三相電機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)

摘要電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于發(fā)電廠和工礦企業(yè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)將會(huì)更加廣泛的應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門，因此研究設(shè)計(jì)性能良好的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置就更有現(xiàn)實(shí)意義。本文首先介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)的意義、發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，描述了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中常見的故障現(xiàn)象，并針對(duì)各種故障特征建立了相應(yīng)的判斷流程圖。因?yàn)閭鹘y(tǒng)過(guò)流保護(hù)在電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)不能夠進(jìn)行有效保護(hù)，本文引入了對(duì)稱分量法作為電機(jī)保護(hù)的基本理論以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行中的不對(duì)稱故障。本裝置通過(guò)測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)的零序和負(fù)序分量，應(yīng)用對(duì)稱分量法，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)進(jìn)行短路保護(hù)、斷相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、接地保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)模塊、顯示通信模塊、電源模塊和控制模塊。由于電機(jī)保護(hù)器的重要性以及對(duì)保護(hù)功能的精確性、全面性要求，本系統(tǒng)還有進(jìn)一步完善的必要和潛力。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)，89C51，對(duì)稱分量法AbstractTheelectromotorasthepowerdeviceiswidelyusedinthepowerplantsandindustrialenterprises.Withthedevelopmentoftheeconomyinourcountry,theelectromotorwillcontinuetobeusedinthefieldofoil,chemicalindustryandmetallurgy,etc.So,itisveryimportanttoproduceelectromotorprotectorwithgoodcharacters.Themeaningoftheelectromotorprotection,presentdevelopmentandtheexistingproblemsareintroducedinthispaper,thegeneralfaultsoftheelectromotorrunningisdescribed.Accordingtothecharactersofthevariousfault,themathemodelisestablishedandthetheory.Thetraditionalover-currentprotectorCannoteffectivelyprotectmotorwhenthereisaimbalancedfault．Inthispaper,theSymmetricalcomponentsmethodisemployedasbasictheoryofmotorprotectiontofulfillthediagnosisofimbalancedfault．TheintelligentprotectorCandealwiththefollowingmotorfaultssuchasshort—circuit，lossofphase，imbalance，lockedrotor,overload，low—voltage，over-voltagebymeasuringnegativesequencecurrent，positivesequencecurrentandzerosequencecurrentandprocessingthecurrentdatawiththeSymmetricalcomponentsmethod．SystemUSESmodulardesign,including:thedataacquisitionmoduleandsingle-chipmicrocomputermodule,communicationmodule,thatpowersupplymoduleandcontrolmodule.Themotorprotectorshouldbemoreaccuracyandperfect，Sothedesignedsystemneedmorebetterments．KeyWords:Electromotorprotection，89C51，Symmetricalcomponentsmethod目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1研究意義 11.2電機(jī)保護(hù)器的歷史及發(fā)展情況 21.2.1熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器 21.2.2模擬電子式電機(jī)保護(hù)器 31.2.3微機(jī)式電機(jī)保護(hù)器 4第二章電機(jī)保護(hù)器原理 62.1電動(dòng)機(jī)故障分析原因 62.2三相電機(jī)保護(hù)器狀態(tài)及診斷 72.3采用方法 72.4保護(hù)器設(shè)計(jì)要求 132.4.1兩相不對(duì)稱短路保護(hù) 132.4.2斷相保護(hù) 132.4.3三相電壓不平衡運(yùn)行 132.4.4欠壓保護(hù) 132.4.5過(guò)壓保護(hù) 142.4.6過(guò)載保護(hù) 142.4.7單相接地故障保護(hù)與兩相接地故障保護(hù) 14第三章系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 153.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖 153.2數(shù)據(jù)采集模塊 163.2.1三相電壓采集單元 163.2.2電流采集模塊 213.2.3模擬多路轉(zhuǎn)換器 233.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路 253.3單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 293.3.1單片機(jī)的選擇 293.3.2晶振電路 313.3.3復(fù)位電路 323.4監(jiān)測(cè)模塊 333.4.1通信電路 333.4.2LCD顯示電路 343.5電源電路 353.6輸入與輸出電路 363.6.1鍵盤電路 363.6.2繼電控制 37第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 394.1總流程圖 394.2故障判斷流程圖 43結(jié)論 54致謝 55參考文獻(xiàn)： 56DirectoryTOC\o"1-3"\uAbstract(Chinese) IAbstract IChapter1Introduction 11.1Researchsignificance 11.2Motorprotectorthehistoryanddevelopment 11.2.1Thermalrelay,fuseandassolenoidstylecurrentrelay 11.2.2Analogelectronicmotorprotector 21.2.3Microcomputertypemotorprotectorpathogen 3Chapter2Motorprotectorprinciple 42.1Motorfailureanalysisreasons 52.2three-phaseprotectorstateanddiagnosis 52.3Themethod 62.4Protectorthedesignrequirements 102.4.1Twophaseasymmetricshortcircuitprotection 102.4.2Brokenphaseprotection 102.4.3Threephasevoltageunbalancedoperation 112.4.4Voltageprotection 112.4.5Over-voltageprotection 112.4.6Overloadprotection 112.4.7One-phasegroundfaultprotectionandtwoconnecttofaultprotection 11Chapter3thesystemhardwareoveralldesign 123.1Systemhardwareoveralldesigndiagram 123.2Dataacquisitionmodule 133.2.1Threephasevoltageacquisitionunit 133.2.2Currentacquisitionmodule 173.2.3Simulationwaymoreconverter 193.2.4A/Dcircuit 213.3Single-chipmicrocomputercontrolcircuitdesign 253.3.1Microcontrollerchoice 253.3.2Crystalscircuit 263.3.3Resetcircuit 273.4Monitoringmodule 283.4.1Communicationcircuit 283.4.2LCDShowcircuit 293.5Powersupplycircuit 303.6Inputandoutputcircuit 303.6.1

Trackkeyboardcircuit 303.6.2Relaycontrol 31Chapter4systemsoftwaredesign 324.1Totalflowchart 334.2Faultjudgingflowchart 37Conclusion 47Thanks 48Reference： 49第一章緒論三相電機(jī)是機(jī)電行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一，其正常輸出動(dòng)力是其所驅(qū)動(dòng)設(shè)備正常工作的前提。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)將會(huì)更加廣泛的應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門，因此抓好電動(dòng)機(jī)保護(hù)的研究和推廣工作，研制性能良好的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置就更有現(xiàn)實(shí)意義。1.1研究意義三相電動(dòng)機(jī)由于其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn)，同時(shí)其機(jī)械特性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)作業(yè)的要求，因此被廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)械、冶金、石油、化工、汽車、船舶等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)的總負(fù)荷中約有60％以上是感應(yīng)電機(jī)；以電力作為原動(dòng)力的負(fù)荷中，有90％左右是感應(yīng)電機(jī)。但多數(shù)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境很惡劣，尤其是在火力發(fā)電廠、礦山、鋼鐵、冶金和石化等企業(yè)，電機(jī)長(zhǎng)期工作在高溫、高濕、多塵埃的工況條件下，很容易使電機(jī)出現(xiàn)斷相、欠載、漏電、堵轉(zhuǎn)及過(guò)載等故障。