電子式過載保護繼電器

1、平頂山學院2011屆本科生畢業(yè)論文 電子式過載保護繼電器的設計 目 錄1緒 論11.1電子式過載保護繼電器的發(fā)展概況11.2本設計研究內容22電子式過載保護繼電器的保護原理32.1 電子式過載保護繼電器的保護原理32.2 過載故障的保護原理32.3 起動時間過長故障的保護原理62.4 不平衡故障和斷相故障的保護原理62.5 電壓故障的保護原理93電子式過載保護繼電器的硬件設計103.1 電子式過載保護繼電器的硬件總體結構103.2 電子式過載保護繼電器的硬件電路設計114電子式過載保護繼電器的軟件設計164.1 采樣數(shù)據(jù)的處理方法164.2 保護程序的設計175結 論22參考文獻24致 謝25

2、1緒 論1.1 電子式過載保護繼電器的發(fā)展概況二十一世紀以來，微處理器技術、通信技術以及電力電子技術的發(fā)展和應用，促進了智能化低壓電器產(chǎn)品的研究與開發(fā)。低壓電器是機械工業(yè)的重要基礎元件，其品種繁多、量大面廣，幾乎應用到所有用電領域，是國家安全用電的重要保證，是低壓配電系統(tǒng)可靠運行的基礎。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對電能的需求和依賴不斷增大，承擔電能的傳輸與分配、用電設備保護與控制任務的低壓電器就顯得更為重要。世界各國十分重視低壓電器的發(fā)展，每年投入大量的資金進行研究、開發(fā)。隨著科學技術發(fā)展的高度綜合化，二十一世紀科學技術將進一步趨向整體化、交叉化及綜合化，這為低壓電器的發(fā)展提供了新思路；另一方面電氣傳動

3、自動化控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等自動化程度的大幅度提高，對于擔負檢測、變換、控制、保護和調節(jié)作用的低壓電器提出了更高的要求。因此，新技術突飛猛進、工業(yè)用電系統(tǒng)復雜性不斷提高，促使低壓電器向電子化、智能化、組合化、模塊化、高性能和小型化方向發(fā)展。微處理器技術、計算機技術、信息通信技術、電力電子技術、人工智能技術、可靠性技術以及新材料、新工藝的發(fā)展和應用，給傳統(tǒng)的低壓電器帶來了新的活力，使越來越多的新型電器以機電一體化的面貌出現(xiàn)，為智能化低壓電器的開發(fā)提供了良好的條件。低壓電器的智能化技術就是將上述有關的先進技術與低壓電器相結合，一方面使其具有智能化功能，即能夠根據(jù)運行狀態(tài)，通過感知、推理、學習、決策手

4、段自動地選擇最佳模式進行控制與保護；另一方面使其能與中央控制計算機實現(xiàn)雙向通信，提高配電控制系統(tǒng)的信息化、自動化程度1。隨著智能化低壓電器的發(fā)展，一個系統(tǒng)中使用的低壓電器元件越來越多，只要一個電器元件出現(xiàn)故障，就可能導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障，從而造成重大的經(jīng)濟損失。因此，低壓電器的可靠性分析己成為了國內外電器企業(yè)及研究部門的一項重要工作。過載保護繼電器屬于保護類電器，一般與接觸器相配合，主要用于實現(xiàn)電動機的過載保護。其工作特點是：當電動機發(fā)生故障時，過載保護繼電器能及時、可靠的動作，達到保護電動機的目的；當電動機正常工作時，過載保護繼電器不動作。電動機保護裝置采用熱繼電器已有很長的歷史。國內生產(chǎn)的

5、熱繼電器產(chǎn)品主要有JR9，JR10，JR15，JR16等。還有引進生產(chǎn)的T系列和3UA系列熱繼電器產(chǎn)品等，其價格遠高于國產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品。熱繼電器采用雙金屬片受熱彎曲而動作的原理，受環(huán)境溫度的影響很大，而且反復加熱與冷卻使雙金屬片彎曲變形逐漸加大，從而使熱繼電器的準確性、靈敏性和可靠性受到影響。隨著自動化程度的不斷提高，使用電動機的場合越來越多，對電動機的可靠保護越來越被人們所重視。在某些場合，以雙金屬片為核心的傳統(tǒng)的熱繼電器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對過載保護繼電器在精度、速度和通信等方面的要求。許多用戶都在盼望著能有一種性能好、可靠性高的過載保護繼電器來取代雙金屬片式熱過載保護繼電器，對電動機進行可

6、靠保護。隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，電子式過載保護繼電器應運而生。1.2 本設計研究內容研究電子式過載保護繼電器的保護原理。本文對三相異步電動機的過載、短路、堵轉、不平衡、斷相、過壓、欠壓、失壓等各種故障狀態(tài)進行分析，采用電流幅值、電流負序分量、電流零序分量和電壓幅值的不同排列組合作為電子式過載保護繼電器的保護原理。根據(jù)三相異步電動機的發(fā)熱物理過程的數(shù)學模型，獲得與實際溫升過程更為吻合的累加定子電流的過載反時限保護特性方程，實現(xiàn)電動機過載能力的充分利用;針對常見的不同類型的斷相故障，分別進行分析并建立不同類型的斷相故障保護特性方程：對于其他不同故障所表現(xiàn)出的不同狀態(tài)，建立各種故障相應的

