電機保護器設(shè)計.

1、遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第I頁液壓站電動機保護器的設(shè)計摘要隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，電動機已廣泛運用到冶金、化工、石油、電力、礦山等 各個行業(yè)。因此，電動機保護器的研究和推廣對國民經(jīng)濟有著重要意義。電動機保護器 已由原來傳統(tǒng)的熱繼電器形式發(fā)展到微機化、 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。市場上具有此特點的智 能型保護器裝置有50多種，因此，研究一種穩(wěn)定性高、價格低廉的保護器是非常必要 的。本文在分析了目前國內(nèi)外電動機保護器的研究進展與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種以TN87C196KD-20單片機為控制核心，集過載、斷相、接地、堵轉(zhuǎn)和短路等故障保護于 一體的智能型電機綜合保護器。本課題的研究方法是：通過對電動機運行過

2、程中電流特 征以及發(fā)生故障時電流特征的變化進行分析， 得出保護方案。運用單片機強大的信號采 集和運算功能對數(shù)據(jù)進行采樣和處理， 確定電動機是否運行在故障狀態(tài)下。 如果電機發(fā) 生故障，單片機就會通過輸出端口給外接電路信號，實現(xiàn)電動機的停車、報警和故障記憶。本課題的主要任務(wù)是：設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路圖，包括電流采樣電路、顯示輸入電路、 繼電器輸出電路、端子輸入電路、通信電路等；分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和編程技巧。另外 結(jié)合實例（液壓站的電動機保護）對保護器系統(tǒng)進行分析。關(guān)鍵字：電動機保護；故障分析；硬件電路；單片機遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第III頁Design Of Motor Protector in

3、hydraulic stationAbstractWith the rapid development of the national economy, the motor has been used in metallurgical, chemical, petroleum, electricity, mining and other industries.Therefore, the study and promotion of the motor protector are great significanee to the national economy .Motor protect

4、ors have bee n from the traditi onal form of the thermal relay to the computer ,digital and network-based.Intelligent protection device with this Characteristics in the market has more tha n 50 kin ds, and therefore the study of a high stability, low-cost protection is very necessary.In this pape, a

5、 single-chip microcomputer, TN87C196KD-20 , based intelligent motor protector with function and short-circuit protection is desig ned on the basis of an alyz ing the developme nt and status quo of motor protectors in the world. Research methods in this subject is that through the an alysis of proces

6、s of motor curre nt characteristics and the characteristics of the eve nt of the failure ,the n obtai n the protect ion program.The uses of sig nal acquisiti on and powerful comput ing fun cti ons of the data of single-chip are been used to determine whether the motor is running in the fault state.I

7、f the motor broke down, single-chip will be give the external circuit signals through the output ports and make the achieveme nt of motor park ing, alarm and fault memory. The main task of this topic is to design the hardware circuitsystem, including the current samplingcircuit, show ing in put circ

8、uit, the relay output circuits, in put circuits, com muni catio ns circuits and so on ,and to An alyse the Systems software architecture and program ming skills. Another task is that an example is given to the protection system for analysis. That is hydraulic stations motor protection .Key words : M

9、otor protection;Failure analysis;Hardwarecircuit;Single chip microcomputer目錄摘要.Abstract1J.1緒論11.1液壓站設(shè)備簡介 11.2電動機保護器概述11.3電動機保護器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 21.3.1國外發(fā)展?fàn)顩r21.3.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r21.4電動機保護器的特點31.5本課題的主要任務(wù)和研究內(nèi)容 42電動機保護器工作原理及方案設(shè)計 62.1基本工作原理62.2系統(tǒng)功能特點72.3方案確定72.4本章小結(jié)93電動機運行狀態(tài)分析及保護方案設(shè)計113.1過流、欠流分析及保護方案113.2電機過載分析及保護方案123.

10、3短路分析及保護方案143.4缺相和相不平衡分析及保護方案153.5漏電分析及保護方案163.6欠電壓分析及保護方案 163.7啟動分析及保護方案173.8本章小結(jié)174 保護器硬件電路設(shè)計 184.1信號采集電路194.2輸入、顯示電路設(shè)計 22遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第IV頁421顯示電路分析 22422鍵盤輸入電路分析254.3電源電路設(shè)計254.4繼電器輸出電路設(shè)計 264.5端子輸入電路284.6單片機(TN87C196KD-20)接口電路設(shè)計 294.6.1 外圍電路設(shè)計304.6.2單片機知識介紹324.7本章小節(jié)365電動機保護器軟件設(shè)計 375.1主程序設(shè)計375.2電流采

