1、0.4kv 交流電動機綜合保護器設計 摘要 交流電動機是一種應用最廣泛的動力設備，在國民經濟中起著舉足輕 重的作用，但是其高故障率對工農業生產造成巨大的經濟損失，因此在分 析傳統電動機保護裝置不盡完善的基礎上，研制功能完善、可靠性高的電 動機保護裝置己經成為必要。 近年來，隨著微電子技術、計算機技術的飛速發展，各種類型的微控 制器、數字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護領域得到了 廣泛的應用。本文圍繞基于微控制器的電動機綜合保護裝置的研究這一任 務而展開，開發了適用于各種現場環境的交流電機測量、監控、保護一體 化裝置。本文的主要研究內容概括如下。 1分析了電動機運行的基本原理、電動機

2、故障特征以及保護原理。 2給出了電動機保護裝置的實現方案。本裝置可實現以下故障保護： 短路保護、堵轉保護、過流保護、不平衡保護、斷相保護、過壓保護、欠 壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。 3以stc90c58ad單片機為核心控制器設計了電動機保護硬件單元， 并配以液晶顯示器等外圍設備構成電動機保護系統。 4在軟件系統的設計上，根據stc90c58ad單片機的編程結構特點， 采用模塊化編程思想，將系統功能分解成較小的功能模塊，然后用子函數 和中斷處理函數等實現了電動機保護功能。 最后，通過實驗對電動機保護器的可靠性進行檢驗，實驗表明，此電 動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能均達到了設計要

3、求。 關鍵詞：關鍵詞：電動機保護，單片機，故障診斷，數據采集。 0.4kv ac motor integrated protection design abstract ac motor is the most widely used power equipment, in the national economy plays an important role, but its high failure rate on the industrial and agricultural production caused huge economic losses, so the analysis

4、 of traditional motor protection devices are not perfect on the basis of , developed functional, highly reliable motor protection devices have become necessary. in recent years, with the microelectronic technology, computer technology, the rapid development of various types of microcontrollers, digi

5、tal signal processors, embedded processors and other protected areas in the motor has been widely applied. this paper focuses on a microcontroller-based motor protection device of this task are commenced, the development environment for a variety of on-site ac motor measurement, monitoring, protecti

6、on integrated devices. the main contents of this paper are summarized below. 1. of the basic principles of operation of the motor, the motor characteristics and fault protection principle. 2. gives a motor protection device implementations. the device can achieve the following fault protection: shor

7、t circuit protection, stall protection, overcurrent protection, unbalance protection, phase protection, overvoltage protection, undervoltage protection, leakage protection, and thermal protection. 3. in stc90c58ad microcontroller as the core controller design with motor protection hardware units, an

8、d with liquid crystal displays and other peripherals constitute motor protection system. 4. in the design of software systems, based on structural characteristics stc90c58ad microcontroller programming, modular programming ideas, functional decomposition of the system into smaller modules, and then

9、use the subroutine and interrupt handling functions such as to achieve a motor protection. finally, the motor protection through experiments to test the reliability of the experiment show that this motor protection measurement accuracy, sensitivity and protection performance meet the design requirem

10、ents. keywords: motor protection, scm, fault diagnostics, data acquisition. 目錄目錄 第第 1 1 章章 緒論緒論 .1 1 1.1 電動機保護器研究的背景及意義.1 1.2 電動機保護器的歷史和現狀.1 1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護方式.1 1.2.2 普通電子式電動機保護器.2 1.2.3 智能型電動機保護器.3 1.3 微處理器的發展特點.4 1.4 電動機保護器設計的主要工作和論文的各章節安排.4 第第 2 2 章章 電動機保護原理電動機保護原理 .6 6 2.1 異步電動機的運行原理.6 2

11、.2 電動機故障分類.7 2.3 電動機保護原理分析.8 2.4 電動機故障特征分析及保護判據.9 2.4.1 短路故障特征分析及保護判據.9 2.4.2 堵轉故障特征分析及保護判據.10 2.4.3 斷相故障特征分析及保護判據.10 2.4.4 過載故障特征分析及保護判據.12 2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據.16 2.5 本章小結.18 第第 3 3 章章 電動機保護器硬件電路設計電動機保護器硬件電路設計 .1919 3.1 概述.19 3.1.1 電動機保護器硬件系統的技術要求.19 3.1.2 保護裝置硬件設計綜述.20 3.1.3 各模塊研究.21 3.2 中央處理模塊

12、.21 3.2.1 stc90c58ad 單片機的主要特點 .21 3.2.2 處理模塊電路設計.22 3.3 鍵盤、顯示模塊.23 3.3.1 鍵盤設計.23 3.3.2 顯示設計.24 3.4 電源模塊.26 3.5 數據采集模塊.27 3.6 報警和保護動作執行模塊.28 3.7 通信模塊.29 3.8 本章小結.30 第第 4 4 章章 電動機保護器系統軟件設計電動機保護器系統軟件設計 .3131 4.1 程序設計語言選擇.31 4.2 保護器軟件系統整體設計.32 4.3 保護器主程序設計.33 4.4 鍵盤子程序設計.35 4.5 顯示子程序設計.36 4.6 定時器及數據采集子程

