【正文】 縮小了外形尺寸，采用高級(jí)絕緣材料和電磁材料減少損耗、提高效率，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電流密度顯著增加 ； 加之生產(chǎn)的自動(dòng)化和各種順序控制設(shè)備的出現(xiàn)，要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、間歇及變負(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。因此 ,電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研制工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 2 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)機(jī)保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀 縱觀電動(dòng)機(jī)的保護(hù)發(fā)展經(jīng)歷以下 4 個(gè)階段 [1]: ； 以 建國(guó)初期由蘇聯(lián)引進(jìn)的 JR系列熱繼電器為代表， 熱繼電器在電子工業(yè)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代曾是電 動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)的首選產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但其存在整定精度不高、受環(huán)境影響大、誤差大以及功能單一等缺點(diǎn)。 ；上世紀(jì) 80 年代隨著半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)而涌現(xiàn)出的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。 這種裝置體積小，安裝方便；功能更為全面：可以保護(hù)缺相、過(guò)載、欠流、相失衡、逆相、接地、短路、過(guò)電壓、過(guò)電流等故障，還具有電流電壓顯示和聲光報(bào)警等功能。 但這類產(chǎn)品仍存在一些無(wú)法克服的缺陷。如整定精度不高、采樣精度不高無(wú)法實(shí)現(xiàn)具有多種保護(hù)功能于一體的全保護(hù)、 裝置復(fù)雜，對(duì)電磁干擾敏感，對(duì)維護(hù)人員的要求很高等。 ； 其結(jié)構(gòu)是在電動(dòng)機(jī)繞組中預(yù)先埋設(shè)測(cè)溫元件 (一般為PTC 熱敏電阻 )配合控制設(shè)備，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的溫度保護(hù)。 PTC 熱敏電阻也稱正溫度系數(shù)熱敏電阻，它的電阻值隨著溫度的升高而增大，屬于非線性變化，當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，電阻急劇增大，而發(fā)生突變。溫度保護(hù)就是利用了熱敏電阻的這一特性，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)各種故障時(shí)，都將導(dǎo)致繞組溫度升高，達(dá)到規(guī)定值時(shí)，熱敏電阻的阻值發(fā)生突變，呈很高的阻性，其保護(hù)裝置獲得此信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)控制設(shè)備使電動(dòng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。這種直接監(jiān)視溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，是一種相對(duì)可 靠、準(zhǔn)確的方式。然而對(duì)于非溫度因素引起的一些故障該種保護(hù)卻顯得無(wú)能為力。 [2]：采用微機(jī)處理器 (如單片機(jī) ， DSP)組成的保護(hù)裝置。目前的微機(jī)保護(hù)由 32位單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器 DSP、可編程邏輯芯片、高速高精度的 14至 16位的 A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。由于微機(jī)處理器的智能和功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)其他三種傳統(tǒng)保護(hù)控制裝置不能實(shí)現(xiàn)的保護(hù)控制功能。如能迅速處理采集的電機(jī)各種故障信號(hào)，并將結(jié)果同各種設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，在進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，并可隨時(shí)設(shè)定和顯示各種參數(shù)，還能通過(guò) 485通訊口實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)多臺(tái)從機(jī)的遠(yuǎn)程 控制保護(hù)?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，該保護(hù)裝置越來(lái)越廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 3 受到業(yè)內(nèi)人士的青睞，更多的科技人員也正致力于研制出保護(hù)效果更好的微機(jī)保護(hù)裝置。本課題也正是基于此所做的研究 。 在國(guó)外，早在 1975年初，英國(guó) GEC公司將微機(jī)處理器應(yīng)用于變電所的控制和自動(dòng)合閘的情況就已有報(bào)道。 1979年，美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE)的教育委員會(huì)組織了第一次世界性的計(jì)算機(jī)保護(hù)研究班。