电机保护器增加嵌入式操作系统技术研究

李 兵

（中水三立数据技术股份有限公司，安徽 合肥 230068）

电机保护器增加嵌入式操作系统技术研究

李 兵

（中水三立数据技术股份有限公司，安徽 合肥 230068）

电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件，是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品，几乎渗透到所有用电领域，是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。《中华人民共和国节约能源法》规定：节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源，这是节能发展经济的一项长远战略方针。

电机保护器；嵌入式操作系统；DSP

1　当前国内电动机使用情况及电动机保护器技术发展的重要性

据不完全统计，目前全国运行的1kW-320kW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电亿万度，修理费高达100亿元左右，造成停工停产损失达100亿元。不仅如此，电机修理后还会造成功率下降，耗电量大，性能变差等后果，直接影响企业正常生产。全国每年因维修电动机浪费电磁线约1亿万公斤，若少生产1亿万公斤电磁线（每公斤需用电33.4度）每年就可节约用电33.4亿度。上述情况说明，电动机保护器技术的不断发展，可以节约大量能源和费用，避免不必要的损耗。

2　目前国内智能型电机保护器的发展状态

国内外一些厂家为适应电动机保护的需要研制过智能型电机保护器，但技术水平高低不一。少部分采用液晶显示屏，较少采用先进的高速DSP芯片，国内目前尚未应用嵌入式系统电机保护器。

3　对引入嵌入式操作系统的可能性探讨

目前工控领域已经开始大量引入嵌入式系统，如果基于DSP技术，在市场已有智能型电机保护器所实现功能的基础上加入嵌入式操作系统，就可以将电机保护器升级为一个嵌入式平台。

引入嵌入式操作系统后，可以使软件的通用性增强，扩展性增强，并且可以增加产品的稳定性、容错性和可升级能力，同时可以为产品今后进一步扩充功能打下基础。

该创新符合了产品技术发展的潮流，同时也会带动软件、工业电子产品、数字技术及产品、新型传感器等应用产品的研究与开发。

4　新型电机保护器的技术目标

引入嵌入式操作系统的智能电机保护器将用于工业领域的电机保护，水利工程中用于水库、船闸、水电站、泵站及供排水工程的闸门启闭机的保护。

新型电机保护器应具有高速处理能力，高可靠性，扩展兼容性强的特点，适用于中小型电动机，可以对电动机发生过热、过载、短路、欠压、堵转和不平衡等故障时实现保护。其主要技术特点为：六位数码管分页显示和数据掉电保护；采用高速高集成度的DSP芯片；并行高精度高速AD转换芯片，同时采样3路电压和三路电流值；标准的ModbusRTU接口；采用了嵌入式操作系统提高系统的稳定性扩展性和兼容性。

5　本技术产品的实现

作者采用DSP作为处理器，该处理器具有运算速度快功能强大的特点。该处理器采用多路高精度AD芯片，可同时采集三相交流电压和三相电流，装置具有过载、堵转、电流不平衡、缺相、过压、欠压、欠载、过流等保护功能的电机保护器。

新型电机保护器包括电源板、控制板和显示板。电源板与控制板通过3个双排插针成90度角相插接，电源板上设置有电源模块、19个外接线的接线端子、继电器和电压互感器，电源模块为其它模块的工作提供直流电源，继电器用来输出控制信号，电压互感器用来把高压信号转化为毫安信号。

控制板包括供电单元、6路采样电阻和滤波电路、运算放大器、A/D转换器、DSP处理器、模拟量转换输出电路和485通讯模块，采样电阻和滤波电路用来转换电压互感器输出的电流信号并进行低通滤波后经运算放大器和A/D转换器进入DSP处理器，DSP处理器对数据进行处理和计算，模拟量转换输出电路和485通讯模块与DSP处理器连接。

显示板包括8段数码管、多个按键和多个报警指示灯，所述8段数码管、按键和报警指示灯均焊接在显示板上并且通过10脚插排与所述控制板连接。

电源模块上设置有一个为所述控制板提供直流电源10针排插、一个10针模拟和数字信号排插和一个16针的模拟和数字信号排插。

电源板上设置有19个外接线的接线端子中，有3个接线端子为220V电源，其余均为信号线。19个外接线端子成单排排列。

可设置：电动机启动时间、额定电流、过载动作时间、过压动作值、欠压动作值、堵转电流倍数（相对于额定电流）、漏电保护动作电流值、三相电流不平衡率、欠载动作值。

对比市场上同类产品，定位小尺寸纯保护功能的电机保护器，新型电机保护器测量的电机参数较全，包括三路电压三路电流的模拟量测量。而相类似尺寸和功能的电机保护装置有的只测量三相电流有的测量三相电压或三相电流加一相电压，因此装置的保护功能受到一定限制，而本产品测量参数较全，在现有基本保护功能的基础上可提供全面的三相电压欠过压保护及由用户选配的相序保护和功率保护，因此与市场同类小型的电机保护器相比，新型电机保护器在做到小型化及低成本的情况下可为用户提供更多的保护功能和选择，使保护功能更接近大型的电机保护器。

