電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)

1、摘 要交流電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在分析傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、以及其它嵌入式處理器在電動(dòng)機(jī)保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文圍繞基于微控制器的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置的研究這一任務(wù)而展開(kāi)，開(kāi)發(fā)了適用于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的交流電機(jī)測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)一體化裝置。本文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下。1分析了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理、電動(dòng)機(jī)故障特征以及保護(hù)原理。2給出了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。

2、本裝置可實(shí)現(xiàn)以下故障保護(hù)：短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等功能。3以STC90C58AD單片機(jī)為核心控制器設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。4在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，根據(jù)STC90C58AD單片機(jī)的編程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)功能分解成較小的功能模塊，然后用子函數(shù)和中斷處理函數(shù)等實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，此電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測(cè)量精度，靈敏度以及保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)，單片機(jī)，故障診斷，數(shù)據(jù)采集。目 錄第1章 緒論 11

3、.1電機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義1 1.2電機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀 11.21以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式1 1.22普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器21.23智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器2 1.3微處理器的發(fā)展特點(diǎn)31.4電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的主要工作和論文的各章節(jié)安排3第2章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理52.1異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理52.2電動(dòng)機(jī)故障分類52.3電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析72.4電動(dòng)機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)72.41短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)72.42堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)82.43斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)82.44過(guò)載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)102.45欠壓和過(guò)壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)132.5本章小結(jié)14

4、第3章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)163.1概述163.11電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求163.12保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)綜述163.13各模塊研究173.2中央處理模塊173.21 STC90C58AD單片機(jī)的主要特點(diǎn)183.22處理模塊電路設(shè)計(jì)183.3鍵盤(pán)、顯示模塊193.31鍵盤(pán)設(shè)計(jì)193.32顯示設(shè)計(jì)203.4電源模塊223.5數(shù)據(jù)采集模塊243.6報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊243.7通信模塊243.8本章小結(jié)25第4章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)264.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇264.2保護(hù)器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)274.3保護(hù)器主程序設(shè)計(jì)274.4鍵盤(pán)子程序設(shè)計(jì)304.5顯示子程序設(shè)計(jì)304.6定時(shí)器及

5、數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)314.7參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計(jì)324.8故障處理子程序設(shè)計(jì)354.9系統(tǒng)菜單式操作界面設(shè)計(jì)36第5章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)及可靠性驗(yàn)證375.1電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測(cè)量精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)375.2電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過(guò)流保護(hù)實(shí)驗(yàn)（分段保護(hù)）375.3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)385.4電動(dòng)機(jī)保護(hù)器輕載保護(hù)實(shí)驗(yàn)385.5電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)總結(jié)39第6章 總結(jié)及展望40參考文獻(xiàn)41謝辭42第一章 緒論1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義在重要的工礦企業(yè)中，0.4kV交流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力和執(zhí)行器，得到了廣泛應(yīng)運(yùn)。供電系統(tǒng)70的電能是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，

6、因而被廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個(gè)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動(dòng)，負(fù)載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行受到很大的威脅。電動(dòng)機(jī)的故障或不正常運(yùn)行輕則影響設(shè)備功能重則造成設(shè)備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟(jì)損失，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究就顯得十分必要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在300萬(wàn)臺(tái)以上，僅電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用就在百億元以上，因電動(dòng)機(jī)不正常工作所造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億KWh，間接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)目驚人。而且這一數(shù)字還在不斷增長(zhǎng)。另外，由于現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動(dòng)

7、機(jī)的體積越來(lái)越小，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部電流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種狀態(tài)下切換運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重。因此，無(wú)論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。1.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式熱繼電器是建國(guó)以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)器，是長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。這種電動(dòng)機(jī)保護(hù)器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為以下四種：(1)熔斷器一交流接觸器一熱繼電

8、器；(2)斷路器一交流接觸器一熱繼電器；(3)熔斷器一斷路器：(4)熔斷器一斷路器一交流接觸器一熱繼電器。熱繼電器是用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)因過(guò)載引起過(guò)電流的裝置。熱繼電器在電子技術(shù)尚不4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，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過(guò)的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當(dāng)電流超過(guò)熱繼電器整定電流的一定時(shí)間就會(huì)啟動(dòng)其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達(dá)到保護(hù)基十單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的目的。熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電