[1]實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，除了惡劣的運(yùn)行環(huán)境還有超技術(shù)條件運(yùn)行，也是導(dǎo)致各類電機(jī)故障產(chǎn)生的主要原因。三相電機(jī)由于電網(wǎng)、負(fù)載及電機(jī)本身的種種原因，也會(huì)經(jīng)常發(fā)生電機(jī)損壞現(xiàn)象。電機(jī)故障或損壞帶來(lái)的直接和間接損失是相當(dāng)巨大的[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國(guó)每年僅因電動(dòng)機(jī)燒毀所消耗的電量就達(dá)數(shù)千萬(wàn)度，電動(dòng)機(jī)燒毀的數(shù)量達(dá)20萬(wàn)臺(tái)次以上，容量約0．4億千瓦，因維修所耗的電磁線約5000萬(wàn)公斤，修理費(fèi)達(dá)20億元，而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個(gè)無(wú)法估量的巨大數(shù)目。[3]造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，關(guān)鍵的問(wèn)題是電機(jī)保護(hù)技術(shù)尚有不盡人意之處，誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，常影響正常使用，以致出現(xiàn)多數(shù)用戶不用或?qū)⒈Ｗo(hù)裝置甩掉的嚴(yán)重現(xiàn)象。在目前各種電機(jī)保護(hù)裝置中，普遍存在著要么智能化程度高而價(jià)格過(guò)高、體積較大不便在有限制的控制裝置中安裝，推廣難度大；要么價(jià)格低而智能化程度低，對(duì)故障的判斷由于缺少智能分析而影響使用效果，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常放棄使用這類保護(hù)器。因此，保持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行就成了人們長(zhǎng)期以來(lái)一直關(guān)注的問(wèn)題。隨著自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)代的到來(lái)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)著上十臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)電動(dòng)機(jī)，往往需要對(duì)這些電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，以便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)與使用能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障的發(fā)生，并能通過(guò)對(duì)故障特征的分析來(lái)確定故障原因并進(jìn)行保護(hù)的裝置，對(duì)維持電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保生產(chǎn)安全顯得至關(guān)重要。1.2電機(jī)保護(hù)器的歷史及發(fā)展情況電機(jī)保護(hù)裝置的種類繁多，其發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。從雙金屬機(jī)械式熱繼電器到電子式繼電器，發(fā)展到今天，已經(jīng)進(jìn)入了智能化電機(jī)保護(hù)器階段。值得一提的是由于近年來(lái)微處理器技術(shù)的發(fā)展，給電動(dòng)機(jī)保護(hù)器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺(tái)，使得電機(jī)保護(hù)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，我國(guó)中小型電機(jī)的保護(hù)器常采用熔斷器、接觸器和熱繼電器的組合方式，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載、短路、欠載、斷相等功能。熔斷器與接觸器是使用最早、最簡(jiǎn)單的保護(hù)方式，熔斷器主要是用于短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)保護(hù)電源設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)的，實(shí)際上它對(duì)電機(jī)不直接起保護(hù)作用。當(dāng)熔體熔斷時(shí)，又往往會(huì)導(dǎo)致電機(jī)因缺相運(yùn)行而燒毀，許多人常錯(cuò)誤的把熔斷器的作用看作是保護(hù)電機(jī)，這是不全面的。一般的熔斷器熔體標(biāo)準(zhǔn)選擇是按電機(jī)額定電流1.5～2.5倍來(lái)選擇，這是不符合實(shí)際情況的，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能受到5～7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)效和安裝上會(huì)存在隨機(jī)缺陷，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)很容易發(fā)生部分相的首先熔斷，而使電機(jī)處于缺相運(yùn)行，最終造成電機(jī)燒毀[4]。我國(guó)的熱繼電器最早是從前蘇聯(lián)引進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)出雙金屬機(jī)械式熱繼電器作為電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置，用于防止電機(jī)因過(guò)載而引起的過(guò)電流產(chǎn)生故障。在電子業(yè)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代曾是電機(jī)過(guò)載保護(hù)的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應(yīng)工作的，雙金屬片是由不同膨脹系數(shù)的兩片金屬鉚合而成，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)它將產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，電流的大小和彎曲的程度成正比，當(dāng)電流超過(guò)熱繼電器整定電流的一定倍數(shù)時(shí)就會(huì)扁動(dòng)其中的脫扣裝置從而切斷主回路達(dá)到保護(hù)的目的。但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)作用而動(dòng)作過(guò)幾次后，其本身的電阻絲、絕緣材料會(huì)因過(guò)熱而迅速損壞，無(wú)法繼續(xù)使用，必須全套更換。熱繼電器最主要的缺點(diǎn)是受環(huán)境溫度影響較大，雙金屬片整定方法比較粗糙，使得整定值不準(zhǔn)確，變化大，熱繼電器的動(dòng)作曲線與電機(jī)允許發(fā)熱特性曲線很難保持一致，此外熱繼電器安裝在電機(jī)外部，把它串接在主電路中，與電機(jī)繞組溫度無(wú)直接關(guān)系。一旦由于通風(fēng)受阻、堵轉(zhuǎn)、頻繁啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間輕微過(guò)載等情況使電機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，熱繼電器就無(wú)法正常保護(hù)電機(jī)了。[5]模擬電子式電機(jī)保護(hù)器隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，二十世紀(jì)七十年代，電子式的電機(jī)保護(hù)裝置得以發(fā)明并使用。電子式繼電器仍然遵循反時(shí)限保護(hù)的特性，其主要由兩大部分組成：一是監(jiān)測(cè)部分，二是執(zhí)行部分。監(jiān)測(cè)部分通常采用電流互感器，利用其磁滯回線的直線部分來(lái)獲取信號(hào)。執(zhí)行部分全部采用電子元件來(lái)工作，其可以分為分立元件式、集成元件式和分立一集成混合式三種，一般由信號(hào)比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、延時(shí)電路、觸發(fā)電路、執(zhí)行元件及電源等部分組成。工作原理是通過(guò)電流互感器直接監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行電流來(lái)進(jìn)行保護(hù)。[6]但這類產(chǎn)品仍存在一些無(wú)法克服的缺陷，包括如下幾個(gè)方面：(1)整定精度不高，模擬電子式電機(jī)保護(hù)器均采用電位器進(jìn)行額定電流的整定，然而要使電位器滑動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度與其阻值成較好的線形關(guān)系比較困難，特別是在大批量生產(chǎn)中更是難以做到，另外，操作者的整定誤差也是難以避免的，特別是對(duì)于那些沒有設(shè)定值顯示的產(chǎn)品。(2)采樣精度不高，模擬線路對(duì)電流互感器的非線性問(wèn)題束手無(wú)策，即使可以校正也會(huì)使線路變得非常復(fù)雜，甚至無(wú)法實(shí)際使用，因而大部分廠家只好將非線性問(wèn)題依賴于提高電流互感器的線性，而實(shí)際上要想由矽鋼片做成的電流互感器在很寬的范圍內(nèi)保持線性是非常困難的，行內(nèi)人士知道用于電機(jī)保護(hù)器采樣的電流互感器需考慮的最大使用范圍至少為被保護(hù)電機(jī)額定電流的7倍，因?yàn)殡姍C(jī)在堵轉(zhuǎn)情況下會(huì)達(dá)到5~7倍的額定電流；另外，采樣線路本身也存在非線性問(wèn)題。基于這些技術(shù)難題，要實(shí)現(xiàn)高精度的采樣自然就成了一句空話。(3)無(wú)法實(shí)現(xiàn)具有多種保護(hù)功能于一體的全保護(hù)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電機(jī)保護(hù)的要求也越來(lái)越高，希望保護(hù)器的功能多樣化，性能可靠，接線簡(jiǎn)單，界面直觀且體積要小，這些都是純粹的模擬線路根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。鑒于以上原因，純棒模擬線路的保護(hù)器正逐漸被其它一些更先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)晶所代替。[7]微機(jī)式電機(jī)保護(hù)器微機(jī)保護(hù)是在綜合保護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?；谖⑻幚砥骰蚱渌鼣?shù)字電路構(gòu)成的新型微機(jī)保護(hù)裝置，其與傳統(tǒng)的保護(hù)裝置相比具有以下優(yōu)點(diǎn)；(1)具有計(jì)算、分析和邏輯判斷能力和存儲(chǔ)記憶功能，可以連續(xù)地進(jìn)行自檢，受環(huán)境因素的影響小，可靠性高;采用軟件編程，可用同一硬件實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)原理；(2)具有故障記錄、故障分析、交換信息等輔助功能，方便了對(duì)事故分析和處理；(3)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，為建立綜合自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)提供幫助；(4)調(diào)試維護(hù)方便，縮短維修時(shí)間，并且可在現(xiàn)場(chǎng)修改保護(hù)功能及參數(shù)。