【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 即自動(dòng)識(shí)別和排除干擾，防止由于干擾而造成的誤動(dòng)作，并具有自診斷能力，可自動(dòng)檢測(cè)出保護(hù)裝置本身硬件系統(tǒng)的異常部分；保護(hù)裝置自身的經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于獲得附加功能；保護(hù)裝置的性能得到很好的改善，具有較高的運(yùn)算和大容量的存儲(chǔ)能力等等。 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。微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)字量輸入/輸出接口單元和人機(jī)接口單元四個(gè)部分，如圖41所示：圖41 微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)原理框圖微機(jī)保護(hù)裝置的軟件部分主要包括：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、故障計(jì)算模塊、故障檢出模塊以及保護(hù)功能模塊等等。 硬件設(shè)計(jì)概述電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境及其故障特點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器提出如下要求：抗高溫、低溫能力強(qiáng)保護(hù)器系統(tǒng)電路中元件的性能會(huì)隨溫度變化而變化，在較低溫度或較高溫度時(shí)有可能發(fā)生誤動(dòng)作，故保護(hù)器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)級(jí)器件?？箯?qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)保護(hù)器的運(yùn)行環(huán)境通常存在大量的電磁干擾，這會(huì)影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，因此設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)應(yīng)該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。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。采樣精度高由于要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參量必須得到精確的測(cè)量。 主系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ATmega16微處理器ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率，高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。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。多達(dá)32個(gè)可編程的I/O口。片上高達(dá)16K字節(jié)的可編程Flash，擦寫壽命在一萬(wàn)次以上；集成可擦寫十萬(wàn)次以上的512字節(jié)的EEPROM，用于數(shù)據(jù)保存；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀寫。片上外設(shè)資源豐富，單片機(jī)內(nèi)部集成兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC，四通道PWM，8路10位ADC，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。 多路模擬開關(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)省硬件開銷，可使用多路開關(guān)分時(shí)將各路模擬量與ATmega16轉(zhuǎn)換電路的通道接通。作為數(shù)據(jù)采集通道的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)在一定程度上給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，而且該誤差會(huì)隨著溫度、時(shí)間而漂移。綜合考慮本系統(tǒng)采用帶有校準(zhǔn)功能的新型8通道CMOS模擬開關(guān)MAX4539。MAX4539可修正A/D轉(zhuǎn)換中的兩個(gè)主要誤差：失調(diào)誤差和增益誤差MAX4539具有測(cè)量、自檢和校準(zhǔn)三種工作模式，不同工作模式可通過(guò)控制引腳CAL和地址引腳A0~A2進(jìn)行選擇，另外還具有使能控制和狀態(tài)鎖存。其工作模式及輸入通道的選擇參見真值表見表41。表41 MAX4539真值表CALA2A1A0ENLATCH輸出0所有開關(guān)開路，輸出高阻，鎖存器置全111保持原狀態(tài)000010通道1（NO1）000110通道2（NO2）001010通道3（NO3）001110通道4（NO4）010010通道5（NO5）010110通道6（NO6）011010通道7（NO7）011110通道8（NO8）100010V+/2100110REFH1101010REFL01011105/8(V+V)110010GND1101104081/4096(VREFH1VREFL0)11101015/4096(VREFH1VREFL0)111110所有開關(guān)開路，輸出高阻MAX4539與ATmega16的連接電路圖如圖42所示：圖42 MAX4539連接圖 溫度采集系統(tǒng)三相異步電動(dòng)機(jī)的銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗及非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行都會(huì)導(dǎo)致其發(fā)熱。鉑熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是：精度高，電氣性能穩(wěn)定，溫度和電阻關(guān)系近于線性。本裝置在電動(dòng)機(jī)定子繞組端部安放PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器，其測(cè)溫范圍可達(dá)﹣50~﹢600，并且熱響應(yīng)時(shí)間短。