0.4kv交流電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　0.4kV交流電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，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(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。</p><p&

2、gt;　　近年來，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，開發(fā)了適用于各種現(xiàn)場環(huán)境的交流電機(jī)測量、監(jiān)控、保護(hù)一體化裝置。本文的主要研究內(nèi)容概括如下。</p><p>　　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。</p><p&

3、gt;　　2．給出了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。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)、過流保護(hù)、不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)以及過熱保護(hù)等功能。</p><p>　　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)。</p><p>　　4．在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，根據(jù)STC90C58AD單片機(jī)的編程

4、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。</p><p>　　最后，通過實(shí)驗(yàn)對電動(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)器的測量精度，靈敏度以及保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　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。</p><p>　　0.4kV AC mot

5、or integrated protection design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　AC motor is the most widely used power equipment, in the national economy plays an important role, but its high fail

6、ure rate on the industrial and agricultural production caused huge economic losses, so the analysis of traditional motor protection devices are not perfect on the basis of , developed functional, highly reliable motor pr

7、otection devices have become necessary.</p><p>　　In recent years, with the microelectronic technology, computer technology, the rapid development of various types of microcontrollers, digital signal processo

8、rs, 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

9、variety of on-site AC motor measurement, monitoring, protection integrated devices. The main contents of this paper are su</p><p>　　1. Of the basic principles of operation of the motor, the motor characteris

10、tics and fault protection principle.</p><p>　　2. Gives a motor protection device implementations. The device can achieve the following fault protection: short circuit protection, stall protection, overcurren

11、t protection, unbalance protection, phase protection, overvoltage protection, undervoltage protection, leakage protection, and thermal protection.</p><p>　　3. In STC90C58AD microcontroller as the core contro

12、ller design with motor protection hardware units, and with liquid crystal displays and other peripherals constitute Motor Protection System.</p><p>　　4. In the design of software systems, based on structural

13、 characteristics STC90C58AD microcontroller programming, modular programming ideas, functional decomposition of the system into smaller modules, and then use the subroutine and interrupt handling functions such as to ach

14、ieve a motor protection.</p><p>　　Finally, the motor protection through experiments to test the reliability of the experiment show that this motor protection measurement accuracy, sensitivity and protection

15、performance meet the design requirements.</p><p>　　Keywords: motor protection, SCM, fault diagnostics, data acquisition.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1<

16、;/b></p><p>　　1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式1</p><p>　　1.2.2 普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器2</p><p>　　1.2.3 智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)

17、器3</p><p>　　1.3 微處理器的發(fā)展特點(diǎn)4</p><p>　　1.4 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4</p><p>　　第2章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理6</p><p>　　2.1 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理6</p><p>　　2.2 電動(dòng)機(jī)故障分類7</p><p

18、>　　2.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析8</p><p>　　2.4 電動(dòng)機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)9</p><p>　　2.4.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)9</p><p>　　2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)10</p><p>　　2.4.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)10</p><p>　

19、　2.4.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)12</p><p>　　2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)16</p><p>　　2.5 本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)19</p><p><b>　　3.1 概述19</b></p><p>　

20、　3.1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求19</p><p>　　3.1.2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)綜述20</p><p>　　3.1.3 各模塊研究21</p><p>　　3.2 中央處理模塊21</p><p>　　3.2.1 STC90C58AD單片機(jī)的主要特點(diǎn)21</p><p>　　3.2.2 處

21、理模塊電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.3 鍵盤、顯示模塊23</p><p>　　3.3.1 鍵盤設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.3.2 顯示設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.4 電源模塊26</p><p>　　3.5 數(shù)據(jù)采集模塊27</p><p>　　3.6 報(bào)警和保

22、護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊28</p><p>　　3.7 通信模塊29</p><p>　　3.8 本章小結(jié)30</p><p>　　第4章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)語言選擇31</p><p>　　4.2 保護(hù)器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)32</p><p>