7、保護特性方程。設計智能化電子式過載保護繼電器硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。本文設計以PIC16F877單片微型計算機為核心的智能化電子式過載保護繼電器，根據(jù)電子式過載保護繼電器的保護原理，采用PIC匯編語言編寫保護程序，利用PIC16F877單片微型計算機的運算能力、記憶能力和分析能力，電子式過載保護繼電器能夠根據(jù)電動機的運行狀態(tài)自動選擇最佳的保護模式進行電動機的控制與保護。2電子式過載保護繼電器的保護原理2.1 電子式過載保護繼電器的保護原理故障信息及故障特征的提取和處理是電子式過載保護繼電器實現(xiàn)電動機保護的關鍵所在。由于三相異步電動機在三相對稱狀態(tài)下的過流與在不對稱狀態(tài)下的過流(存在反向旋轉的負序磁

8、場)燒損電動機存在不同的機理，從而造成不同程度的危害，因此傳統(tǒng)的以電流幅值作為故障判據(jù)的保護方式在原理上存在一定的缺陷，它只能反應對稱故障，對斷相、接地、不平衡運行等不對稱故障不能及時有效地進行保護。因此，在研究電子式過載保護繼電器的智能化技術的過程中，利用以單片機為核心的電子保護電路，采用的保護原理是基于對稱分量法，以三相異步電動機的電流幅值、電流負序分量、電流零序分量以及電壓幅值的不同排列組合作為電子式過載保護繼電器的保護原理，除實現(xiàn)過載故障保護外，同時可以實現(xiàn)三相短路、起動時間過長、堵轉、不平衡運行、斷相、接地和電壓故障等故障保護2。本章將分別討論上述各種故障的保護原理。三相異步電動機對

9、稱故障的主要特征是三相電流基本對稱但同時出現(xiàn)過電流，因此可通過檢測電流幅值進行故障判斷。根據(jù)對稱分量法分析，負序分量和零序分量在三相異步電動機正常運行時沒有或很小，一旦出現(xiàn)必然表示發(fā)生了不對稱故障。不對稱故障可分為非接地性不對稱故障和接地性不對稱故障3。非接地性不對稱故障會引起三相電流不對稱，此時定子電流可分解為正序分量和負序分量(零序分量為零)，因此采用負序電流分量及各線電流的情況作為此類故障的判據(jù)；接地性不對稱故障會引發(fā)電流零序分量的出現(xiàn)，因此接地性不對稱故障可用零序電流分量反映。2.2 過載故障的保護原理過載保護是指電流超過電氣設備限定范圍，而有一定燒毀危險時，保護裝置能在一定時間內切斷

10、線路，保護設備不受損壞。過載保護是最基本和最有效的事前保護。電動機的過電流大小與允許過電流時間之間的關系稱為過載特性。電動機的過載與輸電線路或其它設備的過載不同，電動機過載將導致電動機過熱，但其低倍過載又允許定時限，所以電動機的過載特性應具有反時限特性4。另外，在電動機多次重復短時間過載，而每次過載時間均小于容許時間時，保護裝置不會動作，但由于電動機自身的熱積累可能使電動機燒毀，因此電動機的過載保護還應具有模擬和記憶電動機熱積累的功能，當熱量積累到使電動機繞組的實際溫度達到會顯著降低絕緣壽命的程度時，要求保護電器給予保護。怎樣充分利用電動機的過載能力，同時又可避免過熱使絕緣破壞而損壞電動機，最

11、困難的就在于如何處理電動機運行過程中的熱積累問題。電動機發(fā)熱理論研究表明，電動機持續(xù)運行的容許負荷，主要取決于定子繞組的溫升，即定子電流的大小作為電動機過載的主要依據(jù)。電動機溫度會由最初的溫度(與周圍空氣溫度相同)開始上升，經(jīng)過一段時間后達到穩(wěn)定溫度。合理模擬電動機的溫度變化過程，才可以保護電動機既不能過熱，又能充分利用電動機的過載能力。因此，對于過載故障，我們利用異步電動機發(fā)熱物理過程的數(shù)學模型，通過求解熱微分方程，獲得累加定子電流的熱過載保護動作方程，從而實現(xiàn)過載故障的有效保護。根據(jù)能量守恒定律，電動機定子繞組損耗和轉子繞組損耗產(chǎn)生的熱量應當?shù)扔诒浑妱訖C吸收從而使電動機溫度升高的熱量與電動