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著微處理芯片和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，新開發(fā)的電機(jī)保護(hù)裝置都是嵌入式的采用單片機(jī)，DSP，ARM等)。保護(hù)器可以對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息進(jìn)行采集跟蹤，通過(guò)對(duì)故障報(bào)警、保護(hù)動(dòng)作、以及動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的保護(hù)，保證生產(chǎn)的安全。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。同時(shí)經(jīng)過(guò)通信，可以使上位機(jī)獲得電機(jī)運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理提供管理信息。在設(shè)備可能產(chǎn)生重大故障前，越限報(bào)警可及時(shí)提醒管理人員進(jìn)行處理，避免了不必要的停機(jī)而對(duì)正常生產(chǎn)造成影響，最大限度地保證設(shè)備運(yùn)行的有效性。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)置的預(yù)警值時(shí)，保證裝置僅進(jìn)行預(yù)警，不發(fā)生脫扣；但當(dāng)越線值達(dá)到預(yù)置的脫扣值時(shí)，保護(hù)裝置進(jìn)入脫扣觸發(fā)延時(shí)。在預(yù)置脫扣延時(shí)時(shí)間內(nèi)若設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，則取消脫扣執(zhí)行；而如果超過(guò)延時(shí)時(shí)限，則保護(hù)裝置發(fā)出脫扣信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。在電機(jī)控制裝置實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)保護(hù)功能的同時(shí)，各種保護(hù)信息也由裝置生成并經(jīng)通信接口上送到計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。[8,9,10]現(xiàn)在的保護(hù)器已經(jīng)成為一種集監(jiān)測(cè)、保護(hù)、遙測(cè)、通訊、遙控為一體的電機(jī)保護(hù)裝置。目前，國(guó)外已有專用微機(jī)化的多功能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置投入市場(chǎng)。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，這類保護(hù)器有優(yōu)異的保護(hù)特性，保護(hù)功能和工作可靠性大為提高。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保護(hù)器，如西門子公司的可提供過(guò)載、斷相和三相電流不平衡保護(hù)的過(guò)載繼電器，富士公司的具有過(guò)載、斷相和反相保護(hù)的繼電器，以及韓國(guó)三和EOCR株式會(huì)社的能提供過(guò)載、起動(dòng)電流、三相電流不平衡、斷電保護(hù)和自我監(jiān)控等功能的繼電器。我國(guó)微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)起步較晚，電動(dòng)機(jī)保護(hù)水平整體較低。在微機(jī)線路保護(hù)已經(jīng)開始普遍運(yùn)用的時(shí)候，微機(jī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)尚處于萌芽狀態(tài)，普遍是根據(jù)電流的大小來(lái)決定是否需要保護(hù)，這顯然沒有考慮到多種故障因素對(duì)電機(jī)的影響。電機(jī)是否需要保護(hù)其根本的判斷依據(jù)應(yīng)該是電機(jī)繞組溫度是否超過(guò)其絕緣等級(jí)溫度，在平均電流相同的情況下，對(duì)于不同的工作電壓、負(fù)序電流、零序電流，電機(jī)繞組發(fā)熱程度并不一致，這就說(shuō)明單純通過(guò)電流的大小來(lái)判斷電機(jī)是否需要保護(hù)并不十分科學(xué)，不能對(duì)電機(jī)在各種環(huán)境下全面保護(hù)。綜上所述，雖然目前運(yùn)行有多種微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，但實(shí)際運(yùn)行效果并不好，用戶反映一般，主要原因是裝置存在可靠性較低，保護(hù)功能不完善，界面不友好等因素。因此，圍繞電動(dòng)機(jī)保護(hù)“可靠、快速、準(zhǔn)確"的基本原則，結(jié)合當(dāng)今信息時(shí)代的特點(diǎn)，有必要研制一種基于全新硬件平臺(tái)的新型電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置，其性能穩(wěn)定可靠，保護(hù)功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，界面友好，電機(jī)運(yùn)行信息完備并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以滿足用戶需求。今后電機(jī)保護(hù)器技術(shù)將會(huì)沿著兩個(gè)主要方向發(fā)展[11,12,13]：一方面推進(jìn)新理論的研究，通過(guò)故障建模和仿真計(jì)算，并引入序分量、諧波分量、阻抗量、相位量等多種對(duì)電機(jī)故障敏感的檢測(cè)量作判據(jù)，將小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法引入電機(jī)保護(hù)控制領(lǐng)域，不但能大大提高保護(hù)控制裝置性能，而且對(duì)電機(jī)故障和保護(hù)方面的理論研究也會(huì)有很大的促進(jìn)。另一方面要著手新技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)，利用各種傳感器(包括紅外線、電磁波、振動(dòng)、電、熱、機(jī)械、光、聲等)對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后根據(jù)傳感器輸出的信息經(jīng)微處理器進(jìn)行判斷、分類，確定故障類型和嚴(yán)重程度，分別采取報(bào)警、顯示、保護(hù)控制等動(dòng)作，這樣不但能實(shí)現(xiàn)以上各種電機(jī)保護(hù)功能，更重要的是能做到預(yù)測(cè)電機(jī)的前兆故障，進(jìn)而達(dá)到提前防止電機(jī)故障發(fā)生。本章小結(jié)本章主要敘述了三相智能電機(jī)保護(hù)器的研究意義、歷史及發(fā)展情況。第二章電機(jī)保護(hù)器原理保護(hù)原理是電機(jī)保護(hù)器的中樞神經(jīng)，使保護(hù)系統(tǒng)性能最主要的決定因素之一。因此，對(duì)電機(jī)保護(hù)原理的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電機(jī)保護(hù)一般采用熱繼電器型或電磁型的過(guò)流保護(hù)，其基本保護(hù)原理是以電流幅值的增加作為判斷否發(fā)生故障的依據(jù)。所以，這種過(guò)流保護(hù)的原理只能反映以電流增加為主要特征的對(duì)稱故障和短路故障，如過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、嚴(yán)重短路等，不能夠?qū)嘞?、接地、不平衡等不?duì)稱故障進(jìn)行及時(shí)有效的保護(hù)。針對(duì)傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法的不足，本文引入了對(duì)稱分量法作為電機(jī)保護(hù)的基本理論以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行中的不對(duì)稱故障。2.1電動(dòng)機(jī)故障分析原因?qū)τ诋惒诫妱?dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，去故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞另個(gè)方面。造成繞組損壞的主要原因有：(1)由于電源電壓太低使得電動(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)，或者短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，使得電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間的大啟動(dòng)電流而過(guò)熱。(2)長(zhǎng)期受點(diǎn)、熱、機(jī)械或化學(xué)作用，使得繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪贰?3)因機(jī)械故障造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。(4)三相電源電壓不平衡或者波動(dòng)太大，或者電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。(5)冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過(guò)高。造成電動(dòng)機(jī)軸承損壞的原因主要有：機(jī)械負(fù)荷太大。潤(rùn)滑劑不合適。惡劣的工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來(lái)的損壞。由于電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要是通過(guò)測(cè)量三相電流、三相電壓來(lái)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，從而判斷是否電機(jī)是否產(chǎn)生故障，因此本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是繞組故障。2.2三相電機(jī)保護(hù)器狀態(tài)及診斷引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見故障可分為兩大類，對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障。對(duì)稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)和對(duì)稱性過(guò)載等；不對(duì)稱故障主要有：斷相、三相不平衡、單相接地短路和相間短路。當(dāng)因?yàn)楦鞣N原因，如機(jī)械故障、負(fù)荷過(guò)大、電壓過(guò)低等，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于散入條件差，電流大，特別容易損壞電機(jī)。其他不出現(xiàn)顯著過(guò)流的不對(duì)稱故障，如斷相不平衡運(yùn)動(dòng)等，過(guò)流保護(hù)往往不能及時(shí)動(dòng)作。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的各種內(nèi)部繞組故障，如匝間短路、接地短路等，往往由于運(yùn)行環(huán)境差、長(zhǎng)期運(yùn)行不當(dāng)引起的，故障最初并不引起顯著的電流增大，如不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致事故的擴(kuò)大，進(jìn)而引起電動(dòng)機(jī)機(jī)端過(guò)熱、轉(zhuǎn)子及啟動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重?fù)p壞電動(dòng)機(jī)。各種短路故障還會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)電壓的顯著波動(dòng)，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)形成過(guò)欠壓故障。