11、樣中斷設(shè)計 385.3按鍵中斷設(shè)計395.4顯示子程序設(shè)計395.5本章小結(jié)40結(jié)論41參考文獻42致謝43遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第52頁1緒論1.1液壓站設(shè)備簡介液壓站又稱液壓泵站，是獨立的液壓裝置，它按驅(qū)動裝置（主機）的要求供 油，并控制油流的方向、壓力和流量，適用于主機與液壓裝置可分離的各種液壓 機械下。液壓能具有出力大，控制方便、準(zhǔn)確等特點。因此在工業(yè)高速發(fā)展的今天， 液壓站作為一種能源裝置運用于各個行業(yè)。液壓站主要由泵裝置、集成塊或閥組合、油箱、電器盒等組合而成。泵裝置上裝有 電機和油泵，是液壓站的動力來源， 將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能；集成塊是由液壓閥及通道 體組合而成，對液壓油實行

12、方向、壓力、流量調(diào)節(jié)；油箱是鋼板焊制的半封閉容器，其 上裝有濾油網(wǎng)、空氣濾清器等，實現(xiàn)儲油、油冷卻及過濾等功用；電器盒可用于電動機 的接線，出于液壓站在工作系統(tǒng)中的重要性，一般液壓站都配備兩臺電機，一臺工作用， 一臺備用。可見液壓站對驅(qū)動電機的要求很高：電機應(yīng)工作在電壓波動為土10%頻率0.991.01倍；額定頻率（連續(xù)的）；三相電源不平衡電壓，電流零序成分都不應(yīng)超過 正序成分的2%因此，電動機保護器在液壓站上的應(yīng)用就顯得極其重要了。12電動機保護器概述電動機作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，廣泛用于冶金、化工、紡織、石油、電力、礦山等國

13、民經(jīng)濟 的主要部門，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動 機的正常運行就顯得十分重要。而在使用中造成電機燒毀甚至引發(fā)重大安全事故的事件 屢見不鮮，“據(jù)不完全統(tǒng)計全國每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數(shù)千萬度，電動 機燒毀的數(shù)量達20萬臺次以上，容量約0.4億千瓦，因維修所耗的電磁線約5000萬公斤, 修理費達20億元，而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個無法估量的巨大數(shù)目?！币虼俗龊秒妱訖C的保護具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益及保證安全生產(chǎn)的重要意義。我國的電動機保護裝置大約經(jīng)歷了由起初的 JR系列熱繼電器、熔斷器和電磁式電 流繼電器發(fā)展到模擬電子式電動機保護器，到

14、后來的數(shù)字電子式電動機保護器。 產(chǎn)品功 能一代比一代強，保護器性能一代比一代優(yōu)越。更值得一提的是由于近年來微處理器技 術(shù)的發(fā)展，給電動機保護器向智能化、 多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機保 護進入了一個飛速發(fā)展的階段。本文即要介紹一種由TN87C196KD-2單片機作為微控制 器的新型智能化電動機保護器。1.3電動機保護器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r在微電子領(lǐng)域，國外產(chǎn)品總會走在時代的前列。特別是在美國和德國以及日本這些 發(fā)達國家。當(dāng)然近幾年國內(nèi)產(chǎn)品也得到了飛速發(fā)展， 以致在控制功能上能與國外同類產(chǎn) 品媲美。1.3.1國外發(fā)展?fàn)顩r國外的電動機保護器也經(jīng)歷著由不發(fā)達到發(fā)達，由傳統(tǒng)到智能的一個階段。起

15、初也 是單一的、傳統(tǒng)的雙金屬繼電器，這種繼電器只能對電動機的過載進行保護，而且也只 適合于輕載啟動的情況下；接下來發(fā)展到智能化過載繼電器，這種繼電器能提供過載、 斷相和三相電流不平衡三種保護。生產(chǎn)該繼電器的廠家主要有德國西門子公司、美國的 ABB公司以及日本的富士公司。再到后來發(fā)展成智能化電動機控制器，進入90年代，由于微機通信技術(shù)的發(fā)展，國外一些公司提出了兼有監(jiān)控、保護作用的智能化電動機控制 器，它有通訊功能，能與中央控制計算機進行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護與信息網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，不但能監(jiān)察電動機運行的各個參數(shù)，測量當(dāng)前數(shù)據(jù)。還能對過去的運行參數(shù)及故障情況做出統(tǒng)計，以便于維修。最先生產(chǎn)該種保護器的是

16、英國的GEC-ALSHO公司，且之后在不斷的更新它的產(chǎn)品。1.3.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國的電動機保護裝置大約經(jīng)歷了全面仿蘇、自行設(shè)計、更新?lián)Q代、智能化發(fā)展等幾個階段。20世紀(jì)60年代以來，電子式保護器開始走上社會2。(1) 熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器。熱繼電器在電子業(yè)尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應(yīng)工作的。但熱繼電器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受環(huán)境影響大、重復(fù)性 差、誤差大及功能單一等，已無法滿足越來越高的要求，因而也就無法避免被淘汰的命電磁式電流繼電器具有過載、堵轉(zhuǎn)保護功能，有的還有缺相保護，其過載保護具有反 時限特性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機械制造精度高，價

