三相異步電動機斷相保護畢業(yè)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三相異步電動機斷相保護畢業(yè)三相異步電動機斷相保護畢業(yè)I1,i2,i3>d3S3Out3Singal338三相異步電動機斷相保護(隴東學院 電氣工程學院 甘肅 慶陽 74500)摘 要：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，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

2、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： 三相異步電動機：C8051F020 斷相保護 電動機故障Three-phase Asynchronous Moto Phase Failure Protection(Longdong University School of Electrical Engineer

3、ing, Qingyang 74500)Abstract: MCU C8051F020 and its peripheral devices as the hardware platform, the motor microcomputer protection, mainly for large and medium-sized motor Intelligent Motor Protector with overcurrent protection and zero-sequence current protection, negative sequence current protect

4、ion, start-up time is too long to protectunder-voltage protection, over voltage protection function.     In motor protection process, comprehensive exposition of the various failures of the motor. And in accordance with the need to determine the protection program, discusses

5、 the principle of protection.Hardware circuit design, given the configuration of the motor as the main MCU C8051F020 its simple peripheral circuit protection system. The circuit hardware circuit is very simple, in addition to various protection functions, can also display the voltage, current, when

6、the motor is running and set up the connection of the system with the host computer at the same time, create the conditions for the expansion of the system functionality. As an intelligent solution, the system having a multi-function, and low economic cost, high reliability and stability, and other

7、characteristics can be realized.Keywords: three-phase asynchronous motors: C8051F020-off phase motor protection fault1引 言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，電能的應用和發(fā)展越來越具有重要的位置。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钪幸苍絹碓街匾?。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

8、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

9、制成可對電動機進行準確保護和監(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)展狀況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斷。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

10、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

11、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。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。全的優(yōu)化設(shè)計接地與回流接地典型方案進行系統(tǒng)集成和定量評估。1.3本文主要的工作本課題的主要任務(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

12、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)建立相應的數(shù)學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，當電網(wǎng)電壓超出其動作值規(guī)定的范圍并持續(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

13、動機的狀態(tài)監(jiān)控主要實現(xiàn)以下功能：(1)電流顯示，顯示電動機當前線電流有效值；(2)電壓顯示，顯示電動機當前的相電壓有效值。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前電網(wǎng)電壓有效值，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。第2章 異步電動機的故障分析和解決方案2.1 電動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

14、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、機械或化學作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪贰?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：機械負荷太大、潤滑劑不合適，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

15、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。當因為各種原因，如機械故障、負荷過大、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、接地短路等，往往是由于運行環(huán)境差、長期運行不當引起的，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，嚴重損壞電動機。各種短路故障還會

16、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)學模采用集中參數(shù)等效電路的數(shù)學模型時首先需作一些假定，根據(jù)電機學知識，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

17、組的漏抗。為定子鐵心損耗所對應的等效電阻，為勵磁電抗。為定子電壓向量，為定子感應電動勢向量，為定子電流向量，為磁化電流向量?；赥等效電路的數(shù)學模型為： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4)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。剩余的通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功率。其中為：(2-5)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：(2-6)其中，為同步角速度；轉(zhuǎn)子機械角速度；為機械功率。由式（25）和式（26）得：(2-7)根據(jù)T型等效電路可知：(2-8)將式（28）代入式（27），同時考慮 ，于是有(2-9)剛起動時，轉(zhuǎn)子n=0，

18、轉(zhuǎn)差率s=1，此時起動轉(zhuǎn)矩為：(2-10)同時根據(jù)上式（21）、式（22）、式（23）、式（24）可得：(2-11)在異步電動機里，因為，故可省去和，則上式（211）可表示為：(2-12)2.1.2電動機的啟動故障異步電動機投入電網(wǎng)，從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)動起來，升速并達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為啟動過程。 剛起動時，轉(zhuǎn)子n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，由于激磁電流相對較小近似為1，則起動電流為： (2-13) 啟動時，把電源電壓直接加到電動機的定子繞組，顯然，這時啟動電流會很大，可達額定電流的47倍，根據(jù)對國產(chǎn)電動機的實際測量，某些籠型異步電機甚至可達812倍對于經(jīng)常啟動的電動機，過大的啟動電流將會造成電動機發(fā)熱，

19、影響電動機的壽命：同時電動機繞組在電動力的作用下，將會發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動機在啟動過程中，電動機出現(xiàn)的故障，通常稱為啟動故障，一般是指啟動時間過長故障。也就是說，在規(guī)定的時間內(nèi)，如果啟動電流仍舊維持在一個很大的值，而不是降到額定電流的附近，這就認為電動機發(fā)生了啟動時間過長的故障。這種故障通常采用定時限保護。2.1.3電動機的堵轉(zhuǎn)故障根據(jù)電機學得知識，電動機得機械特性曲線為下圖：圖2-2異步電動機機械特性曲線是異步電動機可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如果負載轉(zhuǎn)矩>，電動機將因承擔不了而停轉(zhuǎn)。電動機是用過載倍數(shù)來表示它的過載能力的=/。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

