(完整版)電動(dòng)機(jī)保護(hù)畢業(yè)論文.doc

1、1 前言1.1國(guó)內(nèi)外研究的狀況隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的智能型多功能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生?；谖⑻幚砥鞯碾妱?dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有優(yōu)異的保護(hù)特性、完善的功能擴(kuò)展和智能化的監(jiān)測(cè)與控制。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外一些著名的電器公司紛紛推出以微處理器為核心的智能化電機(jī)保護(hù)器。如：德國(guó) SIEMENS公司的 3UBI系列繼電器、日本 FUJI公司的 QA系列繼電器、美國(guó) ABB公司的 SPEM繼電器、英國(guó) GECALSHOW公司的 GEMSTART智能控制繼電器。國(guó)內(nèi)也有許多單位在進(jìn)行研制 ( 如上海電器科學(xué)研究所，南京自動(dòng)化研究所等 ) 。各類產(chǎn)品除基本的保護(hù)功能外，一般還具有自檢

2、、自診斷、故障參數(shù) ( 如故障值、故障類型等 ) 的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能。進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，由于微機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些公司又提出了兼有監(jiān)控、保護(hù)功能的智能化保護(hù)器。它能與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)；也能監(jiān)視電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)，不但能測(cè)量當(dāng)前數(shù)據(jù)，并能對(duì)過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)及故障情況做出統(tǒng)計(jì)，幫助操作人員做出決策，以減少線路和設(shè)備的停機(jī)和維修時(shí)間，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。1.2以熱繼電器為主的組合保護(hù)中小型電機(jī)保護(hù)采用熔斷器、接觸器和斷路器及熱繼電器的組合。采用熔斷器及熱繼電器的電機(jī)保護(hù)是較為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的一種方式。熔斷器與刀開關(guān)是使用最早

3、、最簡(jiǎn)單的保護(hù)方式。熔斷器主要是用于短路故障或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)保護(hù)供電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)的，際上它對(duì)電機(jī)不起直接保護(hù)作用。當(dāng)熔體熔斷時(shí)，又往往會(huì)造成電機(jī)缺相運(yùn)行而燒毀。許多人把熔斷器的作用看作是保護(hù)電機(jī)，是一個(gè)概念錯(cuò)誤?，F(xiàn)行的熔斷器熔體截面選擇按電機(jī)額定電流 1525倍來(lái)選擇是不符合實(shí)際的。電動(dòng)起動(dòng)時(shí)受到 57倍大電流沖擊，但因時(shí)間短，理論上是可以在熔體不熔斷的情況下通過(guò)熔體，但由于熔體在制造工藝、時(shí)效和安裝上存在隨機(jī)“缺陷”，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)很容易發(fā)生部分相首先熔斷，而使電機(jī)處于缺相運(yùn)行，造成燒毀事故。過(guò)載熱繼電器在保護(hù)電機(jī)過(guò)載方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有保護(hù)時(shí)滯和對(duì)輕微過(guò)載與堵轉(zhuǎn)保護(hù)欠佳的缺

4、點(diǎn)，因而容易導(dǎo)致長(zhǎng)期輕微過(guò)載運(yùn)行使電機(jī)繞組產(chǎn)熱累計(jì)，而使繞組絕緣老化造成電機(jī)損壞。但是熱繼電器對(duì)起動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)不起保護(hù)作用，且環(huán)境溫度對(duì)熱繼電器參數(shù)影響較大，不穩(wěn)定。雙金屬片整定方法粗糙，因?yàn)闊崂^電器安裝在電機(jī)殼外，一旦發(fā)生通風(fēng)受阻、 堵轉(zhuǎn)、長(zhǎng)期輕微過(guò)載使電機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累等，熱繼電器就無(wú)法保護(hù)電機(jī)。原因是熱繼電器串接在主電路中，與電機(jī)繞組溫度無(wú)直接關(guān)系。另外熱繼電器本身是一個(gè)耗能元件，在動(dòng)作過(guò)程中要消耗較多的電能。而當(dāng)熱繼電器真正起到保護(hù)作用動(dòng)作幾次，其本身的電阻絲、絕緣材料會(huì)因過(guò)熱而迅速損壞，不能繼續(xù)使用，必須全套更換。1.3傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)以反映故障發(fā)生后電流量的變化為判據(jù)的電磁型保護(hù)