12、機向周圍介質散發(fā)的熱量之和。在考慮發(fā)熱的同時，也考慮了熱量向周圍介質的散失，因此真實地反映了電動機在過載狀態(tài)下實際的溫度變化過程。當電動機溫度變化時，定子繞組的電阻和轉子繞組的電阻也隨溫度而變化。根據(jù)焦耳定律，當每相繞組流過電流1時，當電動機溫度增加時，導體自身的比熱容需要吸收熱量，并且隨溫度的變化而變化。 單位時間內電動機向周圍空氣散發(fā)的熱量與下列因素有關：電動機與周圍空氣溫度之差，即電動機的溫升：溫升越高，散到周圍空氣中的熱量越多；電動機的散熱面積越大，散到周圍空氣中的熱量越多。在不對稱情況下，電流中會含有負序分量，幅值相同的正序電流和負序電流在電動機內產(chǎn)生的熱量并不相同。對定子繞組而言，

13、正序電流和負序電流產(chǎn)生的旋轉磁場為正、反同步轉速，定子繞組的正序電阻與負序電阻阻值相同，定子發(fā)熱損耗與其電阻成正比，故數(shù)值相同的正序電流和負序電流產(chǎn)生的定子發(fā)熱損耗相同。而對于轉子繞組而言，轉子對正序電流產(chǎn)生的旋轉磁場的轉差率為s，額定轉速時，s0，感生電流頻率很低，而轉子對負序電流產(chǎn)生的旋轉磁場的轉差率為2s，所以電動機在額定轉速時，(2s) 2，轉子感生電流的頻率近似為100Hz，對鼠籠型電動機而言，轉子對負序電流和正序電流所表現(xiàn)出的電阻之比可達1.256倍，所以數(shù)值相同的負序電流產(chǎn)生的損耗接近于正序電流損耗的倍數(shù)。因此在設計過載保護發(fā)熱模型時，應充分考慮負序電流的熱效應。為了方便反映定子

14、繞組的正序電流和負序電流的不同發(fā)熱效應，英國GEC公司提出了反映發(fā)熱效應的“等效電流”。當電動機工作在額定工況時，繞組的溫度處于平衡狀態(tài)，繞組電阻產(chǎn)生的熱量全部散失在周圍介質中。模擬的溫度變化曲線是一條類似指數(shù)變化的上升曲線，與實際溫度變化過程相吻合。顯然該曲線若用集成電路型等模擬式保護很難實現(xiàn)，而用微機數(shù)字式保護較易實施。通常情況下，電動機的壽命取決于繞組絕緣材料的壽命，而絕緣材料的壽命取決于所受的最高溫度及其作用時間。根據(jù)GB755-81電機基本技術要求，表2-1列出了各種絕緣等級材料長期使用的極限溫度。國家標準規(guī)定的極限溫度是在環(huán)境溫度為40時做出的。表2-1各種絕緣等級材料的極限溫度絕

15、緣等級絕緣等級A級E級B級F級H級極限溫度（）105120130155180電動機在額定電壓、額定負載及額定頻率下運轉，繞組溫度不會達到表2-1中規(guī)定的數(shù)值。絕緣材料在規(guī)定的極限溫度下工作能夠獲得合理的使用壽命。若絕緣材料的工作溫度超過極限溫度，一般認為，溫度每上升710，絕緣材料的壽命將減少一半。過載故障保護的核心部分是累加值Ak+1的計算，遞推基值為A0，為A0環(huán)境溫度0下電動機所具有的熱常數(shù)，的取值并不影響Ak+1的最終結果，但會因變化過程不同而可能影響保護性能，故不宜隨便更改。在Ak+1每個時間內計算1次。累加值不會無限增大，當時，保護動作跳閘，并且置位保護動作標志和起動閉鎖；累加Ak

16、+1值不會無限減小，當Ak+1=A0時，即當電動機溫度下降到與周圍環(huán)境溫度相同時，將穩(wěn)定在A0 上，此時清除起動閉鎖，合閘后可重新起動電動機。由以上分析可知，過載故障保護采用的是反時限保護原理，即實現(xiàn)了在不同過電流情況下的不同的時間延時，因為電動機的溫度變化是一個持續(xù)過程，脈沖干擾不會再使保護器出現(xiàn)誤動作，從而可提高保護器的抗干擾能力。2.3 起動時間過長故障的保護原理電動機作為一種單獨的電器元件，有其特殊的運行情況，即存在起動問題。準確而可靠地對電動機起動過程進行判斷，直接關系到電動機保護的性能。在電動機起動瞬同，轉于轉速n=0，轉差率s=1，因向電動機的等效阻抗很小，此時起動電流很大，一般

17、電動機起動電流可達到電動機額定電流的47倍。但隨著電動機的轉速增大，電流逐步減小，在額定負荷下，轉差率、很小(一般約為0.010.05)，從而限制了定子和轉子的電流。 在電動機起動時，電動機會從停運狀態(tài)的小電流突增到起動時的大電流，然后再下降至穩(wěn)定運行時的工作電流5，因此利用微機的記憶功能，根據(jù)電動機電流的初始狀態(tài)，可判斷電動機處于起動過程還是正常運行過程。在電動機起動過程中若發(fā)生短路故障，短路電流將大于起動電流，速斷保護動作，從而使電動機得到保護。當檢測到線電流從0A增加到0.1A以上時，則認為電動機開始起動。在起動過程中實時檢測電動機的線電流與線電壓，通過運算和比較，隨時監(jiān)測短路、斷相及不

