【導讀】算負荷不僅能夠迅速反應電動機各種故障，而且很容易加入其它控制條件。動機保護裝置更精確、更靈敏的特點，文章設計了一款基于單片機的保護器。整套裝置包括了:主控制芯片、數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元和等模塊電路，準。確性和使用率均在一定程度上有所提高，實現(xiàn)了對電動機過流和過載等的有效保護。

　　

【正文】 故障進行快速保護。此保護不設任何調整元件，靠合理的電路設計來保證，這又是本設計的特點之一。過電流保護環(huán)節(jié)，由前述的保護出口單元 U3C 和過電流取樣回路組成。 U3C 的 ⑨ 腳加有過電流基準比較電壓，該電壓始終比前面過載保護回路中 U3B的 ② 腳基準電壓高出 1 個水平。而過電流和過載保護的取樣電壓又都取于 W，且平時又是以過載而整定的，這樣就自然保證了在過載保護不啟動時過流保護是不會動作的，體現(xiàn)了 “水漲船高 ”的設計思想。只有當故障電流大到一定程度后才可使過流保護動作，從而保證了在調整上的安全與可靠性。至于為什么取約 017V，這是通過對變換器進行相關實驗并結合取樣電路參數(shù)設計所得出的數(shù)據(jù)結果。 C3,R13 組成短延時回路，主要用作對過流信號進行短暫延時 (～ )，一方面可抑制干擾脈沖，另一方面是有意讓該過流保護作其他過流保護的后備保護，這在由熔斷器 、接觸器構成的主回路中尤為重要，可達到保護接觸器接點的目 的。 如圖 所示一般啟動感應電機時，會在數(shù)秒到數(shù)十秒內流通 500%左右的過電流。如果此時電機的過載要素工作，電機一啟動馬上發(fā)生斷路，電機將無法運轉。因此電機 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 20 頁 共 30 頁 繼電器上除檢測電機上流通的電流是否超過額定值的 “過電流要素 ”外，還需要 “時間要素 ”，過電流的繼續(xù)時間如果在電機的啟動時間內則不動作，如果超過啟動時間則使 動作。即為避免啟動電機時發(fā)生的電機繼電器的誤動作，需要時間要素。 電機的啟動電流圖 電流檢測電路下圖 所示：只要電機各相有工作電流，電流互感器就回感應出三相主電流成比例的交流電流， R2 為電流取樣電阻，把電流轉化為相應的電壓信號，經過 LM324 放大，轉化為 0~5V 的信號電平進去 89C52 單片機的 I/O 接口，經過 A/D 轉換和處理后，根據(jù)數(shù)學模型計算，判斷是否需要保護。 圖 電流檢測電路圖 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 21 頁 共 30 頁 過載保護 電機過載的情況下，如果長時 間流通過電流，電機將會燒損。因此，一旦流通過電流，必須立即檢測電機，切斷電機電源來保護電機。 根據(jù)對現(xiàn)有各種保護器功能比較及客戶需求，確定該保護器實現(xiàn)啟動嚴重過載保護、運行嚴重過載保護、輕載保護和反時限熱過載保護 。熱過載保護反時限特性序號可由用戶根據(jù)現(xiàn)場情況設定。通過將啟動保護和運行保護區(qū)別開來，既可使運行保護有效地躲開較大的電動機啟動電流，也可在啟動時間內有效地保護電動機以免被燒損。 反時限原則，即電流越大延時越短。在不同電流的情況下采用不同的時間延時，針對過電流的程度分別對待，這實質上是一個變域值判斷 法。同時可以看出，當電網(wǎng)或者負載出現(xiàn)波動引起點擊過電流是，此保護器也在隨時調整域值。因電機過流是 一個持續(xù)過程，而干擾點脈沖的寬度通常很窄，所以脈沖干擾根本就不能使保護器出現(xiàn)誤動作，大大提高了保護器的抗干擾能力。 I 實際 /I 額定 動作時間 /s ≥ 60 120 180 240 300 ≥ 48 96 144 192 220 ≥ 36 72 120 168 200 ≥ 24 60 96 120 180 ≥ 8 20 30 40 60 ≥ 6 10 20 30 40 ≥ 7 14 20 25 表 過流反時限保護時間表 在這個曲線的下側范圍，則電機不易燒損，可以充分使用。此例為即使電機上流通500%的過電流，如果為 40秒則可以使用。若電流值為一半 250%則為， 到 4倍的 160秒為止 OK。同樣為 100%時，按照以上公式計算則為 僅為 1000秒，但 100%是額定電流可以連續(xù)運轉，因此不適用于該公式。