电机是工业生产最常见的电气设备设备之一，它的安全运行直接影响着企业的生产、运行，以煤矿为例，压风机、抽风机、主辅提升机、胶带输送机其核心部件都是大、中型电机，因此设计一个安全可靠、功能齐全的电机保护器是十分必要的。
电机保护器有以下功能。
1．电机的电气基本保护功能
(1)漏电闭锁保护；(2)过、欠压保护；(3)过载保护；(4)短路保护；(5)保护；(6)三相不平衡保护；(7)相序保护。
2．附加的保护功能
除电机的各项电气基本保护功能外，保护器还附有电机过热保护和环境温度过高及过低等保护。
3．其他功能保护器还有如下功能。
(1)故障存储功能，存储具有一定的深度要求。
(2)参数设置功能，参数的设置均有密码支持。根据参数的权重保护器设有三层密码，第一层为用户密码，用户可以进行系统时间、各外部工艺元件的使用维护时间的设定等；第二层为出厂密码，输入此密码可设置电机额定电压／电流、过压／欠压倍数等参数；第三层为专用密码，输入此密码进入故障清除画面，用户可有选择地清除报警纪录；
(3)非停机保护，保护器只报警不停机。
(4)强制启动模式，当保护器工作在强制启动模式下时，即使检测到各类故障，保护器也只报警不停机而继续运作。
(5)通信功能，保护器具有RS-485接口，具有将测量数据实时上传的功能。
根据上述的功能要求，电机保护器的硬件结构如下图所示。
CPU是整个保护器的核心，是目前测控类仪器所必须的，它不仅完成各种信号采集的控制、运算、处理，而且还担负着系统协调其他部件的运行，包括显示、存储、通信等功能、模拟信号主要采集电机工作时的电压量、电流量、相序参数以及漏电信号等，显然，这些量要被数字化的CPU接收，必须通过符合转换要求的A／D转换器。温度信号主要用来测量电机的各部分发热情况，包括电机轴承温度、机身温度等。
开关信号主要是接收外部来的各类开关信号，包括是否允许开机信号、各类继电器的辅助触点返回信号等，为保证信号的可靠性要求，这些开关信号都通过光耦后再送入CPU。
控制输出是CPU根据参数的测量、状态判断后向用户提供只报警不停机、停机信号等各类保护信号。
显示／键盘是人机接口，其主要功能是用于实时显示电机工作参数，各类现场参数的调整等，同时在参数异常而保护后显示详细的报警信息，并可通过键盘可以查询历史故障信息等。
存储器不仅存储系统的参量，如额定电压、额定电流、过欠压的值等，而且对发生的故障进行历史记录，供现场分析使用。
时钟的主要作用不仅记录故障发生的时间，而且可以记录电机的运行时间曲线，为设备的定期维护提供科学的参考。
留有通信接口是目前智能仪器发展的方向之一，使电机保护器的组网成为可能。
下面简单介绍一下主要部分的硬件电路构成。
1．CPU的选择
微处理器是电机保护器的核心，它的性能直接决定了系统的性能。在系统中，我们选用了宏晶科技推出的新一代超强抗干扰／高速低功耗的单片机STC89C58RD+。选择STC89C系列单片机的原因主要有两个：一是性价比高成本低；二是抗干扰能力强。
STC89C58RD+的PLCC管脚如下图所示。
从管脚图上可看出除了增加了4个P4端口外，其余的与AT89S52的PLCC管脚完全兼容，不仅如此，它在指令代码完全兼容传统的8051单片机。当然它还有传统8051所没有的功能特点：如超低功耗、可在系统编程、工作频率范围宽、片上1280字节RAM、禁止ALE输出等。
2．模拟信号的取样
模拟信号的取样主要包括电压信号的采样、电流信号的采样以及相序信号的采样等，各采样的原理图分别如下图所示。