18、平衡和電壓故障的出現(xiàn)，這樣將會大大提高電動機的保護能力。這是微機控制電動機保護器得天獨厚的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)老式保護器無法比擬的。當達到起動時間后，根據(jù)檢測到的線電流值進行電動機是否存在起動時間過長故障的判斷。起動時間過長故障的保護特性方程為： (2-1)式中： 起動時間過長故障保護的整定電流A 起動時間過長故障保護的整定時間s2.4 不平衡故障和斷相故障的保護原理三相異步電動機燒壞以不平衡故障率最高，占整個電動機燒壞故障的70%以上。根據(jù)對稱分量法，當不平衡故障發(fā)生時，將使三相電流和三相電壓的大小、相位不再對稱，電流、電壓中會出現(xiàn)負序分量，不會出現(xiàn)零序分量。三相異步電動機的正序等效電路和負序等效電

19、路如圖2-1所示。 (a)正序等效電路 (b)負序等效電路圖2-1正序等效電路和負序等效電路圖中： 每相定子電壓正序分量，單位為V 每相定子電壓負序分量，單位為V電動機正序阻抗和負序阻抗與轉差率有關，忽略勵磁阻抗，正序阻抗為 (2-2)負序阻抗為 (2-3)正序電流為 (2-4)負序電流為 (2-5)三相異步電動機在正常運轉時存在兩個主要力矩：一個是使電動機轉動的電磁力矩，由電動機定子繞組中流過的電流產(chǎn)生；另一個是阻礙電動機轉動的阻力力矩，由電動機所帶的機械負荷產(chǎn)生。當三相電動機發(fā)生不平衡故障時，轉子上將作用兩個電磁力矩：一個是在正序電壓、正序電流作用下產(chǎn)生的正序電磁力矩，使電動機繼續(xù)轉動，另

20、外一個是在負序電壓、負序電流作用下產(chǎn)生的負序電磁力矩，起制動作用。正序電磁力矩和負序電磁力矩可分別表示為： (2-6) (2-7)式中： p 極對數(shù) 角速度 合成電磁力矩可表示為 (2-8) 從式( 2-9)可以看出，當不平衡故障發(fā)生時，減小，為了克服，電動機吸收的功率將變?yōu)閾p耗，從而使電動機嚴重發(fā)熱，嚴重程度不隨平衡度的增加而增加。因此設置不平衡故障的保護特性方程為： 當且時， （2-9） 式中： 三個線電流中的最大值A 三個線電流中的平均值A 不平衡度的整定值 不平衡故障保護的整定時間，單位為s在不平衡故障中，斷相故障是危害性最大的故障。因此斷相故障的保護特別重要。常見的斷相故障有：(1)

21、 供電電源線一線斷開：供電電源線一線直接斷開是電動機斷相運行中最為常見的故障；(2) 一相定子繞組斷開：電動機繞組接法有Y型和型兩種，其定子繞組為一相斷相的表現(xiàn)有所不同。無論何種斷相故障形式，斷相運行時，由于負序轉矩的存在，合成轉矩都會減小，從而使銅耗增加，電流增大，例如Y型連接的電動機在供電電源一線斷開或電源一線繞組斷相的情況下，斷相后電流約增大到斷相前電流的萬倍以上，三角型連接的電動機在供電電源一線斷開的情況下，斷相后電流約增大到斷相前電流的2倍以上。電流的增大將使電動機溫升加劇，嚴重時甚至燒毀電動機。因此必須建立有效的斷相保護特性方程，以保證斷相時及時切斷電源6。2.5 電壓故障的保護原

22、理電壓故障包括過壓故障與欠壓故障、失壓故障。過壓故障有兩種：系統(tǒng)的操作與某些不正常運行狀態(tài)使電動機發(fā)生電磁能量的轉換而產(chǎn)生的內部過電壓和大氣過電壓。無論何種過壓，電壓的增加都將造成電動機的電流增大，從而破壞絕緣而損壞電動機。電動機電磁轉矩與電流的平方成正比，即與外加電壓的平方成正比。當電動機端電壓降低時，若電動機處于起動過程，起動轉矩會成平方倍數(shù)的減少，嚴重時會造成電動機不能起動，使電動機長時間承受相當大的起動電流作用，從而導致電動機絕緣過熱甚至損壞；若電動機處于運行狀態(tài)，電動機轉矩的下降會使電動機的過載能力降低，機械特性變軟，運行的穩(wěn)定性變差，若負載轉矩大于電動機的最大轉矩，電動機將被迫停車

