【導(dǎo)讀】算負(fù)荷不僅能夠迅速反應(yīng)電動(dòng)機(jī)各種故障，而且很容易加入其它控制條件。動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置更精確、更靈敏的特點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的保護(hù)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(zhǔn)。確性和使用率均在一定程度上有所提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)過(guò)流和過(guò)載等的有效保護(hù)。

　　

【正文】 故障進(jìn)行快速保護(hù)。此保護(hù)不設(shè)任何調(diào)整元件，靠合理的電路設(shè)計(jì)來(lái)保證，這又是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，由前述的保護(hù)出口單元 U3C 和過(guò)電流取樣回路組成。 U3C 的 ⑨ 腳加有過(guò)電流基準(zhǔn)比較電壓，該電壓始終比前面過(guò)載保護(hù)回路中 U3B的 ② 腳基準(zhǔn)電壓高出 1 個(gè)水平。而過(guò)電流和過(guò)載保護(hù)的取樣電壓又都取于 W，且平時(shí)又是以過(guò)載而整定的，這樣就自然保證了在過(guò)載保護(hù)不啟動(dòng)時(shí)過(guò)流保護(hù)是不會(huì)動(dòng)作的，體現(xiàn)了 “水漲船高 ”的設(shè)計(jì)思想。只有當(dāng)故障電流大到一定程度后才可使過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，從而保證了在調(diào)整上的安全與可靠性。至于為什么取約 017V，這是通過(guò)對(duì)變換器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合取樣電路參數(shù)設(shè)計(jì)所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果。 C3,R13 組成短延時(shí)回路，主要用作對(duì)過(guò)流信號(hào)進(jìn)行短暫延時(shí) (～ )，一方面可抑制干擾脈沖，另一方面是有意讓該過(guò)流保護(hù)作其他過(guò)流保護(hù)的后備保護(hù)，這在由熔斷器 、接觸器構(gòu)成的主回路中尤為重要，可達(dá)到保護(hù)接觸器接點(diǎn)的目 的。 如圖 所示一般啟動(dòng)感應(yīng)電機(jī)時(shí)，會(huì)在數(shù)秒到數(shù)十秒內(nèi)流通 500%左右的過(guò)電流。如果此時(shí)電機(jī)的過(guò)載要素工作，電機(jī)一啟動(dòng)馬上發(fā)生斷路，電機(jī)將無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。因此電機(jī) 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 20 頁(yè) 共 30 頁(yè) 繼電器上除檢測(cè)電機(jī)上流通的電流是否超過(guò)額定值的 “過(guò)電流要素 ”外，還需要 “時(shí)間要素 ”，過(guò)電流的繼續(xù)時(shí)間如果在電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)則不動(dòng)作，如果超過(guò)啟動(dòng)時(shí)間則使 動(dòng)作。即為避免啟動(dòng)電機(jī)時(shí)發(fā)生的電機(jī)繼電器的誤動(dòng)作，需要時(shí)間要素。 電機(jī)的啟動(dòng)電流圖 電流檢測(cè)電路下圖 所示：只要電機(jī)各相有工作電流，電流互感器就回感應(yīng)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) LM324 放大，轉(zhuǎn)化為 0~5V 的信號(hào)電平進(jìn)去 89C52 單片機(jī)的 I/O 接口，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換和處理后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，判斷是否需要保護(hù)。 圖 電流檢測(cè)電路圖 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 21 頁(yè) 共 30 頁(yè) 過(guò)載保護(hù) 電機(jī)過(guò)載的情況下，如果長(zhǎng)時(shí) 間流通過(guò)電流，電機(jī)將會(huì)燒損。因此，一旦流通過(guò)電流，必須立即檢測(cè)電機(jī)，切斷電機(jī)電源來(lái)保護(hù)電機(jī)。 根據(jù)對(duì)現(xiàn)有各種保護(hù)器功能比較及客戶需求，確定該保護(hù)器實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)嚴(yán)重過(guò)載保護(hù)、運(yùn)行嚴(yán)重過(guò)載保護(hù)、輕載保護(hù)和反時(shí)限熱過(guò)載保護(hù) 。熱過(guò)載保護(hù)反時(shí)限特性序號(hào)可由用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定。通過(guò)將啟動(dòng)保護(hù)和運(yùn)行保護(hù)區(qū)別開(kāi)來(lái)，既可使運(yùn)行保護(hù)有效地躲開(kāi)較大的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，也可在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)以免被燒損。 