9、器有保護(hù)時(shí)滯和對(duì)輕微堵轉(zhuǎn)、過(guò)載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。由于上述缺點(diǎn)電動(dòng)機(jī)容易長(zhǎng)期運(yùn)行在輕微過(guò)載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過(guò)額定值，繞組絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動(dòng)作曲線與電動(dòng)機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線不協(xié)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)有效功率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作。正因?yàn)槿绱耍@種傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。1.2.2 普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開(kāi)始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批的基于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。此類保護(hù)器從保護(hù)取樣方式上大致分為電壓取樣型

10、和電流取樣型。電壓取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主要針對(duì)電動(dòng)機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的線電流的變化檢測(cè)來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。我國(guó)電子式保護(hù)器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求。但是設(shè)計(jì)思路的限制導(dǎo)致這些電動(dòng)機(jī)保護(hù)器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在：a. 精度不高。由于整個(gè)保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個(gè)元件的性能都回對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個(gè)元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對(duì)溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護(hù)器不能正常工作。b.無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動(dòng)

11、機(jī)保護(hù)器上無(wú)法實(shí)現(xiàn)像參數(shù)記錄，實(shí)時(shí)通信這樣的高端功能，這也限制了這類保護(hù)器的應(yīng)用范圍。c.另外，整個(gè)保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)故障信號(hào)做出響應(yīng)，及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施保護(hù)。實(shí)時(shí)性是保護(hù)器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對(duì)電動(dòng)機(jī)故障的檢測(cè)靈敏度以及輸出保護(hù)信號(hào)的準(zhǔn)時(shí)性，直接影響了電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。隨著微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果同新月異。以微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進(jìn)步，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成果?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱?dòng)機(jī)保護(hù)器與前兩種保護(hù)方式相比具有先天的優(yōu)勢(shì)。這種智能化電動(dòng)

12、機(jī)保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護(hù)功能；由于能夠方便地實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護(hù)不正確動(dòng)作，提高了保護(hù)的可靠性。它可以同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相、過(guò)載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的主要發(fā)展方向。1.3 微處理器的發(fā)展特點(diǎn)自第一個(gè)微處理器問(wèn)世以來(lái)，微處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，從早期的四位機(jī)4004到七十年代末出現(xiàn)的8位機(jī)8051、MC6800再到現(xiàn)在32位機(jī)、16位

13、機(jī)、8位機(jī)多種處理器并舉?，F(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。當(dāng)今微處理器市場(chǎng)上高端三十二位機(jī)與低端的八位機(jī)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手。它們活躍在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機(jī)、家電等等都可以找到它們的身影。本論文所介紹的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采用的STC90C58AD單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。該單片機(jī)片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括4路外部中斷，8路十位高速AD轉(zhuǎn)換器，集成MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。1.4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的

14、主要工作和論文的各章節(jié)安排本課題的主要目的是研制基于STC90C58MCU的電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試。針對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務(wù)，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：根據(jù)研究工作的需要，各章節(jié)安排如下：第一章綜述課題的目的和意義，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，微處理器的發(fā)展以及簡(jiǎn)單介紹了本論文的主要工作。第二章主要介紹了電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，電動(dòng)機(jī)各種故障的特征分析以及相應(yīng)的故障判斷方法和保護(hù)措施。第三章論述了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以微控制器模塊為核心，分別介紹了保護(hù)裝置的各硬件模塊電路設(shè)計(jì)。第四章以硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的

15、軟件設(shè)計(jì)。第五章通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證了本論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測(cè)量精度，靈敏度以及保護(hù)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。第六章對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)以及對(duì)其未來(lái)發(fā)展的展望。第2章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理2.1 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理交流電機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，其中異步電動(dòng)機(jī)，即感應(yīng)電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。本論文以異步電動(dòng)機(jī)為例闡述電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)。異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對(duì)稱繞組通以三相對(duì)稱電流就會(huì)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下