13、序設計.37 4.7 參數調整子程序設計.38 4.8 故障處理子程序設計.41 4.9 系統菜單式操作界面設計.41 第第 5 5 章章 電動機保護器實驗及可靠性驗證電動機保護器實驗及可靠性驗證 .4242 5.1 電動機保護器測量精度測試實驗.42 5.2 電動機保護器過流保護實驗（分段保護）.42 5.3 電動機保護器電壓保護實驗.43 5.4 電動機保護器輕載保護實驗.44 5.5 電動機保護器實驗總結.44 第第 6 6 章章 總結及展望總結及展望 .4545 參考文獻參考文獻 .4646 致謝致謝 .4747 附錄附錄 1 1 電動機保護器原理圖電動機保護器原理圖.4747 附錄附

14、錄 2 2 電動機保護器電動機保護器 pcbpcb 圖圖.4747 第 1 章 緒論 1.1 電動機保護器研究的背景及意義 在重要的工礦企業中，0.4kv交流電動機作為原動力和執行器，得到 了廣泛應運。供電系統70的電能是通過電動機消耗的。由于交流電機具 有結構簡單、制造方便、運行可靠以及價格低廉等優點，因而被廣泛應用。 電動機所帶的負載種類繁多，且往往是整個設備中的關鍵部分，因而，電 動機的安全、穩定運行具有十分重要的意義。 在實際的生產環境中，由于電網波動，負載沖擊以及外界環境高溫、 高濕、粉塵等的影響，導致電動機的安全運行受到很大的威脅。電動機的 故障或不正常運行輕則影響設備功能重則造成

15、設備損壞和其它安全事故， 引起重大的經濟損失，電動機保護器的研究就顯得十分必要。據有關方面 統計，全國每年電動機損毀數量在300萬臺以上，僅電動機的維修費用就 在百億元以上，因電動機不正常工作所造成的耗電量高達數十億kwh，間 接經濟損失更是數目驚人。而且這一數字還在不斷增長。 另外，由于現代電動機設計、生產技術的提高，電動機的體積越來越 小，導致電機內部電流密度顯著增加；再加上現代化的生產工藝往往要求 電動機經常在頻繁的啟動、制動、正反轉以及變負荷等多種狀態下切換運 行，電動機出現故障的概率更加難以確定，故障后導致的后果也更加嚴重。 因此，無論從安全的角度還是從經濟的角度來看，電動機保護器的

16、研 究有著深遠的意義。 1.2 電動機保護器的歷史和現狀 1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護方式 熱繼電器是建國以后從前蘇聯引進技術開發的金屬片機械式電動機過 載保護器，是長期以來我國電動機保護器所采取的主要技術方法。 這種電動機保護器由熔斷器、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電動機因過載引起過電流的裝 置。熱繼電器在電子技術尚不發達的時代曾是電機過載保護的首選產品， 利用的是雙金屬片熱效應原理：雙

17、金屬片是由兩片不同膨脹系數的金屬鉚 合而成，通過的電流使它們產生熱量，并向膨脹系數小的一邊彎曲，彎曲 的程度和電流的大小成正比，當電流超過熱繼電器整定電流的一定時間就 會啟動其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達到保護基十單片機控制的 電動機保護器設計的目的。 熱繼電器具有反時限特性和結構簡單、安裝方便等優點；同時，它也 有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應導致熱繼電器有保護時滯和對輕微 堵轉、過載保護欠佳的缺點。由于上述缺點電動機容易長期運行在輕微過 載狀態，使電動機繞組產生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化， 影響電動機使用壽命。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的 分散性，動作

18、曲線與電動機實際保護曲線不協調，使電動機有效功率下降， 嚴重時還會導致誤動作。正因為如此，這種傳統的電動機保護方法正在被 逐步淘汰，新設備上已基本看不到它的身影。 1.2.2 普通電子式電動機保護器 從上個世紀七八十年代開始，隨著半導體技術、電子技術的發展及廣 泛應用，一批的基于分立電子元件和中小規模集成電路的新型電動機保護 產品應運而生。此類保護器從保護取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流 取樣型。電壓取樣型電動機保護器主要針對電動機工作電壓進行相應的檢 測來對電動機進行保護；電流取樣型電動機保護器通過對電動機的線電流 的變化檢測來對電動機進行保護。我國電子式保護器是由晶體管型發展至 集成電路

19、型，裝置功能基本滿足電動機保護的要求。但是設計思路的限制 導致這些電動機保護器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現在： a. 精度不高。由于整個保護器是由眾多分立元件集合而成，任何一 個元件的性能都回對整個系統產生很大影響。各個元器件之間連線繁雜， 在復雜電磁環境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導致保 護器不能正常工作。 b. 無法實現參數存儲、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元 件構成的電動機保護器上無法實現像參數記錄，實時通信這樣的高端功能， 這也限制了這類保護器的應用范圍。 c. 另外，整個保護裝置中的元件、節點眾多，大大增加了系統的故 障點，導致保護器調試困難。 1.2.

