電力系統(tǒng)在各種環(huán)境影響下往往會有很多干擾，例如沖擊脈沖會瞬間產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的電流信號；電纜電線中不可避免的漏電及絕緣失效現(xiàn)象;三相電中相與相之間的短路現(xiàn)象等等。這些電力系統(tǒng)中的異常現(xiàn)象都會對依賴此電力系統(tǒng)工作的電機造成損壞。對此，我們需要在電力系統(tǒng)和電機之間應(yīng)用一種中間控制器來檢測電力系統(tǒng)的電壓電流信息，并和已經(jīng)設(shè)定的電機額定電流和電壓進行比較判斷，從而通過通斷來控制電機和電力系統(tǒng)之間的連接，最終達到電力系統(tǒng)異常狀態(tài)時對電機的保護目的。在這里，可將這種中間控制器稱之為電機保護控制器。電機保護控制器擁有獨立的電源供電、高精度的采樣和檢測電路、簡單的操作界面和高靈敏度的控制終端。

1  總體方案

電機保護控制器一般可分為四個部分，分別是電源模塊、檢測模塊、CPU和終端。電源模塊用于對電機保護控制器提供額定的電壓,用于控制器各部分模塊的電源供給;檢測模塊可對電力系統(tǒng)中的模擬信號進行采樣，并進行漏電和絕緣檢測；CPU可對檢測信號作出計算和判斷，并發(fā)送到終端進行顯示和控制；終端的高靈敏度繼電器可有效通斷電力系統(tǒng)和電機之間的連接，從而在電力系統(tǒng)異常時對電機進行保護。其電機保護控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2  硬件設(shè)計

2.1  電源模塊

電源模塊由開關(guān)電源和5V轉(zhuǎn)3.3V電路兩部分組成。開關(guān)電源的模塊工作原理框圖如圖2所示。該電源可分別提供±12V、±40V和±﹢5V三種直流電壓，前兩種電壓用于給檢測模塊供電，后一種電壓用于轉(zhuǎn)換3.3V電壓，并用于給CPU供電。

因為CPU的額定工作電壓需要精確的3.3V電壓，所以，在開關(guān)電源提供5V電壓的基礎(chǔ)上，還需要通過芯片產(chǎn)生3.3V電壓，以用于CPU的供電。本設(shè)計采用AMS1117芯片來進行5V到3.3V電壓的轉(zhuǎn)換，其具體電路如圖3所示。

2.2  檢測模塊

檢測模塊主要完成對電壓信號的采樣以及對電壓幅值的判斷，并將判斷信息送入CPU進行處理。檢測模塊的信息采樣精度和靈敏度對于后續(xù)CPU的信息處理以及整個系統(tǒng)的靈敏度都有著至關(guān)重要的作用。

采樣系統(tǒng)的模塊框圖如圖4所示。市電通過變壓器隔離后可對電壓進行分壓,故可取設(shè)定的額定電壓(例如分壓取2V),然后通過100Hz低通濾波器,再經(jīng)過基于運算放大器的高精度全橋整流將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過HCNR200高線性度模擬光電耦合器對模擬電路和數(shù)字電路進行隔離傳輸。此釆樣系統(tǒng)可以保證釆樣信號的高精確度傳輸。

HCNR200芯片的典型應(yīng)用電路如圖5所示。

在圖1中，改變R₁和R₃的值，就能按照R₁/R₃的比例值進行線性傳輸，本設(shè)計需要進行1:1的線性傳輸,所以，R₁和R₃都取值為100kΩ。

本設(shè)計將采樣信號和各檢測模塊的基準電壓信號進行比較，再將比較后的信號送入CPU進行處理。

2.3  終端模塊

本系統(tǒng)終端由LCD顯示、按鍵輸入、繼電保護三部分組成。并由LCD顯示和按鍵輸入構(gòu)成人機界面，以顯示電機保護控制器的相關(guān)信息，(例如是否正常工作、故障原因、解決辦法等)。繼電保護選用高靈敏度繼電器，這樣，當(dāng)CPU輸出保護信號時,繼電器將以通斷方式來保護電機。

3  軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要是控制單片機內(nèi)部的定時器來對中斷引腳進行掃描，然后輸入下一級的控制信號。單片機內(nèi)部通過相應(yīng)算法對檢測信號進行處理。也可以調(diào)節(jié)內(nèi)部基準電壓信號來改變電機額定工作電壓的大小，該方法具有良好的移植性，可滿足不同工作環(huán)境下的不同需求。由于單片機外接液晶顯示器，所以，通過相應(yīng)算法就可顯示相關(guān)電路的信息，從而更好的服務(wù)于人機操作。

4  結(jié)語

本文的電機保護控制器可在保護電機、避免其在異常電力系統(tǒng)中的故障發(fā)揮明顯的作用。目前，已廣泛應(yīng)用于各種電力環(huán)境復(fù)雜的電機保護作用中，例如礦井下的各種電機保護。目前，本系統(tǒng)在實際運行中，其工作十分穩(wěn)定可靠。