[信息與通信]本科畢業(yè)設(shè)計-異步電機保護器硬件設(shè)計

1、0 論文題目：異步電機保護器硬件設(shè)計論文題目：異步電機保護器硬件設(shè)計 專專 業(yè)：自業(yè)：自 動動 化化 本本 科科 生：生：* 簽名：簽名：_ 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：* 簽名：簽名：_ 摘 要 本文以單片機 c8051f020 及其外圍器件作為硬件平臺，對電動機微機保護進行了 研究，開發(fā)了主要針對大中型電動機的智能電動機保護器，具有過流保護、零序電流 保護、負(fù)序電流保護、啟動時間過長保護、欠電壓保護、過電壓保護等功能。 在研制電動機保護器的過程中，對電動機的各種故障進行了全面的論述。并根據(jù) 需要確定了保護方案，論述了保護原理。 在硬件電路設(shè)計上，給出了以單片機c8051f020及其簡單的外圍電路為

2、主體配置的 電動機保護器系統(tǒng)。該電路硬件電路大為簡化，除了實現(xiàn)了各種保護功能外，還可顯 示電動機運行時的電壓、電流，同時設(shè)置了系統(tǒng)與上位機的連接,為系統(tǒng)功能的擴展創(chuàng) 造了條件。作為一種智能化的解決方案，該系統(tǒng)具有可實現(xiàn)功能多，經(jīng)濟成本低，高 的可靠性和穩(wěn)定性等特點。 關(guān)鍵詞：電動機，保護，c8051f020單片機 1 subject ：the hardware design of the protection for asynchronous motor specialty ：automation name ：* signature： _ instructor：* signature： _ a

3、bstract in this paper ,an in-depth research for protection for motors is engaged in that is based on the platform that is mainly made up of the c8051f020 single-chip microcomputer. the intelligent protection device for large-scale and middle-scale motors .it has many functions such as the protection

4、 for such as over-load, over-voltage, low-voltage, the short of phase and the losing balance of phases, the leakage of electricity, the short circuit, the blocked rotor and the overtime starting. the principles of the various generator failures are detailed particularly. generator protection scenari

5、o is fixed with requirements, and then it also deliberately states principles of the generator protection scenario. the hardware platform is designed in term of the protective function. the system is based on the platform of c8051f020 single-chip microcomputer and other few peripheral control circui

6、t. the design not only achieves the full functionality on generator protection, but also can display the transient voltage, current when the generator is running. meanwhile, it is also built and configured the serial link between computer and the system which provide the great opportunity to make fu

7、ture expand. the system can achieve a more functional, economic low- cost, high reliability and stability as an intelligent solution. key words： motor, protection, c8051f020 single-chip computer 0 目 錄 1 1 緒緒 論論 .1 1 1.1 課題提出的依據(jù)和意義.1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和動向.1 1.3 本課題的主要任務(wù)和內(nèi)容.2 1.3.1 本課題的主要任務(wù) .2 1.3.2 本課題的主要內(nèi)

8、容 .3 2 2 異步電動機的保護原理及算法異步電動機的保護原理及算法.4 4 2.1 電動機故障分析 .4 2.1.1 電動機故障基本原理(工作原理分析) .5 2.1.2 電動機的啟動故障 .7 2.1.3 電動機的堵轉(zhuǎn)故障 .8 2.1.4 過載故障 .8 2.1.5 三相不平衡及其危害 .8 2.1.6 缺相及相不平衡故障分析 .9 2.1.7 故障綜合判定 .10 2.2 保護原理分析 .11 2.2.1 保護功能設(shè)置 .11 2.2.2 電流速斷保護原理及其整定值 .12 2.2.3 定時限堵轉(zhuǎn)電流保護 .13 2.2.4 熱過載反時限過電流保護 .13 2.2.5 速斷、堵轉(zhuǎn)、過

9、載保護之間的配合.13 2.2.6 零序電流保護 .14 2.2.7 負(fù)序電流保護.14 2.2.8 啟動時間過長保護 .15 2.2.9 欠壓、過壓保護 .16 2.3 本章小結(jié).16 3 3 硬件設(shè)計硬件設(shè)計.1717 3.1 裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計.17 3.2 單片機系統(tǒng)設(shè)計.18 3.3 模擬信號采集.21 3.3.1 電壓信號采集 .21 3.3.2 電流信號采樣 .23 3.4 開關(guān)量輸出.25 3.5 人機接口.25 3.5.1 顯示電路設(shè)計 .25 1 3.5.2 鍵盤電路 .26 3.6 電源部分.26 3.7 通訊.27 3.8 硬件抗干擾.27 3.9 本章小結(jié).28 4

10、 4 實驗結(jié)果實驗結(jié)果 .2929 4.1 電流檢測回路 .29 4.2 電壓檢測回路.29 5 5 結(jié)結(jié) 論論 .3131 致致 謝謝 .3232 參考文獻參考文獻 .3333 論文小結(jié)論文小結(jié) .3535 附錄一單片機最小系統(tǒng)附錄一單片機最小系統(tǒng) .3636 附錄二單片機附錄二單片機 mcs-51f020pcbmcs-51f020pcb 布線布線 .3737 附錄三附錄三 主回路電路圖主回路電路圖 .3838 附錄四附錄四 外圍電路圖外圍電路圖 .3939 0 1 1 緒緒 論論 1.1 課題提出的依據(jù)和意義 隨著社會經(jīng)濟的日益發(fā)展，自動化水平的提高，電能的應(yīng)用和發(fā)展越來越具有重 要的位置

11、。作為電能轉(zhuǎn)化為機械能的重要工具，電動機在人們?nèi)粘Ｉ钪幸苍絹碓街?要。三相交流電動機正朝著功率與體積之比越來越大的方向發(fā)展，一些外形尺寸小、 效率高、功率大的電動機陸續(xù)出現(xiàn)。為了安全可靠地運行這些電機，對電動機的保護 系統(tǒng)提出了越來越高的要求。電動機保護系統(tǒng)必須正確無誤地保護電動機，使電動機 在允許的熱極限負(fù)載范圍內(nèi)工作，減少電動機損壞事故的發(fā)生。電動機和供電線路的 短路必須能迅速檢測出來，使得短路影響減小到最小。對于頻繁起動的電動機，要能 準(zhǔn)確地模擬其發(fā)熱和散熱過程。在一些大型的自動控制系統(tǒng)中，還要求對電動機組進 行集中控制和狀態(tài)監(jiān)控。為了滿足這些要求，本設(shè)計將開發(fā)一種新型的采用微處理器