16、做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速小于同步速。根據(jù)電路等效的原理，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢(shì)保持不變，電磁功率及損耗保持不變。折算后的電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖如圖2.1所示。圖2.1 電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖其中：Ul是電動(dòng)機(jī)定子側(cè)線電壓，r1，x1是電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻、電抗，Lm為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電抗，r2，x2是電動(dòng)機(jī)折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻、電抗。2.2 電動(dòng)機(jī)故障分類對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其故障形式從機(jī)械角度可以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)在長(zhǎng)時(shí)間的電、熱、機(jī)械和化學(xué)作用下，繞組的絕緣老化損壞，定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或是對(duì)地短路。(2) 電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電源電壓三相不平衡

17、、電壓波動(dòng)大、電網(wǎng)電壓波形畸變、高次基于單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)諧波嚴(yán)重或者電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。(3) 電源電壓過(guò)低使得電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠，電動(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)或者是在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間承受過(guò)大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。造成軸承損壞的原因有很多：(1)機(jī)械負(fù)荷太大(2)潤(rùn)滑劑不合適(3)惡劣工作環(huán)境對(duì)軸承的損壞由于本論文主要研究的是通過(guò)電氣測(cè)量手段來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集到保護(hù)器的數(shù)據(jù)適時(shí)做出保護(hù)動(dòng)作，因此主要分析解決繞組故障。從電氣角度分析，引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見(jiàn)故障分為對(duì)稱故障和非對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對(duì)稱過(guò)載等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞主要

18、是機(jī)械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀。不對(duì)稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問(wèn)短路等，不對(duì)稱故障在故障早期沒(méi)有特別明顯的過(guò)電流或過(guò)熱表現(xiàn)，但若不及時(shí)查找故障原因排除故障則可能造成嚴(yán)重后果。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，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重特別容易燒毀電機(jī)。這類故障的主要特征是三相基本對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)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)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)該采用短時(shí)限跳閘；而對(duì)于對(duì)稱過(guò)載應(yīng)采用定時(shí)限

19、跳閘或反時(shí)限跳閘，反時(shí)限特性與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。詳細(xì)情況如表1所示。表2.1 電動(dòng)機(jī)對(duì)稱故障故障類型零序負(fù)序過(guò)電流其他特征保護(hù)特性對(duì)稱故障過(guò)載無(wú)無(wú)（1.26）In反時(shí)限堵轉(zhuǎn)無(wú)無(wú)（68）In短時(shí)限短路無(wú)無(wú)（810）In速斷當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問(wèn)短路，接地短路等，往往在初期并不會(huì)引起顯著的電流增大、電機(jī)過(guò)熱，但若不及時(shí)處理就會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電機(jī)過(guò)熱，轉(zhuǎn)自啟動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞乃至報(bào)廢。因此，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常，采取全面有效的保護(hù)措施保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。2.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理的研究是

20、保證電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)認(rèn)真地研究和比對(duì)發(fā)現(xiàn)對(duì)“稱分量法”可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的三相電流進(jìn)行詳細(xì)的描述，可以為故障的診斷提供準(zhǔn)確的信息。根據(jù)三相對(duì)稱分量法的理論，三個(gè)不對(duì)稱的向量可以唯一分解成三組對(duì)稱的向量：正序分量，負(fù)序分量和零序分量。各序分量獨(dú)立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各個(gè)元件呈現(xiàn)出不同的特性。對(duì)稱分量的計(jì)算公式如下（以A相為例）。(2.1)式中， ，分別是A相電流用對(duì)稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；算子。由式（2.1）可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時(shí)才有零序電流分量。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點(diǎn)不引出的星型接法，三相電

21、流之和總為零，沒(méi)有零序電流分量。根據(jù)前面對(duì)故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)這一結(jié)論論文對(duì)發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。2.4 電動(dòng)機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)2.4.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大短路故障包括定予繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是較常見(jiàn)的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對(duì)稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電

22、動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定啟動(dòng)電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的8lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)A，B，C三相線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，超過(guò)整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)設(shè)為檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)三相電流的最大值，即 （2.2） 短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在很短的時(shí)限內(nèi)檢測(cè)到（k為短路過(guò)流倍數(shù)，一般取810，為電動(dòng)機(jī)額定線電流）時(shí)，就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及