這個曲線并不是準確的 I2t，只是 I2t的大約值。 另外，電機自身即使流通過電流也不會馬上燒損，有一定的允許 時間，至少可以承 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 22 頁 共 30 頁 受啟動電流、啟動時間的過載。因此，最理想的使用方法是使電機達到界限，從這個觀點出發(fā)，即使過電流也立即動作的電機繼電器是不甚理想的。有較大電流快速通過時，較小電流流通時長時間動作，即反限時特性，具備這種時間特性的產品最為理想。這就是在負載要素上添加時間要素的理由。即使是極小的過載，電機繼電器也會立刻動作并停止，通過該要素，可防止這種不必要的動作停止。但是根據(jù)用途，有時不需要這個特性。例如，負載為規(guī)定值，超過額定電流時可明確判斷為負載的異常狀態(tài)，流通過電流時如果不馬上切斷電機電源，負載發(fā)生損害， 且損害擴大。在上述保護負載的用途中，過載要素的動作時間越快越好。 過載要素的總結： (1)過載要素的電流要素在額定值下一般不動作，在 125%下動作。時間上選擇在500%過電流時數(shù)秒 ~數(shù)十秒左右大于電機啟動時間。普通的反限時特性是電流值越大越快，電流越小花費時間越長的時間特性。 (2)時間要素有啟動時及其后運轉時在同一時間特性下動作的類型和僅啟動時延時，運轉時作為瞬間動作保護與電機相連的負載的類型，后者一般稱為瞬間型。 該保護器具有人機交互功能、故障指示和 5次故障記憶功能，具有 RS2485串行通信接口，可與 PC機組成網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，支持在線調試、在線仿真。 根據(jù)系統(tǒng)功能特點 ,確定本電動機保護器主要由 CPU、電動機三相電流 、零序電流及線電壓采樣輸入通道、數(shù)碼管顯示、故障指示、操作回路和 RS2485串行通信等部分組成。當前單片機種類繁多且性能各異，因此。作為系統(tǒng)樞紐的 CPU的確是系統(tǒng)方案確定的核心問題。而 ATMEL公司的 AT89C52單片機卻能實現(xiàn)這樣的功能。它是 ATMEL公司開發(fā)的新型單片機，綜合了半導體集成技術和軟件技術，有著豐富的硬件資源，因此外圍器件相對較少，整個系統(tǒng)結構緊湊，可靠性高，該保護器的外圍器件和 電路包括電流傳感器及檢測電路、 LCD中文液晶、電流整定、故障記憶、交直流電源及輸出控制電路等。 過熱保護 電動機最常見的也是最嚴重的不正常工作狀態(tài)是由過負荷引起的過電流，長時間的過負荷將使電動機溫升超過允許的數(shù)值，使絕緣迅速老化甚至引起故障。該裝置設置了過熱保護，反映定子、轉子繞組的平均發(fā)熱狀況，防止電動機過熱。在裝置中設置一個模擬電動機發(fā)熱的模型，電動機的主要損耗包括銅損和鐵損，由于總的損耗 P 與 I2 成 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 23 頁 共 30 頁 正比而在電流一定的情況下，電動機的穩(wěn)定溫升與電動機的損耗成正比，所以電動機的穩(wěn)定溫升與電流的平方成正 比?？紤]到正、負序電流的發(fā)熱效應不同，在發(fā)熱模型中采用熱等效電流 Ieq。 過負荷反時限保護模擬電動機的發(fā)熱，當?shù)刃щ娏?Ieq 大于過負荷電流時，電動機開始熱量積累，當?shù)刃щ娏?Ieq 小于過負荷電流時，熱積累通過散熱逐漸減少，當熱量積累至告警或跳閘定值時，保護動作于信號或跳閘。當過負荷保護動作，跳開電動機后，電動機有一個散熱過程，需要等待熱量散發(fā)到一定程度時跳閘出口返回，才允許再次合閘。 裝置的硬件結構一般采用模塊化的設計，這樣各模塊之間的分工明確 ，如果一部分出現(xiàn)問題，也便于及時調整。我們把裝置分為 5 個功能模塊 即： (1)電源模塊：負責連續(xù)可靠的給各個模塊提供不同電壓的直流電源； (2)微機模塊：保護主機 ATmega12采樣保持器、 A/D 轉換器； (3)信號及出口模塊：包括所有的信號繼電器和出口繼電器，是保護裝置的出口執(zhí)行部分； (4)模擬數(shù)據(jù)處理模塊：包括電流互感器 CT和電壓互感器 PT、變送器、低通濾波電路； (5)人機交互模塊：此模塊主要有液晶顯示控制主機AT89C5點陣液晶顯示器 YM1286通訊接口卡組成。 