17、格高且體積龐大，因而目前已被基本淘汰。（2）模擬電子式電動機保護器（電機保護器）。在上個世紀(jì)七八十年代，隨著半導(dǎo)體模擬器件的興起及普及，涌現(xiàn)出了一批性能比 較可靠、功能多樣化的電子式電動機保護器 （電機保護器）,為電機的可靠運行提供了較 可靠的保障，但這類產(chǎn)品仍存在一些無法克服的缺陷：整定精度和采樣精度都不高；無法 實現(xiàn)具有多種保護功能于一體的全保護。鑒于以上原因，純粹模擬線路的電動機保護器 （電機保護器）正逐漸被其它一些更先進的技術(shù)產(chǎn)品所代替。隨著近年來微處理器技術(shù)的發(fā)展,給電動機保護器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機保護進入 了一個飛速發(fā)展的階段。常規(guī)電子式保護器，檢測元

18、件一般采用速飽和電流互感器，不存在發(fā)熱問題，其動作 穩(wěn)定性與熱繼電器相比有了質(zhì)的飛躍。但是常規(guī)電子式保護器均采用人工可調(diào)定時限保 護特性，無法實現(xiàn)與電機熱過載保護特性曲線相匹配的反時限特性保護 ，只能實現(xiàn)“單點 式”保護，并且該保護裝置一般采用定時避開啟動電流的措施，以防止正常啟動的保護誤 動作。但是如果啟動過程中出現(xiàn)異常故障，則電機就得不到保護。另外，由于電網(wǎng)電壓波 動、干擾、自身發(fā)熱等因素，其故障率也很高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，繼電保護技術(shù)的數(shù) 字化、計算機化成為了必然的發(fā)展趨勢。熱繼電器的淘汰為電子式電機保護技術(shù)的推廣與使用提供了廣闊的前景，況且國內(nèi)的電機保護控制裝置由于價格高或產(chǎn)品質(zhì)量低

19、劣而未能普及，技術(shù)水平及在品種和數(shù)量 上遠遠滿足不了國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。因此盡快開發(fā)新型三相電動機智能保護器，使我國低壓電器產(chǎn)品追蹤國際最新技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。 在這種背景下，以單片機為核心，對電 機過壓、欠壓、過載等故障具有綜合檢測保護功能的智能保護器應(yīng)運而生。本課題要做 的也正是這樣一款多功能的智能型電動機保護器。力爭達到國內(nèi)電動機保護器研究領(lǐng)域 的至高點。1.4電動機保護器的特點本課題設(shè)計的電動機保護器可以堪稱國內(nèi)電動機保護領(lǐng)域的高端產(chǎn)品。本保護器集啟動保護、運行保護、通訊功能、人機對話模塊于一身，并且做到了故障的顯示和記憶。 為電機故障分析提供充分的數(shù)據(jù)，有效的起到了電動機故障防范的作用

20、。1、整機模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括：（1）中央處理模塊：由TN87C196KD-20單片機、晶振電路和 A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源電路 構(gòu)成。（2）信號處理模塊：由電流互感器和零序互感器從 380V電動機供電線上獲取電流信 號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。（3） 電源模塊：電源電路與總電路分開處理，可提供 +24V單獨接地、+12V +5V電 源共同接地以及+5V單獨接地，充分滿足單片機的電源要求。（4）人機交互模塊：該模塊集輸入與顯示于一身，采用串行數(shù)據(jù)傳輸，有效節(jié)約單 片機資源。（5）控制模塊：由開關(guān)量輸入、輸出組成，開關(guān)量輸入用于監(jiān)測外部開關(guān)狀態(tài)，也可根據(jù)客戶要求用于電動機的起動、停止控制：開關(guān)量輸

21、出主要用于輸出報警信號，脫扣信號和遠程起動信號。（6）通訊模塊：該模塊采用通用的 RS-485 ModbusRTU!訊規(guī)約，能實現(xiàn)遙測、遙 控、遙信等功能。2、多重保護措施（1）過流保護：包括采樣傳感器到電機及電機內(nèi)部的局部短路保護，保護特性分為 定時限和反時限兩種。（2）斷相保護：包括電機內(nèi)部和外部供電引起的各種斷相故障，保護特性為定時限。（3）過載保護：根據(jù)電機額定電流確定保護整定值基于過電流倍率的自動雙向反時 限特性保護。（4）啟動保護：通過起動電流的變化時長和連續(xù)頻繁啟動造成的熱積累來判斷是否 正常啟動。（5）過電壓、欠電壓保護：電網(wǎng)供電過壓及欠壓引起的故障保護、保護特性為定時 限。1