23、　　4.3 保護(hù)器主程序設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.4 鍵盤子程序設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.5 顯示子程序設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.6 定時(shí)器及數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.7 參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.8 故障處理子程序設(shè)計(jì)41</p&g

24、t;<p>　　4.9 系統(tǒng)菜單式操作界面設(shè)計(jì)41</p><p>　　第5章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)及可靠性驗(yàn)證42</p><p>　　5.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測量精度測試實(shí)驗(yàn)42</p><p>　　5.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過流保護(hù)實(shí)驗(yàn)（分段保護(hù)）42</p><p>　　5.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)43</p>

25、;<p>　　5.4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器輕載保護(hù)實(shí)驗(yàn)44</p><p>　　5.5 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)總結(jié)44</p><p>　　第6章 總結(jié)及展望45</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　致謝47</b></p><

26、p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義</p><p>　　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％的電能是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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

27、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。</p><p>　　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)，全國每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在300萬臺以上，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

28、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。</p><p>　　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)機(jī)的體積越來越小，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。</p><p>　　因

29、此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　1.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式</p><p>　　熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)器，是長期以來我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。</p>&

30、lt;p>　　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)因過載引起過電流的裝置。熱繼電器在電子技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代曾是電機(jī)過載保護(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，通過的電流使它們產(chǎn)生

31、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)電流超過熱繼電器整定電流的一定時(shí)間就會啟動(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。</p><p>　　熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡單、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)致熱繼電器有保護(hù)時(shí)滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。由于上述缺點(diǎn)電動(dòng)機(jī)容易長期運(yùn)行在輕微過載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)繞

32、組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，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)還會導(dǎo)致誤動(dòng)作。正因?yàn)槿绱?，這種傳統(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。</p><p>　　1.2.2 普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器</p><p>　　從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始，隨著半

33、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和電流取樣型。電壓取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主要針對電動(dòng)機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過對電動(dòng)機(jī)的線電流的變化檢測來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。我國電子式保護(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

34、難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在：</p><p>　　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。</p><p>　　b.無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲、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)機(jī)保護(hù)器上無法實(shí)現(xiàn)像參數(shù)記錄，實(shí)時(shí)

35、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。</p><p>　　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。</p><p>　　1.2.3 智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器</p><p>　　目前，微機(jī)化的智能電機(jī)保護(hù)器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)器，成為電機(jī)保護(hù)器的主流。智能電機(jī)保護(hù)器作為一種實(shí)時(shí)控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的

36、有界時(shí)間范圍內(nèi)，對故障信號做出響應(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，它決定了對電動(dòng)機(jī)故障的檢測靈敏度以及輸出保護(hù)信號的準(zhǔn)時(shí)性，直接影響了電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。</p><p>　　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，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成果。基于智能型控制器的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器與前兩種保護(hù)

37、方式相比具有先天的優(yōu)勢。這種智能化電動(dòng)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)對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相、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

38、的主要發(fā)展方向。</p><p>　　1.3 微處理器的發(fā)展特點(diǎn)</p><p>　　自第一個(gè)微處理器問世以來，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)今微處理器市場上高端三十二位機(jī)與低端的八

39、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。</p><p>　　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

40、十分適合于電機(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。</p><p>　　1.4 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</p><p>　　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)的開發(fā)調(diào)試。針對電動(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：</p><p>　　(1) 參閱大量文獻(xiàn)資料，剖

41、析原有電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置平臺，深入理解電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理，掌握電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　(2) 設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的硬件電路。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量模塊和保護(hù)模塊。</p><p>　　(3) 設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的軟件系統(tǒng)。</p><p>　?。?）

42、 通過實(shí)驗(yàn)對裝置的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　根據(jù)研究工作的需要，各章節(jié)安排如下：</p><p>　　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)展以及簡單介紹了本論文的主要工作。</p><p>　　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。</p><

43、;p>　　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)。</p><p>　　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)器的軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　第五章通過試驗(yàn)檢測驗(yàn)證了本論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測量精度，靈敏度以及保護(hù)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　第六章對電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)以