5、曾得到廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)電網(wǎng)中， 有一部分電機(jī)保護(hù)仍采用電磁型繼電器為主的保護(hù)。如運(yùn)行中的保護(hù)，大多數(shù)為電流速斷或定時(shí)限過(guò)流，另有相當(dāng)數(shù)量的電機(jī)采用一次過(guò)電流保護(hù)。根據(jù)異步電機(jī)的起動(dòng)特性，為了使保護(hù)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)可靠不動(dòng)作，這些保護(hù)的定值都要躲過(guò)電機(jī)的啟動(dòng)電流來(lái)整定，這樣定值要比本身額定電流大許多倍，這對(duì)電機(jī)匝間故障、相間故障、堵轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障均不能可靠動(dòng)作，而只能保護(hù)電源電纜和定子入口的部分，這就加重了電機(jī)的損壞程度，有不少電機(jī)在故障切除后，燒毀的己無(wú)法修復(fù)?？梢婋姶判碗姍C(jī)速斷或定時(shí)限電流保護(hù)是犧牲保護(hù)的靈敏性來(lái)提高可靠性的。1.4溫度保護(hù)決定繞組絕緣壽命的基本因素是溫度。因此，任何規(guī)

6、定的允許過(guò)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間，都應(yīng)以絕緣發(fā)熱為依據(jù)。而熱保護(hù)( 熱繼電器 ) ，電流保護(hù) ( 電磁型、電子式的本質(zhì) ) ，都是按照電機(jī)定子電流的大小規(guī)定允許過(guò)負(fù)荷時(shí)間的長(zhǎng)短。然而，往往有這樣的情況，即電流盡管沒(méi)有超過(guò)額定值，而電機(jī)的溫度卻達(dá)到了危險(xiǎn)的數(shù)值，需要把電機(jī)從電網(wǎng)斷開。由此看來(lái)，直接反映電機(jī)溫度的保護(hù)具有一定的優(yōu)越性。溫度保護(hù)是利用安裝在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器米實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定溫度時(shí)，繼電器動(dòng)作斷開電機(jī)的供電電路。此類保護(hù)的關(guān)鍵是在制造電機(jī)時(shí)，將傳感器直接放在電機(jī)繞組罩，但究竟將其預(yù)埋于電機(jī)的哪一部位才能最全面有效地檢測(cè)電機(jī)繞組的溫升，從而靈敏地切除故障，是不能確定的。比如說(shuō)，溫度傳感器

7、預(yù)埋于A處，而在遠(yuǎn)離 A處的 B處發(fā)生故障，傳感器就有可能監(jiān)測(cè)不到該處溫度的變化，從而延誤保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間而使故障擴(kuò)大。也就是說(shuō)它的檢測(cè)功能是局部的。況且，由于傳感器埋在電機(jī)繞組里，對(duì)傳感器的維護(hù)檢修就極為不便，必須拆除電機(jī)本身才能對(duì)傳感器進(jìn)行檢修。因此，溫度保護(hù)的使用有著相當(dāng)大的局限性。1.5電子式保護(hù)隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，一批新型的電子式多功能保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)電子式保護(hù)是由晶體管型發(fā)展至集成電路型的。其原理一般包含兩方面：一是檢測(cè)電流值反映過(guò)載、短路及堵轉(zhuǎn)等以過(guò)流為特征的故障；二是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電壓或電流是否缺相來(lái)反應(yīng)斷相故障。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的電機(jī)保護(hù)技術(shù)也從機(jī)電式

8、向智能化進(jìn)行過(guò)渡，在電機(jī)保護(hù)裝置中引入了微處理器，加強(qiáng)了信號(hào)處理功能和通訊功能。這種智能保護(hù)器是在綜合保護(hù)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它可以同時(shí)對(duì)電機(jī)斷相、過(guò)載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。它還擁有電流電壓顯示、故障記憶等功能。另外，智能化電機(jī)保護(hù)器還可以與各種傳感器配合進(jìn)行在線檢測(cè)保護(hù)。對(duì)電機(jī)的各種故障或早期故障進(jìn)行保護(hù)和判斷，真正實(shí)現(xiàn)了智能檢測(cè)和控制。當(dāng)保護(hù)器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊后，它又有了遙控和遙測(cè)的功能，并且能夠存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，保護(hù)裝置本身的自動(dòng)化性能也越來(lái)越高。此類保護(hù)器節(jié)能、 動(dòng)作靈敏、精確度高、保護(hù)功能全、重復(fù)性好，代表了當(dāng)前電機(jī)保護(hù)器的發(fā)展方向。2 三相異步電動(dòng)機(jī)常

