電動機(jī)保護(hù)-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1 前言</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)外研究的狀況</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的智能型多功能電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生?；谖⑻幚砥鞯碾妱訖C(jī)保護(hù)裝置具有優(yōu)異的保護(hù)特性、完善的功能擴(kuò)展和智能化的監(jiān)測與控制。經(jīng)過多年的發(fā)展，國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電機(jī)保護(hù)器。

2、如：德國SIEMENS公司的3UBI系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器、英國GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制繼電器。國內(nèi)也有許多單位在進(jìn)行研制(如上海電器科學(xué)研究所，南京自動化研究所等)。各類產(chǎn)品除基本的保護(hù)功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(shù)(如故障值、故障類型等)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于微機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國外一些公司又

3、提出了兼有監(jiān)控、保護(hù)功能的智能化保護(hù)器。它能與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)；也能監(jiān)視電動機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)，不但能測量當(dāng)前數(shù)據(jù)，并能對過去的運(yùn)行參數(shù)及故障情況做出統(tǒng)計，幫助操作人員做出決策，以減少線路和設(shè)備的停機(jī)和維修時間，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　1.2 以熱繼電器為主的組合保護(hù)</p><p>　　中小型電機(jī)保護(hù)采用熔斷器、接觸器和斷路器及熱繼電

4、器的組合。采用熔斷器及熱繼電器的電機(jī)保護(hù)是較為經(jīng)濟(jì)、簡單的一種方式。熔斷器與刀開關(guān)是使用最早、最簡單的保護(hù)方式。熔斷器主要是用于短路故障或嚴(yán)重過載時保護(hù)供電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)的，際上它對電機(jī)不起直接保護(hù)作用。當(dāng)熔體熔斷時，又往往會造成電機(jī)缺相運(yùn)行而燒毀。許多人把熔斷器的作用看作是保護(hù)電機(jī)，是一個概念錯誤?，F(xiàn)行的熔斷器熔體截面選擇按電機(jī)額定電流1．5～2．5倍來選擇是不符合實(shí)際的。電動起動時受到5～7倍大電流沖擊，但因時間短，理論上是可以在熔

5、體不熔斷的情況下通過熔體，但由于熔體在制造工藝、時效和安裝上存在隨機(jī)“缺陷”，在電機(jī)起動時很容易發(fā)生部分相首先熔斷，而使電機(jī)處于缺相運(yùn)行，造成燒毀事故。</p><p>　　過載熱繼電器在保護(hù)電機(jī)過載方面具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有保護(hù)時滯和對輕微過載與堵轉(zhuǎn)保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)，因而容易導(dǎo)致長期輕微過載運(yùn)行使電機(jī)繞組產(chǎn)熱累計，而使繞組絕緣老化造成電機(jī)損壞。但是熱繼電器對起動過程中的電機(jī)不起保護(hù)作用，且環(huán)境溫度對

6、熱繼電器參數(shù)影響較大，不穩(wěn)定。雙金屬片整定方法粗糙，因?yàn)闊崂^電器安裝在電機(jī)殼外，一旦發(fā)生通風(fēng)受阻、堵轉(zhuǎn)、長期輕微過載使電機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累等，熱繼電器就無法保護(hù)電機(jī)。原因是熱繼電器串接在主電路中，與電機(jī)繞組溫度無直接關(guān)系。另外熱繼電器本身是一個耗能元件，在動作過程中要消耗較多的電能。而當(dāng)熱繼電器真正起到保護(hù)作用動作幾次，其本身的電阻絲、絕緣材料會因過熱而迅速損壞，不能繼續(xù)使用，必須全套更換。</p><p>　　1

7、.3 傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)</p><p>　　以反映故障發(fā)生后電流量的變化為判據(jù)的電磁型保護(hù)曾得到廣泛應(yīng)用。目前我國電網(wǎng)中，有一部分電機(jī)保護(hù)仍采用電磁型繼電器為主的保護(hù)。如運(yùn)行中的保護(hù)，大多數(shù)為電流速斷或定時限過流，另有相當(dāng)數(shù)量的電機(jī)采用一次過電流保護(hù)。根據(jù)異步電機(jī)的起動特性，為了使保護(hù)在電機(jī)起動時可靠不動作，這些保護(hù)的定值都要躲過電機(jī)的啟動電流來整定，這樣定值要比本身額定電流大許多倍，這對電機(jī)匝間故障、相間故障、

