【正文】 保護(hù)功能于一體的全保護(hù)、 裝置復(fù)雜，對(duì)電磁干擾敏感，對(duì)維護(hù)人員的要求很高等。這種直接監(jiān)視溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，是一種相對(duì)可 靠、準(zhǔn)確的方式。由于微機(jī)處理器的智能和功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)其他三種傳統(tǒng)保護(hù)控制裝置不能實(shí)現(xiàn)的保護(hù)控制功能。 在國(guó)外，早在 1975年初，英國(guó) GEC公司將微機(jī)處理器應(yīng)用于變電所的控制和自動(dòng)合閘的情況就已有報(bào)道。從 70年代后期開(kāi)始，各國(guó)都在這個(gè)方面做了很多努力，使電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)技術(shù)逐漸成熟起來(lái)。 GE、 EGR、 DG、 DZ、 DGRSDDR、 EECLH、DZG DZNG ECHL）、數(shù)顯式智能型保護(hù)器 (3DD、 3DI、 3DM、 FD)、電壓型保護(hù)器（ VR、 EOVR、 EUVR）等型號(hào)系列， 60余種規(guī)格 [3]。與世界先進(jìn)國(guó)家相比我國(guó)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制技術(shù)水平，還有一定差距，其技術(shù)含量較低。 在本次課題設(shè)計(jì)中，首先分析了電動(dòng)機(jī)的各種故障類型及 故障產(chǎn)生的原因，對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)原理做了大量分析，選擇適合于大、中型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)方案；然后在第三章 以 ATmega16L 單片機(jī)為硬件核心， 設(shè)計(jì)出一套綜合保護(hù)裝置，通過(guò)處理采集來(lái)的電壓、電流、溫度等信號(hào)來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否含有故障以及故障的類型，并發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障分析 要設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)裝置，首先要分析保護(hù)對(duì)象會(huì)遇到的各類故障，分析其故障特征，才能提出切實(shí)可行的保護(hù)方案。這類故障主要特征是三相電流電壓基本對(duì)稱，但電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，還會(huì)產(chǎn)生不良的機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)不同程度的受損； 不對(duì)稱故障又分為接地故障和非接地故障。因此， 對(duì) 額定容量在20xxkW 以上，或小于 20xxkW 但電流速斷保護(hù)靈敏度不夠的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。 當(dāng)供電 系出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中如果因機(jī)械故障、負(fù)荷過(guò)大、電壓過(guò)低等原因而使轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)散熱條件極差，電流很大，特別容易燒壞，需設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 另外，還應(yīng)設(shè)置過(guò)熱保護(hù)、 啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和頻繁起動(dòng)保護(hù) 。 對(duì)于 20xxkW 及以上的大容量電動(dòng)機(jī)，或容量稍小些的重要電動(dòng)機(jī)采用雙重保護(hù)措施。 它分為比率制動(dòng)式縱差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)等。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 8 當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，流入電動(dòng)機(jī)一相繞組上的兩個(gè)電流互感器二次側(cè)電流、相位均相同 ，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)制動(dòng)特性如圖 22 所示： ABCID Z . m i n動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)ID Z . m a xDZI0.minZDI ZDISDI 圖 2－ 2 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的制動(dòng)特性 圖中， DZI 為差動(dòng)電流， SDI 為差動(dòng)速斷電流，一般取 6~8 倍的流入保護(hù)裝置的第二側(cè)二次電流， .minDZI 為差動(dòng)啟動(dòng)電流，一般為 ~ 倍的流入保護(hù)裝置的第二側(cè)二次電流， .minZDI 為最小制動(dòng)電流，一般取額定電流， ZDI 為制動(dòng)電流。 CT 斷線判據(jù)：當(dāng)至少檢測(cè)到一相電流為零并且零序電流大于 ctI 時(shí)，發(fā)出斷線告警并閉鎖差動(dòng)保護(hù)。斷 線 告 警 信 號(hào)差 動(dòng) 保 護(hù) 動(dòng) 作 圖 2－ 3 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)邏輯框圖 圖 24 為差動(dòng)速斷保護(hù)的邏輯框圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱時(shí)，負(fù)序和零序電流為零，而發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)則會(huì)顯著增加。 