9、見故障及分析2.1短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大。短路故障包括定子繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對(duì)稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接。此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞。電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，

10、應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定啟動(dòng)電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的8lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī) A，B， C三相線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，超過(guò)整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)。短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在一定時(shí)限( 當(dāng)然很短 ) 內(nèi)檢測(cè)到三相最大電流超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定線電流K倍時(shí)（K為短路過(guò)流倍數(shù)， 一般取 810) ，就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。2.2堵轉(zhuǎn)故障特征判據(jù)電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過(guò)大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成過(guò)熱而燒壞。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對(duì)稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過(guò)載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的 4 7倍，這么高的故障電流極易把電動(dòng)

11、機(jī)燒損。因此在檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，保證電動(dòng)機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞。堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可取自于電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過(guò)堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)電流，即額定電流的 4 7倍。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的 47倍，為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng)，保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后，一般采用躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間 (8 16秒 ) 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流以免誤動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)。2.3斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對(duì)稱故障

12、。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒(méi)有振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。根據(jù)對(duì)稱分量法，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的三相不對(duì)稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。 正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗。帶動(dòng)同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損。表 1根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)由表分析可以看出，電動(dòng)機(jī)斷相故障主要有三類情況：當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以 Y形連接時(shí)，無(wú)論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；對(duì)于形連接的電動(dòng)機(jī)，發(fā)生外部線路斷

13、相時(shí)，故障相的線電流為零；若形連接的電動(dòng)機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時(shí)，電動(dòng)機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。2.4過(guò)載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載也稱過(guò)負(fù)荷，是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過(guò)大所引起的過(guò)熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱而燒損。電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成： (1) 負(fù)荷增加； (2) 機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好； (3) 電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械故障； (4) 電動(dòng)機(jī)容量選擇偏??； (5) 電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏??； (6) 雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均； (7) 電動(dòng)機(jī)端電壓過(guò)低等。a電動(dòng)機(jī)溫升特性電動(dòng)機(jī)定子繞組

14、溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動(dòng)機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過(guò)載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過(guò)機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中加熱電動(dòng)機(jī)，使其溫度上升，最終超過(guò)環(huán)境溫度。于其銅損電動(dòng)機(jī)是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實(shí)際測(cè)定表明，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計(jì)算和分析， 一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動(dòng)機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決銅損。電動(dòng)機(jī)的溫

15、升特性曲線可以用如下原理來(lái)解釋：當(dāng)時(shí)間 t=O時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來(lái)提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動(dòng)機(jī)溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來(lái)越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達(dá)到穩(wěn)定溫升。b電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性1電動(dòng)機(jī)容許過(guò)載特性；2定時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性；3階段式定時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性； 4反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量，因此電動(dòng)機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過(guò)載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載往往會(huì)有

16、一定的波動(dòng)，這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定短時(shí)過(guò)載能力，不會(huì)因短時(shí)過(guò)載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)問(wèn)t 與過(guò)載倍數(shù) B的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過(guò)載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一過(guò)載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖中可以看出，定時(shí)限過(guò)載保護(hù)和階段式定時(shí)限過(guò)載保護(hù)都不能像反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，因此在設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)特性時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的反時(shí)限特性。2.5欠壓和過(guò)壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)a欠壓保護(hù)在電動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的相

17、對(duì)轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)增大，溫升增高。如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低電壓工作會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就無(wú)法啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對(duì)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)需要自動(dòng)起動(dòng)的重要電動(dòng)機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。下列電動(dòng)機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)：(1) 當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí)，為保證重要電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)而需要斷開的次要電動(dòng)機(jī)；(2) 電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后，根

18、據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)； (3) 需要自啟動(dòng)，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長(zhǎng)時(shí)間消失后，需從電網(wǎng)中自動(dòng)斷開的電動(dòng)機(jī)。欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。b過(guò)壓保護(hù)過(guò)電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對(duì)于負(fù)載星形連接且無(wú)中性線的電動(dòng)機(jī)，如果定子繞組一相短路，會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)在過(guò)電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞，進(jìn)而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于

19、保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。3 電機(jī)保護(hù)裝置框圖及硬件電路設(shè)計(jì)3.1電機(jī)保護(hù)裝置總體框圖電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報(bào)警、故障脫扣、故障記憶、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、相失衡保護(hù)、相序保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)等。 用傳統(tǒng)的模擬線路要實(shí)現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會(huì)變得非常復(fù)雜，整個(gè)裝置的體積也會(huì)非常龐大。目前一些模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一，例如：過(guò)流保護(hù)器、缺相保護(hù)器、漏電保護(hù)器等，而單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達(dá)到前所未有的水平。用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)

