【正文】 來實(shí)現(xiàn)保2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 護(hù)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(hù)裝置擔(dān)負(fù)著保證電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大使命，它時(shí)刻處于工作狀態(tài)，且必須能夠準(zhǔn)確地完成保護(hù)動(dòng)作，所以微機(jī)保護(hù)的軟件可靠性是對軟件開發(fā)的最主要的要求。電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是： (1)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的保護(hù)算法。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信。典型的 RS232 信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5~+15V，負(fù)電平在 5~15V 電平。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)需要一個(gè)急停的保護(hù)動(dòng)作， 圖 作執(zhí)行保護(hù)電路。 若取 fV =,當(dāng) eV 在區(qū)間 ～＋ 取值時(shí)，則 2OV 為 0～ 5V 的單極性電壓信號(hào)，滿足 STC90C58AD 單片機(jī)內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器對模擬輸入信號(hào)的要求。利用運(yùn)放 1的高輸入阻抗，來抑制負(fù)載對采樣精度的2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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 ： 2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)故障檢測信號(hào)取自于電動(dòng)機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號(hào)，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(jià)格等因素，并參考了其它設(shè)計(jì)案例，最終決定選用 LCD12864液晶顯示器。 (6)無電磁輻射： CRT工作時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，還會(huì)產(chǎn)生有害的 X射線，影響環(huán)境，而 LCD不會(huì)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(dòng)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(diǎn)，特別是在生產(chǎn)上，適宜采用集成化生產(chǎn)工藝，通過自動(dòng)生產(chǎn)流水線可以快速 大批量生產(chǎn)。當(dāng)光線通過兩個(gè)偏振片和液晶盒后，能沿原路經(jīng)反射極返回，此時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(jī)的主要特點(diǎn) （ 1）增強(qiáng)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(jī) )/(3V單片機(jī) )； （ 3）工作頻率范圍： 040MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz； 2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 （ 4） 片上集成 256+4096 字節(jié) RAM； （ 5）通用 I/O(35/39 個(gè) )，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(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時(shí)，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(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能； （ 8）共 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)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(jí) )/0～ 75C? （商業(yè) 級(jí)） ； 處理模塊電路設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的分析，控制器 處理 模塊電路圖設(shè)計(jì)如圖 所示 。將電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的狀態(tài)信息送到 PC機(jī)上，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析。將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過信號(hào)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。 電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件系統(tǒng)以 STC90C58單片機(jī) 為核心控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)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(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊 通信模塊 鍵盤顯示模 塊 2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 各模塊 研究 (1)處理器模塊。 (4) 采樣精度高。 (2) 抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)。這導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境復(fù)雜，對抗干擾性能要求較高。考慮到電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計(jì)和芯片選型方面充分考慮了該保護(hù)器的實(shí)際需要及抗干擾性能。然后對異步電動(dòng)機(jī)的典型常見故障的類型以及發(fā)生的原因從理論上進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)分析了造成電動(dòng)機(jī)損壞的電氣原因，分析了電動(dòng)機(jī)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(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)． 2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 b．過壓保護(hù) 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(fù)載星形連接且無中性線的電動(dòng)機(jī)，如果定子繞組一相短路，會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。低電壓也會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就無法啟動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到定子電流變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一過載 就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)越大，其容許過載時(shí)間就越短，即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。 圖 電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時(shí)間 t=O時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。 式 ()左邊是在時(shí)間間隔 dt中，定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)出的熱量Qdt。為了便于計(jì)算和分析，一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動(dòng)機(jī)的鐵損和機(jī)械 損耗，即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決于其銅損。電動(dòng) 機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn) 。 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象 。 實(shí)際上對于第③類斷相故障可以通 過計(jì)算得出 A相的正、負(fù)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(dòng)機(jī)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(hào)源。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)電流； CBA III , — 電動(dòng)機(jī)線電流； eI — 電動(dòng)機(jī)額定線電流； e。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。 由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的 4～ 7倍，為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng)，保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后，一般采用躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間 (8～ 16秒 )的方法來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接．此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電動(dòng)機(jī) 遭受嚴(yán)重?fù)p壞． 電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。 根據(jù)前面對故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會(huì)發(fā)生變化。對稱分量的計(jì)算公2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式如下（以 A 相為例）。因此，必須實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常，采取全面有效的保護(hù)措施保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠，電動(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)或者是在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)長時(shí)間承受過大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致電機(jī)過熱。 圖 電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖 其中： Ul 是電動(dòng)機(jī)定子側(cè)線電壓， r1， x1 是電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻、電抗， Lm 為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電抗， r2， x2 是電動(dòng)機(jī)折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻、電抗。 異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會(huì)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(yàn)檢測驗(yàn)證了本論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測量精度，靈敏度以及保護(hù)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 第二章主要介紹了電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，電動(dòng)機(jī)各種故障的特征分析以及相應(yīng)的故障判斷方法和保護(hù)措施。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(hù)模塊。該單片機(jī)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(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用 ?，F(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)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(shí)對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。 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(gè)保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。由于整個(gè)保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個(gè)元件的性能都回對整個(gè)系 統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。此類保護(hù)器從保護(hù)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(diǎn)電動(dòng)機(jī)容易長期運(yùn)行在輕微過載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)使用壽命。 2020 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 這種電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個(gè)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng) 機(jī)保護(hù)， 單片機(jī) ，故障診斷，數(shù)據(jù)采集 。本裝置可實(shí)現(xiàn)以下故障保護(hù)：短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過流保護(hù)、不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)以及過熱保護(hù)等功能。本文圍繞基于微控制器的電動(dòng)機(jī) 綜合 保護(hù)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(jī)測量、監(jiān)控、保護(hù)一體化 裝置。 近年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、以及其它嵌入式處理器在電動(dòng)機(jī)保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2．給出了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。 最后 ，通過實(shí)驗(yàn)對 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 的可靠性 進(jìn)行 檢驗(yàn) ， 實(shí)驗(yàn)表明，此 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測量精度，靈敏度以及保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，全國每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在 300萬臺(tái)以上，僅電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用就在百億元以上，因電動(dòng)機(jī)不正常工作所造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億 KWh，間接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)目驚人。 電動(dòng)機(jī)保護(hù) 器 的歷史和現(xiàn)狀 以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式 熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)器，是長期以來我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。 熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，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(hù)時(shí)滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。 普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 從上個(gè)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(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。但是設(shè)計(jì)思路的限制導(dǎo)致這些電動(dòng)機(jī)保護(hù)器仍有