本發(fā)明屬于電動機技術領域，涉及一種基于單片機技術的電動機綜合保護器及其保護方法。

背景技術：

隨著中國自動化水平的不斷提高，對電動機運行的要求也就越來越高。傳統(tǒng)的保護裝置多采用分離元件或集成電路組成的電子線路，保護裝置的靈敏性和可靠性都不是很高。為滿足自動化生產(chǎn)的要求，迫切需要開發(fā)和完善電動機的控制和保護裝置。因此，開發(fā)一種可靠性好、靈敏度高、動作迅速、方便實用的電動機綜合保護器具有重要的現(xiàn)實意義。隨著電子科學技術的快速發(fā)展，應用微處理器設計電動機綜合保護器已成為發(fā)展的必然趨勢。

申請?zhí)枮镃N201310471780.3的中國發(fā)明專利公開了一種基于單片機的JDB電動機保護器，包括電流互感器、電壓互感器、檢測模塊、電流整定模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機、繼電器執(zhí)行模塊、無線通訊模塊、以太網(wǎng)模塊和顯示與操作模塊；電流互感器，用于實時采集電動機電流信號，并將電流信號發(fā)送給檢測模塊；電壓互感器，用于實時采集電動機電壓信號，并將電壓信號發(fā)送給檢測模塊；檢測模塊，用于將接收到的電壓信號和電流信號進行檢測，并生成檢測信號發(fā)送給單片機；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將接收到的檢測信號與電流整定模塊提供的基準電流值進行比較，并生成數(shù)字信號發(fā)送給單片機；單片機，用于對接收到的數(shù)字信號進行分析處理，并將處理后的數(shù)字信號發(fā)送給無線通訊模塊、以太網(wǎng)模塊和顯示與操作模塊，還生成驅(qū)動信號發(fā)送給繼電器執(zhí)行模塊；電流整定模塊，用于向模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供基準電流值；顯示與操作模塊，用于顯示單片機發(fā)送的信號；還用于實現(xiàn)電動機的人工操作；通訊模塊，用于將單片機發(fā)送的信號無線傳輸?shù)娇刂婆_；以太網(wǎng)接口，用于將單片機發(fā)送的信號通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂婆_。

該專利實現(xiàn)了利用單片機技術對電動機進行保護，但是在可靠性、靈敏度等方面仍然不能滿足現(xiàn)在的技術要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于單片機技術的電動機綜合保護器，包括單片機，A/D轉(zhuǎn)換模塊，電源模塊，電流互感器，電流信號調(diào)理模塊，變壓器，電壓信號調(diào)理模塊，JTAG通訊模塊，輸入單元，復位單元，繼電器，接觸器和顯示單元，

所述電流互感器用于實時采集所述電動機的電流信號，并將采集到的所述電流信號送給所述電流信號調(diào)理模塊；所述電流信號調(diào)理模塊通過2K精密采樣電阻將交流電流信號轉(zhuǎn)成交流電壓信號，然后再經(jīng)精密整流電路以及濾波電路轉(zhuǎn)換成合適的直流電壓信號，并將所述直流電壓信號送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊；

所述變壓器用于實時采集所述電動機的電壓信號，并將采集到的所述電壓信號送給所述電壓信號調(diào)理模塊；所述電壓信號調(diào)理模塊采用單相橋式整流電路，用于將交流電壓信號轉(zhuǎn)換成適合的直流電壓信號，并將所述直流電壓信號送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊；

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成所述單片機可以識別的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的信號輸送給所述單片機；

所述電源模塊用于將系統(tǒng)輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換成所述A/D轉(zhuǎn)換模塊所需要的±12V電壓以及所述單片機所需要的3.3V電壓；

所述JTAG通訊模塊用于向所述單片機寫入程序以及調(diào)試所述保護器的功能；

所述輸入單元用于在所述單片機上設置電流閥值以及電壓閥值；

所述復位單元，用于所述單片機上電復位以及人工復位；

所述單片機，用于獲取設定值以及電流、電壓的實際值，并將實際電流、電壓值與輸入單元在所述單片機上設置的電流閥值以及電壓閥值設定值進行比較，向所述繼電器輸出相應的控制信號，并將實際電流、電壓以及設置的閥值輸出到所述顯示單元顯示；