23、保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過(guò)大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成過(guò)熱而燒壞。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對(duì)稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過(guò)載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的47倍，這么高的故障電流極易把電動(dòng)機(jī)燒損。因此在檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，保證電動(dòng)機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可取自于電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過(guò)堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)電流，即額定電流的47倍。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的47倍，為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng)，保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間

24、后，一般采用躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間(816秒)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，以免誤動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)。2.4.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)斷相故障是最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的一種不對(duì)稱故障。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒(méi)有振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。根據(jù)對(duì)稱分量法，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的三相不對(duì)稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損。根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見(jiàn)表2.2所示，其中：電動(dòng)

25、機(jī)正常啟動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)線電流； 電動(dòng)機(jī)額定線電流；電動(dòng)機(jī)額定相電流；電動(dòng)機(jī)定予繞組相電流。表2.2 電動(dòng)機(jī)斷相故障電流表值由表2.2分析可以看出，電動(dòng)機(jī)斷相故障主要有三類情況：當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以Y形連接時(shí)，無(wú)論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；對(duì)于形連接的電動(dòng)機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時(shí)，故障相的線電流為零；若形連接的電動(dòng)機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時(shí)，電動(dòng)機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動(dòng)機(jī)的線電流不平衡，因此可以通過(guò)檢測(cè)線電流來(lái)作為斷相故障的信號(hào)源。由于斷相故障類型不同，線電流表現(xiàn)也各異，因此保護(hù)判據(jù)也不一樣。通常有以下方法：(1)對(duì)于前兩種情況可以通過(guò)

26、在一定時(shí)限內(nèi)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)線電流是否為零的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即對(duì)某相電流一個(gè)周波內(nèi)連續(xù)采樣n點(diǎn)的瞬時(shí)值均為零，或通過(guò)計(jì)算某相電流的有效值為零，則為斷相故障；(2)對(duì)于第種斷相故障，可以通過(guò)檢測(cè)不對(duì)稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流。通過(guò)負(fù)序電流來(lái)反映斷相等不平衡故障。實(shí)際上對(duì)于第類斷相故障可以通過(guò)計(jì)算得出A相的正、負(fù)序電流有如下關(guān)系： （2.3） （2.4）即，因此可以通過(guò)正、負(fù)序電流的這個(gè)比值來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)的第類斷相故障。2.4.4 過(guò)載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載也稱過(guò)負(fù)荷，是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過(guò)大所引起的過(guò)熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載

27、運(yùn)行會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱而燒損。電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成：(1)負(fù)荷增加：(2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好；(3)電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械故障；(4)電動(dòng)機(jī)容量選擇偏小；(5)電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏小；(6)雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均；(7)電動(dòng)機(jī)端電壓過(guò)低等。a電動(dòng)機(jī)溫升特性電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動(dòng)機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過(guò)載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過(guò)機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中加熱電動(dòng)機(jī)，使其

28、溫度上升，最終超過(guò)環(huán)境溫度。電動(dòng)機(jī)是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實(shí)際測(cè)定表明，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計(jì)算和分析，一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動(dòng)機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決于其銅損。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動(dòng)機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱平衡微分方程為： （2.5）式中：24C定子物體材料的比熱，即使lkg物體溫度升高1所需的熱量(J/Kg·)；G定子物體的質(zhì)量(kg)；散熱系數(shù)，即每平方米表面每度溫差、每秒時(shí)間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W·)；S散熱表面積()；定子繞組溫升()。式

29、(2.5)左邊是在時(shí)間間隔dt中，定子繞組由于過(guò)負(fù)荷而發(fā)出的熱量Qdt。右邊CGd是電動(dòng)機(jī)溫度升高d度所吸收的熱量，Sdt是dt時(shí)間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。式(2.5)為一階線性微分方程，其通解為： （2.6）式中A待定常數(shù)，由初始條件確定，即認(rèn)為負(fù)荷不變化時(shí)，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式(2.6)得出待定常數(shù)A為:將A代入式（2.6）可得 （2.7）這就是異步電動(dòng)機(jī)的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖2.2所示。圖2.2電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來(lái)解釋：當(dāng)時(shí)間t=O時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動(dòng)

