碩士論文-基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究

1、基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究摘 要電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和開展中扮演著重要的角色。但是，因?yàn)槭褂貌划?dāng)或其他原因造成電動(dòng)機(jī)故障的幾率也是很大的。這不但造成電氣設(shè)備的浪費(fèi)，還會(huì)因此而帶來(lái)不等的間接經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)采取有效的保護(hù)措施是非常必要的。隨著對(duì)電動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，其保護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)隨之改良。研制系統(tǒng)完善、可靠性高的電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)已是必然的趨勢(shì)。本文首先介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的開展歷程和國(guó)內(nèi)外的研究情況以及未來(lái)的開展趨勢(shì)。其次，分析了電動(dòng)機(jī)常見故障原因及對(duì)稱分量法在故障判斷中的應(yīng)用。最后，結(jié)合現(xiàn)有理論，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)AT89S52為核心的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置

2、的硬件電路，同時(shí)根據(jù)理論算法設(shè)計(jì)了裝置的軟件系統(tǒng)，兩者相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置的功能。整套裝置包括了：主控制芯片、數(shù)據(jù)采集單元、時(shí)鐘顯示單元、鍵盤處理單元和報(bào)警中斷等模塊電路。將裝置模塊化不僅便于設(shè)計(jì)、調(diào)試，而且對(duì)軟件編程也有幫助，簡(jiǎn)化了程序編寫，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)易于分析、查找。本裝置是在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的根底上設(shè)計(jì)而成的。結(jié)果證明，靈敏度和精確度均優(yōu)于后者。為使其性能更加可靠，需要從軟件和硬件兩方面作進(jìn)一步的研究，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。關(guān)鍵字：對(duì)稱分量法，過(guò)載保護(hù)，可靠性MOTOR OVER-LOAD PROTECTION TECHNOLOGY RESEARCH BASED ON MICROC

3、ONTROLLERAbstractAs a major power equipment, motor plays an important role in industrial and agricultural production and development. However, because of improper use or other causes, motor failure probability is great. This not only results in the waste of electrical equipment, but also creates ind

4、irect economic losses, therefore, it is very necessary to take effective measures to motor protection. With the continuous improvement of motor performance requirements, its protection system should also be improved. It is the inevitable trend that developing system perfect, reliable motor protectio

5、n system.First of all, this paper describes the development of motor protection devices, research at home and aboard, as well as the future trend. Second, it analyses the common cause of motor and the application of symmetrical component method in fault diagnosis. Finally, with existing theory, desi

6、gning and implementing the hardware circuit of motor over-load protection based on microcontroller AT89S52, meanwhile, according to theory algorithm, designing the software system. Combining the two parts, the function achieves.The whole package includes: MCU, data acquisition unit, the clock displa

7、y unit, keyboard processing unit and alarm interruption. Modular circuit is not only easy to design, debug, also helpful to software programming, simplifying programming, easy to analysis and find when error.This device is designed based on traditional motor over-load protection. It is proved that s

8、ensitivity and accuracy are both better than the latter. In order to make it more reliable, both the hardware and software need further research to improve the anti-jamming capability of the system.KEY WORDS: symmetrical component method, over-load protection, reliability目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLIN

9、K l _Toc246906727 第一章 緒論 PAGEREF _Toc246906727 h 1 HYPERLINK l _Toc246906728 1-1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)的意義 PAGEREF _Toc246906728 h 1 HYPERLINK l _Toc246906729 1-2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的開展歷史 PAGEREF _Toc246906729 h 1 HYPERLINK l _Toc246906730 1-2-1 熱繼電器型保護(hù)方式 PAGEREF _Toc246906730 h 1 HYPERLINK l _Toc246906731 1-2-2 電磁型保護(hù)方式 PAGEREF

10、 _Toc246906731 h 2 HYPERLINK l _Toc246906732 1-2-3 溫度保護(hù)方式 PAGEREF _Toc246906732 h 2 HYPERLINK l _Toc246906733 1-2-4 電子式保護(hù)方式 PAGEREF _Toc246906733 h 2 HYPERLINK l _Toc246906734 1-2-5 微處理器式保護(hù)方式 PAGEREF _Toc246906734 h 2 HYPERLINK l _Toc246906735 1-3 國(guó)內(nèi)外在過(guò)載保護(hù)方面的研究和開展趨勢(shì) PAGEREF _Toc246906735 h 3 HYPERLI

11、NK l _Toc246906736 1-4 本文的研究?jī)?nèi) PAGEREF _Toc246906736 h 4 HYPERLINK l _Toc246906737 第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 PAGEREF _Toc246906737 h 5 HYPERLINK l _Toc246906738 2-1 對(duì)稱分量法 PAGEREF _Toc246906738 h 5 HYPERLINK l _Toc246906739 2-2 電動(dòng)機(jī)常見故障的保護(hù)措施 PAGEREF _Toc246906739 h 7 HYPERLINK l _Toc246906740 2-2-1 過(guò)載保護(hù) PAGEREF _Toc

12、246906740 h 7 HYPERLINK l _Toc246906741 2-2-2 堵轉(zhuǎn)保護(hù) PAGEREF _Toc246906741 h 11 HYPERLINK l _Toc246906742 2-2-3 零序電流保護(hù) PAGEREF _Toc246906742 h 12 HYPERLINK l _Toc246906743 2-2-4 短路保護(hù) PAGEREF _Toc246906743 h 12 HYPERLINK l _Toc246906744 2-2-5 過(guò)熱保護(hù)1 PAGEREF _Toc246906744 h 12 HYPERLINK l _Toc246906745 2

13、-2-6 欠壓和過(guò)壓保護(hù) PAGEREF _Toc246906745 h 13 HYPERLINK l _Toc246906746 2-2-7 起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù) PAGEREF _Toc246906746 h 13 HYPERLINK l _Toc246906747 2-2-8 頻繁起動(dòng)保護(hù) PAGEREF _Toc246906747 h 14 HYPERLINK l _Toc246906748 第三章 電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的硬件研究與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906748 h 15 HYPERLINK l _Toc246906749 3-1 智能型過(guò)載保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu) PAGERE