（1）過(guò)載保護(hù)：超過(guò)電動(dòng)機(jī)銘牌規(guī)定的額定負(fù)載的10%范圍報(bào)警和動(dòng)作。增補(bǔ)的反時(shí)限特性由（2）斷相保護(hù)：當(dāng)任意一相的電壓低于斷相保護(hù)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器應(yīng)當(dāng)在動(dòng)作（延時(shí)）時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或同時(shí)報(bào)警。（3）不平衡保護(hù)：根據(jù)最大相電流是否超過(guò)90%的額定電流，最小相電流是否低于10%的額定電流來(lái)判斷是否起動(dòng)短相保護(hù)。（4）漏電或接地保護(hù)：通過(guò)外接的零序互感器的測(cè)量，以零序電流大小來(lái)判斷是否起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的漏電后接地保護(hù)。（5）過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)：跟據(jù)最大相電壓與額定電壓的比值來(lái)判斷是否起動(dòng)保護(hù)。（6）堵轉(zhuǎn)保護(hù)：跟據(jù)最大相電流與額定電流的比值來(lái)判斷是否起動(dòng)保護(hù)。（7）起動(dòng)超時(shí)保護(hù)：在設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)電流未降到額定電流的110%，則認(rèn)為起動(dòng)超時(shí)，保護(hù)器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)出停車指令，并報(bào)警。2.3采用方法保護(hù)算法是電機(jī)保護(hù)器的中樞神經(jīng)，使保護(hù)系統(tǒng)性能最主要的決定因素之一。因此，對(duì)電機(jī)保護(hù)原理的研究至關(guān)重要。本章主要是分析電機(jī)的故障特征和保護(hù)原理，從分析電動(dòng)機(jī)的各類故障入手，找出各種故障的故障判據(jù)，進(jìn)而推出相應(yīng)的保護(hù)算法。傳統(tǒng)的電子型保護(hù)裝置都是通過(guò)三相電流的過(guò)流程度來(lái)反映電機(jī)的故障特征的，所以，這種過(guò)流保護(hù)的原理只能反映以電流增加為主要特征的對(duì)稱故障和短路故障，如過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、嚴(yán)重短路等，不能夠?qū)嘞?、接地、不平衡等不?duì)稱故障進(jìn)行及時(shí)有效的保護(hù)。而傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)在電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)不能夠進(jìn)行有效保護(hù)的主要原因是：(1)不對(duì)稱故障一般不會(huì)使電流顯著增加。(2)不對(duì)稱故障中出現(xiàn)的負(fù)序電流分量所引起的負(fù)序電流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、減小起動(dòng)力矩等一系列問(wèn)題。(3)起動(dòng)電流瞬間值有時(shí)會(huì)高于電機(jī)的故障電流，要對(duì)起動(dòng)電流和故障電流進(jìn)行分辨，使過(guò)流繼電器的整定困難。下面主要集中闡述對(duì)電機(jī)的保護(hù)，引起三相異步電動(dòng)機(jī)的常見故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。［14，15,16］對(duì)稱故障主要有對(duì)稱過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、對(duì)稱穩(wěn)態(tài)短路等，主要特征是發(fā)生故障時(shí)三相仍基本對(duì)稱，只是電流幅值增大。這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力，所引起的熱效應(yīng)在散熱條件差的情況下特別容易燒壞電機(jī)。因此，對(duì)稱故障可以由電流過(guò)流程度來(lái)反映，所以仍然以電流強(qiáng)度作為故障判據(jù)。不對(duì)稱故障主要有斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運(yùn)行、接地短路等，故障之初并沒有出現(xiàn)明顯的電流增大，如果處理不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，引發(fā)電動(dòng)機(jī)機(jī)端過(guò)熱、轉(zhuǎn)子及起動(dòng)力矩降低等問(wèn)題，嚴(yán)重的損壞了電動(dòng)機(jī)。不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是負(fù)序電流引起的負(fù)序效應(yīng)，如果有過(guò)電流出現(xiàn)，還會(huì)使繞組發(fā)熱，此類故障明顯特征是電動(dòng)機(jī)定子電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。本文針對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)裝置存在的問(wèn)題，本文引入了對(duì)稱分量法作為電機(jī)保護(hù)的基本理論以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行中的不對(duì)稱故障。傳統(tǒng)的檢測(cè)三相電流經(jīng)電流電壓變換送監(jiān)幅電路作為判據(jù)方法的基礎(chǔ)，即通過(guò)對(duì)各相電流的計(jì)算分解出負(fù)序電流分量和零序電流分量，采用過(guò)流幅值、零序電流和負(fù)序電流分量為基礎(chǔ)的故障判據(jù)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上形成了各種保護(hù)的算法，用來(lái)作為發(fā)生對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障判據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全面的綜合保護(hù)。對(duì)稱分量法最早由Fortescue于1918年提出，又稱對(duì)稱成分法，為解決多相(三相)不對(duì)稱交流系統(tǒng)的分析和計(jì)算提供了一個(gè)有效方法。對(duì)稱分量法是用于線性系統(tǒng)的坐標(biāo)變換法。任何一三相不平衡電流都可以分解為三個(gè)平衡的矢量成分，即正序分量、負(fù)序分量、零序分量。[17]三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱故障的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，只產(chǎn)生正序電流分量，而負(fù)序電流和零序電流為不平衡電流，數(shù)值較小；發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)的主要特征是負(fù)序和零序電流分量會(huì)顯著增加。因此可以在檢測(cè)電動(dòng)機(jī)過(guò)流程度的同時(shí)，以序分量為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)負(fù)序電流、零序電流的大小來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)不對(duì)稱故障。這樣，不但能更好的反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還可以大大提高保護(hù)的靈敏度和可靠性。異步電動(dòng)機(jī)常見故障特征分析情況如表2-1所示，表中單相故障設(shè)A相為故障相，兩相設(shè)B、C為故障相，表示故障前相電流的幅值，。表2-1三相異步電動(dòng)機(jī)常見故障特征故障類型負(fù)序零序故障特征過(guò)電流對(duì)稱故障三相短路無(wú)無(wú)（8-10）·堵轉(zhuǎn)無(wú)無(wú)（5-7）·過(guò)載無(wú)無(wú)（1.2-5）·不對(duì)稱故障非接地?cái)嘞酂o(wú)，逆相IP無(wú)無(wú)不平衡有無(wú)無(wú)相間短路與位置有關(guān)無(wú)與位置有關(guān)接地單相接地有與位置有關(guān)兩相接地有與位置有關(guān)應(yīng)用對(duì)稱分量法，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生各類對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)，可以將故障電分解為正序、負(fù)序、零序電流。同時(shí)，通過(guò)以上對(duì)電機(jī)常見故障特征的分析可見，電動(dòng)機(jī)的負(fù)序、零序電流分量及過(guò)流程度等故障信息的分布組合關(guān)系與電動(dòng)機(jī)的故障類型之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采集來(lái)的三相電流通過(guò)計(jì)算分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，根據(jù)是否出現(xiàn)負(fù)序、零序電流以及過(guò)流程度對(duì)所發(fā)生的故障類型作出診斷，根據(jù)診斷的結(jié)果對(duì)所發(fā)生的故障進(jìn)行保護(hù)跳閘和故障顯示。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相電流基本對(duì)稱，零序和負(fù)序電流為零；當(dāng)電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，零序電流和負(fù)序電流會(huì)有相應(yīng)的變化。根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以區(qū)別電動(dòng)機(jī)的故障類型，指示故障原因，從而實(shí)現(xiàn)了智能化的故障診斷。這種診斷不但靈敏、可靠，能夠覆蓋電動(dòng)機(jī)所有常見故障，而且能夠識(shí)別不同故障類型，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷。應(yīng)用對(duì)稱分量法，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生各類對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)，可以將故障電分解為正序、負(fù)序、零序電流。同時(shí)，通過(guò)以上對(duì)電機(jī)常見故障特征的分析可見，電動(dòng)機(jī)的負(fù)序、零序電流分量及過(guò)流程度等故障信息的分布組合關(guān)系與電動(dòng)機(jī)的故障類型之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采集來(lái)的三相電流通過(guò)計(jì)算分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，根據(jù)是否出現(xiàn)負(fù)序、零序電流以及過(guò)流程度對(duì)所發(fā)生的故障類型作出診斷，根據(jù)診斷的結(jié)果對(duì)所發(fā)生的故障進(jìn)行保護(hù)跳閘和故障顯示。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相電流基本對(duì)稱，零序和負(fù)序電流為零；當(dāng)電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，零序電流和負(fù)序電流會(huì)有相應(yīng)的變化。