12、技術(shù)的電動機綜合保護與監(jiān)控裝置。 本設(shè)計所開發(fā)的電動機綜合保護與監(jiān)控裝置，可實現(xiàn)對電動機的保護與監(jiān)控的自 動化，是電動機保護系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。由于采用了微處理技術(shù)，保護參數(shù)可由用戶根 據(jù)電動機型號和環(huán)境條件設(shè)定，而且還可以提供數(shù)字電路接口，為大系統(tǒng)的智能控制 提供了條件。它的制成可對電動機進行準(zhǔn)確保護和監(jiān)控，即可使電動機的過載能力得 到充分的利用，還可減少電動機燒毀事故的發(fā)生，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和動向 電動機保護系統(tǒng)大致可劃分為三代。 第一代是電磁式繼電保護系統(tǒng)，第二代是電子式電動機綜合保護裝置，第三代是 以微處理器為核心元件的綜合保護系統(tǒng)。 第一代的電磁

13、式繼電保護系統(tǒng)存在著很大的弊病。它的每一種功能都需要相應(yīng)的 繼電器來實現(xiàn)。在正常情況下，熱繼電器每年需要校正一兩次，給用戶帶來不便。由 于熱繼電器是由雙金屬片構(gòu)成其敏感元件，它是靠雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的力一發(fā)出 動作，在動作值附近不能可靠分?jǐn)?。熱繼電器通過了大的短路電流或經(jīng)受機械碰撞后， 雙金屬片易產(chǎn)生永久性變形。而且，熱繼電器的時間常數(shù)比電動機小得多，對電動機 1 上一次的過載歷史沒有記憶，對于頻繁過載、特別是頻繁起動的電動機，不能可靠地 保護。熱繼電器的動作特性還受環(huán)境溫度的影響?，F(xiàn)在，老型號的熱繼電器己屬淘汰 型產(chǎn)品。新型的熱繼電器功能也在完善之中。 第二代的電子式電動機綜合保護系統(tǒng)對第

14、一代的電磁式繼電保護系統(tǒng)有了很大的 改進。它利用電阻電容的充放電來模擬電動機的發(fā)熱與散熱，對電動機的過載歷史能 有一定的記錄，其動作時間也可以通過調(diào)節(jié)電阻電容的大小來調(diào)節(jié)，大天提高了對電 動機的保護性能。但是，電子式電動機綜合保護器的動作時間調(diào)節(jié)范圍有限，精度也 受電阻電容參數(shù)的影響，且沒有監(jiān)控、顯示等功能。因而只能用于一些要求不高的場 合。 把微處理器技術(shù)引入電動機保護系統(tǒng)，大大地提高了對電動機的保護特性，實現(xiàn) 了對信息的采集、處理、顯示全部自動化，性能穩(wěn)定可靠，顯示直觀準(zhǔn)確，各項保護 參數(shù)可根據(jù)電動機性能由用戶設(shè)定，動作前可預(yù)警顯示，動作后可顯示故障原因，實 現(xiàn)了對電動機的可靠保護和監(jiān)控。

15、這是電動機保護系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 我國的此類產(chǎn)品還很少，且功能欠缺，本設(shè)計研究的智能型電動機綜合保護器將 彌補以上產(chǎn)品的不足，開發(fā)出功能齊全，性能可靠，操作方便，價格合理的產(chǎn)品。 1.3 本課題的主要任務(wù)和內(nèi)容 1.3.1 本課題的主要任務(wù) 本課題的主要任務(wù)是實現(xiàn)對電動機的綜合保護和狀態(tài)監(jiān)控。對電動機的綜合保護 包括以下幾項功能：過載保護、過壓和欠壓保護、漏電保護、堵轉(zhuǎn)和起動超時保護、 短路保護、缺相及相不平衡保護。 電動機的過載保護是通過設(shè)置電動機的熱時間常數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型模擬電動 機的發(fā)熱和散熱過程來實現(xiàn)的。過壓和欠壓保護是用一位撥碼開關(guān)來設(shè)置其動作值， 當(dāng)電網(wǎng)電壓超出其動作值規(guī)定的范圍

16、并持續(xù)一定時間后，過壓和欠壓保護動作。漏電 保護是按照漏電電流與漏電保護動作時間的反時限關(guān)系設(shè)計的。堵轉(zhuǎn)和起動超時保護 是通過撥碼開關(guān)設(shè)置起動電流和起動時間來實現(xiàn)的。而短路保護是電動機線電流達到 短路保護動作值后采取瞬時動作來完成的。缺相及相不平衡保護是當(dāng)電動機缺相或線 電流不平衡度超過設(shè)定值并達到一定時間后切除電動機來實現(xiàn)的。 對電動機的狀態(tài)監(jiān)控主要實現(xiàn)以下功能： 2 (1)電流顯示，顯示電動機當(dāng)前線電流有效值； (2)電壓顯示，顯示電動機當(dāng)前的相電壓有效值。 對電動機的狀態(tài)監(jiān)控的選擇是通過一個中斷按鈕來實現(xiàn)的。本裝置在起動運行時 顯示的是電動機的線電流有效值，按一次中斷按鈕就顯示當(dāng)前電網(wǎng)電

17、壓有效值，再按 一次顯示電動機繞組運行時溫升的最高值，再按一次就又顯示電動機的線電流有效值。 這樣，用戶就可隨意監(jiān)控電動機的運行狀態(tài)了。 1.3.2 本課題的主要內(nèi)容 1.3.2.1 設(shè)計硬件電路和繪制電路原理圖 在此階段主要根據(jù)所要完成的功能，設(shè)計硬件電路，選擇所需元件，繪制電路圖。 硬件主要由以下幾個模塊組成： 三相電流輸入 漏電輸入 電壓輸入 濾波調(diào)理 顯示模塊 通訊模塊 故障記錄 i/o 控制 按鍵模塊 cpu c8051f020 圖 1-1 電動機保護硬件框圖 1.3.2.2 硬件線路的搭接調(diào)試 根據(jù)電路原理圖在面包板上搭接相應(yīng)線路，用單片機開發(fā)系統(tǒng)對其進行調(diào)試，并對 線路進行修改和

