基于单片机实现的电机定子异常失电保护装置的制作方法

本实用新型属于冶金起重机起升机构驱动电机保护技术领域，特别涉及基于单片机实现的电机定子异常失电保护装置。

背景技术：

《TSG Q0002-2008起重机械安全技术监察规程》、《TSG Q7015-2016 起重机械定期检验规则》和《TSG Q7016-2016起重机械安装改造重大修理监督检验规则》系列检规发布后，对吊运熔融金属起重机的起升机构，要求设置电动机定子异常失电保护。《起重机设计规范》也规定，起重机构电动机应设置定子异常失电保护功能，当调速装置或正反向接触器故障导致电动机失控时，制动器应立即抱闸。目前，此功能大部分是采用通用型电动机保护器JD-5、JD-6系列利用电源的通断来短期实现保护功能，该通用型电动机保护器采用的技术方案是利用NE556双时基电路触发、复位电平判断是否有电流流经电动机绕组从而实现保护功能，存在的问题是不能应用于频繁起动的场所，且没有自检功能，对于起重电机定子异常失电情况下，无法判断故障原因，不能提供长期的保护，失去保护功能后没有提示，无故障报警信息及存储功能。申请号为201110246911.9的发明公开了“一种数字化的电动机综合保护器”，该发明包括电机运行信号检测电路，电流互感器，电流转换电路；分别连接电机运行信号检测电路和电流转换电路，对电机运行信号检测电路和电流转换电路传回的信号进行处理的中央处理单元；连接中央处理单元，对中央处理单元发出的控制信号进行响应的控制输出继电器和故障输出继电器；其特征在于还包括：连接中央处理单元，对中央处理单元发出的上级动力电路断开指令进行响应的异常输出继电器；所述异常输出继电器所控制的触点设置在上级动力电路中。但是，该发明存在的问题是对电机异常产生的原因保护的不全面，仅对电机运行信号和电流信号进行了采集，没有对电机驱动系统供电电压缺相、相序以及欠压、过压的情况进行判断，也没有采集起升电动机制动器控制的状态，不能全面判断电动机定子异常失电的原因。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足与缺陷，提供一种可以全面判断电动机定子异常失电原因的用于冶金起重电机的基于单片机实现的电机定子异常失电保护装置。

本实用新型提供的技术方案包括电器盒底座和电器盒上盖，在电器盒底座与电器盒上盖之间安装有电路板，在所述电路板上安装有单片机以及与单片机连接的电源模块、运行状态输入电路、继电器输出电路、电流采集电路、电压采集电路、频率测量电路和通过串行通讯总线与单片机双向连接的显示、按键与状态指示电路。

所述电流采集电路包括有电流互感器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一采样电阻、第一限流电阻及滤波电容和单片机第一接口，其中电流互感器获取电机电流信号，经过第一采样电阻获得与电机电流成比例的电压信号，再经第一限流电阻及滤波电容连接到第一运算放大器的输入端，第一运算放大器的输出端连接单片机第一接口的端口。

所述电压采集电路包括有电压互感器、第二限流电阻、第二采样电阻、第三运算放大器、第三限流电阻、第一光耦、单片机第二接口和单片机第三接口，其中电源电压通过第二限流电阻连接到电压互感器原边，电压互感器副边连接第二采样电阻，第二采样电阻连接到第三运算放大器的输入端，第三运算放大器的输出端连接到单片机第三接口的端口,同时电源电压经第三限流电阻限流后接入第一光耦，经第一光耦隔离后连接到单片机第二接口的端口。

所述频率测量电路包括由一阶电阻、二阶电阻、一阶电容和二阶电容组成的二阶滤波电路、由第一稳压管和第二稳压管组成电压限幅电路及比较器、第二光耦和单片机第四接口，其中二阶滤波电路的输入端接绕线电动机的转子，输出端经电压限幅电路接到比较器的输入端，比较器的输出端接第二光耦的输入端，第二光耦的输出端连接单片机第四接口的端口。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过采用单片机和输入开关量以及模拟量采集电路，对电机定子异常失电产生的原因包括电流、电压、频率和控制逻辑进行了全面的判断，经过单片机综合运算分析实现了设计规范、检验规则要求的定子异常失电的保护功能，并具备驱动电动机接触器主触点粘连的特殊故障检测功能，为起重机总保护电路提供分断指令，可以有效阻止故障扩大。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果具体表现在：

一是通过三组电压采集电路获得的驱动系统的电源电压及三相电源的相序，在出现过压、欠压、失压或相序错误的电源故障时提供保护功能，避免在电源故障时系统异常工作；

二是通过运行状态输入电路获取驱动系统的运行状态信息，包括驱动电动机接触器的辅助触点状态、电动机制动器接触器的辅助触点状态和电动机制动器的开闭状态，单片机根据端口状态进行逻辑分析，当驱动电动机的接触器得电而制动器未得电或驱动电动机的接触器失电而制动器未断电时，单片机通过继电器断开驱动系统控制回路，实现正反向接触器故障导致电动机失控时，制动器立即抱闸功能；通过运行状态输入电路能够判断驱动电动机的接触器主触点烧损粘连故障，此时单片机通过继电器输出电路，断开起重机总保护电路控制电源，从而断开电动机驱动系统主回路电源，有效阻止故障扩大。