根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以區(qū)別電動(dòng)機(jī)的故障類型，指示故障原因，從而實(shí)現(xiàn)了智能化的故障診斷。這種診斷不但靈敏、可靠，能夠覆蓋電動(dòng)機(jī)所有常見故障，而且能夠識(shí)別不同故障類型，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷。電力系統(tǒng)某處發(fā)生不對(duì)稱短路，三相電路電流和電壓的基頻分量都會(huì)變成不對(duì)稱的向量。以、、表示三相電流，可以將分解為正序、負(fù)序、零序三組成分，、、；同理可以分解為正序、負(fù)序、零序三組成分、、；可以分解為正序、負(fù)序、零序三組成分、、。其中，正相序成分的相序依次為、、，大小相等及互隔120。；負(fù)相序成分的相序依次為、、，大小相等及互隔120。；零相序電流則大小相等且同相。各組相序成分值大小相等，所以可以將其簡(jiǎn)化，用某一向量表示。定義算子“α”為向量沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)120o，其為一單位矢量，即：(2-1）（2-2）由此可以得出：（2-3）式中（2.3）中以A相為代表，三相電流相加，可以得出如下等式：（2-4）因?yàn)椋?-5）故：（2-6）同理可以求出A相電流的正序分量和負(fù)序分量、。（2-7）（2-8）綜上所述，可以得出：（2-9）由式2-6可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時(shí)才有零序分量出現(xiàn)。如果三相系統(tǒng)是三角形接法，或者是沒有中性線的星型接法，三相線電流之和總為零，不可能有零序分量電流。只有在中性線的星型接法中才有可能存在零序電流。本次設(shè)計(jì)的三相電機(jī)保護(hù)器主要針對(duì)三相四線制的電力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，零序電流可作為故障判斷的重要依據(jù)，另外，在一個(gè)三相對(duì)稱的元件中（例如線路，變壓器和電動(dòng)機(jī)），如果流過(guò)三相正序電流，則在元件上的三相電壓也是正序的，這一點(diǎn)從物理意義上很容易理解；同理，如果流過(guò)三相負(fù)序電流或者三相零序電流，則元件上的電壓降也是負(fù)序的或零序的。這也就是說(shuō)，對(duì)于三相對(duì)稱的元件，個(gè)序分量也是獨(dú)立的。圖2.1電動(dòng)機(jī)故障診斷及保護(hù)的原理框圖2.4保護(hù)器設(shè)計(jì)要求2.4.1兩相不對(duì)稱短路保護(hù)三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生兩相不對(duì)稱短路時(shí)，供電線路中的負(fù)序電流不斷相間增大，為了保證靈敏度，可以設(shè)定當(dāng)負(fù)序電流時(shí)視為兩相不對(duì)稱短路，隨后保護(hù)器在判斷是那兩項(xiàng)短路。本設(shè)計(jì)判斷方法為：假如三相電流中有一相電流為0，則兩外兩相短路。2.4.2斷相保護(hù)斷相故障時(shí)一種嚴(yán)重的不對(duì)稱性故障，是不平衡電壓的極端情況。斷相會(huì)使剩余繞組嚴(yán)重的過(guò)流且發(fā)熱，更容易燒壞定子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心。供電電源線直接即斷開是電機(jī)斷相運(yùn)行中最常見的故障。本設(shè)計(jì)判斷方法為：如果供電線路中有一相電流為0，負(fù)序電流達(dá)到0.83—2倍的額定電流時(shí)，則認(rèn)為該相斷相，電動(dòng)機(jī)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。2.4.3三相電壓不平衡運(yùn)行主要針對(duì)電網(wǎng)不平衡運(yùn)行設(shè)定的。在實(shí)際運(yùn)行中，供電電源總存在著某種程度的不對(duì)稱，所以即使在三相異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，也會(huì)存在著一定的負(fù)序電流。由供電電壓不對(duì)稱引起的負(fù)序電流取決于電動(dòng)機(jī)的復(fù)學(xué)阻抗與正序阻抗的比值，此比值大致是額定電流與啟動(dòng)電流之比。本設(shè)計(jì)判斷方法為：取0.3—0.8倍的額定電流值作為比較值，一旦判斷出故障，保護(hù)器延時(shí)動(dòng)作。2.4.4欠壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長(zhǎng)時(shí)間低于額定電壓85％時(shí)，稱為系統(tǒng)欠電壓。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子電流與電壓密切相關(guān)，在電網(wǎng)電壓降低，電磁轉(zhuǎn)矩下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降，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。轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)增大，溫升增高，致使電動(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)。如果電網(wǎng)電壓暫時(shí)中斷，隨后又自行恢復(fù)，則電動(dòng)機(jī)停機(jī)后又會(huì)自行起動(dòng)，這對(duì)正在檢查電動(dòng)機(jī)故障的人員構(gòu)成人身威脅；如果電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，不能直接帶負(fù)載自起動(dòng)，則可能繼續(xù)處于堵轉(zhuǎn)或低速爬行狀態(tài)，同樣電動(dòng)機(jī)將承受大起動(dòng)電流的作用而過(guò)熱甚至燒毀。因此，電動(dòng)機(jī)應(yīng)有欠壓保護(hù)，以保證一旦發(fā)生欠壓故障它就能夠自行脫離電源。本設(shè)計(jì)判斷方法為:若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2.4.5過(guò)壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因超過(guò)額定電壓15％時(shí),稱為系統(tǒng)過(guò)電壓。過(guò)電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然有時(shí)也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負(fù)載星形連接且無(wú)中性線的電動(dòng)機(jī)定子繞組一相短路，則會(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，從而縮短電動(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)。本設(shè)計(jì)判斷方法為:若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2.4.6過(guò)載保護(hù)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過(guò)大所引起過(guò)熱現(xiàn)象的一種非正常狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做過(guò)載。過(guò)載電流一般比額定電流大1—6倍。因?yàn)榘l(fā)生過(guò)載故障時(shí)電機(jī)電流比額定電流略高，所以其程度不會(huì)立即對(duì)電機(jī)在成傷害，但是任由其發(fā)展下去，長(zhǎng)時(shí)間的累積效應(yīng)，會(huì)使絕緣以及各部件的機(jī)械強(qiáng)度迅速降低，加速電機(jī)老化，縮短使用壽命。而其機(jī)械性能降低又會(huì)給其他的類型故障的發(fā)生提供可能性。本設(shè)計(jì)判斷方法為:當(dāng)電機(jī)的工作電流超過(guò)額定電流值，保護(hù)器啟動(dòng)反時(shí)限保護(hù)。2.4.7單相接地故障保護(hù)與兩相接地故障保護(hù)在三相電機(jī)所有的故障中，只有兩相短路接地和單相短路接地會(huì)在相間產(chǎn)生零序電流。所以當(dāng)線路中檢測(cè)到零序電流時(shí)，就代表發(fā)生了兩相短路接地或者單相短路接地故障。所以判斷出故障時(shí)兩相短路接地或者單相短路接地后，在比較電機(jī)電流大小。單相接地短路保護(hù)本設(shè)計(jì)判斷方法為：出現(xiàn)零序電流，且，則A相為單相接地的故障相。兩相接地短路保護(hù)本設(shè)計(jì)判斷方法為：出現(xiàn)零序電流，且，則B相C相為兩相接地的故障相。本章小結(jié)本章主要敘述了三相智能電機(jī)保護(hù)器的原理。因?yàn)閭鹘y(tǒng)過(guò)流保護(hù)在電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)不能夠進(jìn)行有效保護(hù)，本文引入了對(duì)稱分量法作為電機(jī)保護(hù)的基本理論以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行中的不對(duì)稱故障。第三章系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理就是監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電壓和電流參數(shù)，獲得電機(jī)的工作情況。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，了解此時(shí)三相電機(jī)運(yùn)行狀況。該設(shè)計(jì)是基于交流電機(jī)的普遍應(yīng)用和經(jīng)常出現(xiàn)的故障為設(shè)計(jì)背景，提出以8951單片機(jī)控制核心的智能保護(hù)器。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和互感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，能夠及時(shí)解決出現(xiàn)的基本故障，保證電機(jī)在良好的狀態(tài)下進(jìn)行工作。為做到提供準(zhǔn)確電機(jī)的參考信息，本系統(tǒng)包括采集和設(shè)置電機(jī)參數(shù)的底層硬件設(shè)備以及進(jìn)行顯示、通信和保護(hù)部分。3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖本論文的工作重點(diǎn)是及時(shí)的發(fā)現(xiàn)三相電機(jī)出現(xiàn)的故障，并及時(shí)的反映出來(lái)，在一定的時(shí)間內(nèi)做出如果沒有及時(shí)的排除故障，則三相電機(jī)斷電停車。三相電機(jī)保護(hù)器采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：（1）數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)三相電機(jī)的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)鏡像采樣，讓后輸送到單片機(jī)中，此模塊包括三相電壓采樣單元、三相電流采樣單元、模擬多路開關(guān)單元和A/D轉(zhuǎn)換單元；（2）主體模塊，為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心單元，采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行分析與判斷是否產(chǎn)生故障，此模塊是包括為鍵盤電路單元、晶振電路單元、復(fù)位電路單元；（3）監(jiān)測(cè)模塊，為了及時(shí)地了解三相電機(jī)的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，就需要與上位機(jī)連接，把數(shù)據(jù)通過(guò)通信單元輸送到主控室，在調(diào)節(jié)故障電機(jī)時(shí)，需要知道此時(shí)的電機(jī)數(shù)據(jù)，這就需要LCD顯示，所以此模塊包括LCD顯示單元和通信單元。