【正文】 于熱繼電器是由雙金屬片構(gòu)成其敏感元件，它是靠雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的力一發(fā)出動(dòng)作，在動(dòng)作值附近不能可靠 分?jǐn)唷? 第一代是電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)，第二代是電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置，第三代是以微處理器為核心元件的綜合保護(hù)系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)所開發(fā)的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)與監(jiān)控裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與監(jiān)控的自動(dòng)化，是電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。電動(dòng)機(jī)和供電線路的短路必須能迅速檢測出來，使得 短路影響減小到最小。作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要工具，電動(dòng)機(jī)在人們?nèi)粘Ｉ钪幸苍絹碓街匾? 在硬件電路設(shè)計(jì)上，給出了以單片機(jī) C8051F020及其簡單的外圍電路為主體配置的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)。 S3 Out3 Singal3 I1,i2,i3d3 第 I 頁 第 2 頁 三相異步電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù) (隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院 甘肅 慶陽 74500) 摘 要 ： 以單片機(jī) C8051F020 及其外圍器件作為硬件平臺(tái)，對(duì)電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)進(jìn)行了研究，主要針對(duì)大中型電動(dòng)機(jī)的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有 過流保護(hù)、零序電流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)等功能。該電路硬件電路大為簡化， 除了實(shí)現(xiàn)了各種保護(hù)功能外，還可顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流，同時(shí)設(shè)置了系統(tǒng)與上位 機(jī)的連接 ,為系統(tǒng) 功能的擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。三相交流電動(dòng)機(jī)正朝著功率與體積之比越來越大的方向發(fā)展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的電動(dòng)機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)。對(duì)于頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要能準(zhǔn)確地模擬其發(fā)熱和散熱過程。由于采用了微處理技術(shù)，保護(hù)參數(shù)可由用戶根據(jù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)和環(huán)境條件設(shè)定，而且還可以提供數(shù)字電路接口，為大系統(tǒng)的智能控制提供了條件。 第一代的電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)存在著很大的弊病。熱繼電器通過了大的短路電流或經(jīng)受機(jī)械碰撞后，雙金屬片易產(chǎn)生永久性變形。新型的熱繼電器功能也在完善之中。因而只能用于一些要求不高的場合。 全的優(yōu)化設(shè)計(jì)接地與回流接地典型方案進(jìn)行系統(tǒng)集成和定量評(píng)估。過壓和欠壓保護(hù)是用一位撥碼開關(guān)來設(shè)置其動(dòng)作值，當(dāng)電網(wǎng)電壓超出其動(dòng)作值規(guī) 定的范圍并持續(xù)一定時(shí)間后，過壓和欠壓保護(hù)動(dòng)作。缺相及相不平衡保護(hù)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)缺相或線電流不平衡度超過設(shè)定值并達(dá)到一定時(shí)間后切除電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。這樣，用戶就可隨意監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)了。 (2) 長期受電、熱、機(jī)械或化學(xué)作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪贰? 造成電動(dòng)機(jī)軸承損壞的原因主要有：機(jī)械負(fù)荷太大、潤滑劑不合適，或者惡劣的工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。當(dāng)因?yàn)楦鞣N原因，如機(jī)械故障、負(fù)荷過大、電壓過低等，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于散熱條件差，電流大，特別容易損壞電機(jī)。 電動(dòng)機(jī)故障基本原理 (工作原理分析 ) 為了研究異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系。2r 為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。2. 39。2.39。其中 emp為： srImIEmp em 39。21 co s ??? ? (25) 第 7 頁 電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： 11)1()1( ???????? ememme cem ps pspT (26) 其中， pfn 111 2602 ?? ???