【正文】 控制硬件執(zhí)行來實現(xiàn)保2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 護功能。 (4)正 確處理慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸問題。 由于保護裝置擔(dān)負著保證電動機安全穩(wěn)定運行的重大使命，它時刻處于工作狀態(tài)，且必須能夠準(zhǔn)確地完成保護動作，所以微機保護的軟件可靠性是對軟件開發(fā)的最主要的要求。電動機智能保護裝置的軟件設(shè)計主要任務(wù)是： (1)提供準(zhǔn)確、實時的保護算法。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信。典型的 RS232 信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5~+15V，負電平在 5~15V 電平。 當(dāng)電動機發(fā)生故障時需要一個急停的保護動作， 圖 作執(zhí)行保護電路。 若取 fV =,當(dāng) eV 在區(qū)間 ～＋ 取值時，則 2OV 為 0～ 5V 的單極性電壓信號，滿足 STC90C58AD 單片機內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器對模擬輸入信號的要求。利用運放 1的高輸入阻抗，來抑制負載對采樣精度的2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 影響。 本裝置都是通過三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖 ： 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)故障檢測信號取自于電動機三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號，其中三路用于線電流檢測，三路用于線電壓檢測。 綜合考慮顯示效果、顯示信息量以及價格等因素，并參考了其它設(shè)計案例，最終決定選用 LCD12864液晶顯示器。 (6)無電磁輻射： CRT工作時，不僅會產(chǎn)生電磁輻射，還會產(chǎn)生有害的 X射線，影響環(huán)境，而 LCD不會有這類問題。人眼所感受的外部信息的 90％以上是外部物體對光的反射，而不是物體 本身發(fā)光，所以被動顯示更適合人的視覺習(xí)慣，更不容易引起疲勞。這種結(jié)構(gòu)具有使用方便，生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，特別是在生產(chǎn)上，適宜采用集成化生產(chǎn)工藝，通過自動生產(chǎn)流水線可以快速大批量生產(chǎn)。當(dāng)光線通過兩個偏振片和液晶盒后，能沿原路經(jīng)反射極返回，此時液晶盒呈透明狀態(tài)；當(dāng)液晶盒的電極上加一定的電壓后，電極連接部分的液晶就失去旋光性，導(dǎo)致不能通過兩個偏振片，從而顯示黑色。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行 檢測各列線的電平狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 3根行線相交叉的 3個按鍵之中。 本裝置鍵盤采用 2 x 3矩陣式非編碼鍵盤，共 6鍵，分別為： （ 1） 1～ 2為左 鍵 （ 在定制輸入確認(rèn)鍵按下后作為數(shù)字的減小鍵 )和 右鍵 (在定制輸入確認(rèn)鍵按下后作為數(shù)字的增大鍵 )； （ 2） 3～ 4為上下 選擇鍵，用于 選擇菜單以及在輸入設(shè)定數(shù)據(jù)時用于選擇數(shù)據(jù)位的位置； （ 3） 5為功能選擇（返回） 鍵， 6為確認(rèn)鍵。 STC90C58AD單片機的主要特點 （ 1）增強型 8051內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； （ 2）工作電壓范圍： (5V單片機 )/(3V單片機 )； （ 3）工作頻率范圍： 040MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達 48MHz； 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 （ 4） 片上集成 256+4096 字節(jié) RAM； （ 5）通用 I/O(35/39 個 )，復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉； P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時，需加上拉電阻； （ 6） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP(在應(yīng)用可編程 )，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（ RXD/， TXD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成； （ 7）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，增強系統(tǒng)抗干擾性能； （ 8）共 3 個 16位定時器 /計數(shù)器 . （ 9） 8路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換； （ 10）工作溫度范圍： 40～ +85C? (工業(yè)級 )/0～ 75C? （商業(yè)級） ； 處理模塊電路設(shè)計 根據(jù)前面的分析，控制器 處理 模塊電路圖設(shè)計如圖 所示 。將電動機及電動機保護器的狀態(tài)信息送到 PC機上，便于技術(shù)人員實時監(jiān)控和進行歷史數(shù)據(jù)分析。將電動機的運行參數(shù)經(jīng)過信號處理和電平變換之右逡入處理器的 AD轉(zhuǎn)換模塊。顯示器則用來顯示電動機的運行狀態(tài)和報警信息。 電動機智能保護器的硬件系統(tǒng)以 STC90C58單片機 為核心 控制器，采用模塊化設(shè)計方法，根據(jù)這一思想本裝置主要分成六大模塊：處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤、顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和開關(guān)量輸出模塊，系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 3． 1所示： 圖 系統(tǒng)框圖 處理模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 電源 報警和保護動作執(zhí)行模塊 通信模塊 鍵盤顯示模塊 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 各模塊 研究 (1)處理器模塊。 (4) 采樣精度高。 (2) 抗強電磁干擾能力強。這導(dǎo)致電動機智能保護器的工作環(huán)境復(fù)雜，對抗干擾性能要求較高?？紤]到電動機智能保護器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計和芯片選型方面充分考慮了該保護器的實際需要及抗干擾性能。然后對異步電動機的典型常見故障的類型以及發(fā)生的原因從理論上進行了深入細致的分析，在此基礎(chǔ)之上，重點分析了造成電動機損壞的電氣原因，分析了電動機對稱故障和不對稱故障的特征并引入了對稱分 量法的部分理論。 欠壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進行斷電保護． 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 b．過壓保護 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對于負載星形連接且無中性線的電動機，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負載的電壓增大。低電壓也會使電動機起動轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電動機就無法啟動。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進而影響到定子電流變化，從而影響到電動機正常運行。設(shè)計過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護也就失去意義了。從圖中可以看出，電動機過載倍數(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。 