(4)電源模塊，8951單片機(jī)LM324等芯片都可以在5V電壓系驅(qū)動(dòng)，電源模塊輸出5V電壓。通過(guò)對(duì)三相電流、電壓監(jiān)測(cè)，對(duì)電機(jī)的信息準(zhǔn)確及時(shí)的了解，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的智能化監(jiān)控。為電機(jī)提供完善的保護(hù)，熱過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、斷相、相不平衡、欠載、漏電短路等故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，最大限度的保證設(shè)備運(yùn)行的有效性和安全性。圖3-1為電機(jī)保護(hù)器原理結(jié)構(gòu)框圖。圖3-1電機(jī)保護(hù)器原理結(jié)構(gòu)框圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)互感器對(duì)三相電壓數(shù)據(jù)和三相電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的眾多數(shù)據(jù)首先送入到模擬多路開關(guān)中，分別把數(shù)據(jù)一一送出。送出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可讀的信號(hào)，然后送入到單片機(jī)中。三相電壓采集單元電壓采集模塊由兩部分組成。前半部分為截止頻率為100Hz的4階伯特瓦茲低通濾波器，后半部分為電壓信號(hào)采集保持電流與放大電路。器件選擇LM324系列器件為是帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖3-2所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3-3。圖3-2LM324運(yùn)放引腳圖圖3-3LM324引腳圖伯特瓦茲低通濾波器伯特瓦茲低通濾波器的特點(diǎn)：l、伯特瓦茲低通濾波器在通頻帶內(nèi)具有最大的平坦度，階數(shù)越高，平坦度越好。在截止頻率處，所有的伯特瓦茲低通濾波器都有-3dB的增益衰減。2、伯特瓦茲低通濾波器的階數(shù)越高，在通頻帶內(nèi)愈平坦，且對(duì)高頻噪聲的抑制能力也越強(qiáng)。圖3-4為截止頻率為100Hz的4階伯特瓦茲低通濾波器。圖3-4伯特瓦茲低通濾波電路濾波器輸入輸出關(guān)系為：（3-1）是放大倍數(shù)，為伯特瓦茲多項(xiàng)式。伯特瓦茲低通濾波器的設(shè)計(jì)中，要求伯特瓦茲多項(xiàng)式的幅值滿足下式：（3-2）n為濾波器階數(shù)，為截止頻率，為信號(hào)頻率。令截止頻率，得到歸一化的伯特瓦茲多項(xiàng)式。表3-1歸一化的伯特瓦茲多項(xiàng)式n多項(xiàng)式的因子12345678濾波器為4階，n=4，查表后，對(duì)第一級(jí)濾波器，得到其放大倍數(shù)為：（3-3）第二級(jí)濾波器，放大倍數(shù)為：（3-4）因此可得：，對(duì)于放大倍數(shù)，有下式成立：（3-5）(3-6）取：?？傻茫海?。為滿足頻率要求，根據(jù)下式進(jìn)行求解：（3-7）由于電容分檔較粗，首先進(jìn)行電容選擇，?。?，則可以得到:。實(shí)際使用時(shí)，取:。即R=R3=R4=R5=R6。3.2.1.3電壓采樣保持放大電路圖3-5為采樣保持電路。圖3-6為信號(hào)放大電路。因?yàn)橛苫ジ衅鞑杉降哪M信號(hào)無(wú)法直接輸送到單片機(jī)中，要經(jīng)過(guò)首先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸送到單片機(jī)中，這個(gè)過(guò)程中是需要一定的時(shí)間，為了保持采集到的信號(hào)保持不變，所以需要由LM324的一組運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)采樣保持電路，來(lái)確保在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中信號(hào)保持不變。圖3-5采樣保持電路現(xiàn)在大多數(shù)所用到的電壓互感器采集到的信號(hào)可能會(huì)很小，8951單片機(jī)無(wú)法讀取。以眾磊PT01-3型互感器為例，其輸出電壓（0-1000V低電壓）為0.4V，這就需要把采集到的信號(hào)進(jìn)行放大，由LM324兩組運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)25倍放大電路，把信號(hào)放大后送到單片機(jī)中。三相電壓采集的電路是完全一樣，這里只畫出其中一相。圖3-6放大電路3.2.2電流采集模塊圖3-7為OP07與兩個(gè)二極管組成的電流與電壓轉(zhuǎn)換的電路，把采集到的三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。信號(hào)由圖3-9的有源二階濾波器過(guò)濾去雜波。電壓信號(hào)由圖3-10的差分放大電路放大后，送入模擬多路開關(guān)中，最后由A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中。圖3-7電壓轉(zhuǎn)換電路圖3-8二階有源濾波電路在信號(hào)傳輸當(dāng)中，一般都含有其他不同種類的波，這些雜質(zhì)波往往會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的精確性，所以信號(hào)采集系統(tǒng)在電路中連濾波電路來(lái)消除那些雜質(zhì)波，使信號(hào)波更加純正精確。本設(shè)計(jì)中采用的是有源二階濾波電路。圖3-8所示為濾波電路圖。此采集電路經(jīng)由LM324運(yùn)放接口芯片組成的差分輸入電路，采樣保持電路后接入模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電流的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用差分輸入電路也有很大好處：1.A1和A2提高了差模信號(hào)和共模信號(hào)之比，提高了信噪比。2.在保證有關(guān)電阻嚴(yán)格對(duì)稱的條件下，各電阻的阻值誤差對(duì)該電路共模抑制比沒有影響。3.電路對(duì)共模信號(hào)幾乎沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。從圖中可知，A1和A2兩個(gè)同相運(yùn)放構(gòu)成輸入級(jí)，與差分放大器A3串連成三運(yùn)放差分放大電路。圖3-9差分放大電路因?yàn)?，，根?jù)歐姆定律可導(dǎo)出兩級(jí)差?？傇鲆妫骸?-8）第一級(jí)增益放大了10倍，第二級(jí)增益1倍。3.2.3模擬多路轉(zhuǎn)換器本設(shè)計(jì)所采用的模擬多路快關(guān)的型號(hào)為CD4051，圖3-10為其引腳圖。圖3-10CD4051引腳圖三相電機(jī)保護(hù)器所采集的數(shù)據(jù)較多，無(wú)法同時(shí)輸送到單片機(jī)中。這就學(xué)要一個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器，把采集到的數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)的通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路送到單片機(jī)中。CD4051引腳號(hào)符號(hào)與功能：輸入/輸出端：S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；地址端：A、B、C；公共輸出/輸入端：S；禁止端：；模擬信號(hào)接地端：VEE；數(shù)字信號(hào)接地端：GND。電源：（VCC）CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)控制輸入端A、B、C和輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)。例如，若VCC＝+5V，GND＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5～4.5V的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)輸入端＝“1”時(shí)，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號(hào)選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。表3-2CD4051真值表CBA輸出0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71XXX均不接通3.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-11所示，圖中74LS00為與非門，74LS373用于低8位地址鎖存器，74LS14是反向輸出施密特觸發(fā)器，ADC574為A/D轉(zhuǎn)換芯片。圖3-11A/D轉(zhuǎn)換電路器件選擇74LS00為與非門。74LS373用于低8位地址鎖存器，輸出端Q0～Q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，Q0～Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。圖3-12為74LS373引腳圖。引腳號(hào)符號(hào)與功能：數(shù)據(jù)輸入端：D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7三態(tài)允許控制端：OE（低電平有效）鎖存允許端：LE；輸出：Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7；電源：VCC；接地：GND。圖3-1274LS373引腳圖74LS14是反向輸出施密特觸發(fā)器。AD574的狀態(tài)輸出“STAT”經(jīng)74LS14在接到8951的P3.0引腳，提高了抗干擾能力。當(dāng)正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，STAT=1，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換以結(jié)束時(shí)，則STAT變?yōu)榈碗娖健?951采用查詢方式。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后便查詢P3.0，若P3.0為低電平，表示已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢，否則繼續(xù)等待。AD574A是一種高性能的12位逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有輸出三態(tài)緩沖器，供電電源有+5V，+12V，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，線性誤差為±0.5LSB，內(nèi)部有時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝。圖3-13為AD574A引腳圖圖3-13AD574引腳圖在CE=1、=0同時(shí)滿足時(shí)，AD574A才會(huì)正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)=0時(shí)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)=1是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出。和A0端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0=0時(shí)，啟動(dòng)的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進(jìn)行的。