20、3 智能型電動機保護器 目前，微機化的智能電機保護器開始逐漸取代傳統的保護器，成為電 機保護器的主流。智能電機保護器作為一種實時控制裝置，要求系統必須 在明確的有界時間范圍內，對故障信號做出響應，及時準確地實施保護。 實時性是保護器系統的關鍵性能，它決定了對電動機故障的檢測靈敏度以 及輸出保護信號的準時性，直接影響了電動機的安全運行。 隨著微電子技術的深入發展，大規模乃至超大規模集成電路成果同新 月異。以微控制器、數字信號處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能 型控制器不斷進步，在國民經濟的各個領域都取得了重大成果?；谥悄?型控制器的電動機保護器與前兩種保護方式相比具有先天的優勢。這種智 能

21、化電動機保護裝置具有處理速度快、智能化程度高等優點，可以實施各 種非常復雜的算法和各種保護功能；由于能夠方便地實現自檢測試功能從 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不正確動作， 提高了保護的可靠性。它可以同時對電動機進行斷相、過載、短路、欠壓、 三相不平衡、堵轉、漏電等進行保護。它還擁有顯示、通信、故障記錄等 功能。智能型電動機保護器正以其優異的性能取得各大原始設備生產商的 青睞，它將是電動機保護器的主要發展方向。 1.3 微處理器的發展特點 自第一個微處理器問世以來，微處理器技術水平得到了十分迅速的提 高，從早期的四位機4004到七十年代末出現的8位機8051、mc6800

22、再到現 在32位機、16位機、8位機多種處理器并舉?，F在，隨著集成電路技術的 不斷進步，各種由大規模集成電路芯片構成的微處理器不斷涌現。當今微 處理器市場上高端三十二位機與低端的八位機在各自的應用領域大展身手。 它們活躍在我們生活的各個領域，大到大型設備、航空航天設備，小至手 機、家電等等都可以找到它們的身影。 本論文所介紹的電動機保護器所采用的stc90c58ad單片機是宏晶科技 推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051單片機。該單片機片上還有極其豐富的外設資源，這包括4路外部中 斷，8路十位高速ad轉換器，集成max810專用復位電路，因此十分適合于 電

23、機監控等相關應用。 1.4 電動機保護器設計的主要工作和論文的各章節安排 本課題的主要目的是研制基于stc90c58mcu的電動機智能保護器，包 括裝置硬件系統的設計、軟件系統的開發調試。針對電動機保護裝置的發 展方向，結合課題的具體任務，主要做了以下幾個方面的工作： (1) 參閱大量文獻資料，剖析原有電動機保護裝置平臺，深入理解 電動機運行的基本原理，掌握電動機運行的特點以及容易出現的問題，明 確電動機智能保護器的設計任務。 (2) 設計保護裝置的硬件電路。設計的重點是處理器模塊，通信模 塊，電源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數據采集模塊，開關量模塊和保護 模塊。 (3) 設計保護裝置的軟件系統

24、。 （4） 通過實驗對裝置的可靠性進行驗證。 根據研究工作的需要，各章節安排如下： 第一章綜述課題的目的和意義，電動機保護裝置的發展歷史和現狀， 微處理器的發展以及簡單介紹了本論文的主要工作。 第二章主要介紹了電動機的基本運行原理，電動機各種故障的特征分 析以及相應的故障判斷方法和保護措施。 第三章論述了電動機保護器的硬件系統設計。以微控制器模塊為核心， 分別介紹了保護裝置的各硬件模塊電路設計。 第四章以硬件設計為基礎，介紹了電動機保護器的軟件設計。 第五章通過試驗檢測驗證了本論文設計的電動機保護器的測量精度， 靈敏度以及保護性能達到了設計要求。 第六章對電動機保護器的設計進行總結以及對其未來

25、發展的展望。 第 2 章 電動機保護原理 2.1 異步電動機的運行原理 交流電機分為異步電動機和同步電動機，其中異步電動機，即感應電 機，由于其結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉，是工農業生產交 通運輸等領域的主要動力設備。本論文以異步電動機為例闡述電動機保護 器的設計。 異步電動機的基本運行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會 產生圓形旋轉磁場，該圓形旋轉磁場的轉速為同步速，轉向取決于通電相 序。旋轉磁場在閉合的轉子繞組中產生感應電流，轉子即在電磁力的作用 下做旋轉運動，轉速小于同步速。 根據電路等效的原理，將電動機的轉子側折算到定子側，并保持在折 算前后磁勢保持不變，電磁功率及損耗