8、堵轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障均不能可靠動作，而只能保護(hù)電源電纜和定子入口的部分，這就加重了電機(jī)的損壞程度，有不少電機(jī)在故障切除后，燒毀的己無法修復(fù)。可見電磁型電機(jī)速斷或定時限電流保護(hù)是犧牲保護(hù)的靈敏性來提高可靠性的。</p><p><b>　　1.4 溫度保護(hù)</b></p><p>　　決定繞組絕緣壽命的基本因素是溫度。因此，任何規(guī)定的允許過負(fù)荷持續(xù)時間，都應(yīng)以絕緣發(fā)

9、熱為依據(jù)。而熱保護(hù)(熱繼電器)，電流保護(hù)(電磁型、電子式的本質(zhì))，都是按照電機(jī)定子電流的大小規(guī)定允許過負(fù)荷時間的長短。然而，往往有這樣的情況，即電流盡管沒有超過額定值，而電機(jī)的溫度卻達(dá)到了危險的數(shù)值，需要把電機(jī)從電網(wǎng)斷開。由此看來，直接反映電機(jī)溫度的保護(hù)具有一定的優(yōu)越性。溫度保護(hù)是利用安裝在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器米實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定溫度時，繼電器動作斷開電機(jī)的供電電路。此類保護(hù)的關(guān)鍵是在制造電機(jī)時，將傳感器直接放在電機(jī)繞組罩，但究竟將

10、其預(yù)埋于電機(jī)的哪一部位才能最全面有效地檢測電機(jī)繞組的溫升，從而靈敏地切除故障，是不能確定的。比如說，溫度傳感器預(yù)埋于A處，而在遠(yuǎn)離A處的B處發(fā)生故障，傳感器就有可能監(jiān)測不到該處溫度的變化，從而延誤保護(hù)動作的時間而使故障擴(kuò)大。也就是說它的檢測功能是局部的。況且，由于傳感器埋在電機(jī)繞組里，對傳感器的維護(hù)檢修就極為不便，必須拆除電機(jī)本身才能對傳感器進(jìn)行檢修。因此，溫度保護(hù)的使用有著相當(dāng)大的局限性。</p><p>&l

11、t;b>　　1.5 電子式保護(hù)</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，一批新型的電子式多功能保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。我國電子式保護(hù)是由晶體管型發(fā)展至集成電路型的。其原理一般包含兩方面：一是檢測電流值反映過載、短路及堵轉(zhuǎn)等以過流為特征的故障；二是通過檢測電機(jī)電壓或電流是否缺相來反應(yīng)斷相故障。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國的電機(jī)保護(hù)技術(shù)也從機(jī)

12、電式向智能化進(jìn)行過渡，在電機(jī)保護(hù)裝置中引入了微處理器，加強(qiáng)了信號處理功能和通訊功能。這種智能保護(hù)器是在綜合保護(hù)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以同時對電機(jī)斷相、過載、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。另外，智能化電機(jī)保護(hù)器還可以與各種傳感器配合進(jìn)行在線檢測保護(hù)。對電機(jī)的各種故障或早期故障進(jìn)行保護(hù)和判斷，真正實(shí)現(xiàn)了智能檢測和控制。當(dāng)保護(hù)器與遠(yuǎn)程計算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊后，它又有了遙控和遙測的功能，并且能夠

13、存儲大量的數(shù)據(jù)，保護(hù)裝置本身的自動化性能也越來越高。此類保護(hù)器節(jié)能、動作靈敏、精確度高、保護(hù)功能全、重復(fù)性好，代表了當(dāng)前電機(jī)保護(hù)器的發(fā)展方向。</p><p>　　2 三相異步電動機(jī)常見故障及分析</p><p>　　2.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大。短路故障包括定子繞組的相間短路和一相繞組匝

14、間短路。定子繞組的相間短路是電動機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會引起電動機(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的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機(jī)的一相繞組全部短接。此時，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，這會使電動機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞。</p><p>　　電動機(jī)相

15、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(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)大于電動機(jī)最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機(jī)額定電流的8～lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時，通過檢測電動機(jī)A，B，C三相線電流來實(shí)現(xiàn)，超過整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)。短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在一定時限(當(dāng)然很短)內(nèi)檢測到三相最大電流超過電動機(jī)額定線電流K倍時（K為短路過流倍數(shù)，一般取8～10)，就認(rèn)為電動機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。</p&g

