【正文】 s to protect, then demonstrated through the LCD. Keywords： Motor protection， singlechip， differential motion protection ， electrical current protection III 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明 本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 該保護(hù)裝置在電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論上，以檢測(cè)過電流幅值、零序電流、負(fù)序電流等為判據(jù) ；在故障診斷上，實(shí)現(xiàn)了基于 差動(dòng)保護(hù)和電流保護(hù) 的電動(dòng)機(jī)故障診斷； 在硬件實(shí)現(xiàn)上，以 ATmega16L 單片機(jī) 為核心， 將采集來的電壓、 電流及溫度等模擬量信號(hào)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 信號(hào)后送入單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，通過處理的結(jié)果來判斷電動(dòng)機(jī)是否 有故障以及 故障的類型并 進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作 ， 同時(shí) 通過外接點(diǎn)陣液晶顯示器和鍵盤等外設(shè)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 I 摘 要 電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行可靠有效的保護(hù)尤為關(guān)鍵。在軟件部分， 運(yùn)用 C 語(yǔ)言編寫軟件程序，使之能夠識(shí)別并處理從傳感器傳來的電信號(hào)， 并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)程序， 然后通過 LCD 顯示出來 。據(jù)我所知， 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但是在電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置研制方面，由于大部分的繼電保護(hù)公司將主要精力用于線路、變壓器、發(fā)電機(jī)等電力系統(tǒng)中主要設(shè)備保護(hù)裝置的研制當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)方面就顯得相對(duì)薄弱。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，每年因電動(dòng)機(jī)燒毀造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億 kWh，因材料報(bào)廢所產(chǎn)生的間接損耗更是巨大。 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)。 但這類產(chǎn)品仍存在一些無(wú)法克服的缺陷。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，通過控制設(shè)備使電動(dòng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。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。本課題也正是基于此所做的研究 。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。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。 歸納來說，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。 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)。 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： 主要包括過載、堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)和三相短路等。 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，需裝設(shè)熱 過 載 保護(hù)。 因此， 應(yīng)設(shè)置低電壓保護(hù)。在發(fā)生繞組接地故障時(shí)，不僅故障電流通過定子 鐵芯引起鐵芯過熱，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。所以本裝置采用檢測(cè)過電流、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)。 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。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。 理想情 況下差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為 ： 0dI ? 。 CT 斷線只閉鎖比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，不閉鎖差動(dòng)速斷保護(hù)。amp。差 動(dòng) 速 斷 保 護(hù) 動(dòng) 作 圖 2－ 4 差動(dòng)速斷保護(hù)邏輯框圖 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 10 根據(jù)對(duì)稱分量法，發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流可分解為正序、負(fù)序和零序分量。異步電動(dòng)機(jī)常見故障的過流、負(fù)序和零序電流的分布情況如表 21 所示，表中單相故障設(shè) A 相為故障相，二相故障設(shè) B、 C 相為故障相， PI 表示故障前相電流幅值。根據(jù)對(duì)繼電保護(hù)速動(dòng)性的要求，保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障的時(shí)間，必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和保證重要用戶供電可靠性。 其 保護(hù) 邏輯框圖見圖 25。堵轉(zhuǎn)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中閉鎖，啟動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)投入。堵 轉(zhuǎn) 保 護(hù) 動(dòng) 作1 zdt 圖 26 正序電流保護(hù)邏輯圖 設(shè)置熱過載 保護(hù)來防止電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行， 導(dǎo)致 定子過熱而引起的損壞 。 反時(shí)限保護(hù)是有效地防止電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷的一種方法。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫升特性可以采取如下形式的熱平衡微分方程描述 ： 22()eQ d t I I r d t C G d s d t? ? ?? ? ? () 式中 Q—— 定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量 ，單位為 W； R—— 定子繞 組 電阻 (Ω )； ?