护的要求也越来越严格，以CPU为核心的智能化产品，已经是取代模拟产品的必然趋势。

现在生产电动机综合保护的厂家都在发展单片机为核心的智能化电动机综合保护。

采用传统的电流互感器，把电流互感器采样到的电流信号，经过整流桥整定成直流信号。

电机综合保护器的分析设计发表时间：2012-11-02T10:57:57.530Z 来源：《赤子》2012年第15期供稿作者：徐景宝曹文汇[导读] 根据对电动机各种故障运行情况分析及其相应保护方案的设计，确定了异步电机智能综合保护器的整体结构。

徐景宝曹文汇（黑龙江建龙钢铁有限公司烧结厂，黑龙江双鸭山 155126）摘要：本文通过对电动机运行中可能出现的各种故障的分析，详细的阐述了电动机在运行中可能出现的过载、堵转和起动超时、缺相和相不平衡、接地和短路等故障的特点。

关键词：异步电动机；微处理器；保护器1 异步电机智能综合保护器结构设计根据对电动机各种故障运行情况分析及其相应保护方案的设计，确定了异步电机智能综合保护器的整体结构，见图1。

图1 电机智能综合保护器结构框图智能型电动机保护器是依据电流大小判断电动机的工作状态。

通过互感器CTm将主线路中的电流信号转换成模拟电压信号。

此电压分别送入模拟保护电路、放大器电路和求和电路。

放大器以及求和电路的输出送入单片机的ADC模块，在单片机内部进行A角转换后进行算术运算（根据放大器的输出信号来判断过载、断相、短路故障，根据求和电路输出确定接地故障），算术运算的结果与整定值比较后，根据预设定的保护特性确定保护器的输出状态，直接驱动断路器的执行机构和其他辅助继电器，使断路器动作或输出声音、光信号。

各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并预先存储在EEPROM中，并可在运行可期间随时进行修改。

2 电动机保护方案设计2.1 过载保护方案。

电机过载特性与保护器特性曲线。

电动机的过载保护必须能保护电动机由于过载或启动失败而造成的温度过高。

电动机的过载就是电动机在运行中的过电流，当过电流超过一定时间后会引起电动机过热或损坏。

在给出电动机过载保护方案前，先考虑一下电动机温升的计算。

把电动机看作单纯发热体考虑，其温度上升过程可表示为:即：式中：K-损耗增加倍数；k-电流增加倍数。

单片机控制的三相异步电动机调速系统摘要本文介绍了8位单片机的8031控制的高性能混合式异步电动机调速系统的设计与分析，系统中主电路功率元件采用绝缘栅极双机晶体管（IGBT）模块，IGBT 开关功率高，驱动功率小，由它构成的功率变换器输出电压纹波小，线路简单，是当前最有应用前景的电力电子器件。

变频器为交—直—交电流型，可以在4象限运行。

运用SLE4520集成芯片，通过8031单片机微机控制，生成SPWM脉宽，通过光电耦合驱动IGBT，完成对交流电动机的调速。

整个系统具有过电压，过电流，高次谐波等保护措施。

速度调节由8位单片机完成。

文中给出了有关电路和元器件参数确定的原则与方法。

样机在55KW,1476r/min普通异步电动机上运行，结果表明设计合理，具有良好的动静态特性，可以用于工业控制。

关键字：交流调速； IGBT；笼型异步电动机；单片微型机目录第一章方案的比较与选择 (2)1.1 直流调速系统与交流调速系统 (2)1.2 变频器的基本类型 (3)1.3 主电路功率元件的选择 (4)第二章正弦脉宽调速原理 (5)2.1 SPWM变频调速工作原理 (5)2.2 变频调速的基本控制方式 (6)2.3 SPWM逆变器的工作原理 (8)2.4 SPWM控制模式 (11)2.5SLE4520集成芯片介绍 (13)第三章系统的主电路设计 (19)3.1 主电路的设计 (19)3.2 逆变功率元件与驱动电路的设计 (20)第四章主电路参数的计算 (26)第五章变频器的硬件连接 (28)5.1 系统总体结构 (28)5.2 各部分芯片的自我介绍 (28)5.3 硬件连接 (37)第六章微机控制系统的元件设计 (40)第七章专题讨论 (41)7.1 直接采用面积等效法生产SPWM波 (41)7.2 SPWM波形生成方法 (41)7.3 交流调速系统中的能量反馈控制 (43)参考文献 (45)第一章方案的比较与选择1.1 直流调速系统与交流调速系统1.1.1 直流调速系统直流调速系统在额定转速以下用改变电枢电压的方法调速，在额定转速以上用改变励磁的方法调速。