44、及對其未來發(fā)展的展望。</p><p>　　第2章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理</p><p>　　2.1 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理</p><p>　　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)。</p><

45、p>　　異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(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做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速小于同步速。</p><p>　　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。</p&

46、gt;<p>　　圖2.1 電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖</p><p>　　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。</p><p>　　2.2 電動(dòng)機(jī)故障分類</p><p>　　對電動(dòng)機(jī)來說，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。<

47、/p><p>　　造成繞組損壞的主要原因有：</p><p>　　(1)在長時(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地短路。</p><p>　　(2) 電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電源電壓三相不平衡、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。</p><p>　　(3)

48、 電源電壓過低使得電動(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)長時(shí)間承受過大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致電機(jī)過熱。</p><p>　　(4) 因機(jī)械故障或其它原因造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。</p><p>　　(5)某些大型電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障或是長時(shí)間工作在高溫高濕環(huán)境下造成電機(jī)故障。</p><p>　　造成軸承損壞的原因有很多：</p>&l

49、t;p><b>　　(1)機(jī)械負(fù)荷太大</b></p><p><b>　　(2)潤滑劑不合適</b></p><p>　　(3)惡劣工作環(huán)境對軸承的損壞</p><p>　　由于本論文主要研究的是通過電氣測量手段來檢測電動(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。<

50、/p><p>　　從電氣角度分析，引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見故障分為對稱故障和非對稱故障兩大類。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對稱過載等，這類故障對電動(dòng)機(jī)的損壞主要是機(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(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)生對稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的

51、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稱，但同時(shí)出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)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(jù)。對稱故障的保護(hù)可通過常規(guī)的過流保護(hù)手段來實(shí)現(xiàn)對于嚴(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；而對于對稱過載應(yīng)采用定時(shí)限跳閘或反時(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。</p>

52、;<p>　　表2.1 電動(dòng)機(jī)對稱故障</p><p>　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)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(jī)過熱，但若不及時(shí)處理就會導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電機(jī)過熱，轉(zhuǎn)自啟動(dòng)力矩降低等一系列問題，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。</p>

53、<p>　　2.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析</p><p>　　電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理的研究是保證電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真地研究和比對發(fā)現(xiàn)對“稱分量法”可以對電動(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。</p><p>　　根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個(gè)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(fù)序分量和零序分

54、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。對稱分量的計(jì)算公式如下（以A相為例）。</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式中， ，，分別是A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；算子。</p><p>　　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

55、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，三相電流之和總為零，沒有零序電流分量。</p><p>　　根據(jù)前面對故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會發(fā)生變化。根據(jù)這一結(jié)論論文對發(fā)電機(jī)常見故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。</p><p>　　2.4 電動(dòng)機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　2.4.1 短路故障特征分析

56、及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　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(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接．此時(shí)，

57、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(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞．</p><p>　　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8～lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過檢測電動(dòng)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)．</p><p

58、>　　設(shè)為檢測到電動(dòng)機(jī)三相電流的最大值，即</p><p>　?。?.2） </p><p>　　短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在很短的時(shí)限內(nèi)檢測到（k為短路過流倍數(shù)，一般取8～10，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)。</p><p>　　2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p&g

59、t;　　電動(dòng)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(shí)，會造成過熱而燒壞。電動(dòng)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(dòng)機(jī)額定電流的4～7倍，這么高的故障電流極易把電動(dòng)機(jī)燒損。因此在檢測到電動(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．</p><p>　　堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號可取自于電動(dòng)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(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行

60、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4～7倍。</p><p>　　由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的4～7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)間后，一般采用躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間(8～16秒)的方法來實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，以免誤動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)無法正常啟動(dòng)。</p><p>　　2.4.