表 2l電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障信息分布表 故障類型 過(guò)電流 負(fù)序電流 零序 電流 其他故障特征 設(shè)置保護(hù) 類型 對(duì)稱 故障 三相短路 (8 10) pI? 無(wú) 無(wú) a b cI I I?? 電流速斷 堵轉(zhuǎn) (5 7) pI? 無(wú) 無(wú) a b cI I I?? 正序 定 時(shí) 限 過(guò)載 ( 5) pI? 無(wú) 無(wú) a b cI I I?? 正序 反 時(shí) 限 不對(duì)稱性故障 非接地 斷相 3/2pI 無(wú) 0,a b cI I I? ?? 負(fù)序 定 時(shí) 限 逆相 無(wú) pI 無(wú) a b cI I I?? 不平衡 無(wú) 有 無(wú) a b cI I I?? 相間短路 有 1/ 3bI 無(wú) b c aI I I?? 接地 單相接地 有 1/3aI 1/3aI a b cI I I?? 零序 定時(shí) 限 二相接地 有 有（值的大小 取決于位置） ,b c a pI I I I?? 從表 21 可知，若以過(guò)流信息反映短路和堵轉(zhuǎn)故障，以負(fù)序和零序電流反映各類不對(duì)稱短路和接地短路等不對(duì)稱故障，可以實(shí)施全面的電流保護(hù)。在簡(jiǎn)單、可靠和保證選擇的前提下，原則上總是越快越好。 速 斷 保 護(hù) 投 入A 相 電 流 大 于 整 定 值B 相 電 流 大 于 整 定 值C 相 電 流 大 于 整 定 值≥amp。 保護(hù)判據(jù)為 ： 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) ： 1 1 . m a x1qzd re lq stzdI I K ITt? ? ??????? () 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 12 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí) 111zd rel zxzdI I K ITt? ? ??? ?? () 1I 為電動(dòng)機(jī) 的正序電流 ； .maxstI 為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流 ； relqK 為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可靠系數(shù)，依據(jù)不同保護(hù)類型取不同值 ； 1zdt 為時(shí)間常數(shù)，依 據(jù)不同保護(hù)取不同值 ； zxI 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)正序電流整定值 ； relK 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可靠系數(shù) 。 過(guò)負(fù)荷保 護(hù)實(shí)際上是通過(guò)電流幅值模擬電機(jī)的發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)的熱慣性 使它具有一種短暫的過(guò)載能力，此時(shí)短時(shí)間的過(guò)載仍屬正常運(yùn)行，只有 到熱量積累溫升達(dá)到損壞電動(dòng)機(jī)的壽命程度時(shí)，才給予保護(hù) 。這種方法是以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱不至于使電機(jī)燒壞為準(zhǔn)，即電動(dòng)機(jī)的繞組在電流越大時(shí)，發(fā)熱量也越大，此時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度上升越快，達(dá)到 使繞組被燒壞的溫度時(shí)間越短，此廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 13 時(shí)需快速地切開(kāi)電動(dòng)機(jī)，反之，電動(dòng)機(jī)的電流小，達(dá)到電動(dòng)機(jī)繞組被燒壞的溫度的時(shí)間就越長(zhǎng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)還可繼續(xù)工作一段時(shí)間。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 14 而方程左邊 Qdt 為在時(shí)間間隔 dt 中，定子繞組由 于過(guò)負(fù)荷 而發(fā) 出的熱量，方程右邊 CGd? 為這一熱量 一部分使定子溫度升高 d? 度。 t 1 t 2 tθ 0θ m a xsθ ( t )θ /℃I 圖 28 過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性曲線 將溫升特性式 (212)中指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，取其前兩項(xiàng)，得 ： 1s tCG setCG? ?? ?? 帶入 (212)得 2 2 22() [ ( / ) 1 ]eeeI I r I rt I I tC G C G? ?? ? ? 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 15 ∵ 2ceP I r?? —— 銅損 為常數(shù) 。所以對(duì)埋有溫度傳感器的電動(dòng)機(jī)，有必要對(duì)溫度傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)，結(jié)合前面所述的熱過(guò)載保護(hù)，則更能有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。 負(fù)序電流保護(hù)是作為電動(dòng)機(jī)斷相、 定子繞組或引出 線不對(duì)稱相間短路、定子繞組匝間短路及三相電流不平衡的主保護(hù)。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)： 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 16 I 段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)： 222qzdzdIITt????????? () Ⅱ 段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù) ： 222qzdzdIITt??????????? () 2I 為電動(dòng)機(jī)負(fù)序電流值； 2qzdI? 和 2qzdI?? 