14、F _Toc246906749 h 15 HYPERLINK l _Toc246906750 3-2 單片機(jī)系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906750 h 16 HYPERLINK l _Toc246906751 3-2-1 單片機(jī)的選型 PAGEREF _Toc246906751 h 16 HYPERLINK l _Toc246906752 3-2-2 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906752 h 20 HYPERLINK l _Toc246906753 3-2-3 上電復(fù)位電路 PAGEREF _Toc246906753 h 20 HYPERLINK l

15、_Toc246906754 3-3 信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906754 h 20 HYPERLINK l _Toc246906755 3-3-1 采樣芯片的選型 PAGEREF _Toc246906755 h 21 HYPERLINK l _Toc246906756 3-3-2 采樣方法的比擬 PAGEREF _Toc246906756 h 22 HYPERLINK l _Toc246906757 3-3-3 基于AD7705的采集單元設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906757 h 23 HYPERLINK l _Toc246906758 3-4 時(shí)間單元的設(shè)

16、計(jì) PAGEREF _Toc246906758 h 23 HYPERLINK l _Toc246906759 3-4-1 DS1307的存放器設(shè)置 PAGEREF _Toc246906759 h 23 HYPERLINK l _Toc246906760 3-4-2 DS1307I2C總線操作時(shí)序 PAGEREF _Toc246906760 h 24 HYPERLINK l _Toc246906761 3-4-3 DS1307與單片機(jī)的接口電路 PAGEREF _Toc246906761 h 24 HYPERLINK l _Toc246906762 3-5 鍵盤顯示單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _

17、Toc246906762 h 25 HYPERLINK l _Toc246906763 3-6 報(bào)警電路單元 PAGEREF _Toc246906763 h 27 HYPERLINK l _Toc246906764 3-7 串行通信單元 PAGEREF _Toc246906764 h 27 HYPERLINK l _Toc246906765 第四章 電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的軟件研究與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc246906765 h 29 HYPERLINK l _Toc246906766 4-1 電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的軟件總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc246906766 h 29 HYPER

18、LINK l _Toc246906767 4-2 主程序 PAGEREF _Toc246906767 h 30 HYPERLINK l _Toc246906768 4-3 數(shù)據(jù)采集程序 PAGEREF _Toc246906768 h 31 HYPERLINK l _Toc246906769 4-4 時(shí)鐘單元程序 PAGEREF _Toc246906769 h 34 HYPERLINK l _Toc246906770 4-5 按鍵單元程序 PAGEREF _Toc246906770 h 36 HYPERLINK l _Toc246906771 第五章 總 結(jié) PAGEREF _Toc246906

19、771 h 38 HYPERLINK l _Toc246906772 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc246906772 h 39 HYPERLINK l _Toc246906773 致 謝 PAGEREF _Toc246906773 h 42 HYPERLINK l _Toc246906774 攻讀學(xué)位期間所取得的相關(guān)科研成果 PAGEREF _Toc246906774 h 43第一章 緒論1-1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)的意義電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)中的重要組成局部在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。隨著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開展，以及其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn)，越來(lái)越多的電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各行各

20、業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)及人民生活正常進(jìn)行的重要保證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)的總負(fù)荷中有60%以上是電動(dòng)機(jī)；以電力作為原動(dòng)力的負(fù)荷中有90%左右是電動(dòng)機(jī)。但是，每年因使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓳p壞的電動(dòng)機(jī)的數(shù)目也是可觀的，由此產(chǎn)生的電氣設(shè)備的浪費(fèi)或者維修費(fèi)用數(shù)額巨大，無(wú)法計(jì)算。截至2001年，全國(guó)使用的中型電動(dòng)機(jī)大約有2000萬(wàn)臺(tái)，每年燒毀的電動(dòng)機(jī)大約有320萬(wàn)臺(tái)，占到總量的16%，按平均每臺(tái)1000元的維修費(fèi)用計(jì)算，總費(fèi)用約為32億元1。不僅如此，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)修理后功率下降，耗電量大，性能變差，一旦發(fā)生故障，可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)效勞中止，從而造成生產(chǎn)線的停工，甚至危及到作業(yè)人員生命平安，由此造成的間接損

21、失更是一個(gè)無(wú)法估量的數(shù)目。所以，確保電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行就顯得十分重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料說(shuō)明，電動(dòng)機(jī)易受到損壞的是定子繞組，其故障率約占80%以上，在電動(dòng)機(jī)的各種故障中，又以過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、斷相為主。這些故障的發(fā)生會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的電流、電壓和相位的變化，其中以過(guò)流和過(guò)熱為顯著特征。如果在電動(dòng)機(jī)過(guò)流和過(guò)熱時(shí)能及時(shí)采取有效措施消除，這不僅能有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)不受損壞，還能減少因電動(dòng)機(jī)停止給工藝過(guò)程造成的大規(guī)模間接損失和不平安因素。1-2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的開展歷史1-2-1 熱繼電器型保護(hù)方式在電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)裝置中應(yīng)用最普遍的是熱繼電器。其工作特點(diǎn)是:當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，過(guò)載保護(hù)繼電器能及時(shí)、可靠的動(dòng)作，到達(dá)保護(hù)電

22、動(dòng)機(jī)的目的；當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，過(guò)載保護(hù)繼電器不動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置采用熱繼電器已有很長(zhǎng)的歷史，在電子行業(yè)技術(shù)尚不興旺的時(shí)代曾是電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)的首選產(chǎn)品。它主要采用雙金屬片式保護(hù)技術(shù)，利用雙金屬片熱效應(yīng)原理。電流流過(guò)金屬片時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)使金屬片發(fā)生明顯變形，這種變形力積累到一定程度后就會(huì)啟動(dòng)繼電器中的脫口裝置去切斷電動(dòng)機(jī)的電源，以到達(dá)保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。這種產(chǎn)品在三十年代就開始大量使用, 因其在過(guò)載保護(hù)方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，一直是電動(dòng)機(jī)保護(hù)的主要元件。但是其核心器件雙金屬片由于被反復(fù)的加熱和冷卻，其應(yīng)力變化很不穩(wěn)定，長(zhǎng)期輕微過(guò)載運(yùn)行會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，從而使繞組絕緣老化造成電