30、機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來(lái)提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動(dòng)機(jī)溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來(lái)越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達(dá)到穩(wěn)定溫升。b電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性對(duì)式(2.7)中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，取前兩項(xiàng)可得： （2.8）將式（2.8）代入式（2.7）并整理可得 (2.9)式中：稱為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)為一常數(shù)，若電動(dòng)機(jī)的最大容許溫升為，則式（2.9）為 （2.10）式（2.10）反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)過(guò)載倍數(shù)與電動(dòng)機(jī)容許過(guò)載時(shí)間t的關(guān)系，即，我們把這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的容許

31、過(guò)載特性，如圖2.3曲線1所示。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)過(guò)載倍數(shù)越大，其容許過(guò)載時(shí)間就越短，即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。圖2.2電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)特性曲線1電動(dòng)機(jī)容許過(guò)載特性；2定時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性；3階段式定時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性；4反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性；電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量，因此電動(dòng)機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過(guò)載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載往往會(huì)有一定的波動(dòng)，這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定短時(shí)過(guò)載能力，不會(huì)因短時(shí)過(guò)載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)問(wèn)t與過(guò)載倍數(shù)的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過(guò)載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一過(guò)載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常

32、生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖2.2中可以看出，定時(shí)限過(guò)載保護(hù)和階段式定時(shí)限過(guò)載保護(hù)都不能像反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，因此在設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)特性時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的反時(shí)限特性。c電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于圖2.4中曲線4所表示的連續(xù)的反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性，可以通過(guò)取有限個(gè)有代表性的特征點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即對(duì)電動(dòng)機(jī)過(guò)載區(qū)間劃分為若干個(gè)子過(guò)載區(qū)間，對(duì)于每一個(gè)子過(guò)載區(qū)間采用定時(shí)限的保護(hù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如表2.3所示。表2.3 某電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的分段式實(shí)現(xiàn)過(guò)流反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間t/s（具體可設(shè)定為某一列）6012018012030048961441922203672120168200246

33、0961201808203040606102030400.471420252.4.5 欠壓和過(guò)壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式：式中:T電磁轉(zhuǎn)矩 K常數(shù) 定子電壓 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和啟動(dòng)感抗 s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，進(jìn)而影響到定子電流變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。a欠壓保護(hù)在電動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定

34、子電流必然相應(yīng)增大乜”，溫升增高。如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低電壓工作會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就無(wú)法啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對(duì)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)需要自動(dòng)起動(dòng)的重要電動(dòng)機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。下列電動(dòng)機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)：(1) 當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí)，為保證重要電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)而需要斷開(kāi)的次要電動(dòng)機(jī)；(2)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)；(3)需要自啟動(dòng)，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長(zhǎng)時(shí)間消失后，需從電網(wǎng)中

35、自動(dòng)斷開(kāi)的電動(dòng)機(jī)。欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)b過(guò)壓保護(hù)過(guò)電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對(duì)于負(fù)載星形連接且無(wú)中性線的電動(dòng)機(jī)，如果定子繞組一相短路，會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)在過(guò)電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞，進(jìn)而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2.5 本章小結(jié)本章從異步電動(dòng)機(jī)的模型入手，介紹異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理。第3章 電動(dòng)機(jī)

36、保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)本章將詳細(xì)討論電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)，本論文的硬件系統(tǒng)以STC90C58AD單片機(jī)為核心，并配以外圍電路構(gòu)成?？紤]到電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計(jì)和芯片選型方面充分考慮了該保護(hù)器的實(shí)際需要及抗干擾性能。硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)硬件，設(shè)計(jì)的好壞不僅直接影響硬件系統(tǒng)本身功能的實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)以后的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有很大的影響。所以硬件電路的設(shè)計(jì)不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)更簡(jiǎn)單方便。3.1 概述3.1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境中通常存在大量的機(jī)電設(shè)備，這些機(jī)電設(shè)備在啟動(dòng)、