61、3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對稱故障。電動(dòng)機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒有振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。根據(jù)對稱分量法，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗。帶動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩

62、，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。</p><p>　　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，詳見表2.2所示，其中：</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)電流；—電動(dòng)機(jī)線電流； </p><p>　　—電動(dòng)機(jī)額定線電流；—電動(dòng)機(jī)額定相電流；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)定予繞組相電流。</p

63、><p>　　表2.2 電動(dòng)機(jī)斷相故障電流表值</p><p>　　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：①當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以Y形連接時(shí)，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；③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。</p><p>　

64、　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(xiàn)也各異，因此保護(hù)判據(jù)也不一樣。通常有以下方法：</p><p>　　(1)對于前兩種情況可以通過在一定時(shí)限內(nèi)檢測電動(dòng)機(jī)線電流是否為零的方法來實(shí)現(xiàn)，即對某相電流一個(gè)周波內(nèi)連續(xù)采樣n點(diǎn)的瞬時(shí)值均為零，或通過計(jì)算某相電流的有效值為零，則為斷相故障；</p><p>

65、　　(2)對于第③種斷相故障，可以通過檢測不對稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流。通過負(fù)序電流來反映斷相等不平衡故障。實(shí)際上對于第③類斷相故障可以通過計(jì)算得出A相的正、負(fù)序電流有如下關(guān)系：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　即，因此可以通過正、

66、負(fù)序電流的這個(gè)比值來判斷電動(dòng)機(jī)的第③類斷相故障。</p><p>　　2.4.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動(dòng)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(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)長時(shí)間過載運(yùn)行會引起電動(dòng)機(jī)繞組過熱而燒損。電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成：</p><p>　

67、　(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?。?5)電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏??；(6)雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均；(7)電動(dòng)機(jī)端電壓過低等。</p><p><b>　　a．電動(dòng)機(jī)溫升特性</b></p><p>　　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)容許過載特性數(shù)學(xué)模

68、型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(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)。</p><p>　　電動(dòng)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(dòng)機(jī)，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。</p><p>　　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)際測定表明，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)

69、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)定子繞組過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱平衡微分方程為：</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><

70、;p>　　Q——定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量(W)；</p><p>　　I——電動(dòng)機(jī)過載狀態(tài)下的定子電流(A)；</p><p>　　——電動(dòng)機(jī)額定定子電流(A)；</p><p>　　r——電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻()；</p><p>　　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(J/Kg·)；</p

71、><p>　　G——定子物體的質(zhì)量(kg)；</p><p>　　——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／·)；</p><p>　　S——散熱表面積()；</p><p>　　——定子繞組溫升()。</p><p>　　式(2.5)左邊是在時(shí)間間隔dt中，定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)

72、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：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　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:<

73、/p><p>　　將A代入式（2.6）可得</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　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。</p><p>　　圖2.2電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時(shí)間t=O

74、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)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(dòng)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。</p><p>　　b．電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)特性</p><p>

75、;　　對式(2.7)中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，取前兩項(xiàng)可得：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　將式（2.8）代入式（2.7）并整理可得</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　式中：稱為電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)</p><

76、p>　　為一常數(shù)，若電動(dòng)機(jī)的最大容許溫升為，則式（2.9）為</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　式（2.10）反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)與電動(dòng)機(jī)容許過載時(shí)間t的關(guān)系，即，我們把這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的容許過載特性，如圖2.3曲線1所示。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)越大，其容許過載時(shí)間就越短，即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。</p>&

77、lt;p>　　圖2.2電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性曲線</p><p>　　1——電動(dòng)機(jī)容許過載特性；2——定時(shí)限過載保護(hù)特性；</p><p>　　3——階段式定時(shí)限過載保護(hù)特性；4——反時(shí)限過載保護(hù)特性；</p><p>　　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)載往往會有一定的波動(dòng)，這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定

78、短時(shí)過載能力，不會因短時(shí)過載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)問t與過載倍數(shù)的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(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2.2中可以看出，定時(shí)限過載保護(hù)和階段式定時(shí)限過載保護(hù)都不能像反時(shí)限過載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力，因此在設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)