過熱保護設計中，三相電壓、電流是每一毫秒采樣一次，而實時顯示的電壓、電流、過熱量每五毫秒刷新一次 。在這五毫秒鐘內要完成電量的采集、傅氏計算、序分量計算、故障判斷，并且要與顯示單片機通訊，所以主程序分為五個部分，即每一毫秒完成其中的一個任務后，返回等待采樣，采樣是通過查詢方式來處理的 ,盡管查詢的方式會讓 CPU處于等待的狀態(tài)，但合理的程序安排可以提高 CPU 的利用率。 缺相保護 由于電機的電源線斷線，連接部松馳，控制用開關的接觸不良，電機內部的斷線等，使本來應在三相電壓下運轉的電機在單相下進行運轉的狀態(tài)稱為 “缺相 ”。停止的感應電機在單相下不能開始運轉，但是正常運轉中即使發(fā)生缺相，成為單相狀態(tài)，眾所周知 ，如果負載較輕，三相感應電機可作為單相感應電機繼續(xù)運轉。 電源線中流通的電流和電機卷線中流通的電流，無論在哪里斷線都是一樣的。因此，如果發(fā)生缺相，即使過電流流過，電源線的過載要素也會進行檢測，因此不會燒損電機。另外如果電機的負載過輕，不會發(fā)生過電流時，過載要素不進行檢測，由于電機電流較小不會發(fā)生燒損，可繼續(xù)進行輕負載運轉。 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 24 頁 共 30 頁 缺相即為異常狀態(tài)。運轉中發(fā)生缺相，輕負載下如果任其繼續(xù)運轉是不適當?shù)?，稍微再增加點負載將可能停止，連接脫落的導線與外殼接觸，將可能導致觸電事故及短路事故。異常狀態(tài)下以立即檢測并處理為保護 原則，不僅是為了防止電機燒損，這種情況下也應盡快檢測缺相。即不僅是為防止電機燒損，也為在輕負載時也檢測缺相。 缺相檢測電路由一個 RC 充放電電路和一個比較電路構成。由于 RC 電路的充放電作用，使得比較器反相輸入端得到的是一個鋸齒波 （通過調整充放電電阻可以調整上升和下降沿寬度），再通過比較電路整形可以得到方波信號，經光電隔離后送到單片機輸入口。分壓電路提供比較器的翻轉電平。 缺相保護是通過檢測缺相保護電路輸出信號的頻率來實現(xiàn)的。而在實際單機的處理上，可通過在一定時間內對缺相保護電路輸出的方波信號進行計數(shù)來計算頻 率?？紤]到單片機處理的實時性，可利用定時器中斷的方法實現(xiàn)，將定時器時間設為兩個電源周期，選擇定時器溢出中斷。在中斷子程序中設置缺相標志供主程序查詢。具體做法如下：對于不缺相情況，缺相保護電路輸出信號的頻率為 150Hz，兩個電源周期內，缺相保護電路輸出信號的跳變?yōu)?13 次。對于缺相情況，缺相保護電路輸出信號的頻率為 50Hz，兩個電源周期內，缺相保護電路輸出信號的跳變?yōu)?5 次。那么，可以在主程序中計數(shù) 9 次就復位定時器。可以看出，當缺相時程序未計滿 9 次 (計滿 9 次需 4 個周期 )定時器就會溢出。這樣就可靠地實現(xiàn)了缺相保護 ，并且還具有較大的容錯能力。 漏電保護 漏電閉鎖保護采用電壓比較器鑒別檢測信號，取樣電壓： U=ER0/(R0r) 式中： U 為取樣電壓； E為電源電動勢； R0 為回路電阻； R0=R24+R25； r 為電網(wǎng)對地絕緣電阻。 在取樣電壓 U 輸入到 A/D 口之前加了運放跟隨電路，提高輸入電阻值。通過以上計算，保證 r 的動作值為 22kΩ(660V電網(wǎng) ) 或 7kΩ(380V電網(wǎng) )，一旦出現(xiàn)漏電，液晶屏幕將顯示實際絕緣值，同時把參數(shù)存入 EEPROM 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 25 頁 共 30 頁 V c c R 2 4 R 2+ _ 1 2 1 31 4U I DL M 3 2 4R 1 9P c 圖 漏電閉鎖檢測原理圖 該測試電路只有電動機停機時，利用控制電機的接觸器的輔助常閉觸點接入電機繞組，進而測試電機繞組的絕緣電阻，電機工作時，該觸點斷開，測試電路和 AC380V的電機工作電壓斷開，從而避免測試電路損壞。 陜西理工學院 畢業(yè) 設計論文 第 26 頁 共 30 頁 保護器動作流程圖 程 序 開 始信 號 采 集 處 理是 否 漏 電是 否 缺 相是 否 過 熱是 否 過 電 流顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并