37、運(yùn)行、停止時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。這導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)抗干擾性能要求較高。而且在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出保護(hù)命令，這就對(duì)保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)提出如下的要求。(1) 抗高溫、低溫能力強(qiáng)。保護(hù)器系統(tǒng)電路中元件的性能會(huì)隨溫度變化而變化，在較高溫度或較低溫度時(shí)有可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，故保護(hù)器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)級(jí)器件。(2) 抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)。繼電器的閉合與斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行等都會(huì)在空間激發(fā)高頻電磁場(chǎng)，產(chǎn)生大量的強(qiáng)電磁干擾，影響電子設(shè)備正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，因此在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。(3) 處理器運(yùn)算速度快。由于裝置需要進(jìn)行大量的

38、數(shù)據(jù)輸入輸出以及數(shù)據(jù)運(yùn)算，為保證保護(hù)器動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性必須采用運(yùn)算速度快的微處理器。(4) 采樣精度高。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，表征電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的參量必須得到精確的測(cè)量。3.1.2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)綜述電動(dòng)機(jī)保護(hù)的功能最終是通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，硬件系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到保護(hù)器的性能指標(biāo)。而實(shí)際的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器還不得不考慮成本因素，本文本著低成本、高性能的原則，查閱了大量微控制器資料，通過(guò)認(rèn)真論證比較最終決定以國(guó)內(nèi)宏晶科技推出的基于新一代增強(qiáng)型8051內(nèi)核的STC90系列單片機(jī)作為核心控制器。電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件系統(tǒng)以STC90C58單片機(jī)為核心控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根

39、據(jù)這一思想本裝置主要分成六大模塊：處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤(pán)、顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊，系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖31所示：處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊電源報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊通信模塊鍵盤(pán)顯示模塊圖3.1 系統(tǒng)框圖3.1.3 各模塊研究(1)處理器模塊。處理器模塊使用STC90C58AD單片機(jī)，利用片上AD模塊對(duì)三相電壓電流以及電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)保護(hù)算法進(jìn)行保護(hù)決策。(2)鍵盤(pán)、顯示模塊。該模塊是本保護(hù)器的人機(jī)交互接口，鍵盤(pán)主要用來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、額定值。顯示器則用來(lái)顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。(3)電源模塊。給微處理器提供標(biāo)準(zhǔn)5V電源，給其它模塊提供合適電平的電源。

40、(4)數(shù)據(jù)采集模塊。將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和電平變換之右逡入處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊。(5) 報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊。電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器故障報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作的執(zhí)行通道，可以將微處理器的保護(hù)決策送至繼電器、斷路器等電氣設(shè)備完成低電壓控制高電壓的工作。(6)通信模塊。將電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的狀態(tài)信息送到PC機(jī)上，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析。3.2 中央處理模塊處理器模塊采用STC90C58AD單片機(jī)。STC90C58AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，但速度快812倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8

41、路高速十位AD轉(zhuǎn)換器，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。3.2.1 STC90C58AD單片機(jī)的主要特點(diǎn)（1）增強(qiáng)型8051內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；（2）工作電壓范圍：5.5V-3.3V(5V單片機(jī))/3.6V-2.0V(3V單片機(jī))；（3）工作頻率范圍：0-40MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；（4）片上集成256+4096字節(jié)RAM；（5）通用I/O(35/39個(gè))，復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉；P0口是開(kāi)漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻；（6）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應(yīng)用可編程

42、)，無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器可通過(guò)串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成；（7）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能；（8）共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.（9）8路10位A/D轉(zhuǎn)換；（10）工作溫度范圍：-40+85(工業(yè)級(jí))/075（商業(yè)級(jí)）；3.2.2 處理模塊電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面的分析，控制器處理模塊電路圖設(shè)計(jì)如圖3.2所示。3.3 鍵盤(pán)、顯示模塊人機(jī)接口是本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的重要組成部分，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定，顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等功能。3.3.1 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是典型的輸入設(shè)備，其功能是為了輸入數(shù)據(jù)、命令以及查詢