所述繼電器接受所述單片機發(fā)送的控制信號，控制接觸器開合；

所述接觸器通過所述繼電器的控制，開合三相電源和所述電動機的連接，實現(xiàn)對所述電動機的保護。

進一步的，所述繼電器的常開觸點與所述交流接觸器線圈串聯(lián)。

進一步的，所述電動機的三相電分別與所述接觸器三個常開觸點串聯(lián)。

進一步的，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片。

進一步的，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片為AD7656芯片。

進一步的，所述單片機采用STM32F103芯片。

進一步的，所述電流互感器為DL-CT14C。

進一步的，所述顯示單元為LCD顯示屏。

進一步的，所述LCD顯示屏采用TFTLCD顯示屏。

進一步的，通過所述保護器對所述電動機保護的方法，所述方法包括：

1.短路保護，所述單片機將接收到的所述電動機的最大電流值與所述電動機的額定電流比較，當滿足以下公式(1)時：

(I_max/I_e)＞7 ……(1)

Imax：電動機的最大電流；Ie：電動機的額定電流；

所述單片機確認所述電動機短路，向所述繼電器發(fā)送短路保護信號，所述繼電器控制所述接觸器切斷電路。

2.過載保護，所述電動機過載倍數(shù)與電動機允許過載時間t的近似關系：

t：電動機允許過載時間；β：電動機的過載倍數(shù)；α：電動機繞組允許的溫升，

當t超出公式(2)的范圍時，所述單片機判斷為過載，向所述繼電器發(fā)送過載保護信號，所述繼電器控制所述接觸器切斷電路；

3.欠壓保護，當電壓滿足以下公式(3)時：

U/U_e＜0.8 ......(3)

U：電動機的工作電壓；U_e：電動機的額定電壓，

所述單片機判斷為欠壓，向所述繼電器發(fā)送欠壓保護信號，所述繼電器控制所述接觸器切斷電路；

4.過壓保護，過壓判別公式為：

U/U_e＞1.2 ……(4)

U：電動機的工作電壓；U_e：電動機的額定電壓，

當滿足公式(4)時，所述單片機判斷為過壓，向所述繼電器發(fā)送過壓保護信號，所述繼電器控制所述接觸器切斷電路。

本發(fā)明的有益效果為：

在電壓采集模塊創(chuàng)新的采用小變壓器，價格相對更低，既滿足了電壓采集要求又節(jié)約了成本。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度更高，該芯片采用正負電壓供電，可以采集正負電壓，為電壓電流采集程序的編寫提供了更大的可能性。采用STM32F103單片機，當出現(xiàn)故障時能迅速給出控制信號，切斷電源保護電機，可靠性好。另外，CPU可以帶操作系統(tǒng)工作，為軟件的編寫提供了更大的發(fā)揮空間。采用TFTLCD顯示屏，該屏為觸摸屏，除了能實時顯示設置的閥值以及實際值，還能用于用戶的輸入操作，更符合人機界面友好化的設計要求。所述保護器體積小，安裝簡單方便。

附圖說明

圖1為所述保護器的結構示意圖。

圖2為所述繼電器的電路示意圖。

圖3為所述繼電器與所述接觸器的電路示意圖。

圖4為所述接觸器與所述電動機的電路示意圖。

圖中：1-單片機，2-A/D轉(zhuǎn)換模塊，3-電流信號調(diào)理模塊，4-電壓信號調(diào)理模塊，5-電流互感器，6-變壓器，7-JTAG通訊模塊，8-輸入單元，9-復位單元，10-繼電器，101-繼電器線圈，102-二極管，103-三極管，104-繼電器常開觸點，11-接觸器，111-接觸器線圈，112-接觸器常開觸點，12-顯示單元，13-電動機。

具體實施方式

下面結合說明書附圖和具體實施方式，對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例一

所述綜合保護器，如圖1所示，包括單片機1，A/D轉(zhuǎn)換模塊2，電源模塊(圖中未示)，電流互感器5，電流信號調(diào)理模塊4，變壓器6，電壓信號調(diào)理模塊4，JTAG通訊模塊7，輸入單元8，復位單元9，繼電器10，接觸器11和顯示單元12，

所述電流互感器5用于實時采集所述電動機13的電流信號，并將采集到的所述電流信號送給所述電流信號調(diào)理模塊3；所述電流信號調(diào)理模塊3通過2K精密采樣電阻將交流電流信號轉(zhuǎn)成交流電壓信號，然后再經(jīng)精密整流電路以及濾波電路轉(zhuǎn)換成合適的直流電壓信號，并將所述直流電壓信號送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2；

所述變壓器6用于實時采集所述電動機13的電壓信號，并將采集到的所述電壓信號送給所述電壓信號調(diào)理模塊4；所述電壓信號調(diào)理模塊4采用單相橋式整流電路，用于將交流電壓信號轉(zhuǎn)換成適合的直流電壓信號，并將所述直流電壓信號送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2；

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成所述單片機1可以識別的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的信號輸送給所述單片機1；