20、的功能，在硬件方面主要由三相電流信號(hào)采樣、漏電流采樣、電壓信號(hào)采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)基本工作原理是：由電流、電壓互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的三相線電壓和線電流，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī) AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道，根據(jù)一定的算法，計(jì)算出信號(hào)的有效值，將計(jì)算出來(lái)的信號(hào)有效值與預(yù)先設(shè)定的相應(yīng)整定值進(jìn)行比較判斷，若在一定時(shí)限內(nèi)，采樣到的信號(hào)有效值都在設(shè)定的故障范圍值之內(nèi)，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，并由單片機(jī)發(fā)出故障控制信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行跳閘斷電和報(bào)警。若無(wú)故障產(chǎn)生，則循環(huán)采樣、顯示和存儲(chǔ)電壓、電流信號(hào)。3.2 80C196K0 單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口設(shè)計(jì)80

21、C196KC單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口電路如圖所示3.3電源與公共地線的連接80C196KC有三個(gè)電源引腳， Vcc為主電源 (+5V) ，而 Vref 為芯片內(nèi)置 AD 轉(zhuǎn)換器和 P0口的參考電壓和電源電壓 (+5V) 。如果芯片使用內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器，則為保證 AD轉(zhuǎn)換的精度， Vref 最好分開供電，若與 Vcc共電源，也要分開引線；如果不用內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器，則應(yīng)把 Vref 與Vcc相連，此時(shí)有關(guān)模擬信號(hào)輸入引腳作 PO端口用。 Vpp為EPROM芯片編程電壓，編程時(shí)應(yīng)接+12.5V,正常運(yùn)行時(shí)與 Vcc相連。芯片的地線引腳包括數(shù)字地Vss和模擬地 ANGND，一般都為 O。若不用內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)

22、換器時(shí)，Vss和ANGND直接相連；若用內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器時(shí)，Vss和ANGND應(yīng)分開引線， ANGND只在芯片附近與 Vss相連。為抑制噪聲，提高系統(tǒng)抗干擾性， Vcc與Vss之間， Vref 與 ANGND之間應(yīng)接一個(gè)去耦電容，電容大小一般為 0.1 F或 1 F。3.4振蕩電路80C196KC片內(nèi)振蕩器電路包含一個(gè)晶體控制的正電抗振蕩器，它與外部晶體 Y1和外部電容 C6、 C7的連接方法如上圖所示，XTALl腳為內(nèi)部反相放大器的輸入端， XTAL2腳為該放大器的輸出端。在晶體振蕩器中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一個(gè)感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。80C196KC的

23、狀態(tài)周期由振蕩器信號(hào)經(jīng)2分頻后獲得，本系統(tǒng)采用12MHz的晶體振蕩器，故狀態(tài)周期為1(122) 106)=167ns，它是指令執(zhí)行的基本時(shí)間單位，是對(duì)程序設(shè)計(jì)非常重要的時(shí)間常數(shù)。3.5復(fù)位電路復(fù)位信號(hào)用來(lái)將 80C196KC單片機(jī)初始化為復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)每次上電時(shí)，都應(yīng)復(fù)位。為了復(fù)位，復(fù)位信號(hào)至少保持4個(gè)狀態(tài)周期。單片機(jī)復(fù)位使一些寄存器初始化，清除PSW，由 2018H存儲(chǔ)單元讀出芯片配置字節(jié)并存入芯片配置寄存器 CCR，并將 Pc寄存器的值置為 2080H，從 2080H存儲(chǔ)單元開始執(zhí)行指令。本系統(tǒng)的復(fù)位電路如上圖所示，帶有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。上電時(shí)靠復(fù)位電容 C3的充電緩沖保持在低電平狀

24、態(tài)；手動(dòng)復(fù)位時(shí)按下復(fù)位開關(guān)S16并延遲一定時(shí)間，可將引腳拉低復(fù)位。圖中二極管D6為復(fù)位電容在掉電的情況下提供了一條迅速放電的通路，以保證芯片能在反復(fù)上電的情況下可靠復(fù)位。3.6其它相關(guān)引腳的說(shuō)明(1)ACHOACH7為80C196KC內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器 8個(gè)模擬輸入通道，本系統(tǒng)用其中的 ACH0 ACH5六引腳作為采樣電壓電流信號(hào)的輸入通道。(2)P1.0 P1.7 為8位準(zhǔn)雙向 I0 口，本系統(tǒng)用其中部分引腳作為控制輸出信號(hào)。(3)P3.O P3.7 及P4.OP4.7 引腳有 2種功能，一種為具有開漏輸出特性的雙向口，一種是訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，作為系統(tǒng)總線。本系統(tǒng)用其第二種功能，即用來(lái)作為訪問(wèn)

