注水变频电机的检测与保护装置的制作方法

技术领域：

本实用新型涉及的是一种检测与保护装置，具体涉及的是注水变频电机的检测与保护装置。

背景技术：
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在油田生产过程中注水是必要的生产环节，油田注水对提高原油采收率和采油速度，促进油田的高产、稳定起到积极作用。但是，随着油田开发进入新时期，油田进入高含水开发期后，随着油层含水量的持续增高，给油井的注水量也将迅速上升以保持油田稳产，注水耗电量必然会随着油层含水量的上升而急剧增长。我国油田注水系统效率较低，注水系统用电量超过整个油田用电量的35%以上。特别要强调的是，在石油化工行业90%以上的电力消耗在交流电动机上，国内各油田围绕注水系统节能降耗进行了大量的技术研究与改造。目前，为了节能降耗降低生产成本，国内油田注水泵站已经普遍开始采用高压变频调速装置进行注水量与压力的控制。在油田采油注水生产环节，变频注水电动机可能工作的环境很恶劣，注水电机时常大功率、满负荷、长时间的工作，这样发生各种故障的概率比一般环境下工作的电机高出不少。但是这样在油田注水生产现场继续使用传统的电机保护装置是不符合实际情况的。而传统的变频电机保护装置保护精度较低、动作时间误差大。在油田注水系统中注水量任务重，使用的都是高压、大功率设备。如何确保变频电机安全高效运行的问题给进行高压变频调速改造技术的企业提出了一个新的课题。根据不完全的统计，我国各个油田和石化企业的生产活动中每年烧毁烧坏的电动机大约2万台，经济损失惨重。电机故障轻则造成严重的经济损失，重则威胁工作人员的人身安全。因此，高压变频电机在变频运行方式下检测与保护研究工作对确保油田注水系统运行安全及节能降耗、提高生产效率和经济效益都具有重要意义。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供注水变频电机的检测与保护装置，这种注水变频电机的检测与保护装置用于解决确保变频电机安全高效运行的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：这种注水变频电机的检测与保护装置包括注水电机、变频器、微控制器pic16f877a、模拟信号检测电路、存储和实时时钟电路、通信电路、人机交互电路、报警电路，变频器连接注水电机；模拟信号检测电路由电流信号采样电路、变频电机温度检测电路、注水管网水压采集和调理电路组成，电流信号采样电路具有霍尔传感器，霍尔传感器穿心串联在注水电机三相的输入端，变频电机温度检测电路中的温度传感器设置在注水电机上，注水管网水压采集和调理电路中的水压传感器设置在注水管网中；电流信号采样电路、变频电机温度检测电路、注水管网水压采集和调理电路均与微控制器pic16f877a连接，变频器与微控制器pic16f877a通过通信电路连接，存储和实时时钟电路、人机交互电路、报警电路均与微控制器pic16f877a连接；人机交互电路包括键盘电路、液晶显示电路和故障报警电路。

上述方案中电流信号采样电路的构成为：霍尔传感器穿心串联在注水电机三相的输入端，霍尔传感器连接电压跟随电路，电压跟随电路连接低通滤波器，低通滤波器连接微控制器的a/d转换端口，霍尔传感器把注水电机三相电流转化为成比例的0～5v电压信号，该电压信号经电压具有高输入阻抗的电压跟随电路，增强驱动能力后，再经低通滤波后进入微控制器的a/d转换端口，电阻r1和c1组成一个低通滤波器，二极管d1、d2起到电压嵌位作用，保护微控制器的a/d模块，当v2电压为负电压时d2导通，v2处电压被钳位在0v，当v2电压高于5v时，d1导通，v2处电压被钳位在5v。

上述方案中温度传感器采用wzp型pt100温度传感器，水压传感器采用pt500-20m-dc5v-0.5-m20-8m-503水压传感器，存储和实时时钟电路采用512×8位的at24c04作为存储器；采用pcf8583作为系统时钟。