22、.5本課題的主要任務(wù)和研究內(nèi)容電動機的燒壞以不對稱故障率最高，占 70%上。不對稱故障主要表現(xiàn)為過流、 過載、三相不平衡、斷相以及堵轉(zhuǎn)等 。而所有的這些故障都同時表現(xiàn)為電流的變化，因此只要將電動機起動和運行過程中的電流值進行取樣，經(jīng)過整流、濾波再通過A/D轉(zhuǎn)換送到單片機中進行算法處理和分析就可以判斷電動機是否出現(xiàn)故障，從而做出相應(yīng)的故障處理措施，同時將故障通過顯示輸出。因此，本課題的主要研究內(nèi)容：（1）通過分析電機定子電流的變化情況來判定電動機的故障電動機發(fā)生故障時，定子電流的幅值和相位都會發(fā)生變化。掌握這些變化情況是 進行電動機故障分析與故障類型判斷的依據(jù)。（2）確定電動機保護器的保護曲線和

23、參數(shù)設(shè)置電動機定子電流的過載倍數(shù)與電機允許運行時間之間的關(guān)系取決于電動機的結(jié)構(gòu)、 材料、運行場合等多種因素。因此，要想使保護器具有一定的通用性，既要使電動機器 的保護曲線符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，還要使電動機保護器的保護曲線能夠根據(jù)不同電動機 由用戶來修改。（3）硬件電路設(shè)計本設(shè)計擬采用TN87C196KD-20單片機為核心，配合其外圍電路實現(xiàn)智能型電動機 保護器的硬件設(shè)計。根據(jù)智能型電動機綜合保護器的要求， 硬件電路應(yīng)由電流信號采集 模塊、人機交互模塊、中央處理模塊、控制保護模塊和電源模塊等組成。（4）軟件程序設(shè)計系統(tǒng)程序需要完成各 A/D采樣計算，各種保護判斷、處理，電流、電壓值以及故 障類型的

24、顯示，按鍵輸入識別、處理等功能。在程序中，所有的計算都應(yīng)采用特定的算 法以保證處理數(shù)據(jù)的精度。達到故障判斷動作的準(zhǔn)確性。2電動機保護器工作原理及方案設(shè)計2.1基本工作原理電動機保護器發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)過好幾代的改革升級了。數(shù)字式智能型電動機保 護器的工作原理基本沒有太大變化，只是隨著硬件電路和芯片的升級在不斷的得到改 善，保護精度得以提高，保護功能得以增加。下面主要通過以下6個模塊對保護器的基本工作原理進行闡述。如圖2.1圖2.1電動機保護器的基本原理框圖1、電流電壓采集模塊本課題設(shè)計的保護器主要采集電流信號， 即監(jiān)測電機運行的狀態(tài)信號。狀態(tài)信號主 要利用穿心式電流互感器和零序互感器采樣得到。

25、 具體方法是將電動機的電源線穿過互 感器。互感器通過固定的變比將電流信號同步縮小成微電流。這個電流信號就可以供下一步處理，最后進入單片機作為電動機運行是否正常的依據(jù)。2、微處理器設(shè)計單片機是保護器的處理核心，它由硬件電路和軟件程序來支撐。通過對程序的編制 以及外圍電路的設(shè)計可以使單片機按一定的要求去執(zhí)行各種動作。 單片機主要起對信號 進行一定的算法處理、與故障參數(shù)進行比較、做出電動機運行是否正常的判斷、發(fā)出信 號使外圍模塊斷開電動機電路等作用。3、繼電器輸出控制模塊采用繼電器的主觸點的吸合和斷開達到對輸出端子的控制， 然后由端子控制外部接 觸器實現(xiàn)電動機的保護。繼電器主要采用固態(tài)繼電器，因為固

26、態(tài)繼電器具有壽命長、性 能穩(wěn)定，無火花等特點。因此使用起來安全可靠?？刂菩盘栔饕獊碜詥纹瑱C的輸出，不 過要配以放大電路才能實現(xiàn)繼電器的動作。4、通信模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，通信是現(xiàn)代電子設(shè)備所必不可少的，特別在電動機保護器中。將電動機的運行狀態(tài)參數(shù)傳送給上位機或者其他控制設(shè)備，以實現(xiàn)遠程控制和在線監(jiān)視，同時也做到故障的記錄和保存，以給維護和診斷帶來幫助。所有這些都需要保護器處于一個通 信的狀態(tài)。5、人機對話模塊人機對話模塊即是圖2.1中的按鍵采集電路和顯示電路的組合。主要由顯示器和輸 入按鈕構(gòu)成。顯示器可以直接采用7段數(shù)碼管和顯示驅(qū)動電路構(gòu)成，主要用于顯示設(shè)定 的保護參數(shù)和當(dāng)前工作狀態(tài)參數(shù)；輸入則主要由

