具有高精度电表功能的电机保护器设计

　　引 言

　　三相电机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，其正常地输出动力是其所驱动设备正常工作的前提。因此，设计与使用能及时、准确的监测电机故障的保护装置是十分必要的。我国的电机保护装置经历了从机械式的双金属热继电器到电子式保护继电器，发展到今天，随着微处理器和大规模集成电路技术的发展，具有智能化的电机保护装置已经成为主流。实际使用中通常还需要记录电机工作的功率，所以往往是在电机保护装置旁边还装有一个功率表。本设计采用一体化设置，以C8051 F020为核心，将交流采样所得数据采用积分算法来进行高精度的功率计算，利用C8051 F020芯片的12位ADC和可编程增益放大器等功能来确保高精度算法的实现，利用芯片的窗口比较逻辑等功能来协调保护器的监控和计量功能。

　　1功率计算基本原理

　　本设计采用交流采样原理，交流采样的核心问题就是将连续的电信号经过离散采样和模数变换转换为可用于计算机处理的数字量，再用一定的算法计算出我们需要的物理量。目前有多种交流采样的算法，本设计根据实际需要，采用的是半周期积分算洼。影响算法精度的因素主要有：采样点数、A/D转换器精度和电流电压的同步采集等。

　　根据单片机CPU位计算的特点，采样点数一般为2，可以证明当采样点数为4的倍数即n≥2时，无论采样初始点取在何处都不会存在截断误差。采样点数越高，采样的数据就越接近真实值。但实际电路中由于测频电路和单片机指令执行周期滞后等原因会引起同步误差，所以采样频率必须保持在一定范围内。综合上述各种条件，这里采用128这个适中的采样点数。A/D转换器的转换速度与位数直接关系到原始测量数据的准确度，本设计中C8051 F020芯片的12位A/D转换器确保了测量精度的获得。由于硬件方面的限制，三个相电流和三个相电压并不能同时采样，为减少由于A/D采样转换时间和CPU指令之间的延迟所引起的功率误差。这里采用轮流测每相的电压和电流的方法。

　　2硬件设计

　　整个监控系统结构如图1所示：由信号处理电路，C8051 F020控制电路，键盘、液晶屏电路和开关稳压电源组成。

　　电流信号和电压信号由三相电机处取得，经信号处理电路接人C8051 F020控制电路。C8051F020控制电路接收到实时电流和电压信号后，按设定的安全控制参数对电机进行控制，同时还计算出电机的功率，这些数据在液晶屏上实时显示出来。系统的安全控制参数可通过键盘进行设定。本设计可以实现多种保护功能，有热过载保护、堵转保护、断相保护、欠载保护、接地故障保护、自动重启动、欠压保护和启动超时保护。当出现上述故障时，C8051 F020控制电路立即切断电机电源、亮故障灯，同时在液晶屏上显示相应的故障名称。