【正文】 20 323 上電復(fù)位電路 ..........................................................................................................20 167。 不僅如此，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過修理后功率下降，耗電量大，性能變差， 一旦發(fā)生故障，可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)服務(wù)中止，從而造成生產(chǎn)線的停工，甚至危及到作業(yè)人員生命安全，由此 造成的間接損失更是一個(gè)無法估量的數(shù)目 ?？梢姶朔N保護(hù)方式并不能從根本上提高裝置的靈敏性。1997 年國(guó)家機(jī)械部等八部委聯(lián)合發(fā)文宣布：從 1997 年 12 月 31 日起，停止生產(chǎn)熱繼電器等落后機(jī)電產(chǎn)品，逐步以新型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器代替熱繼電器。 南京建威科技公司研制的 KSL521系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置主要應(yīng)用于 690V 以下低壓電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的過載、短路、長(zhǎng)延時(shí)起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、欠壓、過壓等故障予以保護(hù)，并集合三相電量檢測(cè)、顯示、數(shù)字輸入 /輸出和網(wǎng)絡(luò)通訊于一身，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方管理及“四遙”功能。 本設(shè)計(jì)中，采用的方法就是對(duì)單片機(jī)所采集到的線電流進(jìn)行計(jì)算 。 167。 等效電流 eqI 不僅適用于過載保護(hù)，還適用于過流保護(hù)， 根據(jù)等效電流 eqI ，將過流 保護(hù)分為三段[20]： 2212 過載 特性與 熱積累 前面已經(jīng)介紹過 電動(dòng)機(jī)過載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱 ,但其低倍過載又允許一定時(shí)限 ,所以電動(dòng)機(jī)過載特性具有反時(shí)限特性 。當(dāng)電流一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升與 P 成正比，故電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升就與 2I 成正比，即 （ ） I 為電動(dòng)機(jī)的線電流有效值； K 為穩(wěn)定溫升比例系數(shù)，由電動(dòng)機(jī)的各參數(shù)確定。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同，與相線之間產(chǎn)生的相間短路也不同。和變壓器原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然增大 [34]，溫升增高。本文的第三章和第四章將對(duì)過載保護(hù)裝置的硬件與軟件設(shè)計(jì)做重點(diǎn)研究，力求實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的有效保護(hù)?？梢哉f，單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)新的平臺(tái)。 MCS51系列與 ATMEL89系列 單片機(jī)主要分類及功能特性如下表 。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 口也接收高位地址 字節(jié) 或一些控制信號(hào)。 323 上電復(fù)位電路 單片機(jī)的上電復(fù)位實(shí)質(zhì)上就是上電延時(shí)復(fù)位，換句話說就是在上電延時(shí)期間把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上。 典型 的 串行模擬 /數(shù)字 轉(zhuǎn)換芯片 是 TLC2543。 基于以上要求，在 數(shù)據(jù) 采集芯片的選取上應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩方面。 片內(nèi)震蕩電路與外部晶振和電容的連接 如 上圖 32所示， XTAL1 為內(nèi)部反相放大器的輸入端， XTAL2 為輸出端。對(duì) P1 端口寫“ 1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有 Flash存儲(chǔ)器。它以體積小，價(jià)格低，功能全 等特點(diǎn) 贏得了廣泛的應(yīng)用 。如果多次起動(dòng)間隔的時(shí)間較短，則必定會(huì) 因較大的起動(dòng)電流而 造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過熱 ，所以這種情況下需要設(shè)置頻繁起動(dòng)保護(hù) 。 另外，有時(shí)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)萬無一失，確保設(shè)備的安全。 堵轉(zhuǎn)保 護(hù)信號(hào)可取自電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到 時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。該微分方程的解為： （ ） 式中， w? 為定子繞組的穩(wěn)定溫升； 0? 為定子繞組的初始溫升； T 為電動(dòng)機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)， () 過載保 護(hù)元件應(yīng)在小于電動(dòng)機(jī)溫升允許值的設(shè)置值 m? 動(dòng)作，斷開電路，得： （ ） tIIHseq ?????????? ?????????? ? 22 TtTtw ee ?? ????????? ?? 01 ???ScGT ??TtTtwm mm ee ?? ????????? ?? 01 ???河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 當(dāng) 00?? 