25、外部存儲(chǔ)器的地址數(shù)據(jù)總線。(4) 、為外部存儲(chǔ)器的讀寫控制信號(hào)， ALE為地址允許鎖存信號(hào)， EXINT為外部中斷輸入信號(hào)，RXDTXD為串行接口的收發(fā)腳。(5) 為存儲(chǔ)器選擇信號(hào)。當(dāng)其為高電平時(shí)，訪問(wèn)地址范圍為2000H5FFFH的存儲(chǔ)單元時(shí)，指向片內(nèi)EPROM，反之，訪問(wèn)上述地址范圍的存儲(chǔ)單_元時(shí)指向片外。由于本系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器由片外提供，故EA接低電平。3.7電壓電流采樣及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)故障檢測(cè)信號(hào)取自于電動(dòng)機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號(hào)，其中三路用于線電流檢測(cè)， 三路用于線電壓檢測(cè)。 由于 80C196KC 單片機(jī)內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號(hào)為 O5V的單

26、極性電壓信號(hào)，因此經(jīng)電壓電流傳感器采樣的交流信號(hào)必需轉(zhuǎn)換為 O 5V的單極性電壓信號(hào)。下圖為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其余兩路相同。圖中 R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器CTl 的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。利用運(yùn)放AR5的高輸入阻抗，來(lái)抑制負(fù)載對(duì)采樣精度的影響。 Vf 為偏置電壓，一般通過(guò)電阻或電位器分壓電路獲得。電組R2、R4、Rf 和運(yùn)放 ARl組成加法器，電阻 R7、Ro和運(yùn)放 AR2組成反向器，電阻 R9和電容 Cl 組成簡(jiǎn)單低通濾波器。 Vref 為80C196KBKC內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷?，二?jí)管 D1和D2主要起嵌位作用，可保證 V02在-VD2(VR

27、EF+VD1)(V D1、VD2分別為 Dl 、 D2的正向壓降 ) 之間波動(dòng)。電壓采樣是通過(guò)電壓互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號(hào)調(diào)理原理，電路圖如下圖所示。3.8系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)本系統(tǒng)需四路供電電源，即+5V的單片機(jī)主電源和模擬參考電壓以及相關(guān)芯片的電源電壓、運(yùn)算放大器+15V和-15V直流電源以及直流繼電器線圈電源 +12V。本裝置都是通過(guò)三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖3 5、圖 36所示。 +12V直流繼電器線圈的電壓如下圖中標(biāo)注處引出。3.9故障報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行電路設(shè)計(jì)本裝置為電動(dòng)機(jī)故障提供兩種報(bào)警方式，即指示燈報(bào)警和蜂嗚器發(fā)聲報(bào)警，報(bào)警電路如下圖所示。 其工作原理是： 電

28、動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，置 P1.0 為低電平，三極管 Q1基極無(wú)電流處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器 U4和發(fā)光二極管 D8也處于截止?fàn)顟B(tài)，報(bào)警失效；當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，置 P1.0 為高電平，由于三極管 Ql的導(dǎo)通而導(dǎo)致發(fā)光二級(jí)管 D8導(dǎo)通發(fā)光，蜂鳴器 U4導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動(dòng)報(bào)警功能。下圖為保護(hù)裝置的動(dòng)作執(zhí)行保護(hù)電路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，置P2.5為低電平，光電耦合器6N137截止，繼電器 Kl 斷開，進(jìn)而交流接觸器K2斷開，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障自動(dòng)掉電保護(hù)。4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)初始化及主程序設(shè)計(jì)主程序主要作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化以及主要部件的自檢，初始

29、化主要完成 80C196KC單片機(jī)多功能引腳的定義、堆棧(SP) 地址設(shè)置、鍵盤作方式的設(shè)置以及液晶模塊顯示設(shè)置。自檢對(duì)象主要有外部擴(kuò)展隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。主程序流程下圖所示。程序開始執(zhí)行后，首先運(yùn)行初始化模塊，初始化的主要任務(wù)是完成80C196KC有關(guān) IO控制寄存器 (IOCO，IOCl ，IOC3等) 的設(shè)置、多功能引腳定義、串行口設(shè)置、堆棧地址設(shè)置、8255A工作方式設(shè)置、液晶顯示模塊設(shè)置以及保護(hù)裝置自身的一些系統(tǒng)變量初始化等功能。自檢程序主要檢測(cè) RAM存儲(chǔ)器是否損壞，自檢方法是先向整個(gè)R枷地址區(qū)寫入數(shù)據(jù)，然后再一一讀出比較，若不一樣，則出錯(cuò)。出錯(cuò)后，由用戶自己決定處理，程序不進(jìn)行

