【正文】 al economy. Due to the hightension motor is widely used in the extreme environment the protection of the hightension motor has bee a concernment. With microelectronics technology being rapidly developed in recent years, microminiaturization, digitizing, intelligence and working are the development trend of motor protection devices, and which develop toward high accuracy, high reliability and high environment adaptability. Taking the hightension asynchronous motor for an example the paper analyses the mon faults and corresponding protection principle, and the protection unit is simply designed on this basis, the LED nixie tube and other peripheral devices are added to make up the protect system. The design of hardware takes ATmega16 SCM as the core, judges and eliminates faults promptly and accurately by collecting and processing the voltage, current and temperature. The design of software introduces the main flow of the system, telling how SCM monitor and judge the handled digital signals, and sends warning or trip signal timely, thus makes the motor running more safe and reliable. Considering that the protection device usually works in the extremely bad environment, the antiinterference design is also done in the paper to ensure the SCM system being able to work steadily and reliably. Keywords: hightension motor。 高壓電動(dòng)機(jī)一般都是用于工業(yè)生產(chǎn)中的重要場(chǎng)所 ， 它的可靠運(yùn)行對(duì)于生產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵 。 高壓電 動(dòng) 機(jī)的故障或不正常運(yùn)行 不僅會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，而且會(huì)破壞生產(chǎn)的連續(xù)性。 因此，研究一種高壓電動(dòng)機(jī)的綜合監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置迫在眉睫。但熱繼電器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、重復(fù)性差、誤差 大 等，已無(wú)法滿足越來(lái)越高的要求，因而也就無(wú)法避免被淘汰的命運(yùn)。 模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 在上個(gè)世紀(jì)七八十年代，隨著半導(dǎo)體模擬器件的興起及普及，涌現(xiàn)出了一批性能比較可靠、功能多樣化的電子式電機(jī)保護(hù)器，為電機(jī)的可靠運(yùn)行提供了較可靠的保障 。 鑒于以上原因，純粹模擬線路的電機(jī)保護(hù)器正逐漸被其它一些更先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品所代替。 （ 2） 運(yùn)算速度快 ， 掃描周期僅幾百毫秒 ， 可開(kāi)發(fā)功能多 。 微處理器的發(fā)展與特點(diǎn) 從 1971 年第一代微處理器 誕生開(kāi)始，微處理器技術(shù)得到了飛速發(fā)展，經(jīng)過(guò)六代的發(fā)展，從最初的 4 位機(jī)再到 8 位機(jī)、 16 位機(jī)、 32 位機(jī)到現(xiàn)在的64 位機(jī)、多核機(jī)。 通過(guò)將8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。接下來(lái)在第二章對(duì) 高壓電動(dòng)機(jī) 的故障進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并列出根據(jù)要求所應(yīng)裝設(shè)的保護(hù)配置。 對(duì)于保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)，本論文介紹了一種 AVR 單片機(jī)基于 C 語(yǔ)言的編譯器和集成環(huán)境，在此環(huán)境下對(duì) ATmega16 進(jìn)行編譯、開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置狀態(tài)的顯示及對(duì)其的控制。 三相 異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：當(dāng)向三相 對(duì)稱 定子繞組中通過(guò)入對(duì)稱的三相交流電時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的 圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 。 電動(dòng)機(jī)的定子部分 包括定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座，轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組， 其他附件為端蓋、軸承、軸承端蓋、風(fēng)扇 等部件 。 