16、t;<p>　　2.2 堵轉(zhuǎn)故障特征判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。電動機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動機(jī)額定電流的4～7倍，這么高的故障電流極易把電動機(jī)燒損。因此在檢測到電動機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時動作，保證電動機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞。</p><p>

17、　　堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號可取自于電動機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時限時，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機(jī)的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的4～7倍。</p><p>　　由于電動機(jī)起動電流也能達(dá)到額定電流的4～7倍，為區(qū)分電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護(hù)算法上要能夠判別電動機(jī)是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，一般采用躲過電動機(jī)起動時間(8～16秒)的方法來實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過電動機(jī)的起動電

18、流以免誤動作，使電動機(jī)無法正常啟動。</p><p>　　2.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對稱故障。電動機(jī)對稱運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒有振動。當(dāng)電動機(jī)繞組斷相，啟動電動機(jī)時就會有嗡嗡聲而不能啟動。根據(jù)對稱分量法，電動機(jī)斷相運(yùn)行時的三相不對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)生反向制動轉(zhuǎn)矩

19、，零序電流增加損耗。帶動同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動機(jī)燒損。</p><p>　　表1 根據(jù)電動機(jī)定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)</p><p>　　由表分析可以看出，電動機(jī)斷相故障主要有三類情況：①當(dāng)電動機(jī)繞組以Y形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對于△形連接

20、的電動機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時，電動機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。</p><p>　　2.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機(jī)長時間過載運(yùn)行會引起電動機(jī)繞組過熱而燒損。電

21、動機(jī)過載運(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)電動機(jī)本身機(jī)械故障；(4)電動機(jī)容量選擇偏??；(5)電動機(jī)修理時繞組線徑選擇偏小；(6)雙機(jī)拖動負(fù)荷分配不均；(7)電動機(jī)端電壓過低等。</p><p><b>　　a．電動機(jī)溫升特性</b></p><p>　　電動機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)

22、模型是推導(dǎo)電動機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機(jī)反時限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。電動機(jī)在運(yùn)行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中加熱電動機(jī)，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。</p><p>　　于其銅損電動機(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)際測定表明，電動機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱

23、體的發(fā)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(jī)認(rèn)為是一個均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動機(jī)的溫升主要取決銅損。</p><p>　　電動機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時間t=O時，電動機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時電動機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動機(jī)溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量

24、也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機(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。</p><p>　　b．電動機(jī)反時限過載保護(hù)特性</p><p>　　1—電動機(jī)容許過載特性；2—定時限過載保護(hù)特性；3—階段式定時限過載保護(hù)特性；4—反時限過載保護(hù)特性</p><p>　　電動機(jī)在設(shè)計時往往留有一定余量，因此電動機(jī)可以容

25、許有一定的短時過載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動機(jī)負(fù)載往往會有一定的波動，這也要求電動機(jī)具有一定短時過載能力，不會因短時過載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。電動機(jī)過載保護(hù)動作時問t與過載倍數(shù)B的關(guān)系稱為電動機(jī)過載保護(hù)特性。設(shè)計過載保護(hù)特性時，要充分利用電動機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱訖C(jī)一過載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖中可以看出，定時限過載保護(hù)和階段式定時限過載保護(hù)都不能像反時限過載保護(hù)特性那樣充分利

26、用電動機(jī)的過載能力，因此在設(shè)計過載保護(hù)特性時應(yīng)具有優(yōu)良的反時限特性。</p><p>　　2.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p><b>　　a．欠壓保護(hù)</b></p><p>　　在電動機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，因此

27、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢和產(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，定子電流必然相應(yīng)增大，溫升增高。如果電動機(jī)長時間在低電壓工作會使電動機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時還會造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會使電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)就無法啟動。</p><p>　　電動機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)需要自動起動的重要電動機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。下

28、列電動機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)：(1)當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)時，為保證重要電動機(jī)自啟動而需要斷開的次要電動機(jī)；(2)電源電壓短時降低或短時中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動機(jī)；(3)需要自啟動，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長時間消失后，需從電網(wǎng)中自動斷開的電動機(jī)。</p><p>　　欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時限內(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