三是通过绕线电动机转子的频率测量电路计算出电动机的转速，与设置的电动机额定转速进行比较，当电动机实际转速超出限制值时，单片机通过继电器输出电路，断开驱动系统控制回路，实现电机超速保护功能。

附图说明

下面通过附图对本实用新型作进一步说明，

图1是本实用新型的结构分解示意图，

图2 是本实用新型的电路板布局示意图，

图3是本实用新型的面板示意图，

图4是本实用新型的电路结构框图，

图5 是本实用新型的电流采集电路原理图，

图6 是本实用新型的电压采集电路原理图，

图7 是本实用新型的频率测量电路原理图。

图中：

1.电器盒底座，2.螺钉，

3.电路板，

3-1.电源模块，3-2.运行状态输入电路，

3-3.继电器输出电路，3-4.电流采集电路，

3-5.电压采集电路， 3-6.频率测量电路，

3-7.单片机（MCU），3-8.串行通讯总线，

3-9.显示、按键与状态指示电路；

4.电器盒上盖，

5.散热窗，6.面板，

7. 按键，8.LCD显示屏，

9.状态指示灯,10.便捷调试窗口,11.挡板。

具体实施方式

如图1～图4所示，本实用新型采用的技术方案包括电器盒底座1和电器盒上盖4，电器盒底座1与电器盒上盖4之间形成电路板容纳空间，在电器盒底座1与电器盒上盖4之间安装有电路板3，电器盒底座1与电器盒上盖4用螺钉2固定连接，所述电器盒上盖4的左右两侧设有散热窗5，在电器盒上盖4的上表面安装有面板6，在面板6上安装有一组按键7、LCD显示屏8和状态指示灯9，在面板6上两侧还有便捷调试窗口10及挡板11；在所述电路板3上安装有单片机（MCU）3-7以及与单片机（MCU）3-7连接的电源模块3-1、运行状态输入电路3-2、继电器输出电路3-3、电流采集电路3-4、电压采集电路3-5、频率测量电路3-6和通过串行通讯总线3-8与单片机（MCU）3-7双向连接的显示、按键与状态指示电路3-9；

图5为本实用新型的电流采集电路3-4原理图。如图5所示，本实用新型的电流采集电路3-4包括有电流互感器U201、第一运算放大器U202A、第二运算放大器U202B、第一采样电阻R201、第一限流电阻R202及滤波电容C203和单片机第一接口AN1，其中电流互感器U201获取电机电流信号，经过第一采样电阻R201获得与电机电流成比例的电压信号，再经第一限流电阻R202、滤波电容C203及第一运算放大器U202A处理后，通过单片机第一接口AN1的端口进行采样，经单片机3-7内部AD转换后得到电动机的数字量电流数据。

图6为本实用新型的电压采集电路3-5原理图。如图6所示，本实用新型的电压采集电路3-5包括有电压互感器T900、第二限流电阻R902、第二采样电阻R905、第三运算放大器U902A、第三限流电阻R900、第一光耦U900、单片机第二接口INT0和单片机第三接口ANO，其中电源电压通过第二限流电阻R902连接到电压互感器T900原边，电压互感器T900副边连接的第二采样电阻R905获得与电源电压成正比的采样电压，第二采样电阻R905连接到第三运算放大器U902A的输入端，经第三运算放大器U902A处理后连接到单片机第三接口ANO的端口，单片机3-7通过内部AD转换后获得数字量电压数据；同时电源电压经第三限流电阻R900接入第一光耦U900，经第一光耦U900隔离后由单片机第二接口INT0的端口接入单片机3-7，由单片机3-7捕捉电压过零信号，判断电源的相序关系。

图7为本实用新型的绕线电动机转子频率测量电路3-6原理图。如图7所示，本实用新型的频率测量电路3-6由一阶电阻R500、二阶电阻R501、一阶电容C501和二阶电容C502组成的二阶滤波电路、由第一稳压管D500和第二稳压管D501组成电压限幅电路及比较器U500、第二光耦U501和单片机第四接口IC1，其中二阶滤波电路的输入端接绕线电动机的转子，输出端经电压限幅电路接到比较器U500的输入端，比较器U500的输出端接第二光耦U501的输入端，经第二光耦U501隔离后产生与转子频率相同的方波电路由单片机第四接口IC1的端口接入单片机3-7，由单片机3-7计算出频率值。

使用时，保护装置上电后，首先由单片机3-7对运行状态输入电路3-2、电流采集电路3-4、电压采集电路3-5和频率测量电路3-6进行信号采集，模拟量信号经单片机3-7内部AD转换后，单片机3-7根据开关量状态、模拟量数值进行逻辑分析、运算处理，判断是否存在电源断相、错相故障，如无异常，通过继电器输出电路置位工作继电器，工作继电器的常开触点闭合，接通电动机驱动系统的控制电源，具备电动机运行的条件；当驱动系统在外部指令控制下向电动机供电时，单片机3-7通过运行状态输入电路3-2获得了电动机工作的信息，开始监测电流采集电路3-4输入到单片机中的电流值，从程序上判断是否存在电机定子绕组无电流、欠电流、过电流、电流不平衡的异常现象，出现异常现象按照设定时间复位工作继电器，断开驱动系统的控制电源，使驱动系统停止工作，并将故障信息通过串口通讯总线3-8传送到显示、按键、状态指示电路3-9进行显示、存储；实现报警、保护功能。