18、完善。 根據(jù)所實現(xiàn)的功能編制相應(yīng)的軟件，并對其進行調(diào)試，在調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)硬件電 路與軟件沖突，可以考慮對硬件進行修改。 1.3.2.3 繪制電路板并調(diào)試 根據(jù)調(diào)試通過的電路原理圖搭建電路板。然后在電路板上調(diào)試軟件。 3 1.3.2.4 程序固化和調(diào)試 把在開發(fā)機上調(diào)試通過的程序固化到、eprom 中，脫離開發(fā)系統(tǒng)進行調(diào)試。 4 2 異步電動機的保護原理及算法 異步電動機廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和其它國民經(jīng)濟各部門，作為拖動機床、水泵、起 重機、卷揚機、輕工業(yè)和農(nóng)副業(yè)加工設(shè)備以及其它一般機械的動力。它是各種電動機 中應(yīng)用最廣，需求量最大的一種電機，因而做好異步電機的保護工作具有重要意義。 2.1 電動

19、機故障分析 要做好異步電動機的保護，首先要分析保護對象會遇到的各種故障，分析其故障 特征，才能提出切實可行的保護方案。對于異步電動機來說，其故障形式主要分為繞 組損壞和軸承損壞兩方面。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機不能順利啟動，或者短時間內(nèi)重復(fù)啟動，使得電 動機因長時間的大啟動電流而過熱。 (2) 長期受電、熱、機械或化學(xué)作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟?路。 (3) 因機械故障造成電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。 (4) 三相電源電壓不平衡或波動太大，或者電動機斷相運行。 (5) 冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高。 造成電動機軸承損壞的原因主要有：機械負(fù)荷太大、潤滑劑不

20、合適，或者惡劣的 工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。由于電動機的微機保護主要是 通過測量電量(電流、電壓以及開關(guān)狀態(tài)等)來監(jiān)測電動機的運行狀況，因此面對的主要 是繞組故障。引起電動機繞組損壞的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。 對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)和對稱過載等；不對稱故障主要有：斷相、三相不 平衡、單相接地或相間短路。當(dāng)因為各種原因，如機械故障、負(fù)荷過大、電壓過低等， 使電動機的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，由于散熱條件差，電流大，特別容易損壞電機。其 它不出現(xiàn)顯著過流的不對稱故障，如斷相、不平衡運行等，過流保護常常不能及時動 作。對于電動機的各類內(nèi)部繞組故障，如匝間短路

21、、接地短路等，往往是由于運行環(huán) 境差、長期運行不當(dāng)引起的，故障最初并不引起顯著的電流增大，若不及時處理會導(dǎo) 致事故擴大，進而引起電動機機端過熱、轉(zhuǎn)子及啟動力矩降低等一系列問題，嚴(yán)重?fù)p 壞電動機。各種短路故障還會造成供電網(wǎng)絡(luò)電壓的顯著波動，因此對電動機形成過壓 5 欠壓故障。 2.1.1 電動機故障基本原理(工作原理分析) 為了研究異步電動機的起動時的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進而分析異步 電機起動時的電流、起動轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系。就要研究電機的數(shù)學(xué)模采用集中 參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型時首先需作一些假定，根據(jù)電機學(xué)知識，可得： 1)忽略空間和時間諧波 2)忽略磁飽和 3)忽略鐵損 異步電機

22、的穩(wěn)態(tài)等效電路如下圖 2 一 1 所示型，對于電機的軟起動而言，多采 用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。 圖 21 異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路 其中等效電路中元件為定子繞組的電阻，為定子繞組的漏電抗，為歸算到定 1 r 1 x 2 r 子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。為定子鐵心 2 r m r 損耗所對應(yīng)的等效電阻，為勵磁電抗。為定子電壓向量，為定子感應(yīng)電動 m x 1 . u1 . e 勢向量，為定子電流向量，為磁化電流向量?；?t 等效電路的數(shù)學(xué)模型為：1 . imi . (2-1)( . . 2 . 1mmmmm jxriziee (2-2) . . . 2 1 .

23、 m iii 6 (2-3)( 2 2 . 2 2 . jx s r ie (2-4)( 11 1 . 1 . 1 jxrieu 由等效電路可見，異步電機輸入的電功率一部分消耗在定子繞組的電阻而 1 p 成為定子銅耗；另一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗。剩余的通過氣隙 1cu p fe p 傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功率。其中為： em p em p (2-5) s r imiempem 2 2 212 2 21 cos 電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： (2-6) 11 )1 ( )1 ( ememmec em p s psp t 其中，為同步角速度；轉(zhuǎn)子機械角速度；為機械功率。 p fn 11 1 2 6

24、0 2 60 2 n em p 由式（25）和式（26）得： (2-7) s r i mp t em em 2 2 2 1 1 1 根據(jù) t 型等效電路可知： (2-8) 2 21 2 2 1 1 2 )()(xx s r r u i 將式（28）代入式（27） ，同時考慮 ，于是有1 p f1 2 7 (2-9) )()( 2 2 21 2 2 1 2 2 1 1 1 xx s r r s r u f pm tem 剛起動時，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1，此時起動轉(zhuǎn)矩為： (2-10) )()(2 2 21 2 21 2 2 1 1 1 xxrr ru f pm tst 同時根據(jù)上式（21）

25、 、式（22） 、式（23） 、式（24）可得： (2-11) 2 211 11 2 2 . 1 . 1 )1 ( 1 jx s r jxr jxr jxr jxr jx s r ui mm mm 在異步電動機里，因為，故可省去和，則上式（211）可表 11 xr mm xr ，電動機將因承擔(dān) max tzt max t 不了而停轉(zhuǎn)。電動機是用過載倍數(shù)來表示它的過載能力的=/。tttt max tnt 就異步電機而言，堵轉(zhuǎn)就意味著轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率 s=1，即在 t 形等效電路 圖中的附加電阻為 0 的狀態(tài)。在這種情況下 s=1，=0，即電動機電子電流將會 2 1 s r () s 出現(xiàn)一個