23、，鐵心損耗的減少小于銅耗的增加，從而也會使電流增大而燒壞電動機。因此，有必要進行電動機的電壓故障保護。電動機的過壓、欠壓保護是通過電壓幅值來進行判斷的。在阻力轉矩一定的情況下，當電壓降低到足以引起電動機制動的電壓U時，欠壓保護應能反應并將電動機斷開；若電壓下降得過低時，欠壓保護應能迅速切斷電動機。為了保證不因短時出現(xiàn)低電壓而停轉，電動機一般具有一定的轉矩過載倍數(shù)。電動機轉矩過載倍數(shù)一般為1.82.2，由此可確定欠壓保護的動作相電壓。由于采樣電壓為線電壓，根據(jù)不同連接型式電動機的線電壓與相電壓的關系，可以獲得額定線電壓值，電動機欠壓保護的動作線電壓一般取0.5倍額定線電壓值。過壓、欠壓保護采用定

24、時限保護，欠壓保護采用速斷保護，故障保護特性方程分別為：過壓保護特性方程： (2-10)欠壓保護特性方程： (2-11) 失壓保護特性方程： (2-12)式中： 過壓保護的整定電壓，單位為V，一般取1.2UN 過壓保護的整定時間，單位為s 失壓保護的整定電壓，單位為V，一般取0.35 UN 欠壓保護的整定時間，單位為s3電子式過載保護繼電器的硬件設計以微處理器為核心的電子式過載保護繼電器的設計包括硬件設計和軟件設計兩大部分。硬件設計是實現(xiàn)電子式過載保護繼電器預定功能的基礎，是電子式過載保護繼電器的“肢體”；軟件設計是完成電子式過載保護繼電器設計任務的關鍵，是電子式過載保護繼電器的“靈魂”。結合

25、前章所述的保護原理，本章將設計電子式過載保護繼電器的硬件部分，實現(xiàn)三相異步電動機故障的有效保護。3.1 電子式過載保護繼電器的硬件總體結構電子式過載保護繼電器的硬件設計主要包括信號采集變換單元、信號預處理單元、單片機系統(tǒng)單元、鍵盤顯示單元、輸出控制單元等7。電子式過載保護繼電器的硬件結構框圖如圖3-1所示。圖3-1電子式過載保護繼電器的硬件結構框圖單片機系統(tǒng)以一定的時間間隔通過電流互感器和電壓互感器對三相異步電動機進行電流和電壓采樣，采樣信號經(jīng)處理后，送入單片機端口，經(jīng)片內A/D變換器轉換成數(shù)字信號，由單片機進行運算、分析和判斷后，再輸出相應的信號顯示在顯示器上，并通過執(zhí)行機構進行控制與保護。

26、3.2 電子式過載保護繼電器的硬件電路設計單片機是硬件電路的核心部件，在設計時選用了低功耗、高性能、性價比較高的PiC16F877單片機。此單片機由美國Microchip公司推出，采用RISC結構，具有高驅動能力I/O端口(可直接驅動數(shù)碼管LED顯示)，片內含4K字節(jié)程序存儲器FLASH3個定時器/計數(shù)器，8通道10位高速A/D變換器；另外PIC16F8T7單片機還具有片內WDT和掉電保護功能，因而PIC16F877單片機具有很好的抗干擾能力，非常適用于工業(yè)現(xiàn)場控制。單片機的復位電路是易受噪聲干擾的敏感部位，當復位端口串入干擾時，一般不會導致系統(tǒng)的錯誤復位，但會引起CPU內部的某些寄存器和接口

27、電路的狀態(tài)發(fā)生變化，造成系統(tǒng)工作失常。 復位電路具有自動復位和手動復位兩種形式。復位電路中的二極管能在電源掉電時使電容迅速放電，待電源恢復正常時實現(xiàn)可靠復位，避免了由于電源瞬時掉電而電容不能迅速放電而引起單片機不能可靠復位，導致程序運行失控，造成“程序亂飛”和“死循環(huán)”8。在控制系統(tǒng)中，時鐘電路非常關鍵。外時鐘是高頻噪聲源，除能引起對系統(tǒng)的干擾，還可能產(chǎn)生對外界的干擾，因此選用時鐘頻率低的單片機可以降低系統(tǒng)噪聲，在本設計中，選擇的外時鐘頻率為4MHz，PIC16F877單片機的最短指令周期可達到1us，可以滿足系統(tǒng)的要求，此外，設計了雙余度時鐘來提高系統(tǒng)時鐘電路的可靠性。74LS123芯片為雙

28、單穩(wěn)觸發(fā)器，在此作為故障診斷電路。74LS123芯片的兩個輸出端1Q，2Q的脈沖波由1B端和2B端輸入時鐘的上升沿觸發(fā)。1Q和2Q獲得的脈沖寬度分別由時間常數(shù)和。決定。如果正確地選擇時間常數(shù)，使脈寬T，稍大于時鐘周期T，那么將可得到一個恒定的高電平輸出。在本設計中，振蕩脈沖周期T約為 250ns，選擇電阻，電容，約為300ns，大于T，滿足需要。當113，2B端輸入4MHz的振蕩脈沖時，1Q端、2Q端輸出高電平；1B，2B端無振蕩信號輸入時，1Q端、2Q端輸出低電平：113，2B端輸入不規(guī)則信號時，1Q，2Q端輸出的信號亦不規(guī)則，并會有下降沿和低電平出現(xiàn)。根據(jù)這些信息可對時鐘電路的控制邏輯進行