6　本技术产品的具体实现

以下将结合图1-2对新型电机保护器作进一步说明。

新型电机保护器包括电源板1、控制板2和显示板3。电源板1与控制板2通过3个双排插针成90度角相插接，电源板1上设置有电源模块11、成单排排列的19个外接线的接线端子12、继电器13和电压互感器14，电源模块11为其它模块的工作提供直流电源，电源模块11上设置有一个为控制板2提供直流电源10针排插、一个10针模拟和数字信号排插和一个16针的模拟和数字信号排插，19个外接线的接线端子中，有3个接线端子为220V电源，其余均为信号线，继电器13用来输出控制信号，电压互感器14用来把高压信号转化为毫安信号。

控制板2包括供电单元21、6路采样电阻和滤波电路25，运算放大器24，A/D转换器23，DSP处理器22，模拟量转换输出电路26和485通讯模块27。采样电阻和滤波电路25用来转换电压互感器14输出的电流信号并进行低通滤波后经运算放大器24和A/D转换器23进入DSP处理器22。DSP处理器22对数据进行处理和计算，模拟量转换输出电路27和485通讯模块26均与DSP处理器22连接，显示板3包括8段数码管、多个按键和多个报警指示灯，八段数码管、按键和报警指示灯均焊接在显示板上并且通过10脚插排与控制板2连接。

电机保护检测三相电压UA，UB，UC，三相电流以IA，IB，IC为基础。

新型电机保护器具体的工作过程如图1所示。

（1）当220V交流电输入电源模块后系统上电，DSP对各子系统初始化，设置各项参数（自动保存前次参数）点亮显示屏。（2）电机动力线电压电流信号通过接线端子进入互感器，把强电信号转化为弱电信号，此信号为电流信号，由采样电阻转化为电压信号，经滤波电路滤波和运算放大器放大后送往A/D转换器，DSP控制高精度的模数（A/D）转换器采用三相电压、三相电流的实时数据，DSP通过并行16位数据总线读入六路模拟量的实时值。（3）DSP对数据进行处理和计算，得到三相电压、三相电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数，通过零序电流互感器得到漏电流值。（4）DSP通过以上数值计算判断电机是否处于不正常的运行状态，处于何种非正常状态，并将当前电压、电流值或故障代码等数据通过串行总线发送给显示电路显示，如发生异常状态由DSP驱动双路继电器动作报警。（5）仪表通过应答方式或实时方式应用485总线与上位机联系，传输当前电压电流值或故障代码等信息，可接受来自上位机的指令控制修改参数。同时仪表可通过4～20mA信号输出当前任意一路可选电压或电流值。

图1　新型电机保护器系统结构

新型电机保护器中由双路继电器输出控制信号，电机异常时切断电机动力回路；DSP（TMS320LF2407）作为系统处理器，它是TI公司开发的带16×16硬件乘法器模块的工控处理器；运算放大器和TI的高速并行16bitADC芯片（ADS8364）组成测量电路，检测转换后的交流电压信号；485通讯模块进行仪表和上位机的通讯，采用ModbusRTU协议；4～20毫安转换电路，由DSP通过PWM把电压电流值调制成方波信号，再由运放转换成电压信号后送往U/I转换芯片（AD694）转换成4～20mA电流信号输出。

新型电机保护器具体以下特点：（1）六位数码管可翻页显示电压电流及各种参数，内容清晰，操作方便。（2）高可靠的模块电源，220V交流电输入。（3）可显示三相电压三相电流，显示内容全面。（4）采用工作电压监控和防止死机的看门狗技术。（5）采用高速处理器高精度AD器件保证采样的实时性和反应速度，采用数字滤波技术和误码检测技术，以提高测量准确性和可靠性。（6）通过面板上的按钮可完成各种数据设置操作，操作直观易懂。（7）大容量无源触点输出，功能可编程，控制、报警功能强大。（8）具有掉电记忆功能，各种预置数据在停机后再加电开机无需作任何调整即可投入使用。（9）内嵌RS—485通讯接口，便于组网通讯，实现远程监控。（10）具有漏电流输入功能。漏电保护更精确，响应时间更短。

7 新型电机保护器的特点及实用性

新型电机智能保护器（电机保护器）主要以单片机作为

控制器，可实现电机的智能化综合保护，具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面与模拟型电机保护器相比有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能于一体的综合保护器的出现成为可能，具有远程通讯、声光报警、过载、堵转、短路、漏电、欠流、故障记忆等多种功能，采用交流采样技术、多点线性校正技术、量程自动切换技术，能保持很高的采样精度。随着微电子技术的发展，电动机保护器（电机保护器）正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠方向发展。

Research on the Technology of Embedded Operating System for Motor Protector

Li Bing
（China Water Sunny Data Technology Co.， Ltd.， Hefei 230068， China）

The motor protector（motor protector）is a crucial device of power generation， power supply and power system， which is also an energy-saving mechanical and electrical product of cross industry with a large amount of remarkable energy-saving effect.It almost penetrated into all electric field， which is the important guarantee of industry， agriculture and national defense construction and people's normal life and production safety work， in the national economy and the energy conservation， it has the important status and importance that cannot be replaced. The People's Republic of China Energy Conservation Law regulations that energy efficiency means the measures of strengthening energy management， taking technical， economy， environment and society can undertake to reduce the energy of the loss and waste in each link of consumption. Whose goal is to make effective and rational use of energy.And this is a long-term strategic policy of energy saving development.

motor protector； embedded operating system； DSP

李兵（1973— ），男，安徽蚌埠。