43、系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。鍵盤(pán)由選擇鍵和功能鍵組成。本裝置鍵盤(pán)采用2 x 3矩陣式非編碼鍵盤(pán)，共6鍵，分別為：（1）12為左鍵（在定制輸入確認(rèn)鍵按下后作為數(shù)字的減小鍵)和右鍵(在定制輸入確認(rèn)鍵按下后作為數(shù)字的增大鍵)；（2）34為上下選擇鍵，用于選擇菜單以及在輸入設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)用于選擇數(shù)據(jù)位的位置；（3）5為功能選擇（返回）鍵，6為確認(rèn)鍵。P2口的低3位作為輸入口，P2.4，P2.5口作為輸出口。確定矩陣式鍵盤(pán)上何鍵被按下運(yùn)用“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法， 1、判斷鍵盤(pán)中有無(wú)鍵按下將全部行線key1，key2，key3置低電平，

44、然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤(pán)中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與3根行線相交叉的3個(gè)按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤(pán)中無(wú)鍵按下。 2、判斷閉合鍵所在的位置：在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)電路如圖3.3所示：3.3.2 顯示設(shè)計(jì)本裝置中人機(jī)接口的顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，帶中文字庫(kù)圖形液晶模塊 12864 控制器7920，帶中文

45、字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶模塊克服了以往裝置采用數(shù)碼管顯示器存在的顯示功能少，不美觀和功耗高等缺點(diǎn)。3.3.2.1 液晶顯示原理液晶顯示器(LCD)是一種新型的低功耗顯示器，其基本原理是：在正常情況下，液晶對(duì)光具有旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。，當(dāng)光線通過(guò)兩個(gè)偏振片和液晶盒后，能沿原路經(jīng)反射極返回，此時(shí)液晶盒呈透明狀態(tài)；當(dāng)液晶盒的電極上加一定的電壓后，電極連接部分的液晶就失去旋光性，導(dǎo)致不能通過(guò)兩個(gè)偏振片，從而顯示黑色。按不同需要組合液晶電極通電方式或把液晶電極做成各種需要的形狀，就能實(shí)現(xiàn)功能多樣、形態(tài)各異的顯示。3.3.2.2 液晶顯示器的特點(diǎn)LCD作為電子信息產(chǎn)品的主要顯示器件，相對(duì)于其它類型

46、的顯示部件來(lái)說(shuō)，有其自身的特點(diǎn)：（1）低電壓微功耗：LCD的工作電壓一般是35V，每平方厘米的液晶顯示屏的工作電流為微安級(jí)，所以液晶顯示器件是要求低功耗設(shè)備的首選顯示器件。(2)平板型結(jié)構(gòu)：LCD的基本結(jié)構(gòu)就是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。這種結(jié)構(gòu)具有使用方便，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別是在生產(chǎn)上，適宜采用集成化生產(chǎn)工藝，通過(guò)自動(dòng)生產(chǎn)流水線可以快速大批量生產(chǎn)。(3)使用壽命長(zhǎng)：LCD器件本身幾乎沒(méi)有劣化問(wèn)題。若注意器件防潮、防壓、防止劃傷、防止紫外線照射、防靜電等，同時(shí)注意使用溫度，LCD可以使用很長(zhǎng)一段時(shí)間。(4)被動(dòng)顯示：對(duì)LCD來(lái)說(shuō)，環(huán)境光線越強(qiáng)顯示內(nèi)容越清楚。人眼所感受的外部信息的90以上

47、是外部物體對(duì)光的反射，而不是物體本身發(fā)光，所以被動(dòng)顯示更適合人的視覺(jué)習(xí)慣，更不容易引起疲勞。這在信息量大、顯示密度高、觀看時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)合更顯得重要。(5)顯示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD沒(méi)有蔭罩限制，像素可以做的很小，這對(duì)于高清晰電視是一種理想的解決方案。同時(shí)，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特別是液晶電視的色彩可以做的十分逼真。3.4 電源模塊本系統(tǒng)需四路供電電源，即+5V的單片機(jī)主電源和模擬參考電壓以及相關(guān)芯片的電源電壓、運(yùn)算放大器+15V和-15V直流電源。本裝置都是通過(guò)三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖3.5所示：圖3.5電源電路3.5 數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)故