PT100鉑熱電阻是阻抗型傳感器，其輸出電阻與溫度呈近似線性關(guān)系，為使其直接輸出電壓本裝置設(shè)計(jì)了如圖43電橋。圖43 測(cè)溫電橋電路電路輸出電壓與PT100的電阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： 因?yàn)锳Tmega16片內(nèi)A/。 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。然后再將對(duì)電流進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，將電流量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓量。由于AVR單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)采集信號(hào)的要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前需要對(duì)這些電壓信號(hào)整形，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以獲得單片機(jī)能接收的信號(hào)，對(duì)此可使用二極管全橋整流裝置將交流電壓值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。電壓數(shù)據(jù)采集（1）采用JDZ6型電壓互感器對(duì)定子電壓進(jìn)行測(cè)量JDZ6型電壓互感器為用環(huán)氧樹脂全真空澆注全絕緣結(jié)構(gòu)的半封閉式電壓互感器，適用于額定頻率50Hz，額定電壓為6kV電力系統(tǒng)中作電能計(jì)量、電壓監(jiān)控和繼電保護(hù)用。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。1）產(chǎn)品型號(hào)及意義為：圖44 型號(hào)意義2）其基本技術(shù)參數(shù)如表42所示：表42 JDZ6型互感器技術(shù)參數(shù)型號(hào)額定電壓比（V）額定頻率（Hz）額定輸出（VA）極限輸出（VA）額定絕緣水平（kV）JDZ66000/1005030503003）工作環(huán)境及安裝：① 環(huán)境溫度：最高溫度40，最低溫度5，日平均溫度低于30；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。（2）單片機(jī)電路板上使用的電壓互感器選用TYPT31D型微型精密電壓變換器1）特點(diǎn)：① 體積小，精度高；印刷線路板直接焊接安裝，使用方便，外形美觀；② 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。2）使用環(huán)境條件：① 環(huán)境溫度：40~+85；② 相對(duì)濕度：溫度為40時(shí)不大于90%。3）工作頻率范圍：20 Hz~20 kHz。4）絕緣耐熱等級(jí)：B級(jí)（130）。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2500V/1分鐘；③ 阻燃性：符合UL94Vo級(jí)。6）外形圖、安裝尺寸和線圈圖： 圖45 （a）外形圖、安裝尺寸 圖45 （b）線圈圖7）性能參數(shù)：TYPT31D是一種電流型電壓變換器，典型應(yīng)用如圖46（a）和圖46（b）所示，性能參數(shù)見表43。 圖46 （a）電阻法 圖46 （b）IC法表43 TYPT31D典型應(yīng)用的性能參數(shù)應(yīng)用方法輸入電壓輸出電壓相移非線性度線性范圍額定電流隔離耐壓電阻法≤1000V≤≤30′≤%2mA/2mA≥2000VIC法≤1000V≤1/2倍IC電源電壓≤5′≤%2倍額定2mA/2mA≥2000V8）注意事項(xiàng)：本型電壓變換器其原理是電流型電壓變換器，所以次級(jí)電路不允許開路使用，也因于此請(qǐng)不要在次級(jí)回路安裝熔斷器。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。1）特點(diǎn)：本產(chǎn)品采用超導(dǎo)磁材料，使產(chǎn)品具有高精度下能有大的動(dòng)、熱穩(wěn)定電流承載能力和局部放電小的特點(diǎn)2）使用條件：① 海拔高度不超過(guò)3000米；② 周圍環(huán)境溫度不高于+40,不低于5；③ 周圍空氣的相對(duì)濕度不大于85%（20）；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、污穢及其它爆炸性和腐蝕性介質(zhì)。3）型號(hào)及意義：圖47 型號(hào)含義本型電流互感器有 75/5A（1A）、100/5A（1A）、150/5A（1A）、200/5A（1A）、300/5A（1A）、400/5A（1A）、500/5A（1A）等多種變比。4）主要技術(shù)參數(shù)：① 額定一次電流：20~3000A；② 額定二次電流：5A或1A；③ 額定電壓：10kV；④ 計(jì)量準(zhǔn)確級(jí)次：；⑤ 保護(hù)準(zhǔn)確級(jí)次：10P10P110P20；⑥ 負(fù)荷的功率因數(shù)：（滯后）。高壓電動(dòng)機(jī)的沖擊電流一般比其額定值大10倍以上，其會(huì)使電流互感器的一次額定電流倍數(shù)增加，從而引起的電流誤差可大大超過(guò)10%，造成速斷誤操作，因此必須選擇大變比的電流互感器。（2）單片機(jī)電路板上使用的電流互感器選用TYCT21EM5A/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。 2）使用環(huán)境條件：① 環(huán)境溫度：55~+85；② 相對(duì)濕度：溫度為40時(shí)不大于90%。3）工作頻率范圍：20Hz~20kHz。4）絕緣耐熱等級(jí)：B級(jí)（130）。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)。 6）外形圖、安裝尺寸和線圈圖： 圖48（a）外形圖、安裝尺寸 圖48（b）線圈圖7）典型應(yīng)用如圖49（a）和圖49（b），性能參數(shù)見表44； 圖49（a） 圖49（b）表44 TYCT21EM5A/應(yīng)用方法額定輸入電流額定輸出電流額定采樣電阻RL額定采樣電壓相移非線性度線性范圍耐壓電阻法5A300≤20′≤%≥2倍額定≥6kVIC法5A/≤1/2倍IC電源電壓≤5′≤%≥2倍額定≥6kV8）注意事項(xiàng)：