定子繞組主要有對(duì)地絕緣、相間絕緣、匝間絕緣三個(gè)絕緣項(xiàng)目。 端蓋安裝于電動(dòng)機(jī)端部與轉(zhuǎn)子相交，轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承和 軸承端蓋與電動(dòng)機(jī)端蓋連為一體。 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)會(huì)加速電動(dòng)機(jī)軸承磨損，使軸承的正常使用壽命大大縮短，同時(shí)繞組絕緣 將下降 。 （ 2） 電氣故障 電動(dòng)機(jī)的 電氣 故障 又 可分為對(duì)稱和不對(duì)稱 兩 大類。 不對(duì)稱故障的明顯特征是電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù) 7 第三章 高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析 高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)的基本要求 為保證系統(tǒng)能安全、可靠的運(yùn)行， 對(duì)繼電保護(hù) 提出了四個(gè)基本要求： 選擇性 、 速動(dòng)性 、 靈敏性 、 可靠性。 高速度 電流速斷保護(hù)要求繼電保護(hù)具有高速度。這類故障的主要特征是三相基本對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)在過(guò)電流的程度上，因此檢測(cè)過(guò)電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。 在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相基本對(duì)稱，負(fù)序和零序電流分量基本為零，而一旦發(fā)生不對(duì)稱故障，則出現(xiàn)很大的幅值，以此鑒定不對(duì)稱故障有很高的靈敏度和可靠性。 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子對(duì)負(fù)序電流和正序電流所表現(xiàn)的電阻之比為： R1/R2=KR=~6,這就是說(shuō) 數(shù)值相同的負(fù)序電流的損耗近似于正序電流的損耗的 KR 倍 ， 若不考慮負(fù)序電流的熱效應(yīng)，在某些故障情況下，可能有時(shí)定子過(guò)流不是很大，但轉(zhuǎn)子溫度卻已達(dá)到危險(xiǎn)值 ,所以為了對(duì)電動(dòng)機(jī)提供更為全面，準(zhǔn)確的保護(hù)，本 論 文采用等效電流的方法，分別求出電動(dòng)機(jī)電流的正序分量和負(fù)序分量，然后把負(fù)序電流的 熱效應(yīng)擴(kuò)大 K2 倍，求得一個(gè)等效電流，用這個(gè)等效電流作為電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)的計(jì)算電流，等效電流計(jì)算方法為： 222211 IKIKIeq ?? （ 32） 式 （ 32） 中 ： K K2 為 正、 負(fù)序電流發(fā)熱等效系數(shù) , K1 在啟動(dòng)過(guò)程內(nèi)為 ，啟動(dòng)結(jié)束后為 1， K2=3~10， 一般取 6； I I2 是電動(dòng)機(jī)電流正 、負(fù)序分量 。 本文采用兩段式定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù) ， 作為電動(dòng)機(jī)斷相、不平衡運(yùn)行、定子繞組或引出線不對(duì)稱相間短路、 定子繞組匝間廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù) 10 短路的主保護(hù)。 零序電流 保護(hù) 零序保護(hù)即接地保護(hù)，當(dāng) 3 倍零序電流 大于保護(hù)的動(dòng)作電流時(shí) ， 經(jīng)短延時(shí) 保護(hù)出口動(dòng)作， 發(fā)出接地信號(hào)或跳閘 。 電壓保護(hù) 電壓保護(hù)主要有以下兩種情況： 過(guò) 電 壓保護(hù) 電動(dòng)機(jī)繞組是用固體介質(zhì)來(lái)絕緣，沖擊絕緣水平很低，特別在電 動(dòng) 機(jī)導(dǎo)線出槽處，由于電場(chǎng)極不均勻，在過(guò)電壓作用 下 ，會(huì)受輕微損傷，使絕緣老化，引起擊穿。 過(guò)熱保護(hù) 三相定子繞組的短路、斷路 ， 三相定子繞組接錯(cuò) ， 軸承及定子與轉(zhuǎn)子鐵芯相摩擦等都會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。 另外，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等原因即使電壓、電流在正常范圍內(nèi)，但電動(dòng)機(jī)的溫度確實(shí)達(dá)到了極度危險(xiǎn)的數(shù)值，過(guò)熱保護(hù)可直接根據(jù) 電動(dòng)機(jī)的溫度狀況做出保護(hù)動(dòng)作，使其 對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)更為全面，確保 設(shè)備的安全。 微機(jī)保護(hù)裝置的構(gòu)成 微機(jī)保護(hù)裝置 是 以 CPU 為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢測(cè)設(shè)備是否發(fā)生故障以及故障的性質(zhì)、范圍等，并據(jù)此做出是否需要跳閘或報(bào)警等判斷的一種安全裝置。 處理器運(yùn)算速度快 由于裝置需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理， 必須采用運(yùn)算速度快的微處理器以保證保護(hù)器動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。 ATmega16 單片機(jī)的主要特點(diǎn)： 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器。 