23、動(dòng)機(jī)損壞；重復(fù)性能差、大電流過(guò)載或短路故障后不能再次使用、誤差大、易受環(huán)境溫度的影響，功耗大、耗材多、性能指標(biāo)落后。對(duì)于斷相、不平衡運(yùn)行等不對(duì)稱故障不能及時(shí)、有效地保護(hù)，容易出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)，使熱繼電器的準(zhǔn)確性、靈敏性和可靠性受到影響，難以滿足電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求。1-2-2 電磁型保護(hù)方式以故障前后電流量的變化為判據(jù)的電磁型保護(hù)方式曾被廣泛應(yīng)用，通常是在電流斷速或是定時(shí)限過(guò)流情況下發(fā)揮作用，另有一次過(guò)流時(shí)動(dòng)作。這些保護(hù)的定值都要盡量避開電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，而且是要比額定電流大很多倍，這會(huì)使電動(dòng)機(jī)匝間故障、堵轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障的動(dòng)作靈敏度降低，加重電動(dòng)機(jī)的損壞程度?？梢姶朔N保護(hù)方式并不能從根本上提

24、高裝置的靈敏性。1-2-3 溫度保護(hù)方式溫度保護(hù)是利用安裝在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)各種故障，導(dǎo)致繞組溫度到達(dá)危險(xiǎn)值之前，傳感器將溫度信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，送至保護(hù)裝置中，經(jīng)晶體管或集成電路檢測(cè)放大，推動(dòng)繼電器動(dòng)作或晶閘管截止，迅速切斷電動(dòng)機(jī)電源，使其得到保護(hù)。溫度保護(hù)不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)，而且對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器和電焊機(jī)等均能實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)2。在制造電動(dòng)機(jī)時(shí)，傳感器預(yù)先安裝在電動(dòng)機(jī)繞組里來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)部的溫升。但是這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不好解決的問(wèn)題，傳感器是固定不可移動(dòng)的，當(dāng)遠(yuǎn)離它的地方發(fā)生故障時(shí)，傳感器有可能動(dòng)作延誤或是根本監(jiān)測(cè)不到，這樣會(huì)造成更大的危險(xiǎn)。因此溫度保護(hù)有相當(dāng)大的局限性

25、。1-2-4 電子式保護(hù)方式上個(gè)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)出了一批性能比擬可靠、功能多樣化的電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，它主要以單片機(jī)作為主控制器。首先建立與電動(dòng)機(jī)熱特性相一致的數(shù)學(xué)模型，以便對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱動(dòng)態(tài)跟蹤；其次設(shè)計(jì)多功能模塊并結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件的優(yōu)勢(shì)，使得在軟硬件相結(jié)合條件下，集多種功能于一體的綜合保護(hù)器的出現(xiàn)成為可能3。其工作原理有兩方面：一是通過(guò)檢測(cè)電流值來(lái)反映過(guò)載、短路和堵轉(zhuǎn)等以過(guò)流為特征的故障；二是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流是否缺相來(lái)反映斷相故障。1-2-5 微處理器式保護(hù)方式微處理器保護(hù)裝置的開展大致可分為以下幾個(gè)階段： 第一階段以單CPU硬件結(jié)構(gòu)為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

26、由逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成； 第二階段以多單片機(jī)構(gòu)成的多CPU硬件結(jié)構(gòu)為主，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的計(jì)數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用多CPU的特點(diǎn)，強(qiáng)化了自檢和互檢功能，具有完善的抗干擾措施以及防止拒動(dòng)和誤動(dòng)的措施。 第三階段以高性能的16位單片機(jī)構(gòu)成的硬件結(jié)構(gòu)為主，具有總線無(wú)需引出芯片，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；抗干擾性能進(jìn)一步增強(qiáng)，并且完善了通信功能。其主要特點(diǎn)是： 功能多，易于設(shè)計(jì)和控制，可以方便地?cái)U(kuò)充其他輔助功能； 可對(duì)多種故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)：如斷相、過(guò)載、短路、欠壓、過(guò)壓及漏電等故障； 可以與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控電動(dòng)機(jī)工作情況；具備遙控的功能，實(shí)現(xiàn)通訊； 具有電流電壓顯示、時(shí)間控制、軟件自診

27、斷、來(lái)電自恢復(fù)、自啟動(dòng)順序、故障記憶、自鎖和遠(yuǎn)傳報(bào)警等智能化功能； 動(dòng)作靈敏，精準(zhǔn)度高，能得到常規(guī)保護(hù)不易獲得的特性； 可靠性高，自檢和互檢能力強(qiáng)。1-3 國(guó)內(nèi)外在過(guò)載保護(hù)方面的研究和開展趨勢(shì)現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)與30年代相比,體積相對(duì)減少約1/3,重量已不到原來(lái)的1/2。隨著自動(dòng)化程度的不斷提高和人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的可靠保護(hù)越來(lái)越重視，以雙金屬片為核心的傳統(tǒng)熱繼電器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)過(guò)載保護(hù)繼電器在精度、速度和靈敏度等方面的要求，設(shè)計(jì)新的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置已是必然趨勢(shì)。1997年國(guó)家機(jī)械部等八部委聯(lián)合發(fā)文宣布：從1997年12月31日起，停止生產(chǎn)熱繼電器等落后機(jī)電產(chǎn)品，逐步以新型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器代替熱繼電器。