26、保持不變。折算后的電動機等效電 路原理圖如圖2.1所示。 圖 2.1 電動機等效電路原理圖 其中：ul 是電動機定子側線電壓，r1，x1 是電動機定子繞組電阻、 電抗，lm 為電動機的勵磁電抗，r2，x2 是電動機折算到定子側的轉子電 阻、電抗。 2.2 電動機故障分類 對電動機來說，其故障形式從機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)在長時間的電、熱、機械和化學作用下，繞組的絕緣老化損壞， 定轉子繞組匝間短路或是對地短路。 (2) 電網供電質量差，電源電壓三相不平衡、電壓波動大、電網電壓 波形畸變、高次基于單片機控制的電動機保護器設計諧波嚴重或者電動機

27、 斷相運行。 (3) 電源電壓過低使得電動機啟動轉矩不夠，電動機不能順利啟動或 者是在短時間內重復啟動，電動機長時間承受過大的啟動電流導致電機過 熱。 (4) 因機械故障或其它原因造成電動機轉子堵轉。 (5)某些大型電機冷卻系統故障或是長時間工作在高溫高濕環境下造 成電機故障。 造成軸承損壞的原因有很多： (1)機械負荷太大 (2)潤滑劑不合適 (3)惡劣工作環境對軸承的損壞 由于本論文主要研究的是通過電氣測量手段來檢測電動機的運行狀況， 并根據實時采集到保護器的數據適時做出保護動作，因此主要分析解決繞 組故障。 從電氣角度分析，引起電動機繞組損壞的常見故障分為對稱故障和非 對稱故障兩大類。對

28、稱故障主要有：三相短路、堵轉、對稱過載等，這類 故障對電動機的損壞主要是機械應力和電流增大引起的熱效應使繞組發熱 甚至燒毀。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問短路等， 不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現，但若不及時查 找故障原因排除故障則可能造成嚴重后果。當發生對稱故障或嚴重的相間 短路故障時，電動機的轉子處于堵轉狀態，繞組電流大，電機發熱嚴重特 別容易燒毀電機。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時出現過電 流，故障的嚴重程度基本反應在過電流的程度上，因此檢測過電流的程度 可作為這類故障的判斷依據。對稱故障的保護可通過常規的過流保護手段 來實現對于嚴重的三相短

29、路的保護應該采用快速跳閘；堵轉故障的保護應 該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應采用定時限跳閘或反時限跳閘，反 時限特性與電動機的溫升指數特性相配合。詳細情況如表1所示。 表2.1 電動機對稱故障 故障類型零序負序過電流其他特征保護特性 過載無無（1.26）in c iii ba 反時限 堵轉無無（68）in c iii ba 短時限 對 稱 故 障 短路無無（810）in c iii ba 速斷 當電動機內部繞組發生故障如匝問短路，接地短路等，往往在初期并 不會引起顯著的電流增大、電機過熱，但若不及時處理就會導致事故擴大， 進而引起電機過熱，轉自啟動力矩降低等一系列問題，嚴重時可能導致電 動機

30、嚴重損壞乃至報廢。因此，必須實時檢測電動機的運行狀況，保證及 時發現電動機的運行異常，采取全面有效的保護措施保證電動機的可靠運 行。 2.3 電動機保護原理分析 電動機保護原理的研究是保證電動機智能保護器性能高低的關鍵，在 參閱了國內外大量文獻的基礎上，經過認真地研究和比對發現對“稱分量 法”可以對電動機的三相電流進行詳細的描述，可以為故障的診斷提供準 確的信息。 根據三相對稱分量法的理論，三個不對稱的向量可以唯一分解成三組 對稱的向量：正序分量，負序分量和零序分量。各序分量獨立存在，在不 同分量的作用下，系統的各個元件呈現出不同的特性。對稱分量的計算公 式如下（以 a 相為例） 。 (2.1

31、) 式中， ，分別是 a 相電流用對稱分量法分解所得的正 1a i 2a i 0a i 序電流、負序電流、零序電流；算子。 j120 ea 由式（2.1）可知，只有當三相電流之和不等于零時才有零序電流分量。 如果系統采用三角形接法或是中性點不引出的星型接法，三相電流之和總 為零，沒有零序電流分量。 根據前面對故障的分析，電動機在發生對稱故障和不對稱故障時，電 動機的三相電流都會發生變化。根據這一結論論文對發電機常見故障的保 護措施進行了分析。 2.4 電動機故障特征分析及保護判據 2.4.1 短路故障特征分析及保護判據 電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，危害性很大短路故障包 括定予繞組的相

32、間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動 機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網絡的電壓顯 著下降，影響其它用電設備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故 障，該故障初期僅表現為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重 的情況會導致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接此 時，負載星形聯接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯接的將產生相 間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞 電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現大 電流，危害性很大，應進行速斷保護。短路保護的整定值應大于電動機最 大穩定啟動電流，一般取電動機額定電流的8lo倍。在進行短路