20、，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出現(xiàn)一個很大的值，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載很大，轉(zhuǎn)子電流加大，使得電動機定子電流很大。過載過大了就形成堵轉(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

21、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正相序（、）、負相序（、）和零相序（、），即有：=+，=+，=+，其正相序的相序（順時方向）依次為、，大小相等，互隔120度；負相序的相序（逆時方向）依次為、，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：注意以上都是以A相為基準，都是矢量計算。知道了實際也知道了和，同樣知道了也就知道了和，知道了也就知道了和而負序電壓有沒有線電壓和相電壓之分由于負序電壓的存在，就使三相系統(tǒng)中的三相感應電動機(也就是三相異步電動

22、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、不平衡負載運行、匝間短路、相間短路、接地短路等引起的除了嚴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現(xiàn)明顯的過電流。最明顯的特征是電動機中出現(xiàn)負序分量和零序分量電流。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，當電動機負載不變而發(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

23、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。但當發(fā)生(b)類斷相時，電動機的線電流都不為零，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采用線電流不平衡的原則。當電動機發(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?？紤]到電網(wǎng)電壓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

24、論電動機以何種方式連接，只要發(fā)生斷相，在預定的時間內(nèi)都會準確地動作，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行比較判斷，就能準確地發(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，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，故障的嚴重程度反應在過電流的大小，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）（

25、2-2）說明。表2-1對稱故障特征故障類型零序負序過電流過載無無(1.2-5)In堵轉(zhuǎn)無無(5-7)In短路無無(7-10)In表2-2不對稱故障特征故障類型零序負序過電流斷相無Ic/I0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1/3有取決與位置倆相接地1/3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，

26、所以就可以采用檢測負序分量為判斷依據(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

27、地故障時得保護 C.投入反時限過負荷保護 D.低電壓保護則根據(jù)第 9.0.5條中“二、根據(jù)生產(chǎn)過程不允許或不需要自動的電動機，應裝設(shè)低電壓保護?！钡囊?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

28、流的實際情況的，同時輔以低電壓保護和負序保護，應該說很全面的覆蓋了電動機的應有保護范圍，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；d3 電流速斷保護動作定值；t

29、3 時間繼電器,050000可調(diào)。2.2.3.2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于其堵轉(zhuǎn)電流，也就是要求I，滿足下式lop=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)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，我們選擇不設(shè)置動作時限。2.2.

30、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。其保護動作方程如下： (2-15)式中：In為電動機額定電流 S為

31、電動機發(fā)熱時間常數(shù)，表示電動機的過載能力過載保護一般都采用反時限來計算保護時間，當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 零序電流保護，即接地保護，當大于保護的動作電流10時，經(jīng)短延時t保護出口動作依據(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

32、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可靠地不動作，為此 (2-16)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)； ：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再校驗靈敏度。本電動機定子繞組單相接地故障時，本

33、電動機零序電流保護應可靠地動作。 零序電流保護的短延時t可整定為0.10.5s2.2.7 負序電流保護電力系統(tǒng)在正常運行時負序電流分量很?。ń咏诹悖?，而在系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱故障時，就會產(chǎn)生很大的負序分量電流，從而通過測量負序電流的大小可以判別是否發(fā)生故障。設(shè)置負序電流保護，作為電動機斷相、逆相。定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組閘間短路、電源電壓嚴重不平衡等的保護。本裝置采用兩段式定時限負序電流保護，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，第二段具有低定值，長延時t2。（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

34、時，最小的短路電流負序分量應使負序電流保護第一段可靠地動作，其靈敏KI=1.25，按此原則得： (2-17)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序電流保護第一段可靠地不動作。用戶可根據(jù)上述算法確定、本裝置負序電流保護第一段的延時t1默認為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)較長時間的負序電流I2，應保證負序電流保護第二段可靠地不動作，為此： (2-18)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)的短時間數(shù)值較

35、大的負序電流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。當正序電流大于，一般認為電動機開始啟動。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

36、間過長保護只針對與電動機的啟動過程加以保護，如果電動機正常啟動后，此保護應該自動退出，而且只要電動機不停，此保護應一直不能進入保護。2.2.9欠壓、過壓保護當電網(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。有一相低于保護定值時，低電壓保護經(jīng)延時后動作發(fā)跳閘命令；當電動機從電網(wǎng)中斷開，電網(wǎng)電壓恢復正常后，可使電動機隨時重新啟動。第3章 硬件設(shè)計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