28、近幾十年，國(guó)內(nèi)外在電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研究方面大體經(jīng)歷了機(jī)電型、整流型、晶體管型、集成電路型四個(gè)階段4。隨著電子技術(shù)的開展，電子式和智能型的過(guò)載保護(hù)裝置相繼問(wèn)世。國(guó)外在電子式保護(hù)裝置方面的研究較早，是從60年代開始的，而且生產(chǎn)規(guī)模較大，種類齊全。美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的MCS-E1系列電子式過(guò)載保護(hù)繼電器表達(dá)了當(dāng)今世界過(guò)載保護(hù)繼電器的一種開展趨勢(shì)5。MCS-El通過(guò)電流互感器將三相電流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，送至專用芯片，可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、斷相保護(hù)及熱記憶功能。韓國(guó)三和株式會(huì)社研發(fā)的產(chǎn)品主要有交流、直流保護(hù)繼電器、數(shù)顯式智能型保護(hù)器、電壓型保護(hù)器等各種型號(hào)的產(chǎn)品，有近50種規(guī)格。在電動(dòng)機(jī)的斷相、過(guò)載、欠

29、載、三相不平衡、逆相、堵轉(zhuǎn)、漏電、接地和短路等故障中發(fā)揮著重要作用2，6。由于采用了集成電路和電子元器件，電子式過(guò)載保護(hù)繼電器相比于傳統(tǒng)的熱繼電器動(dòng)作速度快，精度和靈敏度高；可靠性好，不會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)。80年代末，隨著微處理器技術(shù)的開展，國(guó)外一些興旺國(guó)家開始研制以單片機(jī)為核心的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)繼電器。德國(guó)西門子公司研制的3UB1系列繼電器率先用單片機(jī)來(lái)完成對(duì)負(fù)載電流的采樣、比擬和選擇工作點(diǎn)，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠的保護(hù)7, 8。這種繼電器能提供過(guò)載、斷相和三相電流不平衡保護(hù)。此外，日本富士公司的具有過(guò)載、斷相和反相保護(hù)的QA系列繼電器，美國(guó)ABB公司的SPEM繼電器在過(guò)載、三相電流不平衡、斷電保

30、護(hù)和自我監(jiān)控等方面均具有完善的功能9。我國(guó)在新型過(guò)載保護(hù)繼電器研究方面起步較晚，開始于80年代中期。不過(guò)進(jìn)入90年代，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家涉足該領(lǐng)域，將先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用到繼電器的研究中，不斷創(chuàng)新，使其智能化水平不斷提高。例如濟(jì)南中興電器公司研制GDH-30系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用微處理器作為核心部件，對(duì)信息的采集、處理、顯示全部自動(dòng)化，性能穩(wěn)定、可靠，顯示直觀、準(zhǔn)確，具有過(guò)流、缺相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能，另有故障預(yù)報(bào)警、各項(xiàng)參數(shù)可設(shè)定等輔助功能10。南京建威科技公司研制的KSL-521系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置主要應(yīng)用于690V以下低壓電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、短路、長(zhǎng)延時(shí)起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、

31、欠壓、過(guò)壓等故障予以保護(hù)，并集合三相電量檢測(cè)、顯示、數(shù)字輸入/輸出和網(wǎng)絡(luò)通訊于一身，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方管理及“四遙功能。此外，蒼南三維儀表研制生產(chǎn)的典型產(chǎn)品DZJ系列電動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控器均是在綜合保護(hù)技術(shù)的根底上開展起來(lái)的2。新型的智能化保護(hù)裝置運(yùn)用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量、保護(hù)、通信集成于一體，使其可以選擇最正確模式進(jìn)行控制與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)與中央控制器的雙向通信，提高控制系統(tǒng)的信息化、自動(dòng)化程度，有效的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。具有功能強(qiáng)大、集成度高、反響靈敏、動(dòng)作準(zhǔn)確、誤差率低等優(yōu)點(diǎn)，智能化保護(hù)繼電器已成為21世紀(jì)重要的開展趨勢(shì)6。1-4 本文的研究?jī)?nèi)基于微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技

32、術(shù)的成熟程度和應(yīng)用的廣泛度，同時(shí)在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的根底上，本文提出了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。微處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、邏輯分析能力、記憶能力和通信能力，借助于這些優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來(lái)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置，不僅可以為電動(dòng)機(jī)提供更加可靠靈活的保護(hù)，還可以提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。本課題的研究?jī)?nèi)容有如下幾方面：1 分析電動(dòng)機(jī)過(guò)載的原因和保護(hù)裝置的工作原理；2 分析過(guò)載保護(hù)算法和模型；3 設(shè)計(jì)以單片機(jī)89S52為主控芯片的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，其中還包括：數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘和計(jì)時(shí)模塊、報(bào)警和顯示電路；4 利用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。采用模塊化分別設(shè)計(jì)，分為主控電路程序、數(shù)據(jù)采集處理局部子程序、報(bào)警

33、中斷顯示子程序等幾局部。第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理電動(dòng)機(jī)的故障通?？煞譃閮纱箢悾簩?duì)稱故障和不對(duì)稱故障。1對(duì)稱故障主要包括對(duì)稱過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，主要特征是三相電流根本對(duì)稱但電流幅值增大，由此引起的熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力是造成電動(dòng)機(jī)損害的主要原因11,12，因此以過(guò)流程度作為這類故障的判定依據(jù)：過(guò)載時(shí)電流一般是額定電流的1.25倍；堵轉(zhuǎn)時(shí)是57倍額定電流；三相短路時(shí)電流大約為812倍；2不對(duì)稱故障主要有斷相、相間短路、三相不平衡運(yùn)行、單相接地等，在故障早期沒(méi)有特別明顯的過(guò)電流或過(guò)熱表現(xiàn)，主要特征是電動(dòng)機(jī)定子電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。根據(jù)對(duì)稱分量法分析，負(fù)序分量和零序分量在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有或很小，

34、一旦出現(xiàn)必然表示發(fā)生了不對(duì)稱故障。因此利用電流中的負(fù)序分量和零序分量來(lái)鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。2-1 對(duì)稱分量法對(duì)稱分量法是一種基于電工根底的疊加原理的變換方法。以三相系統(tǒng)為例，對(duì)稱分量法是把一組不對(duì)稱的電流或電壓，分解成同頻率的三組對(duì)稱的三相電流或電壓，即正序、負(fù)序和零序，再進(jìn)行分析的方法13。本設(shè)計(jì)中，采用的方法就是對(duì)單片機(jī)所采集到的線電流進(jìn)行計(jì)算。1 正序三相正序分量的幅值相等，相位為A相超前B相120，B相超前C相120；2 負(fù)序三相負(fù)序分量的幅值相等，相位為A相落后B相120，B相落后C相120，即與正序相反；3零序三相零序分量的幅值和相位均相同。具體關(guān)系如圖2.