29、，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。</p><p><b>　　b．過壓保護(hù)</b></p><p>　　過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對于負(fù)載星形連接且無中性線的電動機(jī)，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。</p><p>　　電動機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對電動機(jī)的絕緣造成破壞，進(jìn)而縮短電動機(jī)使

30、用壽命，因此電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。</p><p>　　過壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時限內(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)。</p><p>　　3 電機(jī)保護(hù)裝置框圖及硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 電機(jī)保護(hù)裝置總體框圖</p><p>　　電動機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：三相電流顯示、聲

31、音報警、故障脫扣、故障記憶、過載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、相失衡保護(hù)、相序保護(hù)、過欠壓保護(hù)等。用傳統(tǒng)的模擬線路要實(shí)現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會變得非常復(fù)雜，整個裝置的體積也會非常龐大。目前一些模擬電子式電動機(jī)保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一，例如：過流保護(hù)器、缺相保護(hù)器、漏電保護(hù)器等，而單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達(dá)到前所未有的水平。 </p>

32、<p>　　用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)保護(hù)的功能，在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成。 </p><p>　　硬件系統(tǒng)基本工作原理是：由電流、電壓互感器實(shí)時檢測電動機(jī)的三相線電壓和線電流，并經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道，根據(jù)一定的算法，計算出信號的有效值，將計算出來的信號有效值與預(yù)先設(shè)定的相

33、應(yīng)整定值進(jìn)行比較判斷，若在一定時限內(nèi)，采樣到的信號有效值都在設(shè)定的故障范圍值之內(nèi)，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，并由單片機(jī)發(fā)出故障控制信號對電動機(jī)進(jìn)行跳閘斷電和報警。若無故障產(chǎn)生，則循環(huán)采樣、顯示和存儲電壓、電流信號。</p><p>　　3.2 80C196K0單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口設(shè)計</p><p>　　80C196KC單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口電路如圖所示</p><p>　　

34、3.3 電源與公共地線的連接</p><p>　　80C196KC有三個電源引腳，Vcc為主電源(+5V)，而Vref為芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器和P0口的參考電壓和電源電壓(+5V)。如果芯片使用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，則為保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，Vref最好分開供電，若與Vcc共電源，也要分開引線；如果不用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，則應(yīng)把Vref與Vcc相連，此時有關(guān)模擬信號輸入引腳作PO端口用。Vpp為EPROM芯片編程電壓，編

35、程時應(yīng)接+12.5V,正常運(yùn)行時與Vcc相連。</p><p>　　芯片的地線引腳包括數(shù)字地Vss和模擬地ANGND，一般都為O。若不用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器時，Vss和ANGND直接相連；若用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器時，Vss和ANGND應(yīng)分開引線，ANGND只在芯片附近與Vss相連。為抑制噪聲，提高系統(tǒng)抗干擾性，Vcc與Vss之間，Vref與ANGND之間應(yīng)接一個去耦電容，電容大小一般為0.1μF或1μF。</p&g

36、t;<p><b>　　3.4 振蕩電路</b></p><p>　　80C196KC片內(nèi)振蕩器電路包含一個晶體控制的正電抗振蕩器，它與外部晶體Y1和外部電容C6、C7的連接方法如上圖所示，XTALl腳為內(nèi)部反相放大器的輸入端，XTAL2腳為該放大器的輸出端。在晶體振蕩器中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一個感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。</p>

37、;<p>　　80C196KC的狀態(tài)周期由振蕩器信號經(jīng)2分頻后獲得，本系統(tǒng)采用12MHz的晶體振蕩器，故狀態(tài)周期為1/((12/2)×106)=167ns，它是指令執(zhí)行的基本時間單位，是對程序設(shè)計非常重要的時間常數(shù)。</p><p><b>　　3.5 復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位信號用來將80C196KC單片機(jī)初始化為復(fù)位狀態(tài)，

38、系統(tǒng)每次上電時，都應(yīng)復(fù)位。為了復(fù)位，復(fù)位信號至少保持4個狀態(tài)周期。單片機(jī)復(fù)位使一些寄存器初始化，清除PSW，由2018H存儲單元讀出芯片配置字節(jié)并存入芯片配置寄存器CCR，并將Pc寄存器的值置為2080H，從2080H存儲單元開始執(zhí)行指令。</p><p>　　本系統(tǒng)的復(fù)位電路如上圖所示，帶有上電復(fù)位和手動復(fù)位功能。上電時靠復(fù)位電容C3的充電緩沖保持在低電平狀態(tài)；手動復(fù)位時按下復(fù)位開關(guān)S16并延遲一定時間，可將引

39、腳拉低復(fù)位。圖中二極管D6為復(fù)位電容在掉電的情況下提供了一條迅速放電的通路，以保證芯片能在反復(fù)上電的情況下可靠復(fù)位。</p><p>　　3.6 其它相關(guān)引腳的說明</p><p>　　(1)ACHO～ACH7為80C196KC內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器8個模擬輸入通道，本系統(tǒng)用其中的ACH0～ACH5六引腳作為采樣電壓/電流信號的輸入通道。</p><p>　　(2)P1.