37、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CPUC8051F020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)碼管作為用戶界面，單片機與LED數(shù)碼管接口采用串行通訊方式，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擔。3.2單片機系統(tǒng)設(shè)計微處理器應根據(jù)所要完成的數(shù)據(jù)處理工作的復雜程度來選擇。由于整個保護器需要的計算量和數(shù)據(jù)存儲較大，加之

38、，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。圖 3-2 80

39、51F020內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖a) 單片機主要特點模擬外設(shè)12位逐次逼近型（SAR）ADO，可編程轉(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；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；支持斷點、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邊界掃描標準；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；22個矢量中斷源；存儲器435

40、2BB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；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JTA

41、G(Joint Test Action Group)標準測試接口，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)主要包括時鐘電路、復位電路、JTAG仿真電路、外部存儲器等。（1）時鐘電路圖3-3 時鐘電路（2）復位電路圖 3-4 復位電路（3）JTAG仿真電路圖3-5 JTAG仿真電路3.3

42、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。采用平均值A(chǔ)C-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均值，然后再根據(jù)波

43、形因數(shù)換算出對應的有效值。圖 3-7 電壓輸入電路圖交流信號的平均值可用式（3-1）來表示U0= （3-1）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A(chǔ)C-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。在輸入電壓的負半周，VD1截至，VD2導通，其導通電流經(jīng)R7在

44、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A(chǔ)CDC轉(zhuǎn)換器的電路簡單，成本低，廣泛應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。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

45、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：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

46、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。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；當故障處理完畢以后，CPU控制發(fā)出信號使繼電器復

47、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。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

48、系統(tǒng)資源。同時為了省去硬件的負擔，采用以軟件為主的接口方式，它是以軟件查表代替硬件譯碼器，電路圖如下。為了實現(xiàn)單片機的動態(tài)掃描，需要給數(shù)碼管提供顯示段碼和位碼控制，即通常所說得”段控”和”位控”本電路中P1口輸出段控信號，而由P2.1、P2.2輸出位控信號。倆個三極管9013是用來提供驅(qū)動電壓。因為是共陽極LED，所以位驅(qū)動采用5V電壓高位控制。圖 3-14 LED顯示電路3.5.2鍵盤電路鍵盤電路是用來切換顯示電壓和電流，還可以實現(xiàn)對保護參數(shù)的設(shè)置，其電路圖如下：圖 3-15 鍵盤電路3.6電源部分目前廣泛使用的單片機普遍沒有配備不間斷電源。因此在使用過程中，一旦發(fā)生斷電等異常現(xiàn)象，信息就會

49、丟失，使之無法繼續(xù)進行。為了避免這種情況發(fā)生，有采用微電流對蓄電池充電或浮充的辦法來防止微機斷電的，但存在著充不滿而使維持時間短的弱點。也有使用UPS交流不間斷電源的，但成本太高。本系統(tǒng)中的電源需求為：驅(qū)動電路中的光耦一路獨立電源（15V），同時，控制電路也需要四組工作電源（15V，15V，5V），單片機最小系統(tǒng)需要一路工作電源（5V），顯示部分需要一路工作電源（5V），因此，輔助電源應該能提供至少五組相互獨立的電源，直流電源的質(zhì)量好壞與系統(tǒng)能否正常工作有很大的聯(lián)系。因此電源設(shè)計為：兩路（15V），兩路（15V），四路（5V）。當交流供電正常時，市電經(jīng)變壓器變壓，二極管整流，電容濾波后輸出直流

50、，再經(jīng)穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，電容濾波后輸出穩(wěn)定的直流供單片機和本設(shè)計中其它模塊使用。3.7通訊由于單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，以及現(xiàn)場實時性要求較高，故單片機現(xiàn)場只能暫時存儲采集到的數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進行簡單處理，至于大量的數(shù)據(jù)存儲和后續(xù)復雜的數(shù)據(jù)處理可交給上位機完成，由于大型機具有RS-485標準串行口，所以通過MCS-51F020單片機TTL電平全雙工串行口，附加RS-485電平轉(zhuǎn)換電路MAX3232可與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。具體電路如圖所示。圖 3-17 RS-485與上位機連接圖3.8硬件抗干擾 由于工業(yè)環(huán)境有強大的干擾源存在，若單片機系統(tǒng)沒有采取要的抗干擾措施，很難正常地工作，因此，必

51、須對單片機系統(tǒng)行抗干擾設(shè)計。 干擾信號可以沿各種線路侵入系統(tǒng)，也可以以電磁波的形式侵入單片機系統(tǒng)。干擾信號對單片機系統(tǒng)的作用可分為三個部位，第一個部位是輸入系統(tǒng)，它使模擬信號失真，數(shù)字信號出錯，單片機系統(tǒng)根據(jù)這種輸入信息作出的反應必然是錯誤的。第二個部位是輸出系統(tǒng)，使各輸出信號混亂，不能真實地反應單片機系統(tǒng)的輸出，從而導致接觸器或斷路器的誤動作以及顯示內(nèi)容的錯誤。第三個部位是單片機系統(tǒng)的內(nèi)核，它使單片機三總線上的數(shù)字信號錯亂，從而引發(fā)一系列錯誤結(jié)果。單片機系統(tǒng)受到干擾后，一方面可能造成執(zhí)行機構(gòu)的誤動作，另一方面可能進入死循環(huán)，造成系統(tǒng)“死機”。為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計特設(shè)計硬件