33、保護時， 通過檢測電動機a，b，c三相線電流來實現，超過整定值后，直接進行斷 電保護 設為檢測到電動機三相電流的最大值，即 max i cba iii， （2.2） 短路保護的原則是，當在很短的時限內檢測到（k 為短 ezd kiii max 路過流倍數，一般取 810，為電動機額定線電流）時，就認為電動機 e i 有短路故障，應進行速斷保護。 2.4.2 堵轉故障特征分析及保護判據 電動機因機械原因、負荷過大等轉子被卡死或低速運轉而進入堵轉狀 態時，會造成過熱而燒壞。電動機堵轉是最輕的對稱短路故障，也是最嚴 重的過載故障。堵轉電流一般可以達到電動機額定電流的47倍，這么高 的故障電流極易把電

34、動機燒損。因此在檢測到電動機處于堵轉故障時，保 護系統應及時動作，保證電動機不因堵轉而燒壞 堵轉保護信號可取自于電動機線電流，當線電流超過堵轉電流整定值， 并達到整定時限時，立即進行斷電保護。堵轉保護的電流整定值一般可取 電動機的穩定啟動電流，即額定電流的47倍。 由于電動機起動電流也能達到額定電流的47倍，為區分電動機的堵 轉故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內還是在起 動時間后，一般采用躲過電動機起動時間(816秒)的方法來實現。從而 ），（ c iiii bamax max 可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。 2.4.3 斷相故障特征分析及

35、保護判據 電動機斷相故障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。電動機對稱運 行時，其轉軸所受到的轉矩平穩，沒有振動。當電動機繞組斷相，啟動電 動機時就會有嗡嗡聲而不能啟動。根據對稱分量法，電動機斷相運行時的 三相不對稱電流可分解為正序、負序和零序電流。正序電流產生正向轉矩， 負序電流產生反向制動轉矩，零序電流增加損耗。帶動同樣負載的正向轉 矩要克服負載轉矩和由負序電流產生的反向制動轉矩，因此電動機負擔加 重，電流劇增，引起損耗增加，導致電動機燒損。 根據電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現也不同，詳見表 2.2 所示，其中： 電動機正常啟動電流；電動機線電流； s i cba iii, 電動

36、機額定線電流；電動機額定相電流； e ie 。 i 電動機定予繞組相電流。cbaiii 。 , 表 2.2 電動機斷相故障電流表值 由表2.2分析可以看出，電動機斷相故障主要有三類情況：當電動 機繞組以y形連接時，無論斷相發生在線路上或者繞組內部，故障相的線 電流均為零；對于形連接的電動機，發生外部線路斷相時，故障相的 線電流為零；若形連接的電動機發生繞組內部斷相時，電動機故障相 的相電流為零，但線電流不為零。 根據以上分析，斷相故障出現后，電動機的線電流不平衡，因此可以 通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。由于斷相故障類型不同，線電 流表現也各異，因此保護判據也不一樣。通常有以下方法： (

37、1)對于前兩種情況可以通過在一定時限內檢測電動機線電流是否為 零的方法來實現，即對某相電流一個周波內連續采樣n點的瞬時值均為零， 或通過計算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對于第種斷相故障，可以通過檢測不對稱電流計算出正序、負 序、零序電流。通過負序電流來反映斷相等不平衡故障。實際上對于第 類斷相故障可以通過計算得出a相的正、負序電流有如下關系： e 2 3 3 2 3 1 iiiiicbaa）（ 。 （2.3） e 2 3 3 1 3 1 iiiiicbaa）（ 。 （2.4） 即，因此可以通過正、負序電流的這個比值來判斷電動機的2/aaii 。 第類斷相故障。 2.4.4 過載

38、故障特征分析及保護判據 電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行中因負荷過大所引起的 過熱現象。其突出特點是電動機的工作電流大于額定電流，溫升高于額定 值，如果電動機長時間過載運行會引起電動機繞組過熱而燒損。電動機過 載運行主要由以下幾種原因造成： (1)負荷增加：(2)機械設備故障或未安裝好；(3)電動機本身機械故 障；(4)電動機容量選擇偏?。?5)電動機修理時繞組線徑選擇偏小；(6) 雙機拖動負荷分配不均；(7)電動機端電壓過低等。 a a電動機溫升特性電動機溫升特性 電動機定子繞組溫度高出周圍環境溫度的值稱為溫升。電動機溫升特 性的數學模型是推導電動機容許過載特性數學模型的基礎性工作，

39、是電動 機反時限過載保護的理論基礎，有利于分析電動機定子繞組的發熱特點。 電動機在運行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機械損耗，它們會 轉變為熱量，一部分通過機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加 熱電動機，使其溫度上升，最終超過環境溫度。 電動機是由多種材料組成的非均質發熱體，其發熱情況比較復雜。但 實際測定表明，電動機的發熱曲線與均質發熱體的發熱曲線只有較小的差 別。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質發熱體，且忽略 電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。因此，依 據均質固體發熱理論，異步電動機定子繞組過負荷運行時的熱平衡微分方 程為： dtdrdtdt 2