40、0～P1.7為8位準(zhǔn)雙向I/0口，本系統(tǒng)用其中部分引腳作為控制輸出信號。</p><p>　　(3)P3.O～P3.7及P4.O～P4.7引腳有2種功能，一種為具有開漏輸出特性的雙向口，一種是訪問外部存儲器時，作為系統(tǒng)總線。本系統(tǒng)用其第二種功能，即用來作為訪問外部存儲器的地址/數(shù)據(jù)總線。</p><p>　　(4)、為外部存儲器的讀寫控制信號，ALE為地址允許鎖存信號，EXINT為外部中斷

41、輸入信號，RXD/TXD為串行接口的收/發(fā)腳。</p><p>　　(5)為存儲器選擇信號。當(dāng)其為高電平時，訪問地址范圍為2000H～5FFFH的存儲單元時，指向片內(nèi)EPROM，反之，訪問上述地址范圍的存儲單元時指向片外。由于本系統(tǒng)的程序存儲器由片外提供，故EA接低電平。</p><p>　　3.7 電壓/電流采樣及其調(diào)理電路設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)故障檢測

42、信號取自于電動機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號，其中三路用于線電流檢測，三路用于線電壓檢測。由于80C196KC單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號為O～5V的單極性電壓信號，因此經(jīng)電壓/電流傳感器采樣的交流信號必需轉(zhuǎn)換為O～5V的單極性電壓信號。下圖為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其余兩路相同。</p><p>　　圖中R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器CTl的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流

43、電壓。利用運(yùn)放AR5的高輸入阻抗，來抑制負(fù)載對采樣精度的影響。Vf為偏置電壓，一般通過電阻或電位器分壓電路獲得。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組成簡單低通濾波器。Vref為80C196KB/KC內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷?，二級管D1和D2主要起嵌位作用，可保證V02在-VD2～(VREF+VD1)(VD1、VD2分別為Dl、D2的正向壓降)之間波動。</

44、p><p>　　電壓采樣是通過電壓互感器來實(shí)現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號調(diào)理原理，電路圖如下圖所示。</p><p>　　3.8 系統(tǒng)供電電源設(shè)計</p><p>　　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直流電源以及直流繼電器線圈電源+12V。本裝置都是通過三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖3—5

45、、圖3—6所示。+12V直流繼電器線圈的電壓如下圖中標(biāo)注處引出。</p><p>　　3.9 故障報警和保護(hù)動作執(zhí)行電路設(shè)計</p><p>　　本裝置為電動機(jī)故障提供兩種報警方式，即指示燈報警和蜂嗚器發(fā)聲報警，報警電路如下圖所示。其工作原理是：電動機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，置P1.0為低電平，三極管Q1基極無電流處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器U4和發(fā)光二極管D8也處于截止?fàn)顟B(tài)，報警失效；當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)故

46、障時，置P1.0為高電平，由于三極管Ql的導(dǎo)通而導(dǎo)致發(fā)光二級管D8導(dǎo)通發(fā)光，蜂鳴器U4導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動報警功能。</p><p>　　下圖為保護(hù)裝置的動作執(zhí)行保護(hù)電路。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生故障時，置P2.5為低電平，光電耦合器6N137截止，繼電器Kl斷開，進(jìn)而交流接觸器K2斷開，電動機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)故障自動掉電保護(hù)。</p><p>　　4 電動機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計

47、</p><p>　　4.1 系統(tǒng)初始化及主程序設(shè)計</p><p>　　主程序主要作用是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化以及主要部件的自檢，初始化主要完成80C196KC單片機(jī)多功能引腳的定義、堆棧(SP)地址設(shè)置、鍵盤作方式的設(shè)置以及液晶模塊顯示設(shè)置。自檢對象主要有外部擴(kuò)展隨機(jī)存儲器(RAM)。主程序流程下圖所示。</p><p>　　程序開始執(zhí)行后，首先運(yùn)行初始化模塊，初始化