所述電源模塊用于將系統(tǒng)輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換成所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2所需要的±12V電壓以及所述單片機1所需要的3.3V電壓；

所述JTAG通訊模塊7用于向所述單片機1寫入程序以及調(diào)試所述保護器的功能；

所述輸入單元8用于在所述單片機1上設置電流閥值以及電壓閥值；

所述復位單元9，用于所述單片機1上電復位以及人工復位；

所述單片機1，用于獲取設定值以及電流、電壓的實際值，并將實際電流、電壓值與輸入單元8在所述單片機1上設置的電流閥值以及電壓閥值進行比較，向所述繼電器10輸出相應的控制信號，并將實際電流、電壓以及設置的閥值輸出到所述顯示單元12顯示；

所述繼電器10接受所述單片機1發(fā)送的控制信號，控制所述接觸器11開合；

所述接觸器11通過所述繼電器10的控制，開合三相電源和所述電動機13的連接，實現(xiàn)對所述電動機13的保護。

進一步的，所述繼電器10的常開觸點104與所述交流接觸器線圈111串聯(lián)。

進一步的，所述電動機13的三相電分別與所述接觸器11的三個常開觸點112串聯(lián)。

進一步的，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片。

進一步的，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片為AD7656芯片。

進一步的，所述單片機1采用STM32F103芯片。

進一步的，所述電流互感器5為DL-CT14C。

進一步的，所述顯示單元12為LCD顯示屏。

進一步的，所述LCD顯示屏采用TFTLCD顯示屏。

所述保護器采用所述電流互感器5以及所述變壓器6實時采集所述電動機13運行時的電流、電壓。所述電流互感器5的二次側接精密采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，所述電壓信號經(jīng)精密整流、濾波、運放等信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成直流電壓信號送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2。所述變壓器6采集到的電壓信號經(jīng)單相橋式整流電路以及分壓電路等信號調(diào)理電路變成合適的電壓送給所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2采用AD7656芯片，所述芯片為16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，提高了所述保護器的保護精度。最后將所述A/D轉(zhuǎn)換模塊2的數(shù)字信號值傳送到所述單片機1，所述單片機1將數(shù)字信號值與設定值進行比較，輸出相應的控制信號到所述繼電器10。

進一步的，通過所述保護器對所述電動機13保護的方法，包括：

1.短路保護，當發(fā)生短路故障時，應采用快速切斷的保護方法，短路判別公式如下所示：

(I_max/I_e)＞7 ……(1)

Imax：電動機的最大電流；Ie：電動機的額定電流。

2.過載保護，過載也會導致電動機電流增大，但是在一定的時間內(nèi)，電動機是允許處于過載運行狀態(tài)的，過載電流與允許的運行時間呈反時限特性。當電動機處于過載運行狀態(tài)時，下式近似成立：

τ_∞＝β²τ_e

τ_∞：電動機最終溫升；β：電動機過載倍數(shù)；τ_e：電動機額定運行時溫升。

通過查閱相關資料，可以得出電動機過載倍數(shù)與電動機允許過載時間t的近似關系：

t：電動機允許過載時間；β：電動機的過載倍數(shù)；α：電動機繞組允許的溫升，通常取α＝1.1～1.2，考慮到一定的安全裕量，本設計中取α＝1.2,則：

3.欠壓保護，當電網(wǎng)電壓低于電動機額定電壓一定范圍時，保護器立即動作，欠壓的判別公式為：

U/U_e＜0.8 ……(3)

U：電動機的工作電呀；U_e：電動機的額定電壓。

4.過壓保護：過壓判別公式為：

U/U_e＞1.2 ……(4)

U：電動機的工作電呀；U_e：電動機的額定電壓。

所述方法設定了短路、過載、過壓、欠壓保護策略。如圖2、圖3和圖4所示，當實際值與設定值偏差超過安全范圍時，所述單片機1認為所述電動機13出現(xiàn)故障，并輸出低電平控制信號(默認未發(fā)生故障時為高電平信號)，所述低電平信號控制三極管103的關斷，從而達到切斷所述繼電器線圈101電源的目的。所述繼電器10的常開觸點104串聯(lián)到所述交流接觸器11的線圈111回路中，所述電動機13的三相電分別與所述交流接觸器11的三個常開觸點112串聯(lián)。一旦發(fā)生故障，所述單片機1輸出低電平控制信號，所述繼電器線圈101電源被切斷，所述繼電器10的常開觸點104斷開，所述交流接觸器11的線圈111失電，所述交流接觸器11的常開觸點112斷開，所述電動機13的三相電源被切斷，從而達到保護所述電動機13的目的。

本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領域技術人員可以想到的任何變形、改進、替換均落入本發(fā)明的保護范圍。