上述方案中通信电路采用max485作为通信接口芯片。

上述方案中液晶显示电路采用nh12864m型lcm。

本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型对高压大功率的变频电机的电流、电机温度、注水管网水压等参数的采样和数字化，实现变频电机故障的在线诊断、检测和控制，对确保注水系统运行安全及节能降耗、提高生产效率和经济效益都具有重要意义。

2.本实用新型具有变频电机工作电流、绕组温度、注水管网水压等参数的时间数字显示功能，运行中可对这些参数进行实时显示，方便故障的排除。

3.本实用新型通过人机对话模块进行参数设定，故障记录的参数存入单片机内非易失性存储器中，安全可靠、防掉电而具有抗震性能，具有极高的稳定性，设计简单、成本低、易操作。

附图说明

图1是注水变频电机检测与保护系统硬件电路原理框图。

图2是pic16f877a的pdip-40封装图。

图3是本实用新型中电流信号采样电路图。

图4是本实用新型中变频电机温度检测电路图。

图5是本实用新型中注水管网水压采集和调理电路图。

图6是本实用新型存储和实时时钟电路。

图7是本实用新型通信电路。

图8是本实用新型人机交互电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种注水变频电机的检测与保护装置包括注水电机、变频器、微控制器pic16f877a、模拟信号检测电路、存储和实时时钟电路、通信电路、人机交互电路、报警电路，变频器连接注水电机；模拟信号检测电路由电流信号采样电路、变频电机温度检测电路、注水管网水压采集和调理电路组成，电流信号采样电路具有霍尔传感器，霍尔传感器穿心串联在注水电机三相的输入端，变频电机温度检测电路中的温度传感器设置在注水电机上，注水管网水压采集和调理电路中的水压传感器设置在注水管网中；电流信号采样电路、变频电机温度检测电路、注水管网水压采集和调理电路均与微控制器pic16f877a连接，变频器与微控制器pic16f877a通过通信电路连接，存储和实时时钟电路、人机交互电路、报警电路均与微控制器pic16f877a连接；人机交互电路包括键盘电路、液晶显示电路和故障报警电路。

微控制器pic16f877a作为核心部件，利用pic16f877a内部的模数转换器对高压大功率的变频电机的相电流、电机绕组温度、注水管网水压等水压等参数进行采样和数字化，当出现过载、堵转、三相短路、电机过温等对称故障和断相、相间短路、接地等电压不对称故障时，微控制器控制蜂鸣器报警，并显示和保存故障信息，从而可靠而有效地根据不同故障性质实施对变频电机的保护。

1、微控制器。

微控制器模块是电机检测与保护器的核心，主要负责衡量电机工作正常与否的各种信号的采集、a/d转换、数据处理、数据存储、报警显示及与变频器通信等核心控制任务。

本实用新型采用具有较高的性价比的pic16f877a单片机。其部分引脚说明如下：

①复位输入，可编程电压输入或者高电压测试模式控制引脚，当用作复位输入的时候，为activelow动作。

②osc1/clki:震荡输入/外部时钟源输入引脚。osc2/clko:振荡输出引脚，在振荡模式下该引脚应该连接到外部晶体/晶振，在rc模式下，该引脚输出为osc1上频率四分频的时钟信号clkout。

vss:电源地引脚；vdd：电源输入引脚。

④ra0~ra3、ra5、re0~ra3为pic16f877a单片机内置a\d转换器的8个模式输入通道，本实用新型用这8个引脚作为电机端三相电流、电机定子绕组温度，注水管网压力信号的输入通道；ra4作为本系统的报警电路输出引脚。

