基于AVR單片機電動機智能保護器的設計

1 故障種類及保護策略
電動機的常見故障有：短路、漏電、過電壓、堵轉、過載、斷相等。短路故障又分為兩相接地短路、
單相接地短路、兩相短路、三相短路。對于三相對稱性短路故障采用相敏保護，電動
機作為感性負載，在直接啟動時，其功率因數偏低(cos =0．3～0．5)，當線路中出現短路情況時功率
因數則偏高(eos 一1)。若在檢測電流大小的同時檢測其功率因數，把電流與功率因數的乘積作為短
路保護的動作參數判據，即可準確區分短路電流和啟動電流。
利用非接地性不對稱故障時的負序分量電流從小到大來判斷不平衡故障，如三相不平衡故障、
相間短路和斷相等。過載保護即電動機長時問處于過載狀態會引起電動機繞組過熱，極易導致匝問短路的發生。利用電動機生產廠家提供的熱容曲線進行反時限保護。
漏電故障是利用零序電流互感器檢測電動機的零序分量，即可對電動機的漏電故障進行保護。
合閘前故障檢測是在送電前，通過對供電線路和供電設備與大地之間的絕緣電阻進行檢測。當檢測到該絕緣電阻低于漏電閉鎖整定值時，則進行漏電閉鎖保護。
2 硬件設計
本保護裝置具有在電動機運行時對電機進行參數測量、故障保護、控制、遠程通訊、故障信息的
存儲及查詢等功能。保護裝置通過傳感器對主回路的三相電壓、三相電流、零序電流等模擬信號進
行檢測，通過單片機的運算，判斷是否出現故障，若有故障發生能夠迅速切斷供電并及時報警顯示各
種故障信息。系統硬件如圖1所示。

由圖1可以看出，硬件系統主要由以下幾部分構成：
(1)單片機部分 本設計主單片機選用AVR系列ATmega128，AVR是8位單片機中的第1個真
正的精簡指令集(RISC結構)單片機，ATmega128在AVR單片機中具有性能好、性價比高、使用方便
功能強大的特點。具有128K Flash；4K E PROM；4K SRAM；53個I／O口；34個中斷源；2個16位定
時器、2個8位定時器；自帶SPI、TwI通信接口；2個串行通訊接口；硬件乘法器；8路PWM；8路10位
A／D通道。ATmega128單片機內部的這些資源完全滿足本系統的設計要求。
(2)模擬量采樣處理單元采用高性能電壓互感器采集三相之間的相電壓信號，穿心電流互感器
采集通過各相的電流及零序電流，并由放大電路轉換為合適的電壓范圍，信號經過調理濾波后進行
A／D轉換后進人單片機。單片機ATmega128對電壓信號進行分析計算以正確顯示當前電網電壓值
并對過電壓、欠電壓故障做出保護和報警；對三相電流信號進行采集、計算、分析以正確顯示當前電
網電流值并對過載、短路、斷相等故障做出保護和顯示。
(3)鍵盤、顯示接口 由按鍵進行整定參數的
輸入設定、產品信息和故障信息的查詢、時間參數的設定；保護裝置的運行參數、實時時問以及當發
生故障時的故障信息采用128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊LCM12864ZK進行中文、字符和圖
形顯示，直觀方便。
(4)實時時鐘單元采用DALLAS公司生產的
SPI接口時鐘芯片DS1305作為保護器的時鐘電路，通過ATmega128對DS1305RAM 的操作實現時間的
設置和讀取。
(5)遠程通訊單元采用MAX485芯片實現遠距離上、下位機監控功能。
(6)故障閉鎖模塊保護裝置中設計 有漏電閉鎖功能，在送電前進行檢測，避免送電前的漏電對人體和設備造成危害。
(7)報警跳閘單元 當檢測到故障發生，輸出單元控制相應繼電器動作，實現跳閘切斷電機的供電，對電機進行保護并伴隨蜂鳴器報警。
3 軟件設計
保護裝置的程序采用C語言編寫，主程序包括系統初始化、開機界面顯示、合閘前檢測、鍵盤掃描
處理、參數顯示、故障判斷和遠程通訊等。初始化程序包括I／O初始化、定時器初始化、中斷初始化、通訊初始化等。電壓，電流交流量的計算采用了均方根算法，本裝置在一個周期(20 ms)內等間隔采
集20個點，并將各組采集量依次進行均方根運算，即可得到各路交流模擬信號的有效值。為了使人
眼觀察舒服，顯示界面每2 S刷新～次，程序實時判斷是否發生故障，如有故障發生立即跳閘，顯示故
障信息(故障序號、故障類型、故障時間)并將故障信息存人E PROM中。主程序流程如圖2。

4 結語
該電動機智能保護器是一種智能化、模塊化、高性價比的電動機保護裝置，長期實際運行證明該
保護裝置運行穩定、保護動作可靠，人機操作界面簡單，而且顯示信息豐富，具有很大的市場應用前景。