目录1 方案设计 (1)1.1 设计任务要求 (1)1.2 硬件方案设计 (1)1.3 软件的方案设计 (2)1.4 主要设计的实现原理 (2)2 硬件的设计 (3)2.1 单片机的简介 (3)2.2 STC12C5A60S2单片机的介绍 (3)2.2.1 主要特性 (3)2.2.2 引脚功能 (3)2.2.3 中断系统介绍 (4)2.2.4 定时/计数功能介绍 (5)2.3 显示电路的介绍 (5)2.4 按键部分设计的介绍 (7)2.5 电流检测额度介绍 (8)2.6 零序负序电流检测电路图 (9)2.7 温度检测电路图 (9)3 软件部分设计 (11)3.1 主程序设计流程图流程 (11)3.2 按键程序设计 (13)3.3 电流检测函数流程图 (15)3.4 电压检测函数流程图 (15)3.5 温度提取子程序 (16)3.6 判断执行流程图 (18)参考文献 (19)附录A 系统原理图 (20)附录B 程序代码 (21)附录C 实物照片 (31)1 方案设计1.1 设计任务要求本设计的硬件系统以STCl2C5A60S2单片机为核心，并配以外围电路构成。

考虑到电动机智能保护器的应用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了该保护器的实际需要及抗干扰性能[1]。

1.2 硬件方案设计硬件设计是根本，以整个系统的硬件而言，设计不仅直接影响到系统本身的硬件特性的质量，同时也为软件系统的设计和实现有很大的影响，所以设计时要考虑不仅在硬件电路装置系统的功能要求，同时也考虑到使系统更加简单的软件实现方便的设计。

对于电机对保护本设计要做出如下几点：⑴短路保护，该功能需要单片机检测三路相线上是否有某一路或者三路电流都过大，则证明有一路信号被短路。

⑵堵转保护，当电机堵转时，回路中三个相线的电流为，总电压除以电动机线圈的内阻，此时三相线上的电流都很大。

⑶过热保护，电动机在转动时，如果出现某个地方由于摩擦或者内部导磁率下降，就会导致电动机过热，所以需要对电动机的机身进行温度检测。

一种新型的异步电动机智能保护器
耿大勇
【期刊名称】《电测与仪表》
【年(卷),期】2009(046)007
【摘要】异步电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一,因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用.但是异步电动机因短路、堵转、过载、缺相等故障而烧毁绕组的事故时有发生.因此,安装相应可靠的异步电动机保护装置非常必要.本文提出一种以AT89C51单片机为控制核心的新型异步电动机智能保护器,给出单片机控制系统硬件电路结构图、控制软件框图及其实现方法.本装置可替代传统的电动机保护器,实现对异步电动机有效、及时的保护.
【总页数】4页(P49-52)
【作者】耿大勇
【作者单位】辽宁工业大学,电气工程学院,辽宁,锦州,121001
【正文语种】中文
【中图分类】TM588
【相关文献】
1.一种新型异步电动机综合保护器电路的设计 [J], 龚成龙;鱼瑞文
2.异步电动机智能保护器设计 [J], 李科峰
3.一种新型智能三相电网缺相保护器的研制 [J], 郝昱宇;赵天鹏;田俊峰;谢安利
4.三相异步电动机智能保护器的设计 [J], 范肖肖;万金华
5.三相异步电动机智能保护器的设计 [J], 范肖肖;万金华
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基于单片机控制的三相电机保护器的设计摘要：详细介绍了利用一种单片机控制的三相电机保护器，其最大特点是分析了对常见电机损害情况，制作了综合的保护电路，比较理想地解决了目前电机保护器功能单一的问题。

一．引言电机保护器是最近十多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置。

它集过（轻）载保护、缺相、过（欠）压、堵转、漏电、接地及三相不平衡保护等低压保护于一身，具有保护精度高、节电、动作灵敏、工作安全可靠等优点，是传统热继电器的理想替代产品。

它通常是由电流互感器、比较电路、单片机及出口继电器等几个部分组成。

电流互感器将电动机的电流变化线性地反映至保护器的采样端口，经过整流、滤波等环节后，转换成与电动机电流成正比的直流电压信号，送到相应部分与给定的保护参数进行比较处理，再经单片机回路处理，推动功率回路，使继电器动作。

当电机由于驱动部分过载导致电流增大时，从电流传感器取得的电压信号将增大，此电压值大于保护器的整定值时，过载回路工作，RC延时电路经过一定的（可调）延时，驱动出口继电器动作，使接触器切断主回路。