26、很大的值，因此同樣會燒壞電機，如果在規(guī)定的時間內(nèi)電流值，我們就認(rèn)為 出現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)故障。 2.1.4 過載故障 過載是指電動機的負(fù)載很大，轉(zhuǎn)子電流加大，使得電動機定子電流很大。過載 9 過大了就形成堵轉(zhuǎn)。其故障原理與堵轉(zhuǎn)相同。 2.1.5 三相不平衡及其危害 在三相供電系統(tǒng)中，如果三相的電壓或電流幅值或有效值不等，或者三相的電壓或 電流相位相差不為 120時，則稱三相電壓或電流不平衡。 不平衡的三相電壓或電流，按對稱分量法，可分解為正序分量、負(fù)序分量、和零 序分量。具體原理如下所述： 在計算電力系統(tǒng)不平衡情況下引用了對稱分量法，即任何三相不平衡的電流、電 壓或阻抗都可以分解成為三個平衡的相量成分即

27、正相序（、） 、負(fù)相序1ua1ub1uc （、）和零相序（、） ，即有：2ua2ub2uc0ua0ub0uc =+，=ua1ua2ua0uaub1ub +，=+，其正相序的相序（順時方向）依次為、2ub0ubuc1uc2uc0uc1ua 、，大小相等，互隔 120 度；負(fù)相序的相序（逆時方向）依次為、1ub1uc2ua 、，大小相等，互隔 120 度；零相序大小相等且同相，各相序都是按逆時針2ub2uc 方向旋轉(zhuǎn)。在對稱分量法中引用算子 a，其定義是單位相量依逆時針方向旋轉(zhuǎn) 120 度， 則有： )aa (3/10 2 ucubuaua )aa(3/11 2uc ubuaua )aa(3/12

28、 2 ucubuaua 注意以上都是以 a 相為基準(zhǔn)，都是矢量計算。知道了實際也知道了和0ua0ub ，同樣知道了也就知道了和，知道了也就知道了和而0uc1ua1ub1uc2ua2ub2uc 負(fù)序電壓有沒有線電壓和相電壓之分由于負(fù)序電壓的存在，就使三相系統(tǒng)中的三相感 應(yīng)電動機(也就是三相異步電動機)在產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的同時，還產(chǎn)生一個相反方向的轉(zhuǎn)矩， 從而降低電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，并使電動機繞組電流增大，溫度升高，縮短了電動機的 實用壽命。 電動機的不對稱故障主要有斷相、逆向、不平衡負(fù)載運行、匝間短路、相間短路、 接地短路等引起的除了嚴(yán)重的短路會造成故障相電流明顯增大外，大多數(shù)的不對稱故 障一般不會出

29、現(xiàn)明顯的過電流。最明顯的特征是電動機中出現(xiàn)負(fù)序分量和零序分量電 流。 10 2.1.6 缺相及相不平衡故障分析 斷相運行是造成電動機燒損的常見事故，當(dāng)電動機負(fù)載不變而發(fā)生斷相時，剩余 兩相繞組的電流將增大，造成電動機過熱而損壞。因此必須對電動機進行斷相及相不 平衡保護。當(dāng)電動機繞組以y形連接時，斷相可能發(fā)生在引線上或者繞組內(nèi)部，電動機 y型連接時所斷相的線電流都為零，此時以線電流為零的原則可以加以保護。 但當(dāng)電動機以a形連接，其斷相也可能發(fā)生在外部引線（a類）或繞組內(nèi)部（b類）， 當(dāng)發(fā)生( a)類斷相時，所斷相的線電流為零，以線電流為零的原則可以保護電動機。 但當(dāng)發(fā)生(b)類斷相時，電動機的線

30、電流都不為零，此時再以線電流為零的原則就不能 保護電動機。在這種情況下，對電動機的斷相保護應(yīng)采用線電流不平衡的原則。 當(dāng)電動機發(fā)生(b)類斷相時， 因此，若把相不平衡保護的動作值 c 33 ab iii 規(guī)定為線電流最大值與最小值的比小于，就能實現(xiàn)這種斷相保護。考慮到電網(wǎng)電壓3 波動引起的線電流不平衡，本裝置以最大線電流不超過最小線電流的1.5倍為動作值， 這樣，無論電動機以何種方式連接，只要發(fā)生斷相，在預(yù)定的時間內(nèi)都會準(zhǔn)確地動作， 而且，對于其它的非斷相的相不平衡故障，也能實施保護。由于本裝置采用了單片機 作為其核心元件，因此，不用附加任何電路即可實現(xiàn)斷相保護。單片機把采樣來的各 相電流值進

31、行比較判斷，就能準(zhǔn)確地發(fā)出動作信號。 2.1.7 故障綜合判定 綜上所述電動機的保護可以分為對稱故障和不對稱故障。 對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、和三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是機械 力和電流增大引起的熱效應(yīng)，使得繞組發(fā)熱甚至燒毀。其主要的特征是三相仍基本對 稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度反應(yīng)在過電流的大小，因此可以以過電流的 判斷來作為此類故障的依據(jù)。下面列表（2-1） （2-2）說明。 表 2-1 對稱故障特征 故障類型零序負(fù)序過電流 過載無無(1.2-5)in 堵轉(zhuǎn)無無(5-7)in 短路無無(7-10)in 表 2-2 不對稱故障特征 11 故障類型零序負(fù)序過電流 斷相無 i

32、c/3i03 逆向無ia無 不平衡運行無有無 相間短路無有(其值取決與位置)有(其值取決與位置) 單相接地 1/3i 有取決與位置 倆相接地 1/3i 有取決與位置 附：單相故障時，以 a 相為故障相； 倆相故障時，設(shè) b、c 相為故障相； i0 表示故障前電流幅值，in 表示額定電流； 由以上表障又可進一步分為非接地和接地故障倆大類。非接地不對稱故障，主要 包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運行等，這類故障由于我國電動機中性點不 接地，故定子電流無零序分量，所以就可以采用檢測負(fù)序分量為判斷依據(jù)。 接地故障包括單相接地短路和倆相接地短路，發(fā)生接地性不對稱故障時，會出現(xiàn) 零序電流分量，這是區(qū)別