27、按鈕開關(guān)構(gòu)成，實現(xiàn)控制電動機的正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)以及制動停車和參數(shù)的輸入。6、電源模塊電源模塊主要用于給整個系統(tǒng)供電。系統(tǒng)的各個電路需要的電源電壓是不一樣的， 因此該模塊需提供四種電源：+24V單獨接地、+12V, +5V共同接地和+5V單獨接地。2.2系統(tǒng)功能特點根據(jù)對現(xiàn)有各種保護裝置功能對比及客戶需求，確定本課題設(shè)計的保護裝置實現(xiàn)的 保護功能包括：啟動保護、堵轉(zhuǎn)保護、過流保護、過載保護、斷相保護、三相不平衡保 護、過壓及欠壓保護、漏電保護。其中過流和過載都采用反時限特性進行保護。過載反 時限保護特性標(biāo)志可由用戶根據(jù)現(xiàn)場的負載情況進行設(shè)定。該裝置還具有人機交互功 能、故障指示和故障記憶功能。該另外

28、系統(tǒng)還具有的一個最大的特點是具有通信功能， 這會給現(xiàn)場的生產(chǎn)帶來更多方便。2.3方案確定根據(jù)系統(tǒng)功能特點，確定本裝置主要由單片機、電動機三相電流、零序電流及線電 壓采樣輸人通道、按鍵輸人、數(shù)碼管顯示、故障指示、跳閘出口等部分組成。1、單片機確定：當(dāng)前單片機種類繁多，且性能各異。因此，作為系統(tǒng)樞紐的CPU勺確是系統(tǒng)方案確 定的核心問題。In tel公司是全球最大的半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，它生產(chǎn)的單片機具有硬件 系統(tǒng)設(shè)計簡潔、指令系統(tǒng)豐富、計算功能強大、直接設(shè)計有乘法和除法指令給計算帶來 方便、集成外圍模塊多、功耗低、性能穩(wěn)定等特點12 oU1TN8 7C1 96KD-20ACH0ACH1ACH2AC

29、H3ACH4ACH5ACH6ACH75741 11 08916 01 7391842336563式中：t電動機允許過載時間;電動機過載倍數(shù);:電動機繞組溫升，一般取=1.11.2，考慮到電動機實際運行使用情況，設(shè)計時留有一定余量，故取二=1.2，則:t =1500ln1 2 -1.2電動機過載將可能導(dǎo)致其定子溫升超過繞組絕緣的熱容限。根據(jù)經(jīng)驗，在額定溫度以上，溫度每升高10C，絕緣的壽命將減半。因此，持續(xù)過載也會使絕緣過早老化或 損壞。此保護裝置根據(jù)電動機的時間一電流熱特性，在其內(nèi)部復(fù)制生成一個電動機的熱模 型。裝置的熱過負荷保護功能可以由用戶啟用或閉鎖。保護裝置對流過電動機的正序和負序負載電

30、流進行單獨測量，然后將這些測量值綜合，得到一個等效電流leq供熱復(fù)制回路使用。熱復(fù)制產(chǎn)生的熱效應(yīng)由Ieq2來生成，這樣在計算時也就同時考慮了電動機 的正序和負序電流所產(chǎn)生的影響。過負荷保護功能生成的等效電流按下式計算得出Icq = I 1 2 Kl 22式中：I 1正序電流；I 2負序電流；K與電動機熱容量成比例的一個常數(shù)，可自行設(shè)定。如上所述，電動機的溫度將按平方關(guān)系隨著電流的增大而升高。為了更好地實現(xiàn)過 負荷保護，此裝置中對時間常數(shù)提供了很大的整定范圍， 以保證在電動機升溫和降溫的 過程中，裝置中的熱模型與實際受保護的電動機更為接近。此外，電動機的熱承受能力還要受到故障前電動機繞組的熱狀態(tài)

31、的影響。所以在設(shè)計熱復(fù)制功能時，還對極端的情況進行了考慮：一種為故障前電流為零，也即是常說的“冷狀態(tài)”；另一種為故障前電流為額定電流，也即是常說的“熱狀態(tài)”。若故障前電流 為0,裝置將根據(jù)“冷狀態(tài)曲線”計算；若故障前電動機在或曾經(jīng)在額定電流下運行， 那么裝置將采用“熱狀態(tài)曲線”計算。在正常運行方式下，此裝置將運行在這兩種極限 狀態(tài)之間，除非通過編程使其不以這種方式運行。為了對電動機的所有運行狀況，都能實現(xiàn)對電動機的保護，過負荷曲線中引入了 3個獨立可調(diào)的時間常數(shù)：I 1b熱電流整定;Tl當(dāng)電流處于1*和2l 1b之間時的過負荷時間常數(shù)；T 2當(dāng)電流大于2 I 1b是的過負荷常數(shù)；Tx當(dāng)電動機停