反時(shí)限原則，即電流越大延時(shí)越短。在不同電流的情況下采用不同的時(shí)間延時(shí)，針對(duì)過(guò)電流的程度分別對(duì)待，這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)變域值判斷 法。同時(shí)可以看出，當(dāng)電網(wǎng)或者負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)引起點(diǎn)擊過(guò)電流是，此保護(hù)器也在隨時(shí)調(diào)整域值。因電機(jī)過(guò)流是 一個(gè)持續(xù)過(guò)程，而干擾點(diǎn)脈沖的寬度通常很窄，所以脈沖干擾根本就不能使保護(hù)器出現(xiàn)誤動(dòng)作，大大提高了保護(hù)器的抗干擾能力。 I 實(shí)際 /I 額定 動(dòng)作時(shí)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(guò)流反時(shí)限保護(hù)時(shí)間表 在這個(gè)曲線的下側(cè)范圍，則電機(jī)不易燒損，可以充分使用。此例為即使電機(jī)上流通500%的過(guò)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(shí)，按照以上公式計(jì)算則為 僅為 1000秒，但 100%是額定電流可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不適用于該公式。這個(gè)曲線并不是準(zhǔn)確的 I2t，只是 I2t的大約值。 另外，電機(jī)自身即使流通過(guò)電流也不會(huì)馬上燒損，有一定的允許 時(shí)間，至少可以承 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 22 頁(yè) 共 30 頁(yè) 受啟動(dòng)電流、啟動(dòng)時(shí)間的過(guò)載。因此，最理想的使用方法是使電機(jī)達(dá)到界限，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，即使過(guò)電流也立即動(dòng)作的電機(jī)繼電器是不甚理想的。有較大電流快速通過(guò)時(shí)，較小電流流通時(shí)長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作，即反限時(shí)特性，具備這種時(shí)間特性的產(chǎn)品最為理想。這就是在負(fù)載要素上添加時(shí)間要素的理由。即使是極小的過(guò)載，電機(jī)繼電器也會(huì)立刻動(dòng)作并停止，通過(guò)該要素，可防止這種不必要的動(dòng)作停止。但是根據(jù)用途，有時(shí)不需要這個(gè)特性。例如，負(fù)載為規(guī)定值，超過(guò)額定電流時(shí)可明確判斷為負(fù)載的異常狀態(tài)，流通過(guò)電流時(shí)如果不馬上切斷電機(jī)電源，負(fù)載發(fā)生損害， 且損害擴(kuò)大。在上述保護(hù)負(fù)載的用途中，過(guò)載要素的動(dòng)作時(shí)間越快越好。 過(guò)載要素的總結(jié)： (1)過(guò)載要素的電流要素在額定值下一般不動(dòng)作，在 125%下動(dòng)作。時(shí)間上選擇在500%過(guò)電流時(shí)數(shù)秒 ~數(shù)十秒左右大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。普通的反限時(shí)特性是電流值越大越快，電流越小花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)的時(shí)間特性。 (2)時(shí)間要素有啟動(dòng)時(shí)及其后運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在同一時(shí)間特性下動(dòng)作的類型和僅啟動(dòng)時(shí)延時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作為瞬間動(dòng)作保護(hù)與電機(jī)相連的負(fù)載的類型，后者一般稱為瞬間型。 該保護(hù)器具有人機(jī)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(jī)組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，支持在線調(diào)試、在線仿真。 根據(jù)系統(tǒng)功能特點(diǎn) ,確定本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主要由 CPU、電動(dòng)機(jī)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(dāng)前單片機(jī)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(wèn)題。而 ATMEL公司的 AT89C52單片機(jī)卻能實(shí)現(xiàn)這樣的功能。它是 ATMEL公司開(kāi)發(fā)的新型單片機(jī)，綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件技術(shù)，有著豐富的硬件資源，因此外圍器件相對(duì)較少，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，該保護(hù)器的外圍器件和 電路包括電流傳感器及檢測(cè)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(guò)熱保護(hù) 電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的也是最嚴(yán)重的不正常工作狀態(tài)是由過(guò)負(fù)荷引起的過(guò)電流，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)負(fù)荷將使電動(dòng)機(jī)溫升超過(guò)允許的數(shù)值，使絕緣迅速老化甚至引起故障。