多路模擬開(kāi)關(guān) 由于有多路模擬采樣信號(hào)輸入，需要對(duì)多路參量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，為 節(jié)省硬件開(kāi)銷，可使用多路開(kāi)關(guān) 分時(shí)將 各路模擬量與 ATmega16 轉(zhuǎn)換電路的通道接通。其 工作模式及輸入通道的選擇參見(jiàn)真值表 見(jiàn)表 41。C ~﹢ 600176。 電壓電流采集系統(tǒng) 國(guó)產(chǎn) 高壓電動(dòng)機(jī)的端電壓 一般 為 3~10kV，線電流可達(dá)幾十乃至上百安培，這不可能直接送到 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 直接進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，因此在本裝置中使用電壓互感器和電流互感器將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以接受的低電壓、小電流。 JDZ6 型電壓互感器 體積小、重量輕，安裝僅占有限空間所有繞組完全澆注在環(huán)氧樹(shù)脂中，具有優(yōu)良的絕緣性能，耐沖擊和機(jī)械壓力，并可以保護(hù)繞組不受潮。C ； ② 戶內(nèi)環(huán)境濕度：在室 內(nèi) 溫度條件下，最大相對(duì)濕度為 90%； ③ 安裝場(chǎng)所應(yīng)無(wú)嚴(yán)重的震動(dòng)和顛簸 。C ； ② 相對(duì)濕度：溫度為 40176。C ）。 電流數(shù)據(jù)采集 （ 1） 采用 LZZBJ910A型 高壓 電流互感器 對(duì) 定子電流 進(jìn)行測(cè)量 LZZBJ910A為 戶內(nèi)、全封閉、全工礦、干式、 支柱式 電流互感器 ，采用環(huán)氧樹(shù)脂全封閉澆注成型 ，適用于額定頻率為 50Hz或 60Hz，額定電壓在10kV及以下的電力系統(tǒng)中作電流、電能測(cè)量和繼電保護(hù)用。C ）； ④ 產(chǎn)品表面爬電距離：滿足 Ⅱ 級(jí)污穢等級(jí)； ⑤ 安裝 場(chǎng)所無(wú)嚴(yán)重影響互感器絕緣的 氣體、蒸汽、化學(xué)沉積、污穢及廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù) 20 其它爆炸性和腐蝕性介質(zhì)。 （ 2） 單片機(jī)電路板上使用的電流互感器選用 TYCT21EM5A/ 立式穿芯微型精密電流變換器 1）特點(diǎn)： ① 立式穿芯印刷線路板直接焊接安裝、外形美觀； ② 體積小，精度高； 全封閉，機(jī)械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強(qiáng)，安全可靠。C 時(shí)不大于 90%。 5）安全特性： ① 絕緣電阻：常態(tài)時(shí)大于 1000M? ； ② 抗電強(qiáng)度：可承受工頻 6000 V/1 分鐘； ③ 阻 燃 性：符合 UL94Vo 級(jí)。否則轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有保證，特別當(dāng)輸入 信號(hào)頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。 為實(shí)現(xiàn)同步采樣， 采用共享A/D 轉(zhuǎn)換器 通道的多通道 采樣保持的形式 構(gòu)成采樣保持電路 。 多路模擬開(kāi)關(guān) MAX4539 安置在采樣保持器 AD582之后，因此多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻將會(huì)影響傳輸誤差，為此有必要增加高輸入阻抗的緩沖器（圖 410 中的 N 放大器），這樣可提高整個(gè)采集系統(tǒng)的精度。 AD 轉(zhuǎn)換電路 本文設(shè)計(jì) 8 路采集信號(hào)： 3 路電壓信號(hào)、 3 路電流信號(hào)、 1 路 電動(dòng)機(jī)定子繞組 端部 溫度信號(hào)和 1 路電動(dòng)機(jī)漏電電流信號(hào)。 當(dāng) 輸入信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，需先轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再進(jìn)行濾波。因此，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)必須在二者之間添加緩沖驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí) 為提高抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用了光電隔離電路， 開(kāi)關(guān)量輸出電路 設(shè)計(jì) 如圖 413 所示： 鎖存器出 口 繼 電器 輸 出出 口 繼 電器 線 圈＋ 5 VR1R2C1CRDK C O來(lái) 自 C P UR3G N D G N D 1 圖 413 開(kāi)關(guān)量輸出電路 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù) 25 鍵盤與顯示設(shè)計(jì) 人機(jī)接口是本裝置的重要組成部分，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定，顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等功能。 鍵盤的四個(gè)輸入端分別接到 PA5~PA8，鍵盤設(shè)計(jì)電路如圖 414 所示： s 1s 3s 4s 2VC CP A 5P A 6P A 7P A 8R1R2R3R4R5R6R7R8 圖 414 鍵盤設(shè)計(jì)電路圖 鍵盤掃描采用查詢法，在鍵盤掃描程序中不斷查詢 PA 口的狀態(tài)（無(wú)按鍵按下時(shí)為高電 平，有按鍵按下時(shí)為低電平），如果查詢發(fā)現(xiàn)有按鍵按下則調(diào)用延時(shí)子程序延時(shí)一段時(shí)間后再次查詢 PA 口的狀態(tài)，如果此時(shí)狀態(tài)與上一次相同則確認(rèn)有按鍵按下，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序；否則就認(rèn)為是干擾信號(hào)不予處理。該方式的功耗只有靜態(tài)掃描的