35、1所示。 (a) (b) (c)圖 圖圖2.1 對(duì)稱分量.1 Symmetrical components圖.1 正序分量 圖2.1.2 負(fù)序分量 圖2.1.3 零序分量根據(jù)對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相電流、可分解為三組對(duì)稱的三相電流，分別為正序電流、和；負(fù)序電流、和；零序電流、和。、和，、和以及、和稱為三相電流、和的對(duì)稱分量。有如下關(guān)系： (2.1)或者 (2.2)其中：，1電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組中通過(guò)對(duì)稱的三相電流、和，且，即繞組中沒(méi)有負(fù)序和零序分量。2當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，那么會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流。當(dāng)發(fā)生對(duì)稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，特別容易燒毀

36、電動(dòng)機(jī)。這類故障的主要特征是三相根本對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流，故障嚴(yán)重程度根本反映在過(guò)電流的程度上，因此檢測(cè)過(guò)電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對(duì)稱故障的保護(hù)可通過(guò)常規(guī)的過(guò)流保護(hù)手段實(shí)現(xiàn)；對(duì)于嚴(yán)重的三相短路保護(hù)應(yīng)采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)采用短時(shí)限跳閘；而對(duì)于對(duì)稱過(guò)載應(yīng)采用定時(shí)限跳閘或反時(shí)限跳閘，利用反時(shí)限特性與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。綜合起來(lái)，電動(dòng)機(jī)的常見故障可由表2.1說(shuō)明14,15。表2.1 電動(dòng)機(jī)常見故障特性分析Table 2.1 Analysis of common fault of motor故障類型零序負(fù)序故障特征保護(hù)特性對(duì)稱故障過(guò)載無(wú)無(wú)反時(shí)限堵轉(zhuǎn)無(wú)無(wú)定時(shí)限短路無(wú)無(wú)速斷不

37、對(duì)稱故障非接地?cái)嘞酂o(wú)有定時(shí)限不平衡無(wú)有定時(shí)限相間短路無(wú)有速斷接地單相接地有有速斷注：為電動(dòng)機(jī)的額定電流。2-2 電動(dòng)機(jī)常見故障的保護(hù)措施2-2-1 過(guò)載保護(hù)過(guò)載是指電動(dòng)機(jī)負(fù)荷加大，造成電機(jī)輸出力矩加大，運(yùn)行時(shí)電流超過(guò)額定值，引起發(fā)熱的現(xiàn)象。電流的增加會(huì)使電動(dòng)機(jī)的溫升超過(guò)額定值，導(dǎo)致繞組絕緣降低，電阻增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀繞組。因過(guò)載對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞主要是由于過(guò)電流引起的，所以故障嚴(yán)重程度可通過(guò)過(guò)電流的程度來(lái)判斷。過(guò)載保護(hù)是指電流超過(guò)電氣設(shè)備限定范圍，而有一定燒毀危險(xiǎn)時(shí)保護(hù)裝置能在一定時(shí)間內(nèi)切斷線路，保護(hù)設(shè)備不受損壞的過(guò)程。電動(dòng)機(jī)的過(guò)載與輸電線路或其它設(shè)備的過(guò)載不同，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)過(guò)載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，但

38、又允許在低倍過(guò)載情況下運(yùn)行一定時(shí)間，故電動(dòng)機(jī)的過(guò)載特性一定要具有良好的反時(shí)限性16，如圖2.2所示。圖2.2 過(guò)載保護(hù)反時(shí)限特性曲線Fig.2.2 Inverse time characteristic curve of over-load protection 時(shí)間與電流的關(guān)系通常用數(shù)學(xué)模型表示： (2.3)其中，是以啟動(dòng)電流倍數(shù)表示的故障電流；、為常數(shù)。的量綱為時(shí)間，(2.3)式說(shuō)明動(dòng)作時(shí)間是輸入電流的函數(shù)，當(dāng)1時(shí)，為正，動(dòng)作。顯然，越大，越小，說(shuō)明時(shí)間與電流成反時(shí)限特性。另外，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)還應(yīng)具有模擬和記憶電動(dòng)機(jī)熱積累的功能。電動(dòng)機(jī)在屢次重復(fù)短時(shí)間過(guò)載，而每次過(guò)載時(shí)間均小于容許時(shí)間的

39、情況下，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，但由于電動(dòng)機(jī)自身熱積累的結(jié)果可能使電動(dòng)機(jī)燒毀,所以電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)具有模擬和記憶電動(dòng)機(jī)熱積累的功能14。2-2-1-1 等效電流的計(jì)算幅值相同的正序電流I+和負(fù)序電流I-在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量并不相同。定子繞組的I+和I-產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)定子自身而言為正反同步速度；但對(duì)正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)(設(shè)轉(zhuǎn)差率s0)，前者差不多相對(duì)靜止，后者近似為2倍同步速度。假設(shè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子正序電阻(折合到定子側(cè))近似為直流電阻R1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子負(fù)序電阻(折合到定子側(cè))為交流電阻R2，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)有17,18：1.256 (2.4)即與I+大小相同的I-產(chǎn)生的損耗為I+的KR倍。因此，當(dāng)有負(fù)序電流出現(xiàn)時(shí)

40、，轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加，特別是在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生倍頻電流流過(guò)轉(zhuǎn)子外表，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱而燒毀。為了反映正、負(fù)序電流的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國(guó)GEC公司提出了一個(gè)反映上述發(fā)熱效應(yīng)的“等效電流11,19： (2.5)式中：K1為正序電流發(fā)熱系數(shù)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中由定值按電動(dòng)機(jī)負(fù)荷能力整定，一般設(shè)為0.5，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)設(shè)為1；K2為負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù)，K2=36，一般設(shè)為6；I1為正序電流分量；I2為負(fù)序電流分量。等效電流不僅適用于過(guò)載保護(hù)，還適用于過(guò)流保護(hù)，根據(jù)等效電流，將過(guò)流保護(hù)分為三段20：2-2-1-2 過(guò)載特性與熱積累前面已經(jīng)介紹過(guò)電動(dòng)機(jī)過(guò)載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱,但其低倍過(guò)載又允許一定時(shí)限,所以電動(dòng)機(jī)