48、的主要任務(wù)是完成80C196KC有關(guān)I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的設(shè)置、多功能引腳定義、串行口設(shè)置、堆棧地址設(shè)置、8255A工作方式設(shè)置、液晶顯示模塊設(shè)置以及保護(hù)裝置自身的一些系統(tǒng)變量初始化等功能。</p><p>　　自檢程序主要檢測RAM存儲器是否損壞，自檢方法是先向整個R枷地址區(qū)寫入數(shù)據(jù)，然后再一一讀出比較，若不一樣，則出錯。出錯后，由用戶自己決定處理，程序不進(jìn)行出錯處理。</p

49、><p><b>　　4.2 測量主程序</b></p><p>　　測量主程序主要完成電動機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，程序流程圖如上圖所示。進(jìn)入測量主程序之后，首先開啟軟件定時器中斷，并立即執(zhí)行一次軟件定時器0的中斷服務(wù)程序，在其中斷服務(wù)程序中，設(shè)置下一次軟件定時器0中斷的時間間隔，由于本系統(tǒng)一周波內(nèi)采樣12個數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以相鄰兩次采樣間間隔為2

50、0ms/12=1.67ms(20ms為被采樣信號的周期)。這個時間也就是軟件定時器0中斷的時問間隔，即每隔1.67ms產(chǎn)生一次軟件定時器中斷，在其中斷服務(wù)程序中完成電動機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，中斷返回后，等待下一次中斷。</p><p>　　4.2.1 A/D采樣子程序</p><p>　　A/D采樣子程序是測量主程序的重要組成部分，它的主要任務(wù)是依次采集A/

51、D轉(zhuǎn)換器的六路模擬輸入通道的實(shí)時數(shù)據(jù)，并將其存入預(yù)定存儲單元，以供后續(xù)程序取用。</p><p>　　4.2.2 數(shù)據(jù)處理子程序</p><p>　　數(shù)據(jù)處理子程序也是測量主程序的組成部分，它的主要任務(wù)是在A/D采樣子程序的采樣結(jié)束之后，從預(yù)定的RAM單元中取出各路通道最近一個周波內(nèi)采集的12個數(shù)據(jù)點(diǎn)，并根據(jù)有關(guān)算法計算各路電壓或電流的有效值和正負(fù)序分量，然后將其存入預(yù)定單元，并發(fā)送至液晶

52、顯示模塊顯示。須注意的是，顯示之前應(yīng)將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的BCD碼表示，然后查表得各位數(shù)字的顯示碼，并發(fā)送置液晶顯示模塊顯示。</p><p>　　4.2.3 故障處理子程序</p><p>　　故障處理子程序主要任務(wù)是根據(jù)最近采集到的數(shù)據(jù)按下列順序依次進(jìn)行故障判斷。故障判斷順序依次為短路、堵轉(zhuǎn)、斷相、過壓、欠壓、過載。下圖為故障處理子程序流程圖，開始時從預(yù)定RAM中讀取最近采樣的特征

53、參數(shù)，然后短路故障判斷，若有故障，則進(jìn)行故障處理，若無短路故障，則轉(zhuǎn)下一故障處理模塊，當(dāng)全部故障判斷完成后無故障發(fā)生，則重新開啟軟件定時器中斷，等待下一個周波的采樣。每一故障處理模塊都應(yīng)有讀取特征參數(shù)、故障判斷以及故障處理三部分組成。各個保護(hù)模塊計時器的選用視動作時限的長短而定，如對短路和堵轉(zhuǎn)故障動作時限較短，可用80C196KC內(nèi)部定時器1計時，對過載倍數(shù)較小的過載保護(hù)可以以外部時鐘芯片的走時時間作為動作時限計時。</p>

54、<p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是其高故障率對工農(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、可靠性高的電動機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。微控制器以其優(yōu)異的特性在電動機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)中應(yīng)用越來越廣泛，基于微控制器的電動機(jī)保護(hù)測控裝置采用的是將微機(jī)實(shí)時控制技術(shù)引入電動機(jī)保護(hù)的一種控制思想，

