【正文】 文） 1 第 1 章 緒論 電動機保護器研究 的背景及意義 在重要的工礦企業(yè)中， ，得到了廣泛應運。 供電系統(tǒng) 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(yōu)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(wěn)定運行具有十分重要的意義。 在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負載沖擊以及外界環(huán)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設備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟損失，電動機保護器的研究就顯得十分必要。據(jù)有關方面統(tǒng)計，全國每年電動機損毀數(shù)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(shù)十億 KWh，間接經(jīng)濟損失更是數(shù)目驚人。而且這一數(shù)字還在不斷增長。 另外，由于現(xiàn)代電動機設計、生產(chǎn)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(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動機經(jīng)常在頻繁的啟動、制動、正反轉以及變負荷等多種狀態(tài)下切換運行，電動機出現(xiàn)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(jīng)濟的角度來看，電動機保護器的研究有著深遠的意義。 電動機保護 器 的歷史和現(xiàn)狀 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(lián)引進技術開發(fā)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。 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 2 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(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應原理：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(yōu)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(tài)，使電動機繞組產(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，動作曲線與電動機實際保護曲線不協(xié)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(tǒng)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。 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(fā)展及廣泛應用，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機保護產(chǎn)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(fā)展至集成電路型，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(xiàn)在： 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 3 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(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個元器件之間連線繁雜，在復雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導致保護器不能正常工作。 b. 無法實現(xiàn)參數(shù)存儲、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構成的電動機保護器上無法實現(xiàn)像參數(shù)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(jié)點眾 多，大大增加了系統(tǒng)的故障點，導致保護器調試困難。 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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(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步，在國民經(jīng)濟的各個領域都取得了重大成果?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱訖C保護器與前兩種保護方式相比具有先天的優(yōu)勢。這種智能化電動機保護裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)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(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(yōu)異的性能取得各大原始設備生產(chǎn)商 的青睞，它將是電動機保護器的主要發(fā)展方向。 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 4 微處理器的發(fā)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(xiàn)的 8位機 805 MC6800再到現(xiàn)在32位機、 16位機、 8位機多種處理器并舉。現(xiàn)在，隨著集成電路技術的不斷進步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構成的微處理器不斷涌現(xiàn)。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(tǒng)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，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關應用 。 電動機保護器設計 的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的電動機智能保護器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調試。針對電動機保護裝置的發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)。 （ 4） 通過實驗對裝置的可靠性進行驗證。 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，電動機保護裝置的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 5 微處理器的 發(fā)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(tǒng)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發(fā)展的展望。 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 電動機保護原理 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(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運輸?shù)阮I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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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， 電磁功率及損耗保持不變。折算后的電動機等效電路原理圖如圖 。 圖 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。 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 7 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(wǎng)供電質量差，電源電壓三相不平衡、電壓波動大、電網(wǎng)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(tǒng)故障或是長時間工作在高溫高濕環(huán)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(huán)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(jù)實時采集到保護器的數(shù)據(jù)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(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)，但若不及時查找故障原因排除故障則可能造成嚴重后果。當發(fā)生對稱故障或嚴重的相間2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 8 短路故障時，電動機的轉子處于堵轉狀態(tài)，繞組電流大，電機發(fā)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(xiàn)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(jù)。對稱故障的保護可通過常規(guī)的過流保護手段來實現(xiàn)對于嚴重的三相短路的保 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(shù)特性相配合。詳細情況如表 1所示。 表 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 對 稱 故 障 過載 無 無 （ ～ 6） In CIII ?? ba 反時限 堵轉 無 無 （ 6～ 8） In CIII ?? ba 短時限 短路 無 無 （ 8～ 10） In CIII ?? ba 速斷 當電動機內部繞組發(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(fā)現(xiàn)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。 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(jīng)過認真地研究和比對發(fā)現(xiàn)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(jù)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(tǒng)的各個元件呈現(xiàn)出不同的特性。對稱分量的計算公2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 9 式如下（以 A 相為例）。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負序電流、零序電流；算子 J120ea? 。 由式 （ ） 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(tǒng)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(jù)前面對故障的分析，電動機在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時，電動機的三相電流都會發(fā)