52、抗干擾措施。硬件抗干擾具有效率高的優(yōu)點，因此硬件抗干擾措施是非常重要的。 本裝置的硬件抗干擾主要采用了以下措施：信號濾波在電壓信號輸入和電流信號輸入中加入了前置的模擬低通濾波器，從而可以減少信號中疊加的高頻分量的干擾。從抗干擾的角度考慮，RC濾波器較LC濾波器好，因RC濾波器是耗散式濾波器，它將躁聲能量變成了熱能耗散掉了，而LC濾波器則會產(chǎn)生附加的磁場干擾，所以電感要加屏蔽罩。本系統(tǒng)采用的是RC濾波器。同時，在電流輸入回路中，為了得到恒定的電流波形的提升，特加入3V的穩(wěn)壓二極管。開關(guān)量輸出隔離繼電器本身已有隔離作用，為了防止繼電器動作時有教強的反壓，設(shè)置了續(xù)流二極管。電路板布線在電路板布線的時

53、候，將單片機最小系統(tǒng)，信號采集回路，顯示回路，輸出回路應用不同的電路板。第4章 軟件設(shè)計第5章 結(jié) 論 通過我們的努力，這部以C8051F020單片機為控制核心，完成了對電流電壓的采集，并初步實現(xiàn)了應有的結(jié)果。 本次設(shè)計由于采用阻性負載電燈泡來模擬三相電動機。本設(shè)計首先對裝置的硬件和軟件進行了設(shè)計和調(diào)試，在調(diào)試完成后成后進行了大量的實驗驗證。由于電流互感器能把電動機的線電流變?yōu)樾‰娏?，再通過一個電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，其輸入電流與輸出電壓成正比，這已經(jīng)在設(shè)計電流互感器時驗證了。因此，本實驗通過改變輸入電壓來模擬電動機(用燈泡代替)電流的變化。當改變本實驗的輸入電壓與電流，與軟件的整定值的配合下可以

54、實現(xiàn)各種保護。由于用單相代替三相，因此無法測到漏電電流的值，因此沒有得到漏電保護的實驗。由于電動機電流較大，當采用燈泡替代的時候，電流較小，在互感器選型的時候沒有考慮到，使得互感器過來的電流較小，因此在硬件調(diào)試的時候的電流檢測回路進行了多次修改。在電路板焊接的時候，布線沒有考慮抗干擾，也沒有在電源部分加EMC，且各級輸入的去耦設(shè)計也不好，因此系統(tǒng)抗干擾能力較差。電壓與電流檢測回路，12位ADC0采用的是單片機內(nèi)部基準電壓，存在波動，在2.40V2.43V之間變化。220V市電經(jīng)測量在230V波動。使得有效值檢測有一定誤差。改進意見：用電機的等效電路來搭建一個三相交流電動機模型；采用穩(wěn)定的供電電

55、源；在電源部分加EMC，在各級輸入去耦電容；論文小結(jié)在電路設(shè)計和調(diào)試的過程中，大大提高了在電路設(shè)計上的知識，對單片機和電路調(diào)試有了更進一步的認識，同時也使我認識到我知識的欠缺，對于書本上的很多知識還不能靈活運用，很多東西需要我更加一步的學習。原來的學習也只是在書本中的知識，沒有運用到實踐中，因此，在本次設(shè)計中走了很多彎路，通過本次設(shè)計，使我學習到了任何把課堂里和書本上學到的東西如何靈活運用到實踐中，同時也學會了設(shè)計的基本思想方法以及工作的流程。以后一定在學習知識的時候積極主動的把它運用到實踐中，在實踐中再學習在運用。致 謝 四年的本科生活轉(zhuǎn)瞬即逝，很快就要離開母校了。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有很多可敬的老師、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意。首先衷心的感謝我的導師關(guān)老師。本文的全部工作得到了關(guān)老師的悉心指導和親切關(guān)懷。導師一絲不茍的工作精神、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和求真務(wù)實的精神以及他那淵博的知識、豐富的實踐經(jīng)驗、勇于開拓的科學精神和平易近人的態(tài)度，使我終身難忘，并將深深的影響我以后的工作和學習。歲月如流水，轉(zhuǎn)眼之間近四年的大學生活即將結(jié)束?；厥淄?，難忘老師們的諄諄教導和同學們的熱心幫助