32、止時的冷卻時間常數(shù)。裝置中需整定的升溫、冷卻時間常數(shù)應(yīng)根據(jù)電動機定子的升溫、 冷卻時間常數(shù)確定。 裝置的升溫時間常數(shù)(T1)應(yīng)整定為與電動機定子的升溫時間常數(shù)相等或盡可能地接近， 該參數(shù)由電動機制造廠家提供。整定時，應(yīng)使T1等于T2,這樣就能獲得一條連續(xù)的熱特性曲線。在時間一電流圖 上繪制出選定的熱特性曲線很重要，因為這樣可以確保冷特性曲線與起動特性曲線不會 相交。在某些應(yīng)用場合下，無法得到電動機的熱時間常數(shù)。但有可能得到關(guān)于這些值的曲 線圖。這種情況下，在選擇電動機定子升溫時間常數(shù)時，應(yīng)使繪制出的時間一電流曲線 近似地與電動機的冷態(tài)曲線相匹配。而在那些既不能得到電動機的熱時間常數(shù)，也不能 得

33、到熱曲線圖形的情況下，選擇的 T1和T2應(yīng)使熱特性曲線位于起動特性曲線的上方， 但小于電動機堵轉(zhuǎn)的持續(xù)時間。此時，熱過負荷保護同時也具有了一定的堵轉(zhuǎn)保護的能 力。Tr為冷卻時間常數(shù)。該整定值對于周期性運行的電動機極為重要，因為在電動機 升溫和冷卻的過程中裝置需要獲得電動機熱狀態(tài)的準(zhǔn)確信息。一般情況下其整定值為 T1的倍數(shù)，并略微大于電動機自身的冷卻時間常數(shù)。3.3短路分析及保護方案短路故障是指不同相的導(dǎo)線間或相對地發(fā)生金屬性的連接或經(jīng)較小阻抗的連接。電動機短路通常發(fā)生在接線端子或繞組內(nèi)部。 接線端子短路是由于接線端松脫造成的單相 偶然與殼體連接或兩相間偶然斷路。而繞組內(nèi)部短路又分為相間短路和匝

34、間短路兩種。 相間短路包括繞組端部層間短路，槽內(nèi)上下層線圈之間短路及繞組連接線或引出線絕緣 損壞造成的相間短路。匝間短路包括一個線圈之間短路，一個極相組中的線圈之間短路 及各極相組線圈間的短路。造成繞組短路的內(nèi)部原因是電動機絕緣有缺陷及導(dǎo)線本身絕 緣不良或嵌線時絕緣受損。電動機出現(xiàn)短路后，短路電流會立即增大，遠遠高于額定電 流。斷路電流使繞組迅速產(chǎn)生高熱，以致絕緣變色、焦脆、直至燒毀。短路后果是嚴重 的，因此短路故障出現(xiàn)時必須迅速切除，即瞬斷。由于電動機相繞組間的絕緣相對較多， 因此發(fā)生相間短路故障的現(xiàn)象較少。 而由于 電動機定子繞組安裝在接地金屬外殼內(nèi)，所以電動機內(nèi)部發(fā)生的絕大部分故障都與接

35、地 有關(guān)，使得接地漏電保護裝置動作。盡管如此，一般來說，仍然需要設(shè)計了一個快速動 作的過流保護元件，用于保護電動機端子間發(fā)生的相間短路故障。為了避免在起動過程中，因電流互感飽和時的不對稱性導(dǎo)致的跳閘，當(dāng)電流在I1.211之間時，該元件的最小動作時間為 100 ms,發(fā)生短路時，可以采用速斷保護法，短路 判別計算公式為(I max / |n) , 7式中：|max電動機最大電流;In電動機額定電流。3.4缺相和相不平衡分析及保護方案電動機斷相運行時，往往表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生不均勻，電機的帶負載能力明顯下降。 在重載情況下電動機會立馬處于停轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而此時電動機的另外兩相電源任在接通。 這樣就會使電

36、流在短時間內(nèi)增大導(dǎo)致電動機損壞。如果電動機處于輕載情況下，電機會由于慣性沖過不均勻的磁場區(qū)。不過此時斷相產(chǎn)生的不對稱電流對電動機的損害不僅僅 是電流增加引起定子發(fā)熱，更重要的是不對稱電流會在各相電流中出現(xiàn)很大的負序分 量，這些分量會導(dǎo)致電動機端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動，以及起動力矩降低等一系列問題，而 且電動機的不對稱故障容易形成事故的擴大， 造成電動機的嚴重損壞。斷相情況可能出 現(xiàn)在電機運行期間，也可能發(fā)生在電機啟動時。由于缺相能引起電動機三相電流嚴重不平衡，故在設(shè)計時將缺相和相不平衡故障綜 合考慮。根據(jù)電動機使用規(guī)范，相間不平衡及缺相的計算公式如下=(I m ax / | m in ) I p 1