時(shí)， () 動(dòng)作時(shí)間： （ ） P 主要由電動(dòng)機(jī)繞組線圈的損耗 rP 和鐵芯的渦流與磁滯損耗 mP 組成。定子繞組的 I+和 I產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)定子自身而言為正反同步速度 ； 但對(duì)正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子來說 (設(shè)轉(zhuǎn)差率 s≈ 0)， 前者差不多相對(duì)靜止 ， 后者近似為 2倍同步速度。這類故障的主要特征是三相基本 對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過電流，故障嚴(yán)重程度基本反映在過電流的程度上，因此檢測(cè)過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。因此利用電流中的負(fù)序分量和零序分量來鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 此外，日本富士公司的具有過載、斷相和反相保 護(hù)的 QA 系列繼電器，美國(guó) ABB 公司的 SPEM 繼電器 在 過載、三相電流不平衡、斷電保護(hù)和自我監(jiān)控等 方面均具有完善的 功能 [9]。 其 主要特點(diǎn)是 ： ① 功能多，易于設(shè)計(jì)和控制， 可以方便地?cái)U(kuò)充其他輔助功能； ② 可 對(duì)多種故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù) ：如 斷相、過 載、短路、欠壓、過壓及漏電等故障； ③ 可以與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī) 聯(lián)網(wǎng) ， 監(jiān)控電動(dòng)機(jī)工作 情況； 具備遙控的 功能 ， 實(shí)現(xiàn)通訊 ； ④ 具有電流電壓顯示、時(shí)間控制、軟件自診斷、來電自恢復(fù)、自啟動(dòng)順序、故障記憶、自鎖和遠(yuǎn)傳報(bào)警 等智能化功能； ⑤ 動(dòng)作靈敏，精準(zhǔn)度高 ， 能得到常規(guī)保護(hù)不易獲得的特性； ⑥ 可靠性高，自檢和互檢能力強(qiáng)。 但是其核心器件 —— 雙金屬片由于被反復(fù)的加熱和冷卻，其應(yīng)力變化很不穩(wěn)定， 長(zhǎng)期輕微過載運(yùn)行會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累 ，從而使繞組絕緣老化造成電動(dòng)機(jī)損壞； 重復(fù)性能差、大電流過載或 短路故障后不能再次使用 、誤差 大 、基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)技術(shù)的研究 2 易受環(huán)境溫度的影響， 功耗大、耗材多、性能指標(biāo) 落后 。 隨著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展 ， 以及 其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn)， 越來越多的電動(dòng)機(jī) 被廣泛 地 應(yīng)用于 各 行各 業(yè) ，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)及人民生活正常進(jìn)行的重要保證。1 4 本文的研究?jī)?nèi) .................................................................................................................. 4 第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 ........................................................................................................ 5 167。 但是，因?yàn)槭褂貌划?dāng)或其他原因造成電動(dòng)機(jī)故障的幾率也是很大的。 11 電動(dòng)機(jī)保護(hù)的意義 ........................................................................................................... 1 167。4 4 時(shí)鐘單元程序 ................................................................................................................. 34 167。 它 主要采用雙金屬片式保護(hù)技術(shù)，利用雙金屬片 熱效應(yīng) 原理。 其工作原理有兩方面：一是通過檢測(cè)電流值來反映過載、短路和堵轉(zhuǎn)等以過流為特征的故 障；二是通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流是否缺相來反映斷相故障。 80 年代末，隨著微處理 器 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始研制以單片機(jī)為核心的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)繼電器。 河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù) 原理 電動(dòng)機(jī)的故障通?？煞譃閮纱箢悾簩?duì)稱故障和不對(duì)稱故障。有如下關(guān)系： () 或者 () 其中： 23211 2 0 je j ???? ?? ， 23212402 je j ???? ?? （ 1） 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組 中 通 過 對(duì)稱的三相電流 ?AI 、 ?BI 和 ?CI ，且 ??? ? AA II ， 00 ?? ??? AA II ，即繞組中沒有負(fù) 序和零序分量。 另外，電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)還應(yīng)具有模擬和記憶電動(dòng)機(jī)熱積累的功能。在電動(dòng)機(jī)熱計(jì)算中，假定電動(dòng)機(jī)是一個(gè)均勻物體，只計(jì)算平均溫度。