40、 e 2 scgiiq）（ （2.5） 式中： q定子物體每秒鐘內所產生的熱量(w)； i電動機過載狀態下的定子電流(a)； 電動機額定定子電流(a)； e i r電動機定子繞組電阻()； c定子物體材料的比熱，即使lkg物體溫度升高1所需的熱量c (j/kg)；c g定子物體的質量(kg)； 散熱系數，即每平方米表面每度溫差、每秒時間內所散發的 熱量焦耳數(w)； 2 mc s散熱表面積()； 2 m 定子繞組溫升()。c 式(2.5)左邊是在時間間隔dt中，定子繞組由于過負荷而發出的熱量 qdt。右邊cgd是電動機溫度升高d度所吸收的熱量，sdt是dt時間 內散失在周圍介質中的熱量。式(2

41、.5)為一階線性微分方程，其通解為： t cg s a s q e （2.6） 式中a待定常數，由初始條件確定，即認為負荷不變化時，0 0 t 定子繞組溫度與周圍介質的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式 (2.6)得出待定常數a為: s rii s q a e )( 22 將a代入式（2.6）可得 （2.7）（ t cg s e e s rii 1 )( 22 這就是異步電動機的溫升數學模型，其特性曲線如圖2.2所示。 圖2.2電動機過負荷運行時溫升特性 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當時間t=o時，電動 機的溫度與環境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導，這時電動機產生的全 部損

42、耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。隨著電動機溫度 上升的增加，它與周圍介質的溫度差越來越大，散發到周圍介質中的熱量 也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發熱量時，電動機的溫度就 不再升高，它所產生的全部熱量散發到周圍介質中，即達到穩定溫升。 b b電動機反時限過載保護特性電動機反時限過載保護特性 對式(2.7)中的指數項進行泰勒級數展開，取前兩項可得： t cg s e t cg s 1 （2.8） 將式（2.8）代入式（2.7）并整理可得 (2.9) 11)/( t 222 e t ii t 式中：稱為電動機的過載倍數 e ii / 為一常數，若電動機的最大容許溫升為，則式（

43、2.9）為 ri cg t e 2 max 1 1 1 22 max 2 ri cgt t e （2.10） 式（2.10）反應了電動機過載倍數與電動機容許過載時間t的關系， 即，我們把這種關系稱為電動機的容許過載特性，如圖2.3曲線1 ft 所示。從圖中可以看出，電動機過載倍數越大，其容許過載時間就越短， 即呈現反時限特性。 圖2.2電動機過載保護特性曲線 1電動機容許過載特性；2定時限過載保護特性； 3階段式定時限過載保護特性；4反時限過載保護特性； 電動機在設計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短 時過載能力。其實在實際生產中，電動機負載往往會有一定的波動，這也 要求電動機具

44、有一定短時過載能力，不會因短時過載而停機，影響正常生 產。 電動機過載保護動作時問t與過載倍數的關系稱為電動機過載保護 特性。設計過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因 為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產，這樣 的保護也就失去意義了。圖2.2中可以看出，定時限過載保護和階段式定 時限過載保護都不能像反時限過載保護特性那樣充分利用電動機的過載能 力，因此在設計過載保護特性時應具有優良的反時限特性。 c c電動機反時限過載保護的實現電動機反時限過載保護的實現 對于圖2.4中曲線4所表示的連續的反時限過載保護特性，可以通過取 有限個有代表性的特征點來實現，即對

45、電動機過載區間劃分為若干個子過 載區間，對于每一個子過載區間采用定時限的保護方法來實現，如表2.3 所示。 表2.3 某電動機反時限過載保護的分段式實現 e / ii 動作時間t/s（具體可設定為某一列） 2 . 1 60120180120300 31. 1 4896144192220 38 . 1 3672120168200 44 . 1 246096120180 50 . 1 820304060 0 . 2 610203040 過 流 反 時 限 保 護 0 . 3 0.47142025 2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據 根據三相異步電動機的電磁轉矩公式： 2 20 2 2 2

46、 12 )s ( s xr ur kt 式中:t電磁轉矩 k常數 定子電壓 1 u 電動機轉子電阻和啟動感抗 202 xr ， s轉差率 電動機的電磁轉矩與電網供電電壓有關。當電網電壓上下波動時，電 動機的電磁轉矩相應發生變化，進而影響到定子電流變化，從而影響到電 動機正常運行。 a a欠壓保護欠壓保護 在電動機負載和轉子電阻一定的條件下，電網電壓降低時，電磁轉矩 下降，電動機轉速下降，旋轉磁場對轉子的相對轉速增大，磁通切割轉子 導條的速度增大，因此轉子繞組中感應出的電動勢和產生的轉子電流都將 增大。和變壓器的原理一樣，轉子電流增大，定子電流必然相應增大乜”， 溫升增高。如果電動機長時間在低電