當(dāng)A0=1時(shí)，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行。當(dāng)=1，也即當(dāng)AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，A0和控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當(dāng)=1時(shí)，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當(dāng)=0時(shí)，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當(dāng)A0=0時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時(shí)輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個(gè)字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。表3-2AD574A控制端意義CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止X1XXX禁止100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換100X1啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換101+5VX12位并行輸出有效1010V0高8位并行輸出有效1010V1低4位并行輸出有效3.3單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的選擇89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。它即有傳統(tǒng)微控制單元的功能，同時(shí)它又集成了許多外圍模塊。與傳統(tǒng)的微控制單元相比，它采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，使取指和執(zhí)行完全分開，提高了運(yùn)行速度；并且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都是非易失性的，可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。89C51內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)中斷，內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路。89C51單片機(jī)引腳號(hào)符號(hào)與功能：（1）電源引腳：電源端；Vcc；接地端：GND（Vss）（2）輸入/輸出引腳：P0.0～P0.7（P0口）：P0口是一個(gè)8位雙向I/O，作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線使用。P1.0～P1.7（P1口）：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P2.0～P2.7（P2口）：P2口是內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流。P3.0～P3.7（P3口）：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。P3口也可作為一些特殊功能口，如下所示：P3.1TXD（串行輸出口）；P3.2/INT0（外部中斷0）；P3.3/INT1（外部中斷1）；P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）；P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）；P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）；P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）；P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。圖3-1489C51引腳圖（3）控制引腳:復(fù)位/備用電源引腳。：地址鎖存允許信號(hào)輸出/編程脈沖輸入引腳。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)引腳。：外部程序存儲(chǔ)器允許輸入/編程電源輸入引腳。（4）時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2：兩個(gè)時(shí)鐘引腳。分別接片內(nèi)反相放大器的輸入端、輸出端。構(gòu)成片內(nèi)振蕩器時(shí)，分別接外部晶振的兩個(gè)引腳。3.3.2晶振電路DS1302的引腳排列,其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V時(shí)，VCC2給DS1302供電。當(dāng)VCC2小于VCC1時(shí)，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。是復(fù)位/片選線，通過(guò)把輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。輸入有兩種功能：首先，接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過(guò)程中置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在VCC>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說(shuō)明。SCLK為時(shí)鐘輸入端。圖3-15為系統(tǒng)晶振電路。圖3-15晶振電路3.3.3復(fù)位電路一個(gè)可靠的復(fù)位電路對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是必不可少的。8951單片機(jī)為高電平復(fù)位，一般來(lái)說(shuō)有兩種復(fù)位電路設(shè)計(jì)方法：專用芯片和RC電路法。本設(shè)計(jì)中采用MAX708作為復(fù)位芯片，具備上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種功能，電路如圖3-16所示。MAX708是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)。復(fù)位信號(hào)可由VCC電壓、手動(dòng)復(fù)位輸入、或由獨(dú)立的比較器觸發(fā)。獨(dú)立的比較器可用于監(jiān)視第二個(gè)電源信號(hào)、為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能、這一功能是為器件發(fā)出復(fù)位信號(hào)前的正常關(guān)機(jī)、向操作者發(fā)送警報(bào)、或電源切換而考慮的。圖3-16復(fù)位電路3.4監(jiān)測(cè)模塊3.4.1通信電路圖3-17為單片機(jī)與上位機(jī)的通信接口電路。本裝置利用單片機(jī)本身所提供的簡(jiǎn)單串行接口，加上總線驅(qū)動(dòng)器SN75176組合成簡(jiǎn)單的RS－485通訊網(wǎng)絡(luò)。SN75176芯片有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器，非常適合作為RS－485總線驅(qū)動(dòng)芯片，而RS－485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，所以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中一般都采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3-17通信電路3.4.2LCD顯示電路圖3-18LCD顯示電路顯示電路的作用是把采集到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)及時(shí)的顯示出來(lái)，方便工作人員對(duì)電機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了解。圖3-18為L(zhǎng)CD顯示電路。圖中74HC573為八進(jìn)制三態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，74LS08為二輸入端四與門。LCD1602是具有串／并行接口、內(nèi)部含有中文字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。LCD1602的液晶顯示屏為128×32點(diǎn)陣，可顯示2行，每行8個(gè)漢字；同時(shí)，為了便于英文和其它常用字符的顯示，具有16KB半寬字型ROM(HCGROM)，提供128個(gè)16×8點(diǎn)陣的字母符號(hào)字型。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地；第2腳：VDD接5V電源正極；第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器；第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作；第6腳：E端為使能端；第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。3.5電源電路89C51是工作電壓為5V，而LM324的工作電壓為3V～32V。所以一個(gè)5V的供電電源即能滿足系統(tǒng)的需要。圖3-19電源電路3.6輸入與輸出電路3.6.1鍵盤電路本設(shè)計(jì)采用矩陣式鍵盤，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交上。與獨(dú)立式按鍵鍵盤相比，矩陣式鍵盤節(jié)省了很多輸入/輸出口。它的工作原理是：按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉接到+5V上。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線位于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電態(tài)將由與此行線相連的列顯電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電高，則行線電平亦為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩盤中行、列行為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，要設(shè)置4個(gè)按鍵，分別為“確認(rèn)”鍵、“返回”鍵、“上翻”鍵、“下翻”鍵。圖3-20為鍵盤電路。圖3-20鍵盤電路3.6.2繼電控制當(dāng)系統(tǒng)判斷出故障類型后，會(huì)發(fā)出故障信號(hào)，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有排除故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳閘。這部分不屬于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而是屬于系統(tǒng)與電機(jī)保護(hù)裝置的外接部分。圖3-21為繼電控制電路。89C51的P3.5引腳控制繼電器兒，從而控制電機(jī)主回路接觸器K1。此驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)三極管Q1基極和發(fā)射極之間接電阻R=10K，在沒有正向偏置電壓的情況下，保證基極的電壓為零，防止三極管的受外部的干擾而誤導(dǎo)通，提高了繼電器動(dòng)作的可靠性。(2)繼電器串聯(lián)RC電路。當(dāng)電路閉合時(shí)，繼電器線圈由于自感現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)阻礙線圈中電流的增大，從而導(dǎo)致吸合時(shí)間延長(zhǎng)，而電容C兩端電壓不能突變可視為短路，這樣就將比繼電器線圈額定工作電壓高的電源電壓加到線圈上，從而加快了線圈中電流增大的速度，使繼電器迅速吸合。