29、設計。74LS74芯片是雙D觸發(fā)器，在本設計中，只用到其中的1個D觸發(fā)器。74LS125芯片是四總線緩沖器，在此作為開關使用。當選通端為低電平時，輸出與輸入相同；當選通端為高電平時，輸出為高阻態(tài)。當時鐘1和時鐘2均正常工作時，74LS123的IQ端和2Q端均輸出高電平，即74LS74芯片的CLR1端和PRl端均為高電平，此時74LS74芯片的和的電平保持初始的電平狀態(tài)，從而選定晶振1或晶振2接至單片機的時鐘輸入端XTALl和XTAL2；當晶振1出現(xiàn)故障時，74LS123芯片的端輸出低電平，從而使74LS74芯片的端輸出高電平，輸出的低電平，從而選通74LS125芯片的3和4緩沖器，將晶振2接至

30、單片機的時鐘輸入端XTALl和XTAL2；同理，當晶振2出現(xiàn)故障時，74LS123芯片的2Q端輸出低電平，從而使74LS74芯片的端輸出低電平，輸出高電平，從而選通74LS125芯片的1和2緩沖器，將晶振1接至單片機的時鐘輸入端XTAL1和XTAL2。由以上分析可知，兩個時鐘互為備份，即一個工作，另一個則作為工作時鐘的備份時鐘。因此，雙余度時鐘能容忍一個時鐘發(fā)生故障，從而可提高系統(tǒng)的可靠性。信號預處理電路包括三路電流信號預處理電路和三路電壓信號預處理電路，共用一個調壓電路進行調節(jié)。根據(jù)前章所述的電子式過載保護繼電器的保護原理，涉及計算線電流各分量時同時采集三相線電流的問題。由于采集三相線電流的

31、采樣通道只有三個，而且PIC16F877單片機的命令執(zhí)行速度比較快，依次分時選通進行采樣所需總時間較少，因此采樣保持器LF398基本能滿足電流同時采樣的要求，LF398的捕捉時間約為6us。 設計時選擇的互感器的輸出電壓限定在55V，而PIC16F877單片機內部A/D端口的輸入電壓為05V，因此需要將電壓進行變換。根據(jù)運算放大器原理可得 （3-1）為將55V變?yōu)?5V，令 （3-2）根據(jù)上式可得V=1.67V，其中V由調壓電路獲得，并選用。在采樣期間，采樣順序為先采集三個線電流，再采集三個線電壓。單片機輸出高電平使三個電流通道的采樣保持器閉合進行采樣，輸入信號通過采樣保持器內部高增益放大器對

32、電容充電，經(jīng)1延時后，單片機輸出低電平，使三個采樣保持器進入保持狀態(tài)，輸入信號可以保持到下一次采樣開始，單片機依次選通三相線電流的A/D通路，讀入線電流采樣值。在完成線電流10us采樣后，按照與線電流采樣同樣的過程進行線電壓采樣。根據(jù)互感器的衰減倍數(shù)及提升電路的數(shù)值，通過軟件可得出實際的異步電動機的線電流和線電壓采樣值。在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤顯示接口電路一般是必備的人機交互的主要設備。LED數(shù)碼管顯示器具有成本低、驅動簡易等特點，因此在本設計中采用LED數(shù)碼管作為顯示裝置。鍵盤的接口有兩種方式：并行方式和串行方式。并行方式以單片機的并行口通過一定的驅動裝置連接LED數(shù)碼管的段、位驅動器和矩陣

33、式鍵盤，進行動態(tài)顯示和掃描鍵盤。其電路簡單，但占用的I/O口位較多。串行方式采用單片機的串行口連接移位寄存器，再驅動LED的段、位和矩陣式鍵盤。這種電路雖然所占的I/O口位較少，但接口芯片的數(shù)量將隨LED數(shù)碼管數(shù)量的增加而增加，電路比較復雜。因此在設計時，采用了并行方式鍵盤接口電路，并選用了合適的芯片進行硬件譯碼和驅動。在單片機接口電路中，所有整定參數(shù)和控制參數(shù)均可用鍵盤直接輸入。鍵盤采用矩陣式，鍵盤中的鍵接在矩陣的行線和列線上。在本設計中，以3-8譯碼驅動器74LS138的輸出作為鍵盤矩陣的行線驅動，而單片機的RD1-RD3作為鍵盤矩陣的列線驅動。鍵盤接口電路最多可連接4×8=32