之后，世界各大繼電器制造商都先后推出了各種商業(yè)性微機(jī)保護(hù)裝置，微機(jī)保護(hù)逐步趨于實(shí)用。在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)技術(shù)方面，德國(guó)、美國(guó)、日本 、英國(guó)發(fā)展最快。從 70年代后期開(kāi)始，各國(guó)都在這個(gè)方面做了很多努力，使電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)技術(shù)逐漸成熟起來(lái)。例如，德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的 3UB1智能過(guò)載繼電器，這種繼電器能提供過(guò)載、斷相和三相電流不平衡保護(hù)，還具有自我監(jiān)測(cè)等特性。日本富士公司生產(chǎn)的 QA型繼電器由 CT、 A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器組成，提供過(guò)載、斷相和反向保護(hù)。韓國(guó)三和科技會(huì)社推出的 3DD、 3DI、 3DM、 FD數(shù)顯是式智能型保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)斷相、過(guò)載、欠載、三相不平衡、 堵轉(zhuǎn)、漏電、接地和短路等保護(hù)功能，并能實(shí)現(xiàn)于計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，可同時(shí)監(jiān)測(cè) 96臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其他產(chǎn)品還有 交流、直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（ EOCT、 S SE、 ST、 AR、 SI、DSL、 DDT、 TIT、 3ST、 3E、 4F。 GE、 EGR、 DG、 DZ、 DGRSDDR、 EECLH、DZG DZNG ECHL）、數(shù)顯式智能型保護(hù)器 (3DD、 3DI、 3DM、 FD)、電壓型保護(hù)器（ VR、 EOVR、 EUVR）等型號(hào)系列， 60余種規(guī)格 [3]。美國(guó) RockAB公司生產(chǎn) Bulletin825型智能電動(dòng)機(jī)控制器是一種可編程的電子過(guò)載保護(hù)器 ，其可通過(guò) PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與 PC機(jī)通信。美國(guó)的其它產(chǎn)品還有電子型保護(hù)繼電器（ SMP、 CFFI）、熱敏電阻保護(hù)繼電器（ RT3）、電子型保護(hù)系統(tǒng)（ CFT4）、智能控制器（ SMC）等各種型號(hào)序列數(shù)十種規(guī)格 [21]。 歸納來(lái)說(shuō)，國(guó)外保護(hù)裝置的特點(diǎn)一般有：保護(hù)器自身溫度補(bǔ)償、檢測(cè)負(fù)荷率、提示報(bào)替、記憶故障原因和數(shù)據(jù)、通信、與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，能同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)等。與世界先進(jìn)國(guó)家相比我國(guó)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制技術(shù)水平，還有一定差距，其技術(shù)含量較低。品種和功能少、參數(shù)精度低、生產(chǎn)工藝落后等嚴(yán)重制約了我國(guó)在電機(jī)保護(hù)這方面的競(jìng)爭(zhēng)力，因此研發(fā)出新型的智能保護(hù)裝置是當(dāng)務(wù)之急。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 4 我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā) 展趨勢(shì)大致有以下幾點(diǎn) [3]： 1. 研制在線監(jiān)控系統(tǒng)； 2. 追尋理論上的突破，逐步由定性描述到定量分析； 3. 應(yīng)具有較寬的連續(xù)可調(diào)整范圍、方便、準(zhǔn)確； 4. 應(yīng)有完善的保護(hù)特性和互換性； 5. 發(fā)展小型、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的保護(hù)裝置； 6. 應(yīng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性； 7. 應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力；電壓使用能力和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作能力。 本論文的主要工作 本論文研究的是基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)）保護(hù)裝置，主要應(yīng)用于 大、中型企業(yè)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)。 在本次課題設(shè)計(jì)中，首先分析了電動(dòng)機(jī)的各種故障類型及 故障產(chǎn)生的原因，對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)原理做了大量分析，選擇適合于大、中型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)方案；然后在第三章 以 ATmega16L 單片機(jī)為硬件核心， 設(shè)計(jì)出一套綜合保護(hù)裝置，通過(guò)處理采集來(lái)的電壓、電流、溫度等信號(hào)來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否含有故障以及故障的類型，并發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)電動(dòng)機(jī)。