【正文】 ? 為第 i 段時間的最后溫升； 1?i? 為第 1?i 段時間的最后溫升。發(fā)生堵轉(zhuǎn)的電動機，電流很大，散熱條件差 ， 造成溫升急劇上升， 產(chǎn)生一定的損耗，如：繞組電阻損耗、鐵芯電磁損耗、介質(zhì)損耗、渦流損耗等， 特別容易燒毀電動機。堵轉(zhuǎn)保護的電流整定值一般可取電動機的穩(wěn)定起動電流，即額定電流的 4～ 7 倍 [29]。接地故障與一般短路相比，具有更大的危險性和復(fù)雜性，因為這類故障可能引發(fā)火災(zāi)并對人身觸電構(gòu)成威脅。前者是電動機最嚴重的故障。即： ? ?cba III ,maxI max ? 225 過熱保護 繞組溫度是決定繞組絕緣壽命的主要因素，是電動機壽命的決定因素。 226 欠壓和過壓保護 根據(jù)異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩公式 ? ?22022212KTsXR UsR?? （ ） 式中： T —— 電磁轉(zhuǎn)矩； K —— 常數(shù)； 1U —— 定子電壓； 2R ， 20X —— 電動機轉(zhuǎn)子電阻和啟動感抗； s —— 轉(zhuǎn)差率 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。 如果電動機長時間在低壓條件下工作會使其過熱而燒毀，嚴重時還會造成堵轉(zhuǎn)。過壓保護的原則是 ：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進行斷電保護。經(jīng)過起動時間后，電動機的電流如果仍大于堵轉(zhuǎn)電流整定值，則起動時間過長保護開始動作；若電動機運行電流小于堵轉(zhuǎn)電流的整定值，則電動機進入正常運行狀態(tài)。 保護裝置測量電動機 在連續(xù)十分鐘內(nèi)的起動次數(shù)，若實際次數(shù)超過整定次數(shù)，保護動作于跳閘并且起動回路被自動閉鎖，三分鐘之后自動解除閉鎖，電動機重新起動 [14,30]。 167。處理器在工作之前需要初始化，人為設(shè)定電動 機正常運行的允許電流。 圖 智能過載保護裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖 Hardware configuration diagram of intelligent overload protection device 基于單片機的電動機過載保護技術(shù)的研究 16 167。 到了 80 年代初 ， INTEL 公司 研發(fā)的，也是目前應(yīng)用范圍最廣的 MCS51 系列 單片機問世 ， 。 3211 80C31 單片機 80C31 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機中最基本的產(chǎn)品。 80C51 中集成了完善的各種中斷源，用戶可以十分方便的控制和使用這些功能。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在寄存器的配置上 會 有所不 同。 AT89S52單片機 采用 ATMEL公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其指令 和引腳 與工業(yè)標準的 80C51完全 兼容 ， 是一種低功耗 、 高性能的 CMOS8位微控 制器 。 表 MCS51系列和 ATMEL89系列單片 機分類與功能特性 Table Classification and function characteristics of MCS51 and ATMEL89 系列 典型芯片 I/O口 定時 /計數(shù)器 中斷源 串行通信口 片內(nèi) RAM 片內(nèi) ROM 51系列 80C31 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 無 80C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kB掩膜 ROM 87C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kBEPROM 89C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kBEEPROM 52系列 80C32 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 無 80C51 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 8kB掩膜 ROM 87C52 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 4kBEPROM 89C52 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 4kBEEPROM 另外， AT89S52還具有如下一些功能： ◇ 內(nèi)置 8KB可在線 反復(fù)擦寫超過 1000次的 ISP Flash ROM ◇ 256字節(jié) 內(nèi)部 RAM ◇ 32個雙向 I/O口線 ◇ ◇ 時鐘頻率 033MHz ◇ 看門狗定時器 ◇ 2個數(shù)據(jù) 寄存器 指針 基于單片機的電動機過載保護技術(shù)的研究 18 ◇ 3個 16位 可編程定時 /計數(shù)器 ◇ 一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu) ◇ 全雙工串行 中斷 口 ◇ 軟件設(shè)置閑置和省電功能 ◇ 片內(nèi)晶振及時鐘電路 掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 。