79、應(yīng)具有優(yōu)良的反時(shí)限特性。</p><p>　　c．電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　對于圖2.4中曲線4所表示的連續(xù)的反時(shí)限過載保護(hù)特性，可以通過取有限個(gè)有代表性的特征點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，即對電動(dòng)機(jī)過載區(qū)間劃分為若干個(gè)子過載區(qū)間，對于每一個(gè)子過載區(qū)間采用定時(shí)限的保護(hù)方法來實(shí)現(xiàn)，如表2.3所示。</p><p>　　表2.3 某電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的分段式實(shí)現(xiàn)&l

80、t;/p><p>　　2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式：</p><p>　　式中:T——電磁轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　K——常數(shù)</b></p><p><b>　　——定子電壓</b></p>

81、;<p>　　——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和啟動(dòng)感抗</p><p><b>　　s——轉(zhuǎn)差率</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　a．欠壓保護(hù)</b><

82、/p><p>　　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，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)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)增大乜”，溫升增高。如果電動(dòng)機(jī)長時(shí)間在低電壓工作會使電動(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會使電動(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)

83、矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就無法啟動(dòng)。</p><p>　　電動(dòng)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(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，

84、在電源電壓長時(shí)間消失后，需從電網(wǎng)中自動(dòng)斷開的電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　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)．</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(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，如對于負(fù)載星形連接

85、且無中性線的電動(dòng)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(dòng)機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對電動(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)過電壓保護(hù)。</p><p>　　過壓保護(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)。</p><p><b>　

86、　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從異步電動(dòng)機(jī)的模型入手，首先介紹的異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系以及電動(dòng)機(jī)的等效電路圖。然后對異步電動(dòng)機(jī)的典型常見故障的類型以及發(fā)生的原因從理論上進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)分析了造成電動(dòng)機(jī)損壞的電氣原因，分析了電動(dòng)機(jī)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。</p><p>

87、;　　最后，在理論分析基礎(chǔ)之上本文敘述了構(gòu)成電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的基本原理，并詳細(xì)介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)判據(jù)。包括：短路故障、堵轉(zhuǎn)故障、斷相故障、過載故障 、欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)。</p><p>　　第3章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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

88、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。</p><p>　　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)更簡單方便。</p><p><b>　　3.1

89、概述</b></p><p>　　3.1.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求</p><p>　　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)、運(yùn)行、停止時(shí)都會產(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，這就對保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)提出如下的要求。</p>

90、<p>　　(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)級器件。</p><p>　　(2) 抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)。繼電器的閉合與斷開，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行等都會在空間激發(fā)高頻電磁場，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。<

91、;/p><p>　　(3) 處理器運(yùn)算速度快。由于裝置需要進(jìn)行大量的數(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。</p><p>　　(4) 采樣精度高。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要實(shí)時(shí)檢測電動(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量。</p><p>　　3.1.2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)綜述</p><p&g

92、t;　　電動(dòng)機(jī)保護(hù)的功能最終是通過硬件來實(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，通過認(rèn)真論證比較最終決定以國內(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。</p><p>　　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，根據(jù)這一思

93、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、顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和開關(guān)量輸出模塊，系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3．1所示：</p><p><b>　　圖3.1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　3.1.3 各模塊研究</p><p>　　(1)處理器模塊。處理器模塊使用STC90C58AD單片機(jī)，利用片上AD模塊對三相電壓

94、電流以及電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行檢測，根據(jù)保護(hù)算法進(jìn)行保護(hù)決策。</p><p>　　(2)鍵盤、顯示模塊。該模塊是本保護(hù)器的人機(jī)交互接口，鍵盤主要用來設(shè)定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、額定值。顯示器則用來顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。</p><p>　　(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。</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)采集模塊。將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

95、經(jīng)過信號處理和電平變換之右逡入處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊。</p><p>　　(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。</p><p>　　(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。</p><p&

96、gt;　　3.2 中央處理模塊</p><p>　　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8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速十位AD轉(zhuǎn)換器，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。</p><p>　　3.2.1 STC90C58AD單