30、出錯(cuò)處理。4.2測(cè)量主程序測(cè)量主程序主要完成電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，程序流程圖如上圖所示。進(jìn)入測(cè)量主程序之后，首先開啟軟件定時(shí)器中斷，并立即執(zhí)行一次軟件定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序，在其中斷服務(wù)程序中，設(shè)置下一次軟件定時(shí)器0中斷的時(shí)間間隔，由于本系統(tǒng)一周波內(nèi)采樣 12個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以相鄰兩次采樣間間隔為20ms12=1.67ms(20ms為被采樣信號(hào)的周期 ) 。這個(gè)時(shí)間也就是軟件定時(shí)器0中斷的時(shí)問(wèn)間隔，即每隔1.67ms產(chǎn)生一次軟件定時(shí)器中斷，在其中斷服務(wù)程序中完成電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，中斷返回后，等待下一次中斷。4.2.1 AD

31、 采樣子程序AD采樣子程序是測(cè)量主程序的重要組成部分，它的主要任務(wù)是依次采集 AD轉(zhuǎn)換器的六路模擬輸入通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其存入預(yù)定存儲(chǔ)單元，以供后續(xù)程序取用。4.2.2數(shù)據(jù)處理子程序數(shù)據(jù)處理子程序也是測(cè)量主程序的組成部分，它的主要任務(wù)是在AD采樣子程序的采樣結(jié)束之后，從預(yù)定的RAM單元中取出各路通道最近一個(gè)周波內(nèi)采集的 12個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并根據(jù)有關(guān)算法計(jì)算各路電壓或電流的有效值和正負(fù)序分量，然后將其存入預(yù)定單元，并發(fā)送至液晶顯示模塊顯示。須注意的是，顯示之前應(yīng)將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的BCD碼表示，然后查表得各位數(shù)字的顯示碼，并發(fā)送置液晶顯示模塊顯示。4.2.3故障處理子程序故障處理子程序主要任

32、務(wù)是根據(jù)最近采集到的數(shù)據(jù)按下列順序依次進(jìn)行故障判斷。故障判斷順序依次為短路、堵轉(zhuǎn)、斷相、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載。下圖為故障處理子程序流程圖，開始時(shí)從預(yù)定RAM中讀取最近采樣的特征參數(shù)，然后短路故障判斷，若有故障，則進(jìn)行故障處理，若無(wú)短路故障，則轉(zhuǎn)下一故障處理模塊，當(dāng)全部故障判斷完成后無(wú)故障發(fā)生，則重新開啟軟件定時(shí)器中斷，等待下一個(gè)周波的采樣。每一故障處理模塊都應(yīng)有讀取特征參數(shù)、故障判斷以及故障處理三部分組成。各個(gè)保護(hù)模塊計(jì)時(shí)器的選用視動(dòng)作時(shí)限的長(zhǎng)短而定，如對(duì)短路和堵轉(zhuǎn)故障動(dòng)作時(shí)限較短，可用80C196KC內(nèi)部定時(shí)器 1計(jì)時(shí)，對(duì)過(guò)載倍數(shù)較小的過(guò)載保護(hù)可以以外部時(shí)鐘芯片的走時(shí)時(shí)間作為動(dòng)作時(shí)限計(jì)時(shí)。結(jié)論電

33、動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是其高故障率對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在分析傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。微控制器以其優(yōu)異的特性在電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于微控制器的電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置采用的是將微機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)引入電動(dòng)機(jī)保護(hù)的一種控制思想，電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置一般具有響應(yīng)速度快、可靠性好、智能化程度高、功能擴(kuò)展靈活、操作方便以及易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。本文在分析我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以Intel80C196Kc為核心的電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置。在系統(tǒng)的保護(hù)原理和硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面做了大量的工作，主要有；(1) 根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理，對(duì)電動(dòng)機(jī)常見電氣故障特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出適合微機(jī)實(shí)現(xiàn)的故障保護(hù)方法；(2) 結(jié)合 80C196KC單片機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)