分別為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) I 段和 II 段負(fù)序電流整定值； 2zdt? 為 I 段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)； 2zdt?? 為 II 段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為長(zhǎng)延時(shí)。 2 z dt 39。為提高接地保護(hù)的靈敏度，采用零序電 流保護(hù) 和零序電壓保護(hù) 。 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)： ?段零序電流保護(hù)判： 000zdzdIITt???? ??? () 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 18 П段零序電流保護(hù)判據(jù)： 000zdzdIITt????? ???? () 0I 為電動(dòng)機(jī)零序電流值； 0zdI? 和 0zdI?? 分別為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí) I 段和 II 段零序電流整值； 0zdt? 為 I 段零序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí) ； 0zdt?? 為 II 段零序電流保護(hù)時(shí)整定值，為長(zhǎng)延時(shí)。 保護(hù)邏輯框圖如圖 211 所示。 o z d大 于 速斷整 定 值amp。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓下降到 60%，電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)將發(fā)生困難，針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)置低電壓保護(hù)。 低壓保護(hù)判據(jù)： 11() zdzdM AX U UTT???????斷 路 器 為 合 位 () 1zdU 為低 壓保護(hù)整定值，對(duì)于不允許或不需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其取值為60%~70% eU ( eU 為額定電壓 )，對(duì)于需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其取值為 50% eU ；1zdT 為低壓延時(shí)定值。 (1)起動(dòng)時(shí)間 過(guò)長(zhǎng)保護(hù) 起動(dòng)時(shí)間 過(guò)長(zhǎng)保護(hù)是由電流速斷保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 (2)起動(dòng)時(shí)間間隔保護(hù) 電動(dòng)機(jī)運(yùn) 行規(guī)程中不允許頻繁地啟動(dòng)，由于每次起動(dòng)都會(huì)有較大的起動(dòng)電流而如果起動(dòng)間隔較短，就能引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，所以特別設(shè)置了啟動(dòng)時(shí)間間隔保護(hù)。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 21 第三章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 從功能上來(lái)劃分，微機(jī)保護(hù)裝置可以分為 6 個(gè)部分 ： 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出接口、人機(jī)接口、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng) 。 而在微機(jī)繼電保護(hù)中用到的一般只是其中的低次諧波，這就 給 CPU 提出了過(guò)高的要求 ，因此，應(yīng)將采集來(lái) 的模擬信號(hào) 經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除掉高次諧波，降低對(duì)微機(jī)硬件系統(tǒng)的過(guò)高要求。在 本 保護(hù)系統(tǒng)中要采集每一 相的電流、電壓等電 量 參數(shù) ，為此 選用了多路 模擬 開(kāi)關(guān)和采樣保持器配合工作： 利用多路開(kāi)關(guān)將各路模擬信號(hào)輪流與 A/D 轉(zhuǎn)換器接通，使一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器能完成多個(gè)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，節(jié)省硬件開(kāi)銷 。 18V 下工作 ； 電壓跟隨時(shí)間短 (10μ s)，下降率 低 ； 輸出電壓零點(diǎn)可調(diào) ： 高精度的直流誤差 (%)； 低功耗 (約為500mW)；使用溫度范圍大（－ 25～＋ 85） 等 。 + 1 5 V 1 5 V+ 1 5 V 1 5 VR 1 R 0 R 1 R 0V S S V S S2148763281476V S SI n p u t Io u t p u t IV S S3C HC H55L F 2 9 8 L F 2 9 8I n p u t U采 樣保 持V 1o u t p u t U 圖 33 采樣保持電路 A/D 轉(zhuǎn)換 微機(jī)保護(hù)裝置必須對(duì)同一時(shí)刻的電量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以保證各路信號(hào)間的相對(duì)關(guān)系。 使用 AVR 的 ADC 需要注意： ADC 的分辨范圍在以 GND 為基準(zhǔn)的 0 V到參考電壓的范圍內(nèi)。若利用反相求和電路 將 － KUi 與 Ui 負(fù)半周波形相加，就可實(shí)現(xiàn)全波整流。 其工作原理圖見(jiàn)圖 36 所示。 R D輸 出 至A / D 轉(zhuǎn) 換inV 1R 2I1I LR 圖 37 系統(tǒng)電壓的處理 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖如 圖 38 所示。 ② AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。 ③ 輸出電阻為 710MΩ。 （ 2） AD590 的