55、電動機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置一般具有響應(yīng)速度快、可靠性好、智能化程度高、功能擴(kuò)展靈活、操作方便以及易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本文在分析我國電動機(jī)保護(hù)裝置現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以Intel 80C196Kc為核心的電動機(jī)智能保護(hù)裝置。在系統(tǒng)的保護(hù)原理和硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等方面做了大量的工作，主要有；</p><p>　　(1)根據(jù)電動機(jī)運(yùn)行原理，對電動機(jī)常見電氣故障特征進(jìn)行了詳

56、細(xì)分析，并提出適合微機(jī)實(shí)現(xiàn)的故障保護(hù)方法；</p><p>　　(2)結(jié)合80C196KC單片機(jī)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)的采樣方案及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了反復(fù)的研究，提出了采用80C196KC軟件定時中斷的采樣方案；</p><p>　　(3) 分析了電動機(jī)保護(hù)的原理和方式，選用了采集電動機(jī)的輸入三相電流和三相電壓作為判別電動機(jī)故障的主要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)啟動時間過長、短路、斷相、過載、欠壓故障的保護(hù)；

57、</p><p>　　(4)設(shè)計了以80C196KC單片機(jī)為控制核心的電動機(jī)保護(hù)裝置硬件電路；</p><p>　　(5)給出了基于80C196KC單片機(jī)的系統(tǒng)軟件的完整實(shí)現(xiàn)方案；</p><p>　　(6) 完成了綜合保護(hù)程序的設(shè)計，可以對電動機(jī)的常見故障進(jìn)行有效保護(hù)，并使用屏顯示功能，能夠?qū)崟r的顯示采集到的數(shù)據(jù)信息和故障狀態(tài)。</p><p&

58、gt;<b>　　致謝</b></p><p>　　從本課題的選題、論證、設(shè)計到現(xiàn)在，已經(jīng)有一段時間，在這段時間中，我的導(dǎo)師在課題的選定、課題的指導(dǎo)、論文的撰寫等方面給予了全面的支持。從論文的整理到詳細(xì)審稿、最后定稿無不傾注了xx老師的辛勤汗水。</p><p>　　在期間，導(dǎo)師在學(xué)習(xí)和工作方面對我嚴(yán)格要求，并且在研究方法的確立和一些技術(shù)細(xì)節(jié)、經(jīng)驗(yàn)等方面都給了我指導(dǎo)性

59、的意見和建議，使我在完成學(xué)業(yè)的過程中受益匪淺。特別是在論文指導(dǎo)過程中，我更是從導(dǎo)師那兒學(xué)到了一絲不茍的科研態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的工作作風(fēng)。在此，我要向xx老師表示我最深的敬意和謝意，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的治學(xué)精神，都將成為我以后工作和學(xué)習(xí)的榜樣。</p><p>　　我也要衷心地感謝同組的同學(xué)們，大家勤奮好學(xué)和樂于助人的精神為我樹立了榜樣，時刻激勵著我不斷奮斗! 在與他們的合作與幫助下，課題得以圓滿完成。</p>

60、<p>　　感謝xx大學(xué)這一培養(yǎng)人才的沃土，賦予我知識，賜給我榮譽(yù)，鑄造我人格，指引我道路。</p><p>　　向所有關(guān)心和支持我的老師和同學(xué)以及朋友致以誠摯的謝意!</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 沈標(biāo)正．電機(jī)故障診斷技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996。</p>&

61、lt;p>　　2 趙榮祥，錢吳，陳潼．基于PIC單片機(jī)的智能電機(jī)保護(hù)器[J]．工程設(shè)計學(xué)報，2005，2(12)</p><p>　　3 郝迎吉，李良富．基于80C196單片機(jī)的智能監(jiān)測電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研制[J]．I業(yè)儀表與自動化裝置，2001，4</p><p>　　4 高藝．智能型電動機(jī)綜合保護(hù)器的研究[D]．沈陽工業(yè)大學(xué)，2004</p><p>　

62、　5 魏剛．電動機(jī)智能保護(hù)器的研究與設(shè)計[D]．合肥工業(yè)大學(xué)，2005</p><p>　　6 嗣娟．網(wǎng)絡(luò)式電動機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)[D]．山東科技大學(xué)，2005</p><p>　　7 汪建，孫開放等．MCS-96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)(第二版)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004</p><p>　　8 劉重軒．論我國電機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀和未來[J]．西北紡