⑤rb0~rb3作为本系统按键输入引脚；rb4~rb7、rc0~rc1、rd0~rd7用来连接液晶显示器。

⑥rc3、rc6、rc7为rs485通信发/接的控制引脚；rc4、rc5为外部时钟电路和存储电路读写控制引脚。

2、模拟信号检测电路。

模拟信号采集电路就是获取电机工作状态信号，包括电机相电流、电机定子绕组温度、注水管网水压等信号的采样和调理电路（参阅图5）。

参阅图3，电流信号采样电路是把霍尔传感器穿心串联在电机三相的输入端，霍尔电流传感器把实际电机三相电流转化为成比例的0～5v电压信号，该电压信号经电压具有高输入阻抗的电压跟随电路，增强驱动能力后，再经低通滤波后进入微控制器的a/d转换端口。电阻r1和c1组成一个低通滤波器，二极管d1、d2起到电压嵌位作用，保护微控制器的a/d模块，当v2电压为负电压时d2导通，v2处电压被钳位在0v，当v2电压高于5v时，d1导通，v2处电压被钳位在5v。

参阅图4，变频电机温度检测电路中，为了降低pt100铂电阻随温度改变而电阻值变化的非线性特性和提高温度测量精度，采用低温恒流源非线性补偿，恒流源驱动和信号调理使得电压输出和电阻呈现理想的线性关系。

3、存储和时钟电路。

参阅图6，存储电路用来存储一定深度的故障历史信息以及对系统参数（如额定电压、额定电流等），保护参数等进行保存；时钟电路主要用来记录某一故障发生的时间和电机运行时间等为设备的定期维护提供科学参考。选择具有i²c接口的具有512×8位的at24c04作为存储器。选择同样是i²c接口的pcf8583作为系统时钟，该时钟电路具有外围电路简单，功耗低等特点；同时，为了确保时钟电路掉电时系统工作的实时性和连续性，特意设计了一个3.6v/60mah直流充电的涓流充电回路作为时钟电路的后备电源。

4、通信电路。

微控制器与变频器rs-485总线串行通信，微控制器对高压变频器实现控制，包括对变频器进行参数设置、频率设定、启动和停止等操作。微控制器与变频器接口电路。本实用新型使用dhcectol-di系列高压大功率变频器，该变频器带有rs485总线通信接口。故注水变频电机检测与保护系统采用max485作为通信接口芯片（参阅图7），选择双绞线作为信号传输线实现微控制器与变频器的通讯。6n137用于电气隔离，防止干扰，提高通信速率和质量。rc6是usart的数据接收端，rc7口是usart的数据发送端，rc5口作为控制端。若rc5输出低电平，max485的2、3脚是低电平，有效，单片机接收数据；若rc5输出高电平，max485的2、3管脚是高电平，de有效，单片机发送数据。该接口电路设计充分考虑到电子线路的各种干扰及电路特性阻抗的匹配，采用两只稳压管组成吸收回路的作用是对传输端进行保护，系统在传输线的末端加上120欧电阻，进行阻抗匹配，目的是为了抑制长线反射和吸收噪声。

5、人机交互电路。

参阅图8，人机交互电路包括键盘电路、液晶显示电路和故障报警电路。人机交互电路不仅可以用来设定电机相电流、电机温度及注水管网水压等参数的整定值，查看各个电参数数据和电机工作状态，还可以允许工作人员从面板上对变频器进行完全控制包括参数设置、启、停等操作；液晶显示电路根据按键选择显示各参数的设定值、修改的值、各参数的实时值及故障状态等信息，方便现场工作人员与保护装置的交互。故障报警电路起到当故障发生时起到报警提示的作用。

电流信号采样电路采用wbi222ly05-25霍尔传感器；变频电机温度检测电路选用wzp型pt100温度传感器；水压传感器选用pt500-20m-dc5v-0.5-m20-8m-503。液晶显示模块nh12864m型lcm。

本实用新型对确保注水系统运行安全及节能降耗、提高生产效率和经济效益都具有重要意义，设计合理，实用性强，具有良好的推广价值，投资少，见效快，将会给生产带来将好的经济效益和社会效益。