47、壓工作會使電動機過熱甚至燒壞，嚴 重時還會造成堵轉。低電壓也會使電動機起動轉矩下降，當電壓降低到能 使起動轉矩小于負載轉矩時，電動機就無法啟動。 電動機要不要裝設欠壓保護有一定原則。對電源電壓短時降低或短時 中斷后又恢復需要自動起動的重要電動機，不裝設低壓保護。下列電動機 一般需裝設欠壓保護：(1) 當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復時， 為保證重要電動機自啟動而需要斷開的次要電動機；(2)電源電壓短時降 低或短時中斷后，根據生產或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動 機；(3)需要自啟動，但為保證人身和設備的安全，在電源電壓長時間消 失后，需從電網中自動斷開的電動機。 欠壓保護的整定原則

48、是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均低 于保護整定值，則認為有故障產生，應進行斷電保護 b b過壓保護過壓保護 過電壓一般是由電網電壓波動造成的，當然也可能是伴隨其它故障的 產生而產生的，如對于負載星形連接且無中性線的電動機，如果定子繞組 一相短路，會造成其它兩相負載的電壓增大。 電動機在過電壓狀態下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，進而縮 短電動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。 過壓保護的整定原則是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均高 于保護整定值，則認為有故障產生，應進行斷電保護。 2.5 本章小結 本章從異步電動機的模型入手，首先介紹的異步電動機的基本運行原 理，電動機運

49、行時內部的基本電磁關系以及電動機的等效電路圖。然后對 異步電動機的典型常見故障的類型以及發生的原因從理論上進行了深入細 致的分析，在此基礎之上，重點分析了造成電動機損壞的電氣原因，分析 了電動機對稱故障和不對稱故障的特征并引入了對稱分量法的部分理論。 最后，在理論分析基礎之上本文敘述了構成電動機智能保護器的基本 原理，并詳細介紹了電動機保護判據。包括：短路故障、堵轉故障、斷相 故障、過載故障 、欠壓和過壓故障特征分析及保護判據。 第 3 章 電動機保護器硬件電路設計 本章將詳細討論電動機智能保護器的硬件電路設計，本論文的硬件系 統以stc90c58ad單片機為核心，并配以外圍電路構成。考慮到電

50、動機智能 保護器的應用環境及可靠性要求，在具體的電路設計和芯片選型方面充分 考慮了該保護器的實際需要及抗干擾性能。 硬件電路的設計是整個系統設計的基礎硬件，設計的好壞不僅直接影 響硬件系統本身功能的實現，而且對以后的軟件系統設計與實現有很大的 影響。所以硬件電路的設計不僅要考慮裝置系統功能的要求，還要考慮到 使系統軟件設計實現時更簡單方便。 3.1 概述 3.1.1 電動機保護器硬件系統的技術要求 電動機智能保護器的工作環境中通常存在大量的機電設備，這些機電 設備在啟動、運行、停止時都會產生大量的電磁干擾。這導致電動機智能 保護器的工作環境復雜，對抗干擾性能要求較高。而且在電動機產生故障 時能

51、夠及時準確地發出保護命令，這就對保護器的硬件電路設計提出如下 的要求。 (1) 抗高溫、低溫能力強。保護器系統電路中元件的性能會隨溫度變 化而變化，在較高溫度或較低溫度時有可能產生誤動作，故保護器系統所 有的元器件都應選用工業級器件。 (2) 抗強電磁干擾能力強。繼電器的閉合與斷開，電動機的運行等都 會在空間激發高頻電磁場，產生大量的強電磁干擾，影響電子設備正常運 行甚至導致設備失效，因此在進行硬件電路設計時應該盡可能地提高硬件 的抗干擾性能。 (3) 處理器運算速度快。由于裝置需要進行大量的數據輸入輸出以及 數據運算，為保證保護器動作的快速性和準確性必須采用運算速度快的微 處理器。 (4)

52、采樣精度高。電動機保護器需要實時檢測電動機的運行數據，表 征電動機狀態的參量必須得到精確的測量。 3.1.2 保護裝置硬件設計綜述 電動機保護的功能最終是通過硬件來實現的，硬件系統性能的優劣直 接影響到保護器的性能指標。而實際的電動機保護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，通過認 真論證比較最終決定以國內宏晶科技推出的基于新一代增強型8051內核的 stc90系列單片機作為核心控制器。 電動機智能保護器的硬件系統以stc90c58單片機為核心控制器，采用 模塊化設計方法，根據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、顯示

53、模塊，數據采集模塊和開關量輸出模塊， 系統硬件模塊結構圖如圖31所示： 處理模塊 數據采集模塊 電源報警和保護動作執行模塊 通信模塊 鍵盤顯示模塊 圖3.1 系統框圖 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，利用片上ad模 塊對三相電壓電流以及電動機溫度進行檢測，根據保護算法進行保護決策。 (2)鍵盤、顯示模塊。該模塊是本保護器的人機交互接口，鍵盤主要 用來設定電動機的參數、額定值。顯示器則用來顯示電動機的運行狀態和 報警信息。 (3)電源模塊。給微處理器提供標準5v電源，給其它模塊提供合適電 平的電源。 (4)數據采集模塊。將電動機的運行參數經過信