欠压及缺相保护等功能部分，工作原理基本相同。

三相电机由于电网，负载及电机本身的种种原因，经常发生电机损坏现象。

因此，电机的保护就成了人们长期以来一直关注的问题，目前电机综合保护设备种类很多。

我们是以单片机为核心研制开发了一种具有对电机反转，缺相，漏电，过载，短路等故障的综合检测保护功能的控制电机保护器。

二．硬件设计保护系统框图如图1所示。

单片机是系统的核心。

从降低成本和容易开发的角度来讲，本系统采用AT89S52单片机。

图1：保护系统框图图2：系统电路图2．1相序检测图2中C5，R3，R11，R12输出组成电压取样及相序检测器，L1，L2，L3三端与三相交流电源相连。

在正负相序两种情况下，R12两端电压关系为V+=V-/3.7,其中V+,V-分别表示正负相序时R12两端的电压，正负相序是相对于保护器输出端所标相序而言的。

一种新型的异步电动机微机保护硬件电路设计方案
随着信息化的发展，异步电机的安全性和可靠性受到了越来越多的关注。

特别是由于
异步电动机在许多工业应用中的普遍性，如风力发电，智能制造等，其电子保护和微机控
制几乎是必需的。

因此，研究和开发新型异步电动机微机保护硬件电路设计方案具有重要
的现实意义。

本文针对新型异步电动机微机保护硬件电路设计，运用现阶段先进的技术手段，提出
一种满足高安全性和智能控制的异步电动机微机保护硬件电路设计方案。

方案的核心思想是使用微机系统对异步电机的安全控制，以确保异步电机的正常运行，并建立保护方案，当发生危险时，微机系统可以及时采取相应措施来处理危险，以防止异
步电机发生损坏。

为了确保微机系统的高安全性，本文使用了DSP、单片机、FPGA等先进
的技术，保证系统的安全可靠性。

1. 首先，针对不同的异步电动机驱动器，在多通道的微机系统中，实现异步电动机
参数的监测和控制，确保异步电动机参数的正常运行；
2. 其次，在硬件电路中，使用多核嵌入式DSP来实现对异步电动机参数的识别，以
便及时处理故障；
3. 再次，将微机系统中的信号传输线和微机系统中的信号处理器相连，实现异步电
动机参数的监测和控制，可以有效提高异步电动机的传动质量；
4. 最后，使用单片机和FPGA等技术，实现对微机系统的实时监控，以减少机器的误
操作，并且可以使用网络技术进行远程控制。

本文提出的新型异步电动机微机保护硬件电路设计方案，能有效提高异步电机的安全
性和可靠性，为实现更快捷、更高效的工业应用，奠定了基础。

基于单片机控制的异步电动机节能装置设计为了实现异步电动机的节能控制，可以利用单片机进行智能控制。

下面介绍一种基于单片机控制的异步电动机节能装置设计。

首先，需要了解异步电动机的工作原理以及节能的方式。

异步电动机的转速是通过改变电动机的供电频率来控制的。

当电动机的负载较小时，可以通过降低供电频率来降低电机的转速，从而节省能源。

所以，在节能控制过程中，需要检测电机的负载情况，并根据负载情况动态调整供电频率。

具体实现方式为，使用传感器来检测电动机的负载情况。

传感器可以是电流传感器或者扭矩传感器，用于检测电动机的工作状态。

传感器将检测到的信号传递给单片机进行处理。

单片机可以通过编程实现对电动机的控制。

首先，单片机需要读取传感器的数据，获取电动机的负载情况。

根据负载情况，单片机可以判断电动机当前的工作状态，确定是否需要调整供电频率。

当电动机负载较轻时，单片机可以通过改变PWM（脉冲宽度调制）信号来改变电动机的供电频率，降低电动机的转速，从而实现节能效果。

单片机可以通过改变PWM的占空比来改变电动机的供电频率。

占空比越大，供电频率越高，电动机的转速也就越快；反之，占空比越小，供电频率越低，电动机的转速也就越慢。

单片机还可以通过编程实现对电动机的启停控制。

当单片机检测到电动机处于空转状态或者负载非常轻的情况下，可以通过控制电动机的启停来节省能源。

启停控制可以通过电磁继电器或者开关来实现。

在节能过程中，单片机还可以实现对电动机负载的实时监测和数据记录。

可以通过LCD屏幕或者其他显示设备显示电动机的负载情况和节能效果。

同时，可以将负载和节能数据保存到存储器中，以便后续分析和统计。

总之，基于单片机控制的异步电动机节能装置设计是通过检测电动机负载情况，动态调整供电频率，并实现启停控制和数据记录的智能控制方案。

可以有效地节省能源，提高电动机的运行效率。