34、個鍵，而在本設計中，只用到16個鍵，從左到右、從上到下排列的鍵值功能表如表3-1所示。表3-1健值功能表參數(shù)整定退位一次鍵入完成完成0123456789啟動停止在進行參數(shù)整定時，可以根據(jù)需要對默認參數(shù)進行修改，標號與整定參數(shù)類型對應表如表3-2所示。 表3-2標號與整定參數(shù)類型對應表標號參數(shù)整定類型標號參數(shù)整定類型1Y型接法122接法133額定電流144額定電壓1551661771881992010211122按“參數(shù)整定”鍵后，首先輸入密碼，在密碼正確的情況下，根據(jù)表3-2進行整定參數(shù)類型的選擇，即鍵入代表整定參數(shù)類型的標號，標號鍵入完成，按“一次鍵入完成”鍵，隨后鍵入修改值，再按“一次鍵入

35、完成”鍵：若還需要修改其它參數(shù)，則繼續(xù)鍵入代表整定參數(shù)類型的標號，按上述步驟依次完成；若鍵入?yún)?shù)修改過程中，鍵入錯誤，則按“退格”鍵進行修正：當所有需要修改的參數(shù)完成整定后，按“完成”鍵。在鍵入所有數(shù)字時，最低位均為小數(shù)位。LED顯示器的字段驅動以及故障顯示采用硬件譯碼驅動。CD4511芯片是BCD七段鎖存和譯碼驅動芯片，WAD 11只能輸出0-9這9個數(shù)碼，故該接口電路也只能顯示09，而不能顯示A，B，C，D，E，F(xiàn)等字符。CD4511芯片的4位BCD輸入端(A， B，C，D)接至單片機的RD0RD3端，鎖存控制端LE接至單片機的RD7，當RD7輸出低電平時，芯片CD4511輸出七段碼a，b

36、，C，d，e，f，g，最大輸出電流為25mA，可直接驅動共陰LED數(shù)碼管而無需再加接驅動電路。共陰LED顯示器共由4個LED數(shù)碼管組成，第一個74LS138譯碼驅動器的4位輸出分別作為4個LED數(shù)碼管的片選。兩個74LS138譯碼器的三個輸入端A，B，C分別接至單片機的RD4-VRD6引腳，兩個74LS138譯碼器E3端分別接至單片機的RB1和RB2引腳，通過RB1和RB2引腳的輸出來進行譯碼器的選擇，當RB1輸出高電平時，選中第一個74LS138譯碼驅動器，進行鍵值輸入或LED顯示，四個LED數(shù)碼管從左到右依次顯示的內容為：線電壓或線電流的標號、線電壓或線電流有效值的百位、線電壓或線電流有效

37、值的十位、線電壓或線電流有效值的個位，標號與電壓有效值或電流有效值的對應關系如表3-3所示；當RB2輸出高電平時，選中第二個74LS138譯碼驅動器，進行故障顯示，從上到下6個小燈所表示的故障類型如表3-4所示。表3-3標號與線電壓有效值或線電流有效值的對應表標號電壓有效值或電流有效值1A相線電流有效值2B相線電流有效值3C相線電流有效值4A相線電壓有效值5B相線電壓有效值6C相線電壓有效值表3-4 6個小燈表示的故障類型表順序號故障顯示類型1系統(tǒng)出錯(LED顯示全8)或鍵入錯誤(LED顯示全9)2過載故障3三相短路故障4起動時間過長故障5堵轉故障6不平衡故障4電子式過載保護繼電器的軟件設計P

38、IC匯編語言是針對PIC系列單片機的程序語言，采用精簡RISC指令系統(tǒng)，對于頻率為4MHz的振蕩器，一般指令的執(zhí)行時間為1us，個別其他指令的執(zhí)行時間為2us或3us，因此指令執(zhí)行速度比較快，適合工業(yè)現(xiàn)場的實時控制。所以在編寫電子式過載保護繼電器的軟件時，采用了PIC匯編語言。在進行電子式過載保護繼電器的軟件設計時，采用了模塊化程序設計方法，中心思想是把一個復雜的應用程序按整體功能劃分成若干個相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設計、編程、調試和查錯，然后裝配起來聯(lián)調，最終成為一個能完成規(guī)定功能、具有實用價值的程序。4.1 采樣數(shù)據(jù)的處理方法目前，對于交流電流和交流電壓有效值的計算己經(jīng)出現(xiàn)多種算

39、法，如峰值采樣法、傅立葉算法、積分法、導數(shù)算法、均方根值算法等等。在本軟件設計中，采用了均方根值算法來計算異步電動機電壓與電流的有效值。均方根值算法不僅適用于正弦電量的測量，而且可準確測量波形畸變的電量。根據(jù)采樣的線電流與線電壓，利用均方根值算法進行線電流有效值I與線電壓有效值U的計算公式為 （4-1） （4-2）將式(4-1)和式(4-2)進行離散化處理，可得 ( 4-3) ( 4-4) 式中： N 每個周期的采樣點數(shù)，在本設計中，N=12 第K個采樣點線電流的采樣值為A 第K個采樣點線電壓的采樣值為V設置單片機在每個周期采樣線電流12個點，即每隔300采樣一次，完成和即要求移相和，移相。就