接著，在第四章根據(jù)保護(hù)原理和該裝置的硬件平臺(tái)使用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)各種保護(hù)功能的軟件模塊， 使之能夠識(shí)別并處理從傳感器傳來(lái)的電信號(hào)，然后通過(guò)人機(jī)交互界面顯示出來(lái)，近而使人能夠很輕易判斷故障類型。 本文僅在電動(dòng)機(jī)保護(hù)上做了部分保護(hù)裝 置 ，有待更高的完 善。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 5 第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 本章首先列出 了電動(dòng) 機(jī)常見(jiàn)的故障及針對(duì)這些狀況的各種保護(hù)方式，然后詳細(xì)介紹了 電動(dòng) 機(jī) 微機(jī) 保護(hù)裝置所用到的保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)保護(hù)的邏輯關(guān)系圖 。 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障分析 要設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)裝置，首先要分析保護(hù)對(duì)象會(huì)遇到的各類故障，分析其故障特征，才能提出切實(shí)可行的保護(hù)方案。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。 由于電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要通過(guò)測(cè)量電量 (電流、電壓以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等 )來(lái)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，因此本論文探討的主要是繞組故障。 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的繞組故障可分 為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類： 主要包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和三相短路等。這類故障主要特征是三相電流電壓基本對(duì)稱，但電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，還會(huì)產(chǎn)生不良的機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)不同程度的受損； 不對(duì)稱故障又分為接地故障和非接地故障。非接地故障有：斷相、逆相、相間短路、匝間短路等；接地故障有：?jiǎn)蜗嘟拥睾蛢上嘟拥?。這類故障主要特征是除了嚴(yán)重的短路會(huì)造成故障相電流明顯增大外，大多數(shù)的不對(duì)稱故障一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)電流，電動(dòng)機(jī)定子出 現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，如果有過(guò)電流出現(xiàn)，還會(huì)使繞組發(fā)熱，甚至嚴(yán)重?fù)p壞。 電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)分析 針對(duì)上述故障類型， 電動(dòng) 機(jī)應(yīng)裝設(shè)以下繼電保護(hù)裝置： 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 6 電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，其主要發(fā)生在定子繞組，當(dāng)定子繞組出現(xiàn)短路時(shí)，不但使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，釀成事故，而且可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。因此， 對(duì) 額定容量在20xxkW 以上，或小于 20xxkW 但電流速斷保護(hù)靈敏度不夠的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。對(duì)于 20xxkW 以下的電動(dòng)機(jī)，可裝設(shè)電流速斷保護(hù)。 由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱，最后導(dǎo)致繞組間絕緣的損壞，所以電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷運(yùn)行是不允許的。因此，需裝設(shè)熱 過(guò) 載 保護(hù)。 當(dāng)供電 系出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降。當(dāng) 電壓恢復(fù)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)，將有數(shù)倍于額定值的大電流流過(guò)， 使電網(wǎng)電壓降低，同時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓也降低，造成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。另外，如果供電電壓恢復(fù)的較慢，則電動(dòng)機(jī)長(zhǎng) 期處于起動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間的大電流 會(huì)導(dǎo)致絕緣過(guò)熱甚至損壞。 因此， 應(yīng)設(shè)置低電壓保護(hù)。