41、過(guò)載特性具有反時(shí)限特性。如圖2.2所示。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱理論研究說(shuō)明,電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行的容許負(fù)荷主要取決于定子繞組的溫度,故將定子電流的大小作為電動(dòng)機(jī)過(guò)載的主要依據(jù)。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程溫度變化曲線如圖2.3所示21。 圖2.2 過(guò)載保護(hù)反時(shí)限特性曲線 圖2.3 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程溫度變化曲線Fig.2.2 Inverse time characteristic curve of Fig.2.3 Temperature change curve over-load protection of motor heating電動(dòng)機(jī)過(guò)載之后其過(guò)載倍數(shù)不可能是一成不變的，隨著過(guò)載倍數(shù)的變化，允許過(guò)載時(shí)間也發(fā)生相應(yīng)的變化2

42、2-24?？紤]到負(fù)序電流的熱效應(yīng)，特別是轉(zhuǎn)子繞組中的熱效應(yīng)，具有反時(shí)限特性的過(guò)載保護(hù)模型的動(dòng)作判據(jù)如下式所示17,2526: (2.6)其中，為過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；為電動(dòng)機(jī)熱積累時(shí)間常數(shù)，表示電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱能力。 (2.7)其中， 為反時(shí)限時(shí)間系數(shù)； 為電動(dòng)機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。當(dāng)時(shí)，為無(wú)窮大或負(fù)值，即保護(hù)不動(dòng)作；的大小一般可通過(guò)過(guò)載能力數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，如果在倍過(guò)載允許范圍內(nèi)，那么根據(jù)(2.7)計(jì)算得到： (2.8)為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱模型的熱積累特性，可將上式改寫成： 2.9其中，為電動(dòng)機(jī)的熱積累值，表示電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱程度；為相鄰兩次積累計(jì)算的時(shí)間間隔。2-2-1-3 動(dòng)態(tài)過(guò)載保護(hù)數(shù)學(xué)模型分析電動(dòng)機(jī)不是一個(gè)均

43、勻物體，其發(fā)熱和散熱過(guò)程比擬復(fù)雜。在電動(dòng)機(jī)熱計(jì)算中，假定電動(dòng)機(jī)是一個(gè)均勻物體，只計(jì)算平均溫度。根據(jù)能量守恒定理，電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的熱平衡微分方程為21： 2.10式中，在時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)總的發(fā)熱量J；電動(dòng)機(jī)的蓄熱量，其中為電動(dòng)機(jī)的重量，為電動(dòng)機(jī)的比熱，為時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)的溫升變化值；為在時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)總的散熱量J；定子繞組的溫升；電動(dòng)機(jī)的散熱面積；散熱系數(shù)。式2.10在考慮發(fā)熱的同時(shí)，也考慮了熱量向周圍介質(zhì)的散失，完全可以用來(lái)描述電動(dòng)機(jī)在恒定負(fù)載、變負(fù)載和斷續(xù)工作情況下溫度的真實(shí)變化過(guò)程。該微分方程的解為：2.11式中，為定子繞組的穩(wěn)定溫升；為定子繞組的初始溫升；為電動(dòng)機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)， (2.12

44、)過(guò)載保護(hù)元件應(yīng)在小于電動(dòng)機(jī)溫升允許值的設(shè)置值動(dòng)作，斷開電路，得：2.13當(dāng)時(shí)， (2.14)動(dòng)作時(shí)間： 主要由電動(dòng)機(jī)繞組線圈的損耗和鐵芯的渦流與磁滯損耗組成。與成正比；取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度。由與的關(guān)系曲線可知，與根本成正比，而與成正比。因此，與根本成正比關(guān)系，與根本成正比關(guān)系21。當(dāng)電流一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升與成正比，故電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升就與成正比，即 2.16為電動(dòng)機(jī)的線電流有效值；為穩(wěn)定溫升比例系數(shù)，由電動(dòng)機(jī)的各參數(shù)確定。2.17為電動(dòng)機(jī)的額定電流；為電動(dòng)機(jī)電流為時(shí)的穩(wěn)定溫升。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，隨著電流的變化，穩(wěn)定溫升也是變化的。在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，無(wú)法用一個(gè)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算電動(dòng)機(jī)的溫升。因

45、此，把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程離散成一個(gè)個(gè)小區(qū)間，在每個(gè)小區(qū)間上，可把電流看成定值21,2728。在此區(qū)間上，利用求解電動(dòng)機(jī)的溫度，同時(shí)考慮負(fù)序電流效應(yīng)，把公式改寫成離散區(qū)間的形式，得： 式中，為第段時(shí)間的最后溫升；為第段時(shí)間的最后溫升。把前一區(qū)間的最后溫升作為下一區(qū)間的開始溫升，并設(shè)定電動(dòng)機(jī)的初始溫升，可求解電動(dòng)機(jī)任意時(shí)刻的溫升。2-2-2 堵轉(zhuǎn)保護(hù)電動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)時(shí)，由于種種原因機(jī)械故障、負(fù)荷過(guò)大、電壓過(guò)低等轉(zhuǎn)子不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，始終處于靜止?fàn)顟B(tài)S1.0,S為轉(zhuǎn)差率，這就是通常意義下的堵轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中除了S=1.0為堵轉(zhuǎn)外，由于某種原因使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速很低的狀態(tài)下，而達(dá)不到設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速，也是