40、是取后4個采樣點，移相就是取后8個采樣點。離散化可得第K個采樣點的正序電流、負序電流和零序電流的表達式。單片機可以很方便地計算出一個電流周期內各個采樣點的正序電流、負序電流和零序電流。4.2 保護程序的設計 主程序是電子式過載保護繼電器完成其功能的核心程序。主程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖采樣數(shù)據(jù)的處理結果是判別三相異步電動機運行正常與否的依據(jù)。當有故障發(fā)生時，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理結果，分別調用各故障處理子程序，可以及時輸出正確的控制信號，以達到保護電動機的目的9。在本設計中，鍵盤采用的是機械彈性開關。由于機械觸點的彈性作用，在閉合和斷開的瞬間會發(fā)生抖動現(xiàn)象。抖動時間的長短由按鍵的機

41、械特性決定，一般在5msl0ms，為了確保按鍵不產(chǎn)生誤動作，在本設計中采用了防抖動措施。防抖動措施有硬件和軟件兩種方法。硬件防抖動措施一般采用RS觸發(fā)器，構成雙穩(wěn)態(tài)消抖電路，采用硬件防抖動電路將導致硬件電路的復雜化，因此在本設計中我們采用了軟件消抖動方法，工作原理是：當軟件檢測到第一次按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms的軟件延時程序，之后再檢測該鍵是否仍保持閉合狀態(tài)，若仍然處于閉合狀態(tài)，則確認此鍵真正按下，從而消除了抖動的影響。為了避免使用人員由于誤操作的原因導致多次連擊同一個按鍵，即出現(xiàn)重鍵現(xiàn)象，在軟件編寫過程中，設置了以鍵的釋放作為按鍵的結束標志，即在執(zhí)行完相應的按鍵功能程序后，等待鍵的釋放，當

42、鍵釋放后，再繼續(xù)其它程序，若等待時間超過規(guī)定時間，則認為該鍵出現(xiàn)故障，進行鍵入錯誤顯示。鍵處理子程序流程圖如圖4-2所示10： 圖4-2鍵處理子程序流程圖參數(shù)整定子程序流程圖如圖4-3所示11： 圖4-3參數(shù)整定子程序流程圖起動鍵處理子程序流程圖如圖4-4所示12：圖4-4起動鍵處理子程序流程圖停止鍵處理子程序流程圖如圖4-5所示13：圖4-5停止鍵處理子程序流程圖LED顯示器采用動態(tài)顯示。正常工作時，設置RD0RD7為輸出，RB1設置為高電平，RB2設置為低電平，RD4RD6依次輸出“03”所對應的二進制碼，經(jīng)第一個74LS138譯碼器譯碼后，從左到右依次驅動每個LED數(shù)碼管；設置RD7為低

43、電平，選中UM 11芯片，RD1RD4依次輸出線電壓或線電流的標號和有效值，經(jīng)LAND11譯碼后，得到各個字段的驅動碼，驅動LED的字段進行顯示。當工作狀態(tài)出現(xiàn)故障時，依次將RB1和RB2設置為高電平，使第一個74LS138譯碼器與第二個74L3138譯碼器分時被選中，進行故障的顯示。為使顯示清晰，每個LED數(shù)碼管的顯示需有一定的時間14。顯示子程序流程圖如圖4-6所示15：圖4-6顯示子程序流程圖5結 論電子式過載保護繼電器作為實現(xiàn)異步交流電動機保護的一類重要的低壓電器產(chǎn)品備受關注。隨著各種先進技術的發(fā)展與應用，電子式過載保護繼電器的智能化己成為當今電子式過載保護繼電器的重要發(fā)展方向，此外，

44、工業(yè)自動化程度的提高也越來越需要電子式過載保護繼電器具有較高的可靠性來保證系統(tǒng)的安全運行，因此研究電子式過載保護繼電器的智能化技術并對其進行可靠性分析具有重要的意義。本文參考了大量國內外相關文獻，在深入了解了當前低壓電器智能化技術與可靠性研究的發(fā)展概況的情況下，對電子式過載保護繼電器的智能化技術與可靠性分析進行了研究。本文的研究符合國內外低壓電器的發(fā)展趨勢，具有重要的學術意義和應用前景。電子式過載保護繼電器的保護原理，對三相異步電動機的過載、短路、堵轉、不平衡、斷相、過壓、欠壓、失壓等各種故障狀態(tài)進行分析，采用電流幅值、電流負序分量、電流零序分量和電壓幅值的不同排列組合作為電子式過載保護繼電器的保護原理。根據(jù)三相異步電動機的發(fā)熱物理過程的數(shù)學模型，獲得了與實際溫升過程更為吻合的累加定子電流的過載反時限保護特性方程，實現(xiàn)電動機過載能力的充分利用；針對常見的不同類型的斷相故障，分別進行分析并建立不同類型的斷相故障保護特性方程：對