圖 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時間 t=O時，電動機的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時電動機產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。 式 ()左邊是在時間間隔 dt中，定子繞組由于過負荷而發(fā)出的熱量Qdt。為了便于計算和分析，一般將電動機認(rèn)為是一個均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。電動機溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動機容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點 。 過載故障特征分析及保護判據(jù) 電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行中因負荷過大所引起的過熱現(xiàn)象 。 實際上對于第③類斷相故障可以通 過計算得出 A相的正、負序電流有如下關(guān)系： e2 33231 IIIII CBAA ????? ）（。 根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。 根據(jù)電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表 所示， 其中： SI — 電動機正常啟動電流； CBA III , — 電動機線電流； eI — 電動機額定線電流； e。當(dāng)電動機繞組斷相，啟動電動機時就會有嗡嗡聲而不能啟動。 由于電動機起動電流也能達到額定電流的 4～ 7倍，為區(qū)分電動機的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內(nèi)還是在起動時間后 ，一般采用躲過電動機起動時間 (8～ 16秒 )的方法來實現(xiàn)。電動機堵轉(zhuǎn) 是最輕的對稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相 電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接．此時，負載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電動機遭受嚴(yán)重損壞． 電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進行速斷保護。 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)生變化。對稱分量的計算公2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 式如下（以 A 相為例）。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。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(yán)重程度基本反應(yīng)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)。 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。 (3) 電源電壓過低使得電動機啟動轉(zhuǎn)矩不夠，電動機不能順利啟動或者是在短時間內(nèi)重復(fù)啟動，電動機長時間承受過大的啟動電流導(dǎo)致電機過熱。 圖 電動機等效電路原理圖 其中： Ul 是電動機定子側(cè)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(cè)的轉(zhuǎn) 子電阻、電抗。 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(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。 第五章 通過試驗檢測驗證了本論文設(shè)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(shè)計要求。 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(yīng)的故障判斷方法和保護措施。設(shè)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(guān)量模塊和保護模塊。該單片機片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括 4路 外部中斷 ，8路十位高速 AD轉(zhuǎn)換器，集成 MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用 。現(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。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(zhuǎn)、漏電等進行保護。 隨著微電子技術(shù)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。 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(dǎo)致保護器調(diào)試?yán)щy。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。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。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。 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)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。而且這一數(shù)字還在不斷增長。電動機所帶的負載種類繁多，且往往是整個設(shè)備中的關(guān)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。 關(guān)鍵詞： 電動 機保護， 單片機 ，故障診斷，數(shù)據(jù)采集 。本裝置可實現(xiàn)以下故障保護：短路保護、堵轉(zhuǎn)保護、過流保護、不平衡保護、斷相保護、過壓保護、欠壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。本文圍繞基于微控制器的電動機 綜合 保護裝置的研究這一任務(wù)而展開，開發(fā)了適用于各種現(xiàn)場環(huán)境的交流電機測量、監(jiān)控、保護一體化 裝置。 近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2．給出了電動機保護裝置的實現(xiàn)方案。 最后 ，通過實驗對 電動機保護器 的可靠性 進行 檢驗 ， 實驗表明，此 電動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能均達到了設(shè)計要求。由于交流電機具有結(jié)構(gòu)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(yīng)用。據(jù)有關(guān)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。 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(shù)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(shù)方法。 熱繼電器具有反時限特性和結(jié)構(gòu)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(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護時滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護欠佳的缺點。 普通電子式電動機保護器 從上個世紀(jì)七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)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(yīng)運而生。但是設(shè)計思路的限制導(dǎo)致這些電動機保護器仍