33、其它任何形式故障的特征。 2.2 保護原理分析 根據(jù)以上特征分析，電動機發(fā)生對稱故障的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，而發(fā) 生不對稱故障時的主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和零序電流分量。根據(jù)這一結(jié)論，可將電動機 的保護分解為過電流保護、斷相保護、零序電流保護三個部分，由此可覆蓋電動機所 有常見故障類型。 2.2.1 保護功能設(shè)置 根據(jù)以上隊電動機故障得分析特設(shè)置電動機保護如下： a.投入電流速斷保護，用于保護電動機內(nèi)部定子繞組以及進線所發(fā)生的相短路故 障 b.投入零序電流保護，用于隊電動機產(chǎn)生接地故障時得保護 12 c.投入反時限過負(fù)荷保護 d.低電壓保護則根據(jù)第 9.0.5 條中“二、根據(jù)生產(chǎn)過程不允許或不

34、需要自動的電動 機，應(yīng)裝設(shè)低電壓保護。 ”的規(guī)定投入 e.堵轉(zhuǎn)保護用來作為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或者起動時間過長的保護，同時作為電動機流速斷 保護失靈的后備保護 f.負(fù)序過電流保護對電動機的斷相、反相及局部匝間短路等各類非接地性不對稱故 障提供單獨保護。 在這個配置方案中，電流速斷作為相間短路的主保護在電機的運行過程中一直投 入；堵轉(zhuǎn)保護作為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或啟動時間過長的主保護，同時作為電機相間短路的后備 保護；過負(fù)荷保護是電動機定子繞組過流發(fā)熱的主保護，同時又作為相間短路及轉(zhuǎn)子 堵轉(zhuǎn)的后備保護。這樣的配合還是很符合電動機過流的實際情況的，同時輔以低電壓 保護和負(fù)序保護，應(yīng)該說很全面的覆蓋了電動機的應(yīng)有保護范圍，

35、也使得保護器的保 護功能發(fā)揮的較為徹底。 2.2.2 電流速斷保護原理及其整定值 在過電流保護動作時間超過 0.。50.。7 時，應(yīng)裝設(shè)瞬動的電流速斷保護裝置。 2.2.3.1 電流速斷保護的組成及其速斷保護的整定 電流速斷保護是一種瞬時動作的過電流保護。其原理相當(dāng)與定時限過電流保護中 抽去時間繼電器，即在啟動用的電流繼電器后面直接接信號繼電器和中間繼電器，最 后由中間繼電器觸點接通。其工作邏輯原理圖如下： 圖 2-7 電流速斷保護邏輯原理圖 圖中：s3 電流速斷保護軟件投切開關(guān)，1；保護投入，0：保護退出； 13 d3 電流速斷保護動作定值； t3 時間繼電器，0-50000s 可調(diào)。 2.

36、2.3.2 電流速斷整定值計算 動作電流值 在傳統(tǒng)電流速斷保護整定計算時，動作電流值除了要滿足躲過電動機的啟動流的 要求，還需要保證靈敏度大 2，微機保護的特點決定了只要動作電流值于電機的啟動電 流就行了。電動機的最大啟動電流基本上就相當(dāng)于其堵轉(zhuǎn)電流，也就是要求 i，滿足下 式 iop=kst*in 保護裝置中的動作電流值并非實際的電流值，另外還要考慮到接線系數(shù) 及保證足夠的可靠性等，我們的計算公式如下： (2-14)iop ki krelkw 3d 式中，krel 為可靠系數(shù)，對 dl 型電流繼電器，取 1.21.3，kw 為接線系數(shù)(倆相倆 繼電器)取 1，ki 為變流比。 對于動作時限，

37、我們選擇不設(shè)置動作時限。 2.2.3 定時限堵轉(zhuǎn)電流保護 定時限過電流保護也叫做堵轉(zhuǎn)保護，電動機在正常運轉(zhuǎn)中，由于各種原因使轉(zhuǎn)子 處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于堵轉(zhuǎn)則相當(dāng)與轉(zhuǎn)子開路，因此電流很大，容易燒毀電機。因此在 檢測到電動機處于堵轉(zhuǎn)時，應(yīng)及時動作，防止燒毀。電動機在啟動完成后，如果因機 械原因或負(fù)載過重致使轉(zhuǎn)子被卡住，即電動機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障，則正序電流將會增大， 當(dāng)正序電流大于堵轉(zhuǎn)定值時，保護器經(jīng)整定延時后動作。 2.2.4 熱過載反時限過電流保護 所謂的反時限電流保護的保護裝置的動作時限原先是按照 10 倍的動作電流來整定， 而實際的動作時間則與其電流呈反比關(guān)系變化，電流越大，動作時間越短。其保護動

38、 作方程如下： (2-15) 2 2 2 05 . 1 t in i s 式中：in 為電動機額定電流 s 為電動機發(fā)熱時間常數(shù)，表示電動機的過載能力 14 過載保護一般都采用反時限來計算保護時間，當(dāng)電動機運行在電流超過整定值時，過 載保護投入，開始利用反時限公式計算時間，一旦故障時間超過了計算時間 t 之后， 則動作與出口，實現(xiàn)對電動機的保護。 2.2.5 速斷、堵轉(zhuǎn)、過載保護之間的配合 速斷保護、堵轉(zhuǎn)保護和過載保護需要相互配合，以使保護裝置的工作更符合電動 機運行過程中的實際電流特性。三者之間的配合關(guān)系如下： 圖 2-8 速斷、堵轉(zhuǎn)、過載保護之間的配合關(guān)系 2.2.6 零序電流保護 零序電

39、流保護，即接地保護，當(dāng)大于保護的動作電流。i0 時，經(jīng)短延時 t 保護0i 出口動作依據(jù)用戶要求發(fā)出接地信號或跳閘。 (1)變壓器中性點不接地系統(tǒng)中電動機的零序電流保護整定計算 我國 3kv， 6kv， 10kv 電網(wǎng)大多數(shù)是變壓器中性點不接地或經(jīng)消弧圈接地 的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障時，接地點的電流小，不是短路電流，因此這種系統(tǒng)中電動 機零序電流保護需發(fā)出接地信號，不跳閘。 變壓器中性點不接地系統(tǒng)中電動機零序電流保護的動作電流 lo.dz 的整定原則是： 當(dāng)本電動機外部 (指機端電流互感器以外)電網(wǎng)中任一地點單相接地時，本電動機的零 序電流保護應(yīng)可靠地不動作，為此 (2-16) nl kkcod