圖3-21保護(hù)器電路本章小結(jié)本章主要敘述了三相智能電機(jī)保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)三相電流、電壓監(jiān)測(cè)，對(duì)電機(jī)的信息準(zhǔn)確及時(shí)的了解，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的智能化監(jiān)控。為電機(jī)提供完善的保護(hù)，熱過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、斷相、相不平衡、欠載、漏電短路等故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，最大限度的保證設(shè)備運(yùn)行的有效性和安全性。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的總體程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)主程序和各功能應(yīng)用子程序組成，相對(duì)獨(dú)立的功能程序段均作為子程序來(lái)調(diào)用。目前通常的保護(hù)程序流程的設(shè)計(jì)是采用集中控制處理的模式，即故障啟動(dòng)后，通過(guò)改變中斷和指針，強(qiáng)行執(zhí)行故障處理程序的模式。模塊化編程設(shè)計(jì)思想指的是按照功能、系統(tǒng)狀態(tài)等條件對(duì)保護(hù)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。各保護(hù)模塊子程序的執(zhí)行采用由主程序調(diào)用的方式，提高了程序運(yùn)行的可靠性。并且這種多任務(wù)模塊結(jié)構(gòu)有利于程序的調(diào)試、維護(hù)、修改和升級(jí)。例如要增加某一項(xiàng)保護(hù)功能，僅需要在故障處理程序中并上一個(gè)功能模塊子程序即可。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：（1）各模塊間應(yīng)保持相對(duì)的獨(dú)立和封閉。模塊內(nèi)部所用的特有變量不能由模塊外部的其它程序?qū)ζ溥M(jìn)行操作。（2）每個(gè)模塊自有獨(dú)立的輸入和輸出，各模塊之間沒有交叉互聯(lián)，信息傳遞盡量通過(guò)全局變量或各模塊的返回值來(lái)完成。所有的模塊只有一個(gè)入口和出口，即：不允許模塊外程序直接跳轉(zhuǎn)到本模塊程序中的非入口部分，也不允許模塊中間直接跳至其它模塊，而是統(tǒng)一走向本模塊的出口。（3）每個(gè)大模塊可以根據(jù)對(duì)象作用的時(shí)間、功能、作用條件、工作原理等，將該模塊分成多個(gè)最基本的單元模塊。4.1總流程圖保護(hù)器程序的總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。上電復(fù)位后，從程序入口執(zhí)行，首先是封閉出口，防止保護(hù)誤操作，然后執(zhí)行初始化程序。保護(hù)器初始化包括：89C51單片機(jī)芯片I／O控制寄存器的設(shè)置、多功能引腳定義、串口通信設(shè)置、堆棧地址設(shè)置、工作方式設(shè)置等，還有液晶屏、鍵盤、通信等的初始化，以及保護(hù)裝置自身的一些系統(tǒng)變量的初始化。當(dāng)完成初始化后電機(jī)保護(hù)器就可以進(jìn)入工作階段，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后用于電機(jī)故障監(jiān)測(cè)。電機(jī)正常運(yùn)行期間，用戶可在保護(hù)器液晶屏觀看各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也能在中央控制室中看到電機(jī)的實(shí)時(shí)信息，包括檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和計(jì)算出的數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)鍵盤對(duì)保護(hù)器的參數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行修改。一旦電機(jī)出現(xiàn)故障，則保護(hù)器迅速關(guān)停電機(jī)，并根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)參照故障參數(shù)，判斷出故障原因，在液晶屏上顯示出來(lái)。保護(hù)器和還可以上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或命令等的傳輸。圖4-1保護(hù)器程序的總體結(jié)構(gòu)首先要初始化程序主要執(zhí)行單片機(jī)和外設(shè)的初始化，其流程如圖4-2所示：（1）上電復(fù)位后，先執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)的初始化；（2）初始化液晶顯示器，顯示系統(tǒng)當(dāng)前基本信息；（3）對(duì)采樣定時(shí)器進(jìn)行初始化，設(shè)定采樣頻率為，即使電流電壓為每周采樣；（4）比較數(shù)據(jù)初始化，即開始采樣。圖4-2初始化流程圖初始化完成后，就要對(duì)電機(jī)故障參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。電機(jī)每種故障都是分析電機(jī)的電流值和電壓值來(lái)進(jìn)行判斷，并且每種故障判斷依據(jù)都不相同，這樣一來(lái)就能準(zhǔn)確的判斷出電機(jī)產(chǎn)生那個(gè)的故障時(shí)何種故障，能夠及時(shí)的進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)報(bào)警電路，而是在判斷出電機(jī)產(chǎn)生的故障后，直接送入到中央控制室的上位機(jī)中，由中央控制室派分派子控制室去處理電機(jī)產(chǎn)生的故障。每種電機(jī)的故障設(shè)定的延時(shí)時(shí)間都不一樣，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)電機(jī)沒有恢復(fù)到正常的工作的電壓值和電流值，保護(hù)器判定電機(jī)強(qiáng)制停車。初始化故障判斷設(shè)定值和延時(shí)時(shí)間流程圖如圖4-3所示。圖4-3初始化故障判斷設(shè)定值和延時(shí)時(shí)間流程圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理就是監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電壓和電流參數(shù)，獲得電機(jī)的工作情況。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，了解此時(shí)三相電機(jī)運(yùn)行狀況。在初始化結(jié)束后，便對(duì)電機(jī)的三相電壓和電流進(jìn)行采樣，把采樣的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中。由單片機(jī)分析采樣的電流電壓數(shù)據(jù)，并開始與錄入的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷。監(jiān)控保護(hù)程序模塊的功能是以軟件為基礎(chǔ)，完成各種保護(hù)算法及方案，對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。由于電機(jī)保護(hù)器對(duì)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大作用，它要時(shí)刻處于工作狀態(tài)，一方面不能在該動(dòng)的時(shí)候拒動(dòng)，另一方面又不能在不該動(dòng)的時(shí)候誤動(dòng)，所以電機(jī)保護(hù)器軟件的可靠性是對(duì)其軟件開發(fā)的最主要的要求。軟件可靠性內(nèi)容包括：保護(hù)原理的正確性；邏輯結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性；計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性。4.2故障判斷流程圖起動(dòng)超時(shí)判斷電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流較大，若電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒有成功啟動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱損，所以必須對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。啟動(dòng)超時(shí)是根據(jù)規(guī)定的啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束后線電流和設(shè)定值的比較來(lái)判斷。啟動(dòng)超時(shí)監(jiān)控程序流程如圖4-4所示。在設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)，電流沒有降到額定電流的110%，則認(rèn)為起動(dòng)超時(shí)，保護(hù)器在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)發(fā)出停車指令。圖4-4為超時(shí)起動(dòng)保護(hù)流程圖。圖4-4超時(shí)起動(dòng)保護(hù)流程圖過(guò)載保護(hù)判斷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過(guò)大所引起過(guò)熱現(xiàn)象的一種非正常狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做過(guò)載。過(guò)載電流一般比額定電流大1—6倍。因?yàn)榘l(fā)生過(guò)載故障時(shí)電機(jī)電流比額定電流略高，所以其程度不會(huì)立即對(duì)電機(jī)在成傷害，當(dāng)電機(jī)的工作電流超過(guò)額定電流值，保護(hù)器啟動(dòng)反時(shí)限保護(hù)。圖4-5為過(guò)載保護(hù)保護(hù)流程圖。圖4-5過(guò)載保護(hù)保護(hù)流程圖（3）斷相保護(hù)判斷斷相故障時(shí)一種嚴(yán)重的不對(duì)稱性故障，是不平衡電壓的極端情況。當(dāng)任意一相斷電或任意一相的電壓低于斷相保護(hù)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器在動(dòng)作延時(shí)設(shè)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作。圖4-6為斷相保護(hù)流程圖。圖4-6斷相保護(hù)流程圖（4）欠壓保護(hù)判斷當(dāng)電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長(zhǎng)時(shí)間低于額定電壓85％時(shí)，稱為欠電壓。若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。圖4-7為欠壓保護(hù)流程圖圖4-7欠壓保護(hù)流程圖（5）過(guò)電壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因超過(guò)額定電壓15％時(shí),稱為系統(tǒng)過(guò)電壓。過(guò)電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然有時(shí)也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負(fù)載星形連接且無(wú)中性線的電動(dòng)機(jī)定子繞組一相短路，則會(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)