發(fā)生堵轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)。即： ? ?cba III ,maxI max ? 225 過熱保護(hù) 繞組溫度是決定繞組絕緣壽命的主要因素，是電動(dòng)機(jī)壽命的決定因素。經(jīng)過起動(dòng)時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)的電流如果仍大于堵轉(zhuǎn)電流整定值，則起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)開始動(dòng)作；若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流小于堵轉(zhuǎn)電流的整定值，則電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。 圖 智能過載保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖 Hardware configuration diagram of intelligent overload protection device 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)技術(shù)的研究 16 167。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(huì) 有所不 同。當(dāng)訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， 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。 圖 為 AT89S52 封裝引腳圖。 圖 單片機(jī)處理信息流程圖 MCU process information flow chart 331 采樣芯片的選型 從對(duì)系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)功能的角度考慮，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的漏電電流進(jìn)行采集。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（ EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。典型的復(fù)位電路如圖 所示 [37]，它是利用單片機(jī) RST 引腳外接一個(gè) RC 電路組成的，電阻和電容的值由手冊(cè)提供。 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(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） （ 2） RST 復(fù)位輸入端 在振蕩器運(yùn)行時(shí)， 此腳上 會(huì)持續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平而 使單片機(jī)復(fù)位。其 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖如圖 。但 是 80C31 片內(nèi)并無程序存儲(chǔ)器，需要外接 ROM。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(hào)，輸入到 A /D 轉(zhuǎn)換器中。 欠壓保護(hù)的原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，需進(jìn)行斷電保護(hù)。對(duì)于 較小的電流，由于 采用零序互感器更為準(zhǔn)確和可靠，故漏電保護(hù)信號(hào)必須 取自零序互感器 [16,31]。在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，無法用一個(gè)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算電動(dòng)機(jī)的溫升。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過程溫度變化曲線如圖 所示 [21]。 因過載對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞主要是由于過電流引起的，所以故障嚴(yán)重程度可通過過電流的程度來判斷 。； （ 2） 負(fù)序 三相負(fù)序分量 的幅值相等，相位為 A 相落后 B 相 120176。 具有功能強(qiáng)大、集成度高、反應(yīng)靈敏、動(dòng)作準(zhǔn)確、誤差率低等優(yōu)點(diǎn)， 智能化保護(hù)繼電器已成為 21 世紀(jì)重要的 發(fā)展 趨勢(shì) [6]。 國(guó)外 在 電子式 保護(hù)裝置 方面的研究 較早， 是從 60 年代開始的 ，而且生產(chǎn)規(guī)模較大，種類齊全 。溫度保護(hù)不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)，而且對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器和電焊機(jī)等均能實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù) [2]。這些故障的發(fā)生會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的電流、電壓和相位的變化 ， 其中以過流和過熱為顯著特征。3 5 鍵盤顯示單元的設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 25 167。 整套裝置包括了：主控制芯片、數(shù)據(jù)采集單元、時(shí)鐘顯示單元、鍵盤處理單元和報(bào)警中斷等模塊電路。最后，結(jié)合現(xiàn)有理論，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī) AT89S52為核心的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)裝置的硬件電路，同時(shí)根據(jù)理論算法設(shè)計(jì)了裝置的軟件系統(tǒng)，兩者相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置的功能。3