40、u i 3 d . z0 式中：u 本國電機所在電網(wǎng)的相電壓(v)；cod：本電動機每相對地電容 (f)； 15 ：角頻率；nl 本電動機機端電流互感器變化：可靠系數(shù)，取 1.。25 再校kk 驗靈敏度。 本電動機定子繞組單相接地故障時，本電動機零序電流保護應(yīng)可靠地動作。 零序 電流保護的短延時 t 可整定為 0.。1-0.。5s。 2.2.7 負(fù)序電流保護 電力系統(tǒng)在正常運行時負(fù)序電流分量很?。ń咏诹悖?，而在系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱故障 時，就會產(chǎn)生很大的負(fù)序分量電流，從而通過測量負(fù)序電流的大小可以判別是否發(fā)生 故障。設(shè)置負(fù)序電流保護，作為電動機斷相、逆相。定子繞組或引出線不對稱相間短 路、定子繞

41、組閘間短路、電源電壓嚴(yán)重不平衡等的保護。 本裝置采用兩段式定時限負(fù)序電流保護，作為電動機斷相、定子繞組或引出線不 對稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護。第一段具有高定值，短延時 t1，dzi 2 第二段具有低定值，長延時 t2。dzi . 2 （1） 第一段的整定 在系統(tǒng)最小運行方式下電動機機端兩相短路時，最小的短路電流負(fù)序分量 應(yīng)使負(fù)序電流保護第一段可靠地動作，其靈敏 ki，至少為 1.。25，按此原則min . 2 )2( i 得： (2-17)25 . 1 /min . 2 . 2 2 idzi 同時，還必須校驗的值大于按公式計算的值，以確保在電動機起動過程式中負(fù)序 電流保護第一段可靠

42、地不動作。用戶可根據(jù)上述算法確定、本裝置負(fù)序電dzi . 2 dzi . 2 流保護第一段的延時 t1 默認(rèn)為 is，以短延時躲開斷路器合閘及其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的 短時間負(fù)序電流的影響。 （2） 第二段的整定 在電動機正常運行及起動過程中，允許三相電壓之間有持續(xù)性的 5%以內(nèi)的誤差， 此時會出現(xiàn)較長時間的負(fù)序電流 i2，應(yīng)保證負(fù)序電流保護第二段可靠地不動作，為此： (2-18) n idzi)4 . 03 . 0(2 按上式公式整定的躲不開斷路器斷路器跳合閘或其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的短dz . 2 i 16 時間數(shù)值較大的負(fù)序電流 i2，但因為有 t2 長延時，則能保證第二段不誤跳，t2 由用 戶

43、整定，一般可整定為 3s。 2.2.8 啟動時間過長保護 正常啟動過程結(jié)束后電動機的運行電流低于額定值或者在額定值附近，而啟動時 間過長則是在啟動時間過后電動機的運行電流仍保持較大值(一般為機械原因)。 啟動時間過長保護是由啟動時間和堵轉(zhuǎn)時間保護整定值來配合實現(xiàn)的。當(dāng)正序電 流大于，一般認(rèn)為電動機開始啟動。經(jīng)過啟動時間后，電動機的電流如果仍然大 n 1 . 0 i 于堵轉(zhuǎn)電路的整定值，則啟動時間過長保護開始動作，發(fā)出跳閘命令：若電動機運行 電流小于堵轉(zhuǎn)電流的整定值，則認(rèn)為電動機已加入正常運行狀態(tài)。 啟動時間過長保護可作電動機啟動過程中短路保護的后備保護。而且啟動時間過 長保護只針對與電動機的啟

44、動過程加以保護，如果電動機正常啟動后，此保護應(yīng)該自 動退出，而且只要電動機不停，此保護應(yīng)一直不能進入保護。 2.2.9 欠壓、過壓保護 當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或出現(xiàn)短時中斷，一些不允許或不需要自啟動的電動機須從電網(wǎng) 中斷開，因此需要配置低電壓保護。保護原則是：當(dāng)。有一相低于保護定值時， ab u bc u 低電壓保護經(jīng)延時后動作發(fā)跳閘命令；當(dāng)電動機從電網(wǎng)中斷開，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后， 可使電動機隨時重新啟動。 2.3 本章小結(jié) 本章首先介紹了電動機的故障及起因，然后詳細(xì)闡述了電動機各種繼電保護原理 包括速斷保護、短路保護、兩段式負(fù)序電流保護、斷相、逆相、電壓不平衡、電流不 平衡、定子繞組或引出線不對稱相

45、間短路、定子繞組匝間短路保護、熱過載保護、啟 動時間過長保護、堵轉(zhuǎn)保護、接地保護、低電壓保護等保護原理，并給出電動機故障 與采取相應(yīng)保護措施之間的關(guān)系圖。提出了電動機保護器裝置的功能設(shè)計方案，為下 一步的電動機保護器軟件與硬件設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 17 3 硬件設(shè)計 微機保護最終得功能都事通過硬件執(zhí)行來實現(xiàn)得，因此硬件部分是整個控制系統(tǒng) 的基礎(chǔ)，其性能的好壞對于系統(tǒng)的功能是否可以實現(xiàn)至關(guān)重要。為了實現(xiàn)上一章提出 得功能，同時解決微機電動機保護器得不足，需要隊硬件系統(tǒng)重新設(shè)計，硬件系統(tǒng)主 要包括 cpu 選型，數(shù)據(jù)輸入輸出，工作電源等。其中 cpu 是最主要的，這里采用 c8051ff020，其性能