37、00%式中：|max三相最大電流;I m in三相最小電流;IP三相平均電流。電動機的相間不平衡采用反時限動作原理，即S數(shù)越大，動作時間越短，考慮到電動機 本身因素和測量值誤差，各為10%時開始累加，大于150%時，保護器立即動作。3.5漏電分析及保護方案由于電機繞組的絕緣下降，電機受潮等原因，使電動機極易發(fā)生接地短路，若接地 是非金屬性的，將不會出現(xiàn)大的電流， 因此不會反映成各相電流的過流，現(xiàn)有各類保護 器很難檢測到這類故障，然而，這類局部故障若不及時處理，將會使故障擴大，等到出 現(xiàn)大的相電流時，電動機實際己損壞，保護失去意義。異步電動機一般不接中線，即：采用三相三線制供電方式。根據(jù)對稱分量

38、法，在正 常運行時，la+lb+lc=0,無零序分量。一旦出現(xiàn)接地故障，不論該故障是金屬性的，還 是非金屬性的，均在相電流中出現(xiàn)零序電流，即：I a+l b+lc工0同時，定子電流不對稱 不會產(chǎn)生零序電流，即l a+l b+l c=0。而接地產(chǎn)生的零序電流在定子電流中又很難察覺 出來。對于采用三相四線制供電方式的系統(tǒng)，根據(jù)對稱分量法，在正常運行時，l a+l b+l cln=0。一旦出現(xiàn)漏電故障，不論該故障是金屬性的，還是非金屬性的，均有I a+l b+l clnO因此，l a+l b+ l c ln是否等于零可作漏電故障的判據(jù)。定子電流的不對稱產(chǎn)生 了中線電流，但不會產(chǎn)生零序電流，即l a+

39、l b+ l c ln=0o而漏電產(chǎn)生的零序電流在定子 電流和中線電流中察覺不出來。因此，檢側(cè)零序電流是判斷漏電故障的有效方法。可采 用零序互感器來采集電流信號。3.6欠電壓分析及保護方案在電力系統(tǒng)中，由于負載的增大、系統(tǒng)故障或調(diào)整不當(dāng)，就有可能會出現(xiàn)欠電壓現(xiàn) 象。電壓的下降會直接影響到電動機的轉(zhuǎn)矩。 如果電壓降落的時間較短，電動機可以實 現(xiàn)成功的重升速。但持續(xù)的欠電壓則會使所有電動機停轉(zhuǎn)。 因此一般在系統(tǒng)中都廣泛地 采用了基于時間延遲的欠電壓保護。這個保護器內(nèi)的欠電壓保護由兩段獨立的相間測量量組成。如果需要的話，兩段保護都可以同時提供報警和跳閘信號。另外根據(jù)電壓降落的嚴重程度，我們可能需要采

40、用 不同的時間整定值，換句話說就是，電動機可承受小電壓降落的時間較長，而可承受大 電壓降的時間則較短。這就是繼電器設(shè)計兩個保護段的原因， 其中一段的整定電壓較高 而延遲時間較長，另一段則與之相反。3.7啟動分析及保護方案電動機的正常啟動是確保機械正常運行的關(guān)鍵，是電機使用壽命的決定因素。電動機定子給電后，有幾種異常情況會導(dǎo)致啟動故障：電動機的機械故障、軸承故障、電壓 過低或斷相啟動。給電后轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，電動機類似于一個二次側(cè)為阻性負載的變壓器，電 流為滿載電流的58倍，具體值取決于電機設(shè)計和電源阻抗。 按典型值6倍考慮，由于 集膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng)，當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，電流將集中在導(dǎo)體表

41、面流過： 這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。是電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，會聚集于總導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面積中。頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著），電阻按增加3倍計算的話，發(fā)熱量約為正常工作時的108倍。由于溫度上升很快，電機絕緣層 會因此損壞，使生產(chǎn)蒙受損失。所以用電動機保護器給電動機設(shè)定一個啟動時間，在規(guī) 定時間內(nèi)還不能使整定電流降至電機額定電流，那么就認為啟動失敗，切斷電機電源以達到保護目的，等到故障切除后再次啟動電機。3.8本章小結(jié)本章主要對電動機運行過程中可能出現(xiàn)的故障進行了分析并給出了具體的保護方 案，構(gòu)造了保護特性的數(shù)學(xué)模型。這些保護方案和保護參數(shù)會作為軟件編制過程中的保