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中如果因機(jī)械故障、負(fù)荷過(guò)大、電壓過(guò)低等原因而使轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)散熱條件極差，電流很大，特別容易燒壞，需設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 有調(diào)查表明，由缺相運(yùn)行造成電動(dòng)機(jī)繞組燒毀 ， 占電動(dòng)機(jī)繞組修理總數(shù)的 60%~70%，缺相故障是一種 嚴(yán)重的不對(duì)稱故障，因此，應(yīng)設(shè)置斷相保護(hù) 。 在電動(dòng)機(jī)絕緣被破壞時(shí)，將導(dǎo)致繞組對(duì)外殼短路，引起繞組對(duì)地短路故障。在發(fā)生繞組接地故障時(shí)，不僅故障電流通過(guò)定子 鐵芯引起鐵芯過(guò)熱，性能變壞，而且使電機(jī)外殼帶電，嚴(yán)重威脅著操作人員的生命安全，所以要有單相接地保護(hù)措施。 另外，還應(yīng)設(shè)置過(guò)熱保護(hù)、 啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和頻繁起動(dòng)保護(hù) 。 電動(dòng)機(jī)保護(hù) 判據(jù) 對(duì)于大型異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置而言，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 7 時(shí)，能迅速、準(zhǔn)確的動(dòng)作是非常重要的。目前國(guó)內(nèi)外使用的各種異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過(guò)程中的繼電保護(hù)，采用的是給保護(hù)整定長(zhǎng)延時(shí)或在啟動(dòng)過(guò)程中閉鎖保護(hù)跳閘出口的方式，此時(shí)若電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在故障隱患，或電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞甚至 燒毀。所以本裝置采用檢測(cè)過(guò)電流、正序電流、零序電流和負(fù)序電流分量為基礎(chǔ)，作為電動(dòng)機(jī)故障的判據(jù)。 對(duì)于 20xxkW 及以上的大容量電動(dòng)機(jī)，或容量稍小些的重要電動(dòng)機(jī)采用雙重保護(hù)措施。主保護(hù)以帶比率特性的差動(dòng)保護(hù)為主；后備保護(hù)以電流速斷保護(hù)、正序定時(shí)限保護(hù)、兩段式負(fù)序和零序電流保護(hù)為主，另外還配有電壓保護(hù)、 CT 斷線告警等。 本文對(duì)電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)為電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)測(cè)控單元，后備保護(hù)為電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控單元，兩個(gè)保護(hù)單元相互獨(dú)立。 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理是基于比較被保護(hù)單元始端 和末端電流的大小和相位的原理構(gòu)成的。 它分為比率制動(dòng)式縱差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)等。 對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在其一相繞組輸入端和輸出端分別安裝特性和變比完全相同的電流互感器，如圖 21 所示。且規(guī)定一次側(cè)電流(以 A 相位例 ) 1I 和 1I? 的正方向?yàn)橛删€路流向電動(dòng)機(jī)，則二次測(cè)得電流為： MI 1 I 180。1d 圖 21 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理 12 II n? ， 12 II n??? ， 22dI I I??? () 式中： 2I 、 2I? —— 電流互感器二次測(cè)電流； n—— 電流互感器變比； dI —— 差動(dòng)電流。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 8 當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，流入電動(dòng)機(jī)一相繞組上的兩個(gè)電流互感器二次側(cè)電流、相位均相同 ，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。在不考慮電流互感器勵(lì)磁電流影響時(shí)有： 120dI I I? ? ? () 當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)， 假設(shè)圖 21 中 A 相繞組在 d 點(diǎn)發(fā)生短路故障，則在 d 點(diǎn)兩側(cè)均有電流流向短路點(diǎn)，此時(shí)， 兩電流互感器二次側(cè)的電流幅值、相位均不相同，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。 于是有 ： 120dI I I? ? ? () 本設(shè)計(jì)采用的是比率制動(dòng)式縱差保護(hù)，它對(duì) 電動(dòng) 機(jī)內(nèi)部短路有較高 靈敏度，而對(duì)外部短路則能可靠不誤動(dòng)。 理想情 況下差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為 ： 0dI ? 。 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)制動(dòng)特性如圖 22 所示： ABCID Z . m i n動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)ID Z . m a x