46、優(yōu)越。除了工作性能以外，經(jīng)濟指標(biāo)也是工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計過 程中要考慮到的一個重要因素，尤其是在我國當(dāng)前經(jīng)濟不甚發(fā)達的情況下，能夠長期 占據(jù)市場的將是那些高性價比的產(chǎn)品。 3.1 裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動機綜合保護器的整體結(jié)構(gòu)如下，硬件電路設(shè)計應(yīng)包括幾個方面的內(nèi)容：單片 機系統(tǒng)設(shè)計、測量電路設(shè)計、鍵盤與顯示系統(tǒng)設(shè)計、電源設(shè)計和 i/o 控制設(shè)計等。 三相電流輸入 漏電輸入 電壓輸入 濾波調(diào)理 顯示模塊 通訊模塊 故障記錄 i/o 控制 按鍵模塊 cpu c8051f020 圖 3-1 硬件系統(tǒng) (1)交流輸入通道 本部分實現(xiàn)電流電壓的輸入調(diào)理 (2)顯示部分 本部分采用 led 數(shù)碼管作為用戶

47、界面，單片機與 led 數(shù)碼管接口采用串行通訊方 18 式，配接移位寄存器來驅(qū)動數(shù)碼管工作。 (3)控制輸出 i/o 控制電路 控制輸出部分采用機電式繼電器，其價格便宜，市場產(chǎn)品豐富，驅(qū)動線路也比較 簡單。 (4)通信模塊 這部分采用 rs-485 接口，采用硬件自動控制收發(fā)電路，不用單片機進行控制以減 輕負(fù)擔(dān)。 3.2 單片機系統(tǒng)設(shè)計 微處理器應(yīng)根據(jù)所要完成的數(shù)據(jù)處理工作的復(fù)雜程度來選擇。由于整個保護器需 要的計算量和數(shù)據(jù)存儲較大，加之，還要完成于上微機的通訊，因此對微處理器的要 求較高。本設(shè)計采用美國 cygnal 公司生產(chǎn)的 c8051f020 作為數(shù)據(jù)處理的核心部分。 該處理器內(nèi)部資源

48、豐富，僅需要少量的外部控制電路即可完成系統(tǒng)的各項功能。 c8051f020 系列單片機是完全集成的混合系統(tǒng)級芯片，具有 mcs51 兼容的控 制器內(nèi)核，其指令于 mcs-51 完全兼容。除具有 mcs-51 數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集 成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬及數(shù)字外設(shè)功能部件。這些功能部件的高度集 成為設(shè)計體積小，功耗低，可靠性高的應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，業(yè)可使系統(tǒng)集成成本大 大降低。 采用 tqfp-100 封裝形式的 c8051f020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 19 圖 3-2 8051f020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 a) 單片機主要特點 （1） 模擬外設(shè) 12 位逐次逼近型（sar）ado，可編

49、程轉(zhuǎn)換速率，最大 100ksps，輸入電壓信號 范圍：02。40v；8 位 adc（adc1） ，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大 500ksps； 可編程放大增益：16，8，4，2，1，0.。5； 數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器； （2） 片內(nèi) jtag 調(diào)試和掃描； 片內(nèi)調(diào)試提供全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試； 支持?jǐn)帱c、單部、觀察點、堆棧監(jiān)視器、支持觀察、修改存儲器和寄存器； 完全符合 ieee11149.。1 邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)； （3） 高速 8051 微控制器內(nèi)核； 流水線指令結(jié)構(gòu)； 百分之 70 指令的執(zhí)行時間位 1 個或者 2 個系統(tǒng)時鐘周期，速度可達 25mips； 20 22 個矢量中斷源； （4） 存儲

50、器 4352bb 內(nèi)部數(shù)據(jù) ram（4kb+256b） ； 64kb flash 存儲器，可以在系統(tǒng)編程，每個扇區(qū)位 512b； 外部 64kb 數(shù)據(jù)存儲器接口； （5）數(shù)字外設(shè) 8 個 8 位的端口 i/o，所要口線均耐 5v 電壓； 可同時使用硬件 smbus，spi 及倆個增強型 uart 串口； 可編程 16 位計數(shù)器/定時器陣列，有 5 個捕捉/比較模塊，6 種工作方式； 5 個通用 16 位計數(shù)器/定時器； （5） 時鐘源 內(nèi)部可編程振蕩器：216mhz； 外部振蕩器：晶體、rtc 或外部時鐘； 實時時鐘（rtc）方式（用定時器 3 或者 pca） ； b)單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 該最

51、小系統(tǒng)采用 c8051f020 為核心芯片；采用 3.。3v 供電；采用 22.。1184m 無 源晶振；同時提供 jtag(joint test action group)標(biāo)準(zhǔn)測試接口，為在線調(diào)試與仿真 提供很大的方便；通過 4 個 20 腳的插針引出 2407a 的所有功能引腳；最小系統(tǒng)所需的 電源通過與之相邊的底部插座提供。 該最小系統(tǒng)電路板上有 3 處跳線，分別是 j301、j302、j303。尤其要注意跳線 j303。應(yīng)用仿真器進行硬件仿真的時候，跳線帽連接的是 1 腳與 2 腳；當(dāng)程序下載到 c8051f020，實際運行時，跳線帽連接的是 2 腳與 3 腳。 該最小系統(tǒng)主要包括時鐘

52、電路、復(fù)位電路、jtag 仿真電路、外部存儲器等。 （1）時鐘電路 jz1 24/22.1184m x t a l 1 x t a l 2 10m r 5 r es2 30 c 17 30 c 18 與與與與 圖 3-3 時鐘電路 21 （2）復(fù)位電路 m cu -sw 1 sw -pb 10k r3 res2 0.1uf c2 cap 1uf c3 cap 1k r4 res2 rst +3v d 2 與與與與 圖 3-4 復(fù)位電路 （3）jtag 仿真電路 t ck t d i t d ot m s +3v d 2 +3v d 2 4.75k r1 res2 12 34 56 78 910

53、 jt a g 與與與與 圖 3-5 jtag 仿真電路 3.3 模擬信號采集 模擬信號采集模塊完成保護單元模擬信號的采集調(diào)理整形等功能。本裝置有五路模 擬量輸入，其中三相電流ia，ib，ic輸入，一相電壓ia輸入，零序電流i0輸入。裝置通 過對這3路模擬量進行一系列采樣、濾波以及模數(shù)變換操作后，再對采樣數(shù)據(jù)進行計算 處理，從而獲得各種保護動作判據(jù)。圖3-3給出模擬量輸入模塊框圖。 電流互感器/電 壓互感器 濾波調(diào)理電路單片機 a/d 口 圖 3-6 模 擬 量 輸 入 模 塊 框 圖 3.3.1 電壓信號采集 電壓信號采集采用了具有精密整流的全波整流式 ac-dc 轉(zhuǎn)換電路，其電路圖如下。