46、一種堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行中，由于機(jī)械故障將轉(zhuǎn)子卡住、負(fù)荷急劇增加、電壓突然失去等原因也可能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下降，運(yùn)行在一個(gè)很低的轉(zhuǎn)速下甚至轉(zhuǎn)子完全停下來(lái)，造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)或稱運(yùn)轉(zhuǎn)中的堵塞。發(fā)生堵轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，電流很大，散熱條件差，造成溫升急劇上升，產(chǎn)生一定的損耗，如：繞組電阻損耗、鐵芯電磁損耗、介質(zhì)損耗、渦流損耗等，特別容易燒毀電動(dòng)機(jī)。堵轉(zhuǎn)屬于對(duì)稱故障的一種，所以保護(hù)方式通常采用過(guò)電流倍數(shù)的判別方法，其中，為堵轉(zhuǎn)允許電流；為堵轉(zhuǎn)允許時(shí)間。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)允許時(shí)間且堵轉(zhuǎn)電流大于允許值時(shí)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作。堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可取自電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過(guò)堵轉(zhuǎn)電流整定值，并到達(dá)時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。

47、堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定起動(dòng)電流，即額定電流的47倍29。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能到達(dá)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)算法上要能夠判斷是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是起動(dòng)時(shí)間后，一般采用躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)30。2-2-3 零序電流保護(hù)零序電流故障也稱接地故障主要是過(guò)電壓原因造成絕緣受損，主要表現(xiàn)為相線與電氣裝置的外露導(dǎo)電局部包括電氣設(shè)備金屬外殼、敷線管槽及構(gòu)架等、外部導(dǎo)電局部包括金屬的水、暖、煤氣、空調(diào)管道和建筑的金屬結(jié)構(gòu)等以及大地之間的短路。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同，與相線之間產(chǎn)生的相間短路也不同。接地故障與一般短路相比，具有更大的危險(xiǎn)性和

48、復(fù)雜性，因?yàn)檫@類故障可能引發(fā)火災(zāi)并對(duì)人身觸電構(gòu)成威脅。接地保護(hù)與漏電保護(hù)不同，它采用矢量和方式，通過(guò)對(duì)保護(hù)器內(nèi)部互感器所測(cè)得的三相電流進(jìn)行矢量和計(jì)算，也可以采用漏電電流互感器零序互感器直接檢測(cè)，主要用于故障電流在幾百安培以上的金屬性接地故障保護(hù)，一般用于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。對(duì)于較小的電流，由于采用零序互感器更為準(zhǔn)確和可靠，故漏電保護(hù)信號(hào)必須取自零序互感器16,31。2-2-4 短路保護(hù)電動(dòng)機(jī)的短路故障是危害性較大的一種故障，包括定子繞組的相間短路和一相匝間短路。前者是電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障。會(huì)引起破壞機(jī)器本身，使電網(wǎng)的電壓顯著下降，影響周邊用電設(shè)備正常運(yùn)行的后果；一相匝間短路是較常見的短路故障，表

49、現(xiàn)為三相電流不對(duì)稱，使相電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣燒毀，使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞27,32。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定起動(dòng)電流，一般是額定電流的810倍。保護(hù)方法是通過(guò)檢測(cè)三相線電流，如果任何一相的電流超過(guò)整定值，那么短路保護(hù)啟動(dòng)。即：2-2-5 過(guò)熱保護(hù)繞組溫度是決定繞組絕緣壽命的主要因素，是電動(dòng)機(jī)壽命的決定因素。因此，電動(dòng)機(jī)的溫度絕對(duì)不能超過(guò)電動(dòng)機(jī)的額定溫升，否那么應(yīng)立即采取保護(hù)措施保證電動(dòng)機(jī)工作在正常的溫升范圍內(nèi)。這樣就十分有必要對(duì)電動(dòng)機(jī)的繞組溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)溫度超過(guò)額定最大溫升時(shí)及時(shí)采取保護(hù)措施，使電動(dòng)機(jī)能一直在小于額定溫升的溫度下正常運(yùn)行33。另外，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)

50、電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等原因即使電壓、電流在正常范圍內(nèi)，但電動(dòng)機(jī)的溫度確實(shí)到達(dá)了極度危險(xiǎn)的數(shù)值，過(guò)熱保護(hù)可直接根據(jù)電動(dòng)機(jī)的溫度狀況做出保護(hù)動(dòng)作，使其對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)萬(wàn)無(wú)一失，確保設(shè)備的平安。2-2-6 欠壓和過(guò)壓保護(hù)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式 式中：電磁轉(zhuǎn)矩；常數(shù)；定子電壓；，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和啟動(dòng)感抗；轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，影響定子電流的變化，進(jìn)而影響到電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行27。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)子的相對(duì)速度增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，轉(zhuǎn)子繞

51、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。和變壓器原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然增大34，溫升增高。如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低壓條件下工作會(huì)使其過(guò)熱而燒毀，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)電壓降低到能是起動(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)27。欠壓保護(hù)的原那么是：假設(shè)在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值低于保護(hù)整定值，那么認(rèn)為有故障產(chǎn)生，需進(jìn)行斷電保護(hù)。b. 過(guò)壓保護(hù)過(guò)電壓一般是由電壓波動(dòng)造成的，也可能是由于其他故障而產(chǎn)生的。過(guò)壓保護(hù)的原那么是：假設(shè)在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值高于保護(hù)整定值，那么認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2-2-7 起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)正常的起動(dòng)

52、過(guò)程結(jié)束后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流將低于額定值或在額定值附近，而起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)那么是在起動(dòng)時(shí)間過(guò)后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流仍保持較大值。起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)是由起動(dòng)時(shí)間和堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定值配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且該保護(hù)只針對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程加以保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)后，該保護(hù)自動(dòng)退出14為電動(dòng)機(jī)機(jī)端電流互感器的額定電流值時(shí)，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。經(jīng)過(guò)起動(dòng)時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)的電流如果仍大于堵轉(zhuǎn)電流整定值，那么起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)開始動(dòng)作；假設(shè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流小于堵轉(zhuǎn)電流的整定值，那么電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)可視為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中短路保護(hù)的后備保護(hù)。2-2-8 頻繁起動(dòng)保護(hù)電動(dòng)機(jī)假設(shè)起動(dòng)不起來(lái)，操作人員可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)屢次

