基于AVR单片机电动机智能保护器的设计

1 故障种类及保护策略
电动机的常见故障有：短路、漏电、过电压、堵转、过载、断相等。短路故障又分为两相接地短路、
单相接地短路、两相短路、三相短路。对于三相对称性短路故障采用相敏保护，电动
机作为感性负载，在直接启动时，其功率因数偏低(cos =0．3～0．5)，当线路中出现短路情况时功率
因数则偏高(eos 一1)。若在检测电流大小的同时检测其功率因数，把电流与功率因数的乘积作为短
路保护的动作参数判据，即可准确区分短路电流和启动电流。
利用非接地性不对称故障时的负序分量电流从小到大来判断不平衡故障，如三相不平衡故障、
相间短路和断相等。过载保护即电动机长时问处于过载状态会引起电动机绕组过热，极易导致匝问短路的发生。利用电动机生产厂家提供的热容曲线进行反时限保护。
漏电故障是利用零序电流互感器检测电动机的零序分量，即可对电动机的漏电故障进行保护。
合闸前故障检测是在送电前，通过对供电线路和供电设备与大地之间的绝缘电阻进行检测。当检测到该绝缘电阻低于漏电闭锁整定值时，则进行漏电闭锁保护。
2 硬件设计
本保护装置具有在电动机运行时对电机进行参数测量、故障保护、控制、远程通讯、故障信息的
存储及查询等功能。保护装置通过传感器对主回路的三相电压、三相电流、零序电流等模拟信号进
行检测，通过单片机的运算，判断是否出现故障，若有故障发生能够迅速切断供电并及时报警显示各
种故障信息。系统硬件如图1所示。

由图1可以看出，硬件系统主要由以下几部分构成：
(1)单片机部分 本设计主单片机选用AVR系列ATmega128，AVR是8位单片机中的第1个真
正的精简指令集(RISC结构)单片机，ATmega128在AVR单片机中具有性能好、性价比高、使用方便
功能强大的特点。具有128K Flash；4K E PROM；4K SRAM；53个I／O口；34个中断源；2个16位定
时器、2个8位定时器；自带SPI、TwI通信接口；2个串行通讯接口；硬件乘法器；8路PWM；8路10位
A／D通道。ATmega128单片机内部的这些资源完全满足本系统的设计要求。
(2)模拟量采样处理单元采用高性能电压互感器采集三相之间的相电压信号，穿心电流互感器
采集通过各相的电流及零序电流，并由放大电路转换为合适的电压范围，信号经过调理滤波后进行
A／D转换后进人单片机。单片机ATmega128对电压信号进行分析计算以正确显示当前电网电压值
并对过电压、欠电压故障做出保护和报警；对三相电流信号进行采集、计算、分析以正确显示当前电
网电流值并对过载、短路、断相等故障做出保护和显示。
(3)键盘、显示接口 由按键进行整定参数的
输入设定、产品信息和故障信息的查询、时间参数的设定；保护装置的运行参数、实时时问以及当发
生故障时的故障信息采用128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块LCM12864ZK进行中文、字符和图
形显示，直观方便。
(4)实时时钟单元采用DALLAS公司生产的
SPI接口时钟芯片DS1305作为保护器的时钟电路，通过ATmega128对DS1305RAM 的操作实现时间的
设置和读取。
(5)远程通讯单元采用MAX485芯片实现远距离上、下位机监控功能。
(6)故障闭锁模块保护装置中设计 有漏电闭锁功能，在送电前进行检测，避免送电前的漏电对人体和设备造成危害。
(7)报警跳闸单元 当检测到故障发生，输出单元控制相应继电器动作，实现跳闸切断电机的供电，对电机进行保护并伴随蜂鸣器报警。
3 软件设计
保护装置的程序采用C语言编写，主程序包括系统初始化、开机界面显示、合闸前检测、键盘扫描
处理、参数显示、故障判断和远程通讯等。初始化程序包括I／O初始化、定时器初始化、中断初始化、通讯初始化等。电压，电流交流量的计算采用了均方根算法，本装置在一个周期(20 ms)内等间隔采
集20个点，并将各组采集量依次进行均方根运算，即可得到各路交流模拟信号的有效值。为了使人
眼观察舒服，显示界面每2 S刷新～次，程序实时判断是否发生故障，如有故障发生立即跳闸，显示故
障信息(故障序号、故障类型、故障时间)并将故障信息存人E PROM中。主程序流程如图2。

4 结语
该电动机智能保护器是一种智能化、模块化、高性价比的电动机保护装置，长期实际运行证明该
保护装置运行稳定、保护动作可靠，人机操作界面简单，而且显示信息丰富，具有很大的市场应用前景。