摘 要：電動機保護器以ARMLPC2136芯片為主控核心，充分利用LPC2136強大的功能，以采樣電流及采樣電壓為判據，對電動機是否異常和故障類別進行正確的判斷和處理。介紹該保護器總體設計方案、采用的保護邏輯、系統硬件電路的構成及特點，并給出軟件工作流程。此保護裝置經反復試驗后投入實際應用，取得了預期效果，具有良好的市場前景。

    關鍵詞：電動機保護器;LPC2136;故障檢測

    隨著我國電力工業迅猛發展，電動機的使用幾乎滲透到了各行各業，是工業、農業和國防建設及人民生活正常進行的重要保證。因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要。但是在實際使用過程中，由于電網、電動機本身質量及工作環境等多種因素，電動機會出現過壓、欠壓、電流不平衡、欠載及過流等故障，并由此帶來了巨大的經濟損失。因此，智能型電動機保護裝置的開發與研制勢在必行。

    目前多數電動機保護裝置仍在使用8/16位的單片機，由于此類單片機大部分缺少SPI接口、I2C總線及A/D轉換口等功能模塊。如果要進一步提高電動機保護裝置的性能，則需要通過添加相應的芯片進行擴展。這無形中增加了系統制造成本，降低了系統的可靠性，同時產品的體積將隨著芯片的增加而增加。與此相比，本文采用的ARM單片機由于采用了新型的32 位ARM核處理器，使其在指令系統、總線結構、調試技術、功耗以及性價比等方面遠遠超過了傳統的8/16位單片機。同時ARM單片機在芯片內部集成了大量的片內外設, 使其功能和可靠性大大提高。

    一、系統功能特點

    本文設計的智能電動機保護器采用了飛利浦公司生產的嵌入式LPC2136芯片為主控核心。LPC2136屬于ARM7系列處理器，是一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S核微處理器，其體積小、功耗低，性價比高。它使用了0.9MIPS/MHz的三級流水線結構，有效地提高了處理器的利用率；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。而Thumb超精簡指令集可以在芯片性能基本不受影響的情況下，使程序代碼減少30%。加上其指令大部分在寄存器中執行, 從而進一步提高了系統運算速度。同時其豐富的片上資源，可以很好得滿足用戶的使用要求。

    正是由于本保護器使用了LPC2136芯片，使得本保護裝置在完成傳統保護功能的前提下，還具有以下特點：

系統具有強大的數據處理能力，可以對電動機的電壓和電流進行實時跟蹤采樣，快速計算出采樣量的有效值。并根據有效值和保護值比較結果，能迅速對電動機工作狀態和故障類別進行正確的判斷和區別處理。極大地提高了電動機保護系統的可靠性、速動性。

    先進的網絡通訊功能。系統支持MODBUS-RTU總線協議，具有RS-485遠程通訊接口。通過通訊接口可將保護器與上位機相連，既能實現各個保護單元的資源共享，又可以實現遠程控制和集中控制，從而為電動機構筑了有效的保護測控網絡。

    二、硬件設計

    本系統采用模塊化設計，主要分為六個部分：處理器LPC2136、信號采集模塊、顯示模塊、通訊模塊、控制模塊和按鍵模塊。圖1為電動機保護器硬件結構圖。

    (一)信號采集模塊
    一方面，為了及時監控電動機的運行狀況，需實時對電動機的電壓和電流進行采樣。同時考慮到電動機多用于環境惡劣的現場，周圍存在大量的干擾信號。因此，本系統在保護器前端采用了抗干擾性能較強的互感器對電流和電壓信號進行采集。這樣在不影響主回路的情況下即實現了強電與弱電的完全隔離，又進一步提高了系統的可靠性。

    對電流信號，本保護器采用了穿芯式三相電流互感器進行采集。電流互感器為定做產品，需根據所要保護的電動機額定功率的不同進行選擇。本裝置所選用的互感器比值分別為6.3A:10mA，25A:10mA，100A:10mA，400A:10mA。電流采樣電路如圖2所示。

    其中Ia為電流互感器輸出的二次電流值，+1.65V為基值電壓，IaP為保護通道，IaM為測量通道。因LPC2136集成的A/D轉換器電壓工作范圍為0-3.3V，所以必須對電流互感器輸出的二次電流值進行一定的轉換。為此，系統采用+1.65V的基準電壓并結合運放將其轉換為0-3.3V之間的電壓信號，然后再將其送至A/D通道。B相電流、C相電流采樣結構與上圖相同。