每根線可以單獨用作輸入或輸出。當(dāng)訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器 時， P0可用作多路復(fù)用的低 8 位 字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式， P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 ④ P3 端口 功能同 P1 端口 ，同樣 P3 端口 引腳還具有一些復(fù)用功能 。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來 自外部存儲器的指令時，每一個機器周期 PSEN 被激活 2 次。 圖 為 AT89S52 封裝引腳圖。它作為一個感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。究其原因，是因為 電路每次通 電過程中， 電源回路中經(jīng)常存在一些容量大小不一的濾波電容，使得芯片接受的電壓是從低到高逐漸上升的。由于 AT89 系列的單片機內(nèi)部就存在一個下拉電阻，所以簡化了復(fù)位電路。 圖 單片機處理信息流程圖 MCU process information flow chart 331 采樣芯片的選型 從對系統(tǒng)實 現(xiàn)功能的角度考慮，需要對電動機的漏電電流進行采集。典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809為 8通道、 8位中速 A/D轉(zhuǎn)換器，本身帶有多路通道 模擬 轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。它 是一個 多通道 12位 開關(guān)電容逐次逼近 A/D轉(zhuǎn)換器，需要用 2個存儲空間，一個用于存放低 8位數(shù)據(jù)，一個用于存放高 2位數(shù)據(jù) ，與單片機接口數(shù)為 5個，供電電壓為 5V。看似 是較為理想的選擇。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（ EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。所以 ADC0809并不是最佳選擇， 而且，通過分析 可知模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 采用串行接口最佳 。從速度和精度來考慮，由于漏電電流有效值小，也不是瞬時的，所以對 速度 和精度 參數(shù)要求較高 。 圖 典型復(fù)位電路 圖 簡化復(fù)位電路 Typical reset circuit Simplified reset circuit 167。典型的復(fù)位電路如圖 所示 [37]，它是利用單片機 RST 引腳外接一個 RC 電路組成的，電阻和電容的值由手冊提供。 在執(zhí)行內(nèi)部 程序時， EA 應(yīng)接到 Vcc；另外，為了確保單片機從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼，要把 EA 接到 GND 端 ，保證其為低電平 。由于 裝置不用芯片自身的 A/D 轉(zhuǎn)換器，所以將Vref 和 Vcc 相連， P0 口用作電流信號的輸入端。 （ 4） XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘發(fā)生 電路的輸入端。 表 89S52 的 P3 口引腳復(fù)用功能 Table 89S52 multiplex function of P3 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時器 0 的外部輸入） T1（定時器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） （ 2） RST 復(fù)位輸入端 在振蕩器運行時， 此腳上 會持續(xù)出現(xiàn)兩個機器周期的高電平而 使單片機復(fù)位。 ③ P2 端口 除具有與上 述 P1 端口相近的功能外， 在訪問外部程序存儲器或 用 16 位 地址讀取 外部數(shù)據(jù)存儲器 時， P2 口送出高 8 位地址，在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 時， P2 口引腳上的內(nèi)容在整個訪問期間不會改變。 ② P1 端口 該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4個 TTL 邏輯電平 。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動 8 個 TTL輸入負載。其 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖如圖 。