48、障檢測(cè)信號(hào)取自于電動(dòng)機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號(hào)，其中三路用于線電流檢測(cè)，三路用于線電壓檢測(cè)。由于STC90C58AD單片機(jī)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號(hào)為O5V的單極性電壓信號(hào)，因此壓電流傳感器采樣的交流信號(hào)必需轉(zhuǎn)換為O5V的單極性電壓信號(hào)。圖3.6為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其余兩路相同。圖3.6電流采樣及調(diào)理電路圖3.7中R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器CT2的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。利用運(yùn)放1的高輸入阻抗，來(lái)抑制負(fù)載對(duì)采樣精度的影響。電組R2、R4、Rf和運(yùn)放ARl組成加法器，電阻R7、Ro和運(yùn)放AR2組成反向器，電阻R9和電容Cl組成簡(jiǎn)單低通濾

49、波器。VMF為STC90C58AD內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷海?jí)管D1和D2主要起嵌位作用，可保證在-(VMF+)(、分別為Dl、D2的正向壓降)之間波動(dòng)。根據(jù)運(yùn)算放大器相關(guān)原理，可列出如下方程： 令=,=,則可得。若取=2.5V,當(dāng)在區(qū)間-2.5V2.5V取值時(shí)，則為05V的單極性電壓信號(hào)，滿足STC90C58AD單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入信號(hào)的要求。當(dāng)單片機(jī)模擬輸入通道輸入電壓為05V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為：電壓采樣是通過(guò)電壓互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號(hào)調(diào)理原理，電路圖如圖3.7所示。圖3.7電壓采樣及其調(diào)理電路3.6 報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊本裝置為電動(dòng)機(jī)故障提

50、供蜂嗚器發(fā)聲報(bào)警，報(bào)警電路如圖3.8所示。其工作原理是：電動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，置P3.7為低電平，三極管Q2基極無(wú)電流處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器也處于截止?fàn)顟B(tài)，報(bào)警失效；當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，置P3.7為高電平，由于三極管Q2的導(dǎo)通而導(dǎo)致蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動(dòng)報(bào)警功能。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)需要一個(gè)急停的保護(hù)動(dòng)作，圖3.9為保護(hù)裝置的動(dòng)作執(zhí)行保護(hù)電路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，置P25為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器K5斷開(kāi)，進(jìn)而交流接觸器K7斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障自動(dòng)掉電保護(hù)。 圖3.8 圖3.93.7 通信模塊目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串

51、行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5+15V，負(fù)電平在-5-15V電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為T(mén)TL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3+12V與-3-12V。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3k7k。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。3.8 本章小結(jié)本章主要介紹了使用STC90C58AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)以宏晶科技推出的高性能基于8051內(nèi)核的STC

52、單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心。論文首先從總體上介紹了保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)，然后從系統(tǒng)的六大模塊出發(fā)，首先介紹了系統(tǒng)的核心MCU芯片STC90C58AD單片機(jī)，詳細(xì)描述了該處理器的的基本性能、編程結(jié)構(gòu)，給出了該單片機(jī)系統(tǒng)的硬件原理圖以及單片機(jī)程序下載電路；然后介紹了人機(jī)接口模塊，其中重點(diǎn)詳細(xì)描述了液晶顯示模塊的結(jié)構(gòu)、顯示方法以及顯示命令等；介紹了保護(hù)裝置的電源模塊、通信模塊的硬件設(shè)計(jì)；專門(mén)設(shè)計(jì)了與片上AD模塊相配合的信號(hào)處理電路來(lái)采集外部模擬信號(hào)量，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作電路。第4章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件的功能是以硬件為基礎(chǔ)完成各種保護(hù)算法及方案，并提供豐富靈活的手段對(duì)裝置進(jìn)行整定、監(jiān)視和維護(hù)，是整套裝置的靈魂。電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是：(1)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的保護(hù)算法。(2)為用戶提供簡(jiǎn)潔、方便、清晰的