    對剩余電流的保護，本系統采用了兩種方法。一種方法是直接將三相電流互感器輸出的二次電流值連接到系統內部運放，計算電流矢量和。其結構如圖3所示。其中Ia、Ib、Ic分別為電流互感器輸出的二次電流值，運放則是作為加法器使用。這種方法成本較低，但是準確性不高。另一種方法是需外接一個剩余電流互感器，此種方法檢測的電流靈敏度較高，它是保護器增選功能。

    對電壓信號，本保護器選用了電流型電壓互感器對一路線電壓進行采集。
    其中+1.65V為基值電壓，電流型電壓互感器配比為1:1，原電流值為2mA，二次電流值為2mA。信號經運放轉換后送入LPC2136的AD通道。基準電壓選擇的原因與電流采樣相同。

    (二)通訊模塊
    本系統具有RS485物理接口，遵循國際標準的MODBUS通訊協議，可以實現遙控、遙測等功能。通訊部分采用了周立功公司開發生產的通訊集成模塊RSM3485CHT。該模塊內部集成電源隔離、電氣隔離、RS-485收發器及總線保護器件于一身，具有很好的抗干擾性能。

    LPC2136具有兩個符合16C550工業標準的通用異步收發器接口，圖中應用了P0.0管腳及P0.1管腳分別與RSM3485CHT模塊的TXD及RXD相連。模塊的A管腳和B管腳分別與外部裝置相連。

    (三)按鍵模塊
    按鍵模塊分為參數設置鍵和復位鍵。其中參數設置鍵由上翻、下翻、返回和確認四個鍵組成，通過這些按鍵可以進行面板菜單操作，實現參數設定。復位鍵用于故障解除后的復位或者在緊急停車時使用。圖5為復位電路圖。

    智能保護器中，電動機數據如電動機型號、額定電壓、額定電流、歷史故障、從站地址、主站地址、識別號等，在斷電的情況下應保持。因此系統中采用了CAT1025芯片。它將2K 位的串行E2PROM 和用于掉電保護的系統電源監控電路集于一體，具有I2C串行接口，支持串行總線協議。其串行口SCL、SDA分別于LPC2136的P0.2、P0.3相連接。同時，它還兼有復位功能，其RESET 管腳或者獨立的復位輸入管腳MR都可以用作手動按鍵復位輸入。本系統采用了手動復位。

    三、保護邏輯條件

    本裝置通過對電動機正序電流、負序電流、零序電流，及電壓進行檢測，使其與相應的設定值進行比較，根據比較結果對電動機實施保護動作。系統具體保護邏輯條件：

    (一)電流速斷保護
    對電動機嚴重短路故障包括相間短路和三相短路采用電流速斷保護。如果任一相電流大于速斷電流定值至整定時間，保護就報警或動作。
    其中，IΦmax為相電流最大值，Isd為速斷電流定值，T1為速斷時間定值。

    (二)堵轉保護
    電動機發生堵轉時，電流呈上升趨勢，且要求發生時間很短，為此本系統采用正序短時限保護。當任一相電流大于堵轉電流定值至整定時限，保護就報警或動作。
   其中，IΦmax為相電流最大值，Idz為堵轉電流定值， 為堵轉時間定值。

    (三)過負荷保護
    主要防止由過負荷、不對稱過負荷引起、定值斷線等引起的電動機過熱。過負荷保護是在各種運行情況下，建立電動機發熱模型，為電動機提供保護。可根據正、負序電動機對電動機熱效應的不同，采用正序和負序電流的等效電流 來模擬電動機的發熱效應
    其中，I1為負序電流，I2為正序電流，K1為正序電流發熱序數，在起動時間內為0.5，起動結束后為1；K2為負序電流發熱序數，一般取為6。
    其中，T為過熱保護動作時間， 為電動機熱積累常數，Ieq為熱等效電流，Is為保護整定動作電流。    

    (四)負序反時限保護
    負序反時限保護主要針對各類非接地性不對稱故障，包括斷相、匝間短路、相間短路、轉子開焊等。其故障主要特征就是會出現較大的負序電流，負序電流在轉子中產生2倍工頻的電流，使轉子發熱大大增加，危及電動機的安全運行。

    負序反時限保護具有和過負荷保護相似的特性，其運行時間－電流曲線數學模型  
    其中T為動作時間，I2為負序電流，IS2為保護整定電流。
    本裝置采用兩段式定時限負序電流保護作為電動機斷相、定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護：
    第一段具有高整定值I21（負序電流Ⅰ段電流定值），短延時T21（負序電流I段時間定值）。
    第二段具有低定值（負序電流Ⅱ段電流定值），長延時T22（負序時間n段時間定值）。