54、采用平均值 ac-dc 轉(zhuǎn)換器對交流電壓進行有效值測量的方法是：先測出交流信號的平 22 均值，然后再根據(jù)波形因數(shù)換算出對應(yīng)的有效值。 t2 trans 100k r20 1k r22 1k 2 3 6 47 1 8 5 ar1 op amp 2 3 6 47 1 8 5 ar2 op amp 2 3 6 47 1 8 5 ar3 op amp d4 d5 1k r15 1k r16 4.7k r19 1k r23 4.7k r17 4.7k r14 9k r21 9k r24 1k r25 18kr18 18kr26 0.01ufc22 an0.1 圖 3-7 電壓輸入電路圖 交流信號的平均

55、值可用式（3-1）來表示 u0= （3-1）uidtui t t 0 1 從交流測量的角度看，平均值是指經(jīng)過整流之后的平均值。否則，若被測交流信 號為正弦波，則平均值為零。因此，要取到上式的平均值，必須先要對交流信號求絕 對值，然后再取其平均值。絕對值用全波線形整流器來實現(xiàn)，平均值可用濾波器來實 現(xiàn)。 圖 3-7 是一種以全波線形整流為基礎(chǔ)的平均值 ac-dc 轉(zhuǎn)換器。圖中放大器 a2 及 二極管 vd1 vd2 和 r10 構(gòu)成了全波整流器，在輸入電壓的正半周 vd1 導(dǎo)通，vd2 截 止，b 點的電壓為 0，電壓通過電阻 r10 傳在 c 點。在輸入電壓的負(fù)半周，vd1 截至， vd2 導(dǎo)

56、通，其導(dǎo)通電流經(jīng) r7 在 b 點產(chǎn)生正極性電壓，由于 r3r4，在 b 點處的電壓 波形的幅度于輸入電壓相等，但極性相反。 在半波整流器之前有一級高輸入阻抗的阻抗放大器 a1，它的作用是提高輸入阻抗 和擴大測量范圍。在半波整流之后有一個放大器 a3 組成的有源濾波放大器，它的作用 是實現(xiàn)平均值的計算。最后再將平均值按正弦信號的有效值測量。 平均值 acdc 轉(zhuǎn)換器的電路簡單，成本低，廣泛應(yīng)用于低精度的電壓測量中， 因此本設(shè)計采用它來作為電壓采樣。 在電壓互感器出來的是一個交流信號，圖形如下圖所示。 23 圖 3-8 互感器出來的電壓波形 經(jīng)電路整形和處理，得到的是一個整流后的全波電壓，其圖形

57、如下 圖 3-9 a/d 口輸入的電壓波形 3.3.2 電流信號采樣 由于電流信號采樣采用交流采樣，故電流采集采用交流信號采集，將電流信號 的幅值和相位一起采集，可采集到電流的整個波形。電路圖如下，由于三相的采集均 一樣，故現(xiàn)以一路電流輸入回路為例做說明： 1k r? 1k r? 2 3 1 84 a u?a 2 3 1 84 a u?a 1k r? 0.01uf c? 1k r? 1k r? 1k r? 1k r? 1k r? d? +3 d? ain0.3 圖 3-10 單相電流輸入回路 在電流互感器出來的電流是一個交流信號，圖形如下圖所示，由于單片機 a/d 口只能輸入單極性的正電壓，故

58、正弦的電流信號就不能不能輸入，這里采用加法放大 電路將正弦的電流信號抬高到正值。電路圖中后一個放大器 a2 的作用就是將其放大太 24 高為正的。放大器 a1 的作用是形成一個電壓跟隨器，其作用是提高輸入阻抗。為了保 證加法電路得穩(wěn)定性，加穩(wěn)壓二極管，對于濾波電路選取截止頻率 100hz 則選濾波時 間常 圖 3-11 電流互感器二次側(cè)的電流波形 圖 3-12 a/d 口輸入的電流波形 數(shù)為 10ms，1/rc=10ms，取 r1=1m，則 c=1pf。取倆個放大器同向輸入端的輸入電阻 相同，即 r2=r3 則可保證倆電壓跟隨器出來的電壓值相同，取 r2=10k 。 。由于 mcs- 51 單

59、片機的輸入電壓最大為 2.。43v，即電壓的峰值為 2.。43v，因此加法放大電路的 電阻采用 20k 的電位器調(diào)試，獲得峰值為 2.。43v 的電壓波形。 25 3.4 開關(guān)量輸出 本裝置輸出電路板上裝有1個繼電器-保護動作繼電器。一般當(dāng)保護裝置判斷出某 種事件需要繼電器動作時，cpu控制發(fā)出信號給繼電器線圈通電，使繼電器觸點動作； 當(dāng)故障處理完畢以后，cpu控制發(fā)出信號使繼電器復(fù)位。 本設(shè)計采用三極管 9013 驅(qū)動繼電器工作，利用三極管的開關(guān)特性來達到無接觸無 火花的控制開啟的目的，同時達到強電隔離的效果。在繼電器的上面并聯(lián)一個發(fā)光二 極管，作為繼電器動作的指示燈。為了防止繼電器觸點斷開

60、時產(chǎn)生的瞬間反向電壓， 在繼電器回路中并聯(lián)一個續(xù)流二極管。 4.7k r1.2 4.7k r1.0 10k r1.1 led1 d1 1n4007 k1 relay-spst vcc +5v j1 12 u?a 74ac04sc q? 圖 3-13 繼電輸出電路 3.5 人機接口 3.5.1 顯示電路設(shè)計 顯示電路主要是用來顯示測量電壓和測量電壓。 顯示電路一般可分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。動態(tài)顯示通過單片機對各數(shù)碼管進行掃 描來實現(xiàn)的。它的電路較簡單，對系統(tǒng)資源的占用較多，可用于一些實時性要求不高， 計算量不太大的場合。靜態(tài)顯示用硬件來代替部分軟件功能，以增加硬件的開銷來換 取更多的系統(tǒng)資源。同