97、片機(jī)的主要特點(diǎn)</p><p>　?。?）增強(qiáng)型8051內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；</p><p>　?。?）工作電壓范圍：5.5V-3.3V(5V單片機(jī))/3.6V-2.0V(3V單片機(jī))；</p><p>　　（3）工作頻率范圍：0-40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；</p><p>　

98、?。?）片上集成256+4096字節(jié)RAM；</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應(yīng)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

99、接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成；</p><p>　　（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；</p><p>　?。?）共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.</p><p>　?。?）8路10位A/D轉(zhuǎn)換；</p><p>　?。?0）工作溫度范圍：-40～+85(工業(yè)級)/0～75（商業(yè)級）；</p><p&

100、gt;　　3.2.2 處理模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　圖3.2處理模塊硬件電路圖</p><p>　　3.3 鍵盤、顯示模塊</p><p>　　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

101、能。</p><p>　　3.3.1 鍵盤設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤是典型的輸入設(shè)備，其功能是為了輸入數(shù)據(jù)、命令以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。鍵盤由選擇鍵和功能鍵組成。</p><p>　　本裝置鍵盤采用2 x 3矩陣式非編碼鍵盤，共6鍵，分別為：</p><p>　?。?）1～2為左鍵（在定制輸入確認(rèn)鍵按下后作為數(shù)字的減小

102、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)；</p><p>　?。?）3～4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；</p><p>　?。?）5為功能選擇（返回）鍵，6為確認(rèn)鍵。</p><p>　　P2口的低3位作為輸入口，P2.4，P2.5口作為輸出口。</p><p>　　確定矩陣式鍵盤上何鍵被

103、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(tài)。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(gè)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(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是

104、：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。 </p><p>　　鍵盤的設(shè)計(jì)電路如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 鍵盤設(shè)計(jì)電路</p><p>　　3.3.2 顯示設(shè)計(jì)</p>&l

105、t;p>　　本裝置中人機(jī)接口的顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，帶中文字庫圖形液晶模塊 12864 控制器7920，帶中文字庫的圖形點(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)。</p><p>　　3.3.2.1 液晶顯示原理</p><p>　　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

106、振方向旋轉(zhuǎn)90。，當(dāng)光線通過兩個(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。</p><p>　　3.3.2.2 液晶顯示器的特點(diǎn)</p><p>　　LCD作為電子信息產(chǎn)品的

107、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(diǎn)：</p><p>　?。?）低電壓微功耗：LCD的工作電壓一般是3～5V，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(shè)備的首選顯示器件。</p><p>　　(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

108、，通過自動(dòng)生產(chǎn)流水線可以快速大批量生產(chǎn)。</p><p>　　(3)使用壽命長：LCD器件本身幾乎沒有劣化問題。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可以使用很長一段時(shí)間。</p><p>　　(4)被動(dòng)顯示：對LCD來說，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％以上是外部物體對光的反射，而不是物體本身發(fā)光，所以被動(dòng)顯示更適合人的

109、視覺習(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)間長的場合更顯得重要。</p><p>　　(5)顯示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD沒有蔭罩限制，像素可以做的很小，這對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。</p><p>　　(6)無電磁輻射：CRT工作時(shí)，不僅會產(chǎn)生電磁輻射，還

110、會產(chǎn)生有害的X射線，影響環(huán)境，而LCD不會有這類問題。</p><p>　　3.3.2.3 LCD 12864液晶顯示器</p><p>　　LCD器件按照其采光方式分類，分為帶背光源與不帶背光源兩大類。不帶背光源的LCD顯示是靠背面的反射膜將射入的自然光從下面反射出來完成；帶背光源的LCD顯示器內(nèi)部集成光源，可以在較差的光線條件下實(shí)現(xiàn)顯示?？紤]到本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要24小時(shí)工作，而且可能被

111、安裝到各種無光源條件的工作環(huán)境中，所以本保護(hù)器選用帶背光型LCD。</p><p>　　綜合考慮顯示效果、顯示信息量以及價(jià)格等因素，并參考了其它設(shè)計(jì)案例，最終決定選用LCD12864液晶顯示器。</p><p>　　12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。<