—— 散熱系數(shù) ( 2/wmc )每平方米表 面、每 度溫差， 每 秒時(shí)間所散發(fā)的熱最焦耳數(shù)； S—— 冷卻 表而積 ( 2m )； ? —— 定 子繞組溫升 ( C? ) I—— 過 負(fù)荷時(shí)定子繞組流過電流 (電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中三相電流最大者 ) (A)； eI —— 可 整定的保護(hù)動(dòng)作電流 (A)； C—— 定 子物體材料比熱 ( /J kg C?? )； G—— 定 子物體重量 (kg)。 其溫升變化過程如圖 28 所示 。 上 述過負(fù)荷保護(hù)是通過測(cè)量電動(dòng)機(jī)定子繞組電流，根據(jù)電機(jī)發(fā)熱模型而計(jì)算出在給定的過負(fù)荷電流、給定的允許溫度下，電動(dòng)機(jī)所允許運(yùn)行的時(shí)間，不能直接反應(yīng)電機(jī)繞組溫度，對(duì)冷卻系統(tǒng)損壞、機(jī)械轉(zhuǎn)子損耗增加、環(huán)境溫度過高等造成的過熱不能檢測(cè)。 針對(duì)電動(dòng)機(jī)的各類非接地性不對(duì)稱故障 ，設(shè)置負(fù)序 過 電流保護(hù)。Ⅰ 段針對(duì)嚴(yán)重不平衡故障，具有較高的整定值，動(dòng)作延時(shí)短（ 2zdt? ） ；Ⅱ 段針對(duì)三相電源嚴(yán)重不對(duì)稱，具有較低的整定值，動(dòng)作延時(shí)長(zhǎng)（ 2zdt?? ）。 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 17 負(fù) 序 電 流 保 護(hù) 投 入A 相 負(fù) 序 電 流C 相 負(fù) 序 電 流B 相 負(fù) 序 電 流≥大于П段整定值≥t 39。負(fù) 序 電 流 保 護(hù) 圖 29 負(fù)序電流保護(hù)邏輯圖 接地保護(hù)針對(duì)各類接地故障。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)； ?段零序電流保護(hù)判據(jù)： 000qzdzdIITt???????? () П段零序電流保護(hù)判據(jù)： 000qzdzdIITt??????????? () 0I 為電動(dòng)機(jī)零序電流值； 0qzdI? 和 0qzdI?? 分別為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) I 段和 П段零序電流整值； 0zdt? 為 I 段零序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)； 0zdt?? 為 П段零序電流保護(hù)時(shí)整定值，為長(zhǎng)延時(shí)。 判據(jù)如下： 000zdUzdUUTt??? ?? () 式中： 0U 為零序電壓值； 0zdU 為零序電壓動(dòng)作整定值，按躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡基波零序 電壓整定； 0Uzdt 為零序電壓保護(hù)延時(shí)，按躲過高壓側(cè)接地故障最長(zhǎng)切除時(shí)間整定。 39。接 地 保 護(hù)t o u z d 圖 211 零序電壓保護(hù)邏輯圖 電動(dòng)機(jī)低電壓運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩急劇下降，造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。所以可以考慮切除一部分不重要的電動(dòng)機(jī)，使電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)，以保證重要電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)； ② 防止在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于反抗力矩大于起動(dòng)力矩而使電動(dòng)機(jī)過熱； ③ 切除在電壓恢復(fù)時(shí)不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。所以本文裝置 設(shè)有起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)和頻繁起動(dòng)保護(hù)。 起動(dòng)時(shí)間 過長(zhǎng)保護(hù)整定 ： ①起動(dòng)保護(hù) 速斷電流整定值范圍 ： 2~60A， 級(jí)差 ； ② 起動(dòng)保護(hù) 速斷動(dòng)作時(shí)間整定范圍 ： ~， 級(jí)差 ； ③ 電動(dòng)機(jī)起 動(dòng) 時(shí)間整定范圍 ： 1~， 級(jí)差 。 如上所述，本章在 詳細(xì)分析了異步電動(dòng)機(jī)的各種故障特 征，產(chǎn)生原因及對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，并闡述 了 相應(yīng)的保護(hù)原理、 動(dòng)作判據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、空載和負(fù)荷很輕的時(shí)候差動(dòng)電流中二次諧波分量可達(dá)基波分量的 50%以上，其會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，但是電動(dòng)機(jī)真正內(nèi)部故障時(shí)二次諧波分量卻很小。 e i ne o u t0 . 6 2 u F0 . 6 2 u F0 . 6 2 u F2 . 2 1 k1 1 k1 1 k3 9 k5 9 k+7 4 1 圖 32 三階低通 濾波電路 在對(duì)高速變化的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，必須在輸入模擬信號(hào)和 A/D 變換器之間加上采樣保持電路，才能保證 A/D 變換的可靠性與準(zhǔn)確性 。 5V~177。 為了 同步鎖存兩路模擬信號(hào) ， 兩個(gè)保持器共用一個(gè)邏輯控制信號(hào) [4]。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為： RE FINVVA D C 102 4?? （ ） 其中， VIN 為被選中引腳的輸入電壓。 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 24 2 RR2RRRRR1D1D2iU oUkU_+A2_+A101U1 0 k1 0 k1 0 k1 0 k2 0 k1 0 k1 0 k 圖 34 全波精密整流電路 在 A1 半波精密整流電路中，當(dāng) Ui0 時(shí)， Uo=－ KUi(K0),當(dāng) Ui0 時(shí)，Uo=0。 輸出交流信號(hào) 經(jīng)過 精密整流電路整流 、低通 濾波 、 采樣保持、 運(yùn)放后通過 CPU 的一路 ADC送入單片機(jī)，經(jīng)過程序運(yùn)算，便可以得到電流 值 。 采 樣 電 壓1234in 1R 2I1I LR11 /inR V I?22 LV I R? 250LR ?? 圖（ a） 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 26 1234＋－I CinV 1R1I 2I rR 0C11 /inR V I? 12O U rV I R?0 4 5 0 0 / ( )fC R f???R 圖（ b） 圖 37 TV10131 型電壓互感器 典型應(yīng)用 電路 表 31 TV10131 性能參數(shù) 使用方法 輸入電壓 輸出電壓 相移