通過把通用的 8位 CPU與可在線下載的 Flash集成在一個芯片上， 使得 AT89S52成為一個高效的微型計算機 ， 特別是在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨樹一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣的場合，亦適用于通信和家用電器控制領(lǐng)域， 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。 3213 AT89S52 單片機 ATMEL89系列單片機是 ATMEL公司 推出的 以 8051為內(nèi) 核 ， 構(gòu)成的 8位 Flash系列 單片機。 80C51 所具有的以上 這些特點使得它的應(yīng)用范圍加大，可以說它能夠滿足絕大部分的應(yīng)用場合。但 是 80C31 片內(nèi)并無程序存儲器，需要外接 ROM。品種多，約有幾十個系列， 300 多個品種；功能強，此時的單片機已均屬于真正的單片化，大多集成了 CPU、 RAM、 ROM、數(shù)目繁多的 I/O 口、多種終端系統(tǒng)，甚至還有一些帶 A/D 轉(zhuǎn)換器的單片機，功能越來越強大， RAM 和 ROM 的容量也越來越大，尋址空間甚至可達 64KB。 70 年代末 ， INTEL 公司 推出最早 的 MCS48 系 列 8 位單片微型計算機。 總體的硬件設(shè)計主要包括：電流整流濾波單元、采集變換單 元、單片機系統(tǒng)單元、時鐘和鍵盤顯示單元以及故障報警單元等 [35,36]。交流電流經(jīng)過互感器和整流電路的調(diào)整，變?yōu)榕c電流成正比的直流電壓信號，輸入到 A /D 轉(zhuǎn)換器中。硬件設(shè)計是實現(xiàn)智能型過載保護繼電器預(yù)定功能的基礎(chǔ)；軟件設(shè)計是完成智能型過載保護繼電器設(shè)計任務(wù)的關(guān)鍵。 228 頻繁起動保護 電動機若起動不起來，操作人員可能會在短時間內(nèi)連續(xù)多次操作，或者有些電動機具有特殊負載，需要頻繁啟動。 起動時間過長保護是由起動時間和堵轉(zhuǎn)保護整定值配合來實現(xiàn)的 ，而且該保護只針對電動機起動過程加以保護，當(dāng)電動機正常起動后，該保護自動退出 [14]。 欠壓保護的原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值低于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，需進行斷電保護。 a. 欠壓保護 在電動機負載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下， 電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機轉(zhuǎn)速下降 ，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對速度增大， 磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大， 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。這樣就十分有必要對電動機的繞組溫度進行監(jiān)控，當(dāng)檢測到電動機溫度超過額定最大溫升時及時采取保護措施，使電動機能一直在小于額定溫升的溫度下正常運行 [33]。 短路保護的整定值應(yīng)大于電動機最大穩(wěn)定 起動電流，一般是額定電流的 8～ 10 倍。對于 較小的電流，由于 采用零序互感器更為準確和可靠，故漏電保護信號必須 取自零序互感器 [16,31]。 223 零序電流 保護 零序電流故障也稱 接地故障主要是過電壓原因 造成絕緣受損，主要表現(xiàn)為相線與電氣裝置的外露導(dǎo)電部分（包括電氣設(shè)備金屬外殼、敷線管槽及構(gòu) 架等）、外部導(dǎo)電部分（包括金屬的水、暖、煤氣、空調(diào)管道和建筑的金屬結(jié)構(gòu)等）以及大地之間的短路。 當(dāng)電動機啟動時間 t 超過允許時間 dlt 且堵轉(zhuǎn)電流大于允許值 dlI 時，堵轉(zhuǎn)保護 動作 。 222 堵轉(zhuǎn)保護 電動機剛剛啟 動時 ，由于種種原因（機械故障、負荷過大、電壓過低等）轉(zhuǎn)子不能正 常運轉(zhuǎn)， 始終處于靜止狀態(tài)（ S＝ ,S 為轉(zhuǎn)差率），這就是通常意義下的堵轉(zhuǎn)。在整個運行時間范圍內(nèi)，無法用一個函數(shù)表達式計算電動機的溫升。因此， mP 與 2I基本成正比關(guān)系， P 與 2I 基本成正比關(guān)系 [21]。 式（ ）在考慮發(fā)熱的同時，也考慮了熱量向周圍介質(zhì)的散失， 完全可以用來描述電動機在恒定負載、變負載和斷續(xù)工作情況下溫度的真實變化過程。 當(dāng) seq II ? 時， t 為無窮大或負值，即保護不動作； 1? 的大小一般可通過過載能力數(shù)據(jù)進行估算，如果在 ? 倍過載允許范圍內(nèi)，則根據(jù) ()計算得到： ? ? tTQ S ????? 2211 ?? () 為實現(xiàn)電動機發(fā)熱模型的熱積累特性，可將上式改 寫成： （ ） 其中， H 為電動機的熱積累值，表示電動機的過熱程度； t? 為相鄰兩次積累計算的時間間隔。電動機發(fā)熱過程溫度變化曲線如圖 所示 [21]。為了反映正、負序電流的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國 GEC公司提出了一個反映上述發(fā)熱效應(yīng)的“等效電流” eqI [11,19]： 2222112 IKIKIeq ??