53、操作，或者有些電動(dòng)機(jī)具有特殊負(fù)載，需要頻繁啟動(dòng)。如果屢次起動(dòng)間隔的時(shí)間較短，那么必定會(huì)因較大的起動(dòng)電流而造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)熱，所以這種情況下需要設(shè)置頻繁起動(dòng)保護(hù)。保護(hù)裝置測(cè)量電動(dòng)機(jī)在連續(xù)十分鐘內(nèi)的起動(dòng)次數(shù)，假設(shè)實(shí)際次數(shù)超過(guò)整定次數(shù)，保護(hù)動(dòng)作于跳閘并且起動(dòng)回路被自動(dòng)閉鎖，三分鐘之后自動(dòng)解除閉鎖，電動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)14,30。第三章 電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的硬件研究與設(shè)計(jì)以微處理器為核心的智能型過(guò)載保護(hù)繼電器的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大局部。硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能型過(guò)載保護(hù)繼電器預(yù)定功能的根底；軟件設(shè)計(jì)是完成智能型過(guò)載保護(hù)繼電器設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵。本文的第三章和第四章將對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置的硬件與軟件設(shè)計(jì)做重點(diǎn)研究，

54、力求實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的有效保護(hù)。3-1 智能型過(guò)載保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的工作原理：采用檢測(cè)電動(dòng)機(jī)三相電流的方法來(lái)判斷是否有異常電流產(chǎn)生。交流電流經(jīng)過(guò)互感器和整流電路的調(diào)整，變?yōu)榕c電流成正比的直流電壓信號(hào)，輸入到A /D轉(zhuǎn)換器中。采集電路將采集到的電流經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換為微處理芯片識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到處理器內(nèi)。處理器在工作之前需要初始化，人為設(shè)定電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的允許電流。經(jīng)過(guò)與設(shè)定值比擬，一旦外來(lái)信號(hào)超過(guò)允許值，單片機(jī)發(fā)出故障控制信號(hào)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的中斷保護(hù)功能，發(fā)出報(bào)警切斷電路，而顯示電路將實(shí)時(shí)反響電流的變化情況?？傮w的硬件設(shè)計(jì)主要包括：電流整流濾波單元、采集變換單元、單片機(jī)系統(tǒng)單元、時(shí)鐘和鍵盤顯

55、示單元以及故障報(bào)警單元等35,36。智能過(guò)載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 智能過(guò)載保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3.1 Hardware configuration diagram of intelligent over-load protection device3-2 單片機(jī)系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)3-2-1 單片機(jī)的選型作為智能保護(hù)裝置的核心局部，單片機(jī)的開展經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間。70年代末，INTEL公司推出最早的MCS-48系列8位單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小，價(jià)格低，功能全等特點(diǎn)贏得了廣泛的應(yīng)用。到了80年代初，INTEL公司研發(fā)的，也是目前應(yīng)用范圍最廣的MCS-51系列單片機(jī)問(wèn)世，。

56、單片機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改善，已開展到了高性能階段。品種多，約有幾十個(gè)系列，300多個(gè)品種；功能強(qiáng)，此時(shí)的單片機(jī)已均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數(shù)目繁多的I/O口、多種終端系統(tǒng)，甚至還有一些帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，功能越來(lái)越強(qiáng)大，RAM和ROM的容量也越來(lái)越大，尋址空間甚至可達(dá)64KB。可以說(shuō)，單片機(jī)開展到了一個(gè)新的平臺(tái)。3-2-1-1 80C31單片機(jī)80C31是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中最根本的產(chǎn)品。它是采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的51系列CHMOS產(chǎn)品。但是80C31片內(nèi)并無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要外接ROM。3-

57、2-1-2 80C51單片機(jī)80C51是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了： 硬件乘除法器、 21個(gè)專用控制存放器、 4KB的程序存儲(chǔ)器、 128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 4組8位的并行口、 兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、 全雙工串行通信口 布爾處理器。80C51中集成了完善的各種中斷源，用戶可以十分方便的控制和使用這些功能。另外，由于該芯片內(nèi)部具有上電、掉電自動(dòng)保護(hù)功能，能夠確保存入的數(shù)據(jù)不喪失，所以，該芯片在智能保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣泛。80C51所具有的以上這些特點(diǎn)使得它的應(yīng)用范圍加大，可以說(shuō)它能夠滿足絕大局部的應(yīng)用場(chǎng)合。MCS-51

58、系列產(chǎn)品除上述介紹的兩款常用型號(hào)之外，還有89C51、87C51等型號(hào)。它們的結(jié)構(gòu)根本相同，其主要差異反映在存放器的配置上會(huì)有所不同。如：8051內(nèi)部沒(méi)有4K字節(jié)的掩膜ROM程序存儲(chǔ)器，80C31片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，而87C51是將80C51片內(nèi)的ROM換成EPROM。3-2-1-3 AT89S52單片機(jī)ATMEL89系列單片機(jī)是ATMEL公司推出的以8051為內(nèi)核，構(gòu)成的8位Flash系列單片機(jī)。這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器。AT89S52單片機(jī)采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令和引腳與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51完全兼容，是一種低功耗、高性能的CMOS

59、8位微控制器。該器件片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)SPI串行口改寫或用通用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。通過(guò)把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，使得AT89S52成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)，特別是在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨(dú)樹一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，亦適用于通信和家用電器控制領(lǐng)域，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。MCS-51系列與ATMEL89系列單片機(jī)主要分類及功能特性如下表3.1所示。表3.1 MCS-51系列和ATMEL89系列單片機(jī)分類與功能特性Table 3.1 Classific

60、ation and function characteristics of MCS-51 and ATMEL89 系列典型芯片I/O口定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源串行通信口片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM51系列80C3148位216位51128字節(jié)無(wú)80C5148位216位51128字節(jié)4kB掩膜ROM87C5148位216位51128字節(jié)4kBEPROM89C5148位216位51128字節(jié)4kBEEPROM52系列80C3248位216位61256字節(jié)無(wú)80C5148位216位61256字節(jié)8kB掩膜ROM87C5248位216位61256字節(jié)4kBEPROM89C5248位216位61256字節(jié)4kBEEP