42、 護依據(jù)，有效的銜接了硬件和軟件。故障分別有：過流、欠流保護；過載保護；短路保 護；缺相和相不平衡保護；漏電保護；欠壓保護和電機啟動保護。在接下來的章節(jié)里我 們會設(shè)計具體的硬件電路，以完成這些保護方案。4保護器硬件電路設(shè)計硬件電路是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電路中元器件的選擇是決定系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵因素。 系 統(tǒng)在軟件的配合下能否正常工作取決于硬件電路對信號處理的好壞以及抗干擾能力。除了工作性能以外，經(jīng)濟指標(biāo)也是工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計過程中要考慮到的一個重要因素， 尤其是在我國當(dāng)前經(jīng)濟不甚發(fā)達的情況下， 能夠長期占據(jù)市場的將是那些高性價比的產(chǎn) 品。硬件電路以單片機為控制核心，而單片機的功能主要是對輸入接口的信號

43、進行運算 處理然后給出輸出，用輸出信號來驅(qū)動外部電路，達到用戶的控制目的。所以單片機要 配置一定的外圍電路。下面就從保護器的結(jié)構(gòu)框圖著手來對硬件電路進行分析。結(jié)構(gòu)圖如下圖4.1。由結(jié)構(gòu)框圖可以看出，硬件電路電路主要又六個部分組成： 信號采集放大電路、電源供 電電路、端子輸入電路、輸入顯示電路、繼電器輸出電路、通信電路。另外單片機還配 以別的外圍電路，比如晶振電路，A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源以及復(fù)位電路。這些都是單片機的 必備電路，所以就不作為小節(jié)介紹。接下來就 給大家介紹六大電路。4.1信號采集電路信號采集電路主要采集電動機三相電源的電流信號。電流信號作為輸入，它的值經(jīng) 處理后直接用來作為電動機故障的

44、判據(jù)。 因此，必須通過理論分析、反復(fù)實驗方能確定 經(jīng)分析，本課題經(jīng)過分析和計算設(shè)計電路圖如下圖4.2。DCBA1234567圖4.2信號采樣電路345SizeNumberA36Date:16-Jun-2009File:C:Documents andtSngsAdminist7RevisionSheet ofDrawn BACKUP4.DDB1 21、電路分析電路圖左側(cè)為電流互感器和零序互感器， 這兩個器件都是用來采集電流信號的。 為 采集三相電源的電流，應(yīng)同時使用 3個電流互感器，均為穿心式，變比為 250A/50mA。 以A相為例，R7電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后通過電容 C12進行濾

45、波，去掉 干擾信號；接下來通過肖特基二極管 D1進行整流。得到直流信號。直流信號分兩路， 上邊一路通過比較放大器U8C進行放大后進入單片機的ACH2 口。這一路信號采集的主要是電動機運行過程中的電流。下邊一路經(jīng)過電壓跟隨器后再經(jīng)分壓后進入單片機的 ACH3 口，這一路采集的主要是電動機啟動時的電流。在進入單片機輸入口之前都設(shè)計一個鉗位二極管，主要是主要是將輸入電壓鉗位在5.7V以內(nèi)，對單片機起保護作用，以免燒壞單片機。2、電路數(shù)據(jù)計算以本課題的液壓站為例，假設(shè)液壓站的泵電機的額定電流為 160A。屬于本保護器 保護范圍之列(本保護器的保護額定電流在 100A250A之間)。那么泵電機的峰值 為

46、：Imax = 2 I = . 2 160A =226.27A選擇電壓轉(zhuǎn)換電阻為R7=10。根據(jù)選擇的電流互感器的變比(250A/50mA)可得變換 后的電流為：|x =|max-：-(250/50) =226.27-5= 45.25mA電壓為：Ux = lx R7 =45.25 10 =0.453/U8C 的放大倍數(shù)：B =1+R/R1=1+R27/R22=1+9/ 仁10,這里設(shè) R27=9kQ，R22=1kQ0所以電機運行中的電壓為：Uy二Ux 10 = 0.453 10 =4.53V ：5.7V通常，啟動電流可以高達額定電流的68倍，所以可算得啟動時的電流為：|Q=|x (6 8) =45.25 (68) =271.5mA362mA電壓為：U max = Imax R7 = 362 10 = 3.62V 5.7V因此設(shè)計合理，滿足單片機的輸入要求。那么其余兩相也按照此方法可以算出。為適應(yīng)電動機不同額定電流，本裝置應(yīng)該是通用的智能保護器，適應(yīng)不同電機不同 的額定電流。這樣就會對裝置的保護精度有一定的影響。為了盡量擴大保護整定范圍而 不降低精度，采取了如下兩項措施：首先是使用羅氏線圈電流互