為同步角速度；轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度 602 n??? ； emp 為機(jī)械功率。21239。2139。22111 xxrr rUfpmT st ???? ? (210) 同時(shí)根據(jù)上式（ 2－ 1）、式（ 2－ 2）、式（ 2－ 3）、式（ 2－ 4）可得： 39。2.1.1)1(1jxsrjxr jxrjxrjxrjxsrUImmmm?????????? (211) 在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)?11 xr ， mm xr ，故可省去 1r 和 mr ，則上式（ 2－ 11）可表示為： ))(1()( 39。21 1 )()( xxrrUI st ???? (213) 啟動(dòng)時(shí)，把電源電壓直接加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組，顯然，這時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)很大，可達(dá)額定電流的 4～7 倍，根據(jù)對(duì)國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際測量，某些籠型異步電機(jī)甚至可達(dá) 8～ 12 倍對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過大的啟動(dòng)電流將會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，影響電動(dòng)機(jī)的壽命：同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，將會(huì)發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障，通常稱為啟動(dòng)故障，一般是指啟動(dòng)時(shí)間過長故障。電動(dòng)機(jī)是用過載倍數(shù) tT 來表示它的過載能力的 tT = maxT / nT 。 過載故障 過載是指電動(dòng)機(jī)的負(fù)載很大，轉(zhuǎn)子電流加大，使得電動(dòng)機(jī)定子電流很大。時(shí)，則稱三相電壓或電流不平衡。知道了 0UA 實(shí)際也知道了 0UB 和 0UC ，同樣知道了 1UA 也就知道了 1UB 和 1UC ，知道了 2UA 也就知道了 2UB 和 2UC 而負(fù)序電壓有沒有線電壓和相 電 第 10 頁 壓之分 由于負(fù)序電壓的存 在，就使三相系統(tǒng)中的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) (也就是三相異步電動(dòng)機(jī) )在產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還產(chǎn)生一個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，并使電動(dòng)機(jī)繞組電流增大，溫度升高，縮短了電動(dòng)機(jī)的實(shí)用壽命。因此必須對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相及相不平衡保護(hù)。在這種情況下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的斷相保護(hù)應(yīng)采用 線電流不平衡的原則。單片機(jī)把采樣來的各相電流值進(jìn)行比較判斷，就能準(zhǔn)確地發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。下面列表（ 21）（ 22）說明。 保護(hù) 原理分析 根據(jù)以上特征分析，電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱故障的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，而發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)的主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和零序電流分量。 在這個(gè)配置方案中，電流速斷作為相間短路的主保護(hù)在電機(jī)的運(yùn)行過程中一直投入；堵轉(zhuǎn)保護(hù)作為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或啟動(dòng)時(shí)間過長的主保護(hù)，同時(shí)作為電機(jī)相間短路的后備保護(hù)；過負(fù)荷保護(hù)是電動(dòng)機(jī)定子繞組過流發(fā)熱的主保護(hù) ，同時(shí)又作為相間短路及轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)的后備保護(hù)。其原理相當(dāng)與定時(shí)限過電流保護(hù)中抽去時(shí)間繼電器，即在啟動(dòng)用的電流繼電器后面直接接信號(hào)繼電器和中間繼電器，最后由中 間繼電器觸點(diǎn)接通。 對(duì)于動(dòng)作時(shí)限，我們選擇不設(shè)置動(dòng)作時(shí)限。 熱過載反時(shí)限過電流保護(hù) 所謂的反時(shí)限電流保護(hù)的保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限原先是按照 10 倍的動(dòng)作電流來整定，而實(shí)際的動(dòng)作時(shí)間則與其電流呈反比關(guān)系變化，電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。 (1)變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的零序電流保護(hù)整定計(jì)算 我國 3KV， 6KV， 10KV 電網(wǎng)大多數(shù)是變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧圈接地的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)的電流小，不是短路電流，因此這種系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)零序電流保護(hù)需發(fā)出接地信號(hào)，不跳閘。 設(shè)置負(fù)序電流保護(hù)，作為電動(dòng)機(jī)斷相、逆相。 ，短延時(shí) t1，第二段具有低定值 dzI .239。 IdzI ? (217) 同時(shí)，還必須校驗(yàn)的值大于按公式計(jì)算的值，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程式中負(fù)序電流保護(hù)第一段可靠地不動(dòng)作。 本裝置負(fù)序電流保護(hù)第一段的延時(shí) t1 默認(rèn)為Is，以短延時(shí)躲開斷路器合閘及其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的短時(shí)間負(fù)序電流的影響。I 躲不開斷路器斷路器跳合閘或其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的短時(shí)間數(shù)值較大的負(fù)序電流 I2，但因?yàn)橛?t2 長延 時(shí)，則能保證第二段不誤跳， t2 由用戶整定，一般可整定為 3s。經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)的電流如果仍然大于堵轉(zhuǎn)電路的整定值，則啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)開始動(dòng)作，發(fā)出跳閘命令：若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流小于堵轉(zhuǎn)電流的 整定值，則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)已加入正常運(yùn)行狀態(tài)。保護(hù)原則是 ： 當(dāng) abU bcU 。 (3)控制輸出 I/O 控制電路 控制輸出部分采用機(jī)電式繼電器，其價(jià)格便宜，市場產(chǎn)品豐富，驅(qū)動(dòng)線路也比較簡單。本設(shè)計(jì)采用美國 CYGNAL 公司生產(chǎn)的 C8051F020 作為數(shù)據(jù)處理的核心部分。這些功能部件的高度集成為設(shè)計(jì)體積小，功耗低，可靠性高的應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，業(yè)可使系統(tǒng)集成成本大大降低。 該最小系統(tǒng)電路板上有 3 處跳線，分別是 J30 J30 J303。 （ 1）時(shí)鐘電路 JZ124/XTAL1XTAL210MR5Res230C1730C18振蕩電路 圖 33 時(shí)鐘電路 第 20 頁 （ 2）復(fù)位電路 MCUSW1SWPB10KR3Res2C2Cap1uFC3Cap1KR4Res2RST+3VD2復(fù)位電路 圖 34 復(fù)位電路 （ 3） JTAG 仿真電路 TCKTDITDOTMS+3VD2+3VD2R1Res21 23 45 67 89 10JTAG調(diào)試端口 圖 35 JTAG 仿真電路 模擬信號(hào)采集 模擬信號(hào)采集模塊完成保護(hù)單元模擬信號(hào)的 采集調(diào)理整形等功能。 圖 36 模 擬 量 輸 入 模 塊 框 圖 電壓信號(hào)采集 電壓信號(hào)采集采用了具有精密整流的全波整流式 ACDC 轉(zhuǎn)換電路，其電路圖如下。因此，要取到上式的平均值，必須先要對(duì)交流信號(hào)求絕對(duì)值，然后再取其平均值。在輸入電壓的負(fù)半周， VD1 截至， VD2 導(dǎo)通，其導(dǎo)通電流經(jīng) R7在 B 點(diǎn)產(chǎn)生正極性電壓，由于 R3＝ R4，在 B 點(diǎn)處的電壓波形的幅度于輸入電壓相等，但極性相反。 平均值 AC－ DC 轉(zhuǎn)換器的電路簡單，成本低，廣泛應(yīng)用于低精度的電壓測量中，因此本設(shè)計(jì)采用它來作為電壓采樣。電路圖中后一個(gè)放大器 A2 的作用就是將其放大太高為正的。 開關(guān)量輸出 本裝置輸出電路板上裝有 1 個(gè)繼電器 保護(hù)動(dòng)作繼電器。為了防止繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)產(chǎn)生的瞬間反向電壓，在繼電器回 路中并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。它的電路較簡單，對(duì)系統(tǒng)資源的占用較多，可用于一些實(shí)時(shí)性要求不高，計(jì)算量不太大的場合。倆個(gè)三極管 9013 是用來提供驅(qū)動(dòng)電壓。為了避免這種情況發(fā)生，有采用微電流對(duì)蓄電池充電或浮充的辦法來防止微機(jī)斷電的，但存在著充不滿而使維持時(shí)間短的弱點(diǎn)。 當(dāng)交流供電正常時(shí)，市電經(jīng)變壓器變壓，二極管整流，電容濾波后輸出直流，再經(jīng)穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，電容濾波后輸出穩(wěn)定的直流供單片機(jī)和本設(shè)計(jì)中其它模塊使用。 干擾信號(hào)可以沿各種線路侵入系統(tǒng)，也可以以電磁波的形式侵入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)受到干擾后，一方面可能造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，另一方面可能進(jìn)入死循環(huán)，造成系統(tǒng)“死機(jī)”。從抗干擾的角度考慮， RC 濾波器較 LC 濾波器好，因 RC濾波器是耗散式濾波器，它將躁聲能量變成了熱能耗散掉了，而 LC 濾波器則會(huì)產(chǎn)生附加的磁場干擾，所以電感要加屏蔽罩。 電路板布線 在電路板布線的時(shí)候，將單片機(jī)最小系統(tǒng)，信號(hào)采集回路，顯示回路，輸出回路應(yīng)用不同的電路 第 28 頁 板。 由于電流互感器能把電動(dòng)機(jī)的線電流變?yōu)樾‰娏?，再通過一個(gè)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，其輸入電流與輸出電壓成正比，這已經(jīng)在設(shè)計(jì)電流互感器時(shí)驗(yàn)證了。 由于電動(dòng)機(jī)電流較大，當(dāng)采用燈泡替代的時(shí)候，電流較小，在互感器選型的時(shí)候沒有考慮到，使得互感器過來的電流較小，因此在硬件調(diào)試的時(shí)候的電流檢測回路進(jìn)行了多次修改。使得有效值檢測有一定誤差。 致 謝 四年的本科生活轉(zhuǎn)瞬即逝，很快