其中电压信号经过变压器变压之后，经过电阻分压、半波整流和电容滤波，送到A/D转换口作为输入；而电流信号由互感器产生，经过半波整流和电容滤波，送到A/D转换口作为输入。两者都有二极管限幅保护电路，当输入电压高于5V时，由于二极管的钳位作用，从而保护单片机I/O口不被损坏。
三相电压经过三相变压器变压后，经过移相网络和电压叠加，再经过桥式整流把交流电压变为直流电压，然后经过电阻网络分压送给A/D转换器。这个电路在三相电压相位为正序和负序的时候电压会有明显的差别，所以在单片机软件中，可以根据送入单片机的电压来判别相序。
3．开关信号的获取
在电机保护系统中，有许多外部触点的通断状态需要输入到CPU中，参与控制和保护。
对于从装置外部引入的触点，为了避免给微机保护系统引入干扰，采用光电耦合器实现电气隔离。电路如下图所示，其中J9外接一个电机运行状态的辅助触点，当电机停机时该触点断开，使开关量输入信号为高电平；当电机运行时该触点闭合，使开关量输入信号为低电平。
4．A/D转换
在本系统中采集的模拟信号有三相电流、电机工作电压、绝缘电阻、相序信号等6个，同时考虑测量的精度和分辨力指标，选用了具有串行接口的11路12位A/D转换器TLC2543作为A/D转换电路。TLC2543与CPU的接口关系图如下图所示。
5．键盘/显示
键盘主要用来设置各种参数，包括电压等级的选择，过压、欠压倍数的设定、环境温度过高、过低保护值的设定，电机的整定电流的设定、电机短路倍数的设定、系统时间的设定、液晶屏幕保护（背光）延时时间的设定、系统三级菜单密码的设置以及强制启动模式的选择等。由于在工业现场，设计的键盘应尽量少，因此，我们一共设计了4各个键，分别为功能键、增量键、减量键和复位建，这里的复位键实际上是系统出了故障后而又排除故障后的解除闭锁键，不按下本复位建，系统仍将无法启动，主要还是从安全的角度考虑，防止现场的误操作。键与CPU的接口因数量较少，我们采用独立式键盘，这里接口图不再给出。
显示电路包括两部分：指示工作和故障状态的LED灯和显示运行数据、故障信息的液晶显示模块。
LED灯指示包括电机运行指示、漏电闭锁指示、过压指示、欠压指示、短路指示、过载指示、缺相指示、逆相指示、三相不平衡指示、环境温度异常指示、环境温度传感器缺损指示、电机过热指示等。LED灯的驱动采用扩展两个串入并出的移位寄存器74HC164，两个74HC164采用片连接方式，因此，只需占用CPU的两个I/O口，一个接移位时钟信号，另一个接第一个74HC164数据输入端，本部分电路较简单，考虑篇幅不再给出。
正常工作时液晶模块显示当前主电机的三相工作电流、工作电压、风机工作电流、电机连续运行时间等参数；在参数进入保护状态时显示各种故障信息等。为提醒现场工作人员，在进入保护状态时，液晶的屏幕保护时间失效，即液晶的背光灯处于常亮状态；而在正常停机和正常工作时，无人按下键盘时间超过设定时间后，液晶模块将进入低功耗状态，即自动关闭背光灯，进入屏幕保护模式；只要再按下任意键，将重新点亮液晶背光灯。
本设计采用金鹏电子有限公司的液晶模块OCMJ5×10B，该液晶模块含有GB231215×15点阵国标一、二级简体汉字和8x8点阵及8×16点阵ASCII字符，可实现文本、图形显示。该模块具有上／下／左／右整屏移动显示屏幕及整屏清除屏幕、光标显示、反白等操作，硬件接口采用REQ/BUSY握手通信协议，简单可靠。
显示电路如下图所示。
本文关键字：电机 电动机-发电机，电子知识资料 - 电动机-发电机