54、號處理和電平變換之 右逡入處理器的ad轉換模塊。 (5) 報警和保護動作執行模塊。電動機智能保護器故障報警和保護動 作的執行通道，可以將微處理器的保護決策送至繼電器、斷路器等電氣設 備完成低電壓控制高電壓的工作。 (6)通信模塊。將電動機及電動機保護器的狀態信息送到pc機上，便 于技術人員實時監控和進行歷史數據分析。 3.2 中央處理模塊 處理器模塊采用stc90c58ad單片機。stc90c58ad單片機是宏晶科技生 產的高速低功耗超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容 傳統8051單片機，但速度快812倍，內部集成max810專用復位電路。4路 pwm，8路高速十位ad轉換器，

55、針對電機控制，強干擾場合。 3.2.1 stc90c58ad單片機的主要特點 （1）增強型8051內核，指令代碼完全兼容傳統8051； （2）工作電壓范圍：5.5v-3.3v(5v單片機)/3.6v-2.0v(3v單片機)； （3）工作頻率范圍：0-40mhz，相當于普通 8051 的 080mhz，實際 工作頻率可達 48mhz； （4）片上集成 256+4096 字節 ram； （5）通用 i/o(35/39 個)，復位后為：p1/p2/p3/p4 是準雙向口/弱上 拉；p0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 i/o 口 用時，需加上拉電阻； （6）isp（在系統可編程

56、）/iap(在應用可編程)，無需專用編程器， 無需專用仿真器可通過串口（rxd/p3.0，txd/p3.1）直接下載用戶程序， 數秒即可完成； （7）內部集成 max810 專用復位電路，增強系統抗干擾性能； （8）共 3 個 16 位定時器/計數器. （9）8 路 10 位 a/d 轉換； （10）工作溫度范圍：-40+85(工業級)/075（商業級）；c c 3.2.2 處理模塊電路設計 根據前面的分析，控制器處理模塊電路圖設計如圖 3.2 所示。 圖 3.2 處理模塊硬件電路圖 3.3 鍵盤、顯示模塊 人機接口是本電動機保護器的重要組成部分，通過它可以實現人機交 互，進行電動機參數設定，

57、顯示電動機運行狀態以及報警等功能。 3.3.1 鍵盤設計 鍵盤是典型的輸入設備，其功能是為了輸入數據、命令以及查詢系統 的工作狀態，實現簡單的人機通信。鍵盤由選擇鍵和功能鍵組成。 本裝置鍵盤采用2 x 3矩陣式非編碼鍵盤，共6鍵，分別為： （1）12為左鍵（在定制輸入確認鍵按下后作為數字的減小鍵)和右 鍵(在定制輸入確認鍵按下后作為數字的增大鍵)； （2）34為上下選擇鍵，用于選擇菜單以及在輸入設定數據時用于 選擇數據位的位置； （3）5為功能選擇（返回）鍵，6為確認鍵。 p2口的低3位作為輸入口，p2.4，p2.5口作為輸出口。 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下運用“行掃描法” 。行掃描法又稱為逐

58、 行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法， 1、判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線key1，key2，key3置低電平， 然后檢測列線的狀態。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下， 而且閉合的鍵位于低電平線與3根行線相交叉的3個按鍵之中。若所有列線 均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 2、判斷閉合鍵所在的位置：在確認有鍵按下后，即可進入確定具體 閉合鍵的過程。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，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 各列線的電平狀態。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。 鍵盤的設計電路如圖3.

59、3所示： 圖 3.3 鍵盤設計電路 3.3.2 顯示設計 本裝置中人機接口的顯示采用點陣式液晶顯示模塊，帶中文字庫圖形 液晶模塊 12864 控制器7920，帶中文字庫的圖形點陣液晶模塊克服了以 往裝置采用數碼管顯示器存在的顯示功能少，不美觀和功耗高等缺點。 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，液晶對光具有旋光作用，使光的偏振方向旋轉90。，當光線通 過兩個偏振片和液晶盒后，能沿原路經反射極返回，此時液晶盒呈透明狀 態；當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，導致不能通過兩個偏振片，從而顯示黑色。按

60、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，就能實現功能多樣、形態各 異的顯示。 3.3.2.2 液晶顯示器的特點 lcd作為電子信息產品的主要顯示器件，相對于其它類型的顯示部件 來說，有其自身的特點： （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，所以液晶顯示器件是要求低功耗設備的首 選顯示器件。 (2)平板型結構：lcd的基本結構就是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。 這種結構具有使用方便，生產工藝簡單等優點，特別是在生產上，適宜采 用集成化生產工藝，通過自動生產流水線可以快速大批量生產。 (3)使用壽命長：lcd器件本身幾乎沒有