該裝置設(shè)置了過(guò)熱保護(hù)，反映定子、轉(zhuǎn)子繞組的平均發(fā)熱狀況，防止電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。在裝置中設(shè)置一個(gè)模擬電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的模型，電動(dòng)機(jī)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(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 23 頁(yè) 共 30 頁(yè) 正比而在電流一定的情況下，電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升與電動(dòng)機(jī)的損耗成正比，所以電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升與電流的平方成正 比。考慮到正、負(fù)序電流的發(fā)熱效應(yīng)不同，在發(fā)熱模型中采用熱等效電流 Ieq。 過(guò)負(fù)荷反時(shí)限保護(hù)模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，當(dāng)?shù)刃щ娏?Ieq 大于過(guò)負(fù)荷電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始熱量積累，當(dāng)?shù)刃щ娏?Ieq 小于過(guò)負(fù)荷電流時(shí)，熱積累通過(guò)散熱逐漸減少，當(dāng)熱量積累至告警或跳閘定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)或跳閘。當(dāng)過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)電動(dòng)機(jī)后，電動(dòng)機(jī)有一個(gè)散熱過(guò)程，需要等待熱量散發(fā)到一定程度時(shí)跳閘出口返回，才允許再次合閘。 裝置的硬件結(jié)構(gòu)一般采用模塊化的設(shè)計(jì)，這樣各模塊之間的分工明確 ，如果一部分出現(xiàn)問(wèn)題，也便于及時(shí)調(diào)整。我們把裝置分為 5 個(gè)功能模塊 即： (1)電源模塊：負(fù)責(zé)連續(xù)可靠的給各個(gè)模塊提供不同電壓的直流電源； (2)微機(jī)模塊：保護(hù)主機(jī) ATmega12采樣保持器、 A/D 轉(zhuǎn)換器； (3)信號(hào)及出口模塊：包括所有的信號(hào)繼電器和出口繼電器，是保護(hù)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(jī)交互模塊：此模塊主要有液晶顯示控制主機(jī)AT89C5點(diǎn)陣液晶顯示器 YM1286通訊接口卡組成。 過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)中，三相電壓、電流是每一毫秒采樣一次，而實(shí)時(shí)顯示的電壓、電流、過(guò)熱量每五毫秒刷新一次 。在這五毫秒鐘內(nèi)要完成電量的采集、傅氏計(jì)算、序分量計(jì)算、故障判斷，并且要與顯示單片機(jī)通訊，所以主程序分為五個(gè)部分，即每一毫秒完成其中的一個(gè)任務(wù)后，返回等待采樣，采樣是通過(guò)查詢方式來(lái)處理的 ,盡管查詢的方式會(huì)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(hù) 由于電機(jī)的電源線斷線，連接部松馳，控制用開(kāi)關(guān)的接觸不良，電機(jī)內(nèi)部的斷線等，使本來(lái)應(yīng)在三相電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)在單相下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)稱為 “缺相 ”。停止的感應(yīng)電機(jī)在單相下不能開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，但是正常運(yùn)轉(zhuǎn)中即使發(fā)生缺相，成為單相狀態(tài)，眾所周知 ，如果負(fù)載較輕，三相感應(yīng)電機(jī)可作為單相感應(yīng)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 電源線中流通的電流和電機(jī)卷線中流通的電流，無(wú)論在哪里斷線都是一樣的。因此，如果發(fā)生缺相，即使過(guò)電流流過(guò)，電源線的過(guò)載要素也會(huì)進(jìn)行檢測(cè)，因此不會(huì)燒損電機(jī)。另外如果電機(jī)的負(fù)載過(guò)輕，不會(huì)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，過(guò)載要素不進(jìn)行檢測(cè)，由于電機(jī)電流較小不會(huì)發(fā)生燒損，可繼續(xù)進(jìn)行輕負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 24 頁(yè) 共 30 頁(yè) 缺相即為異常狀態(tài)。運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生缺相，輕負(fù)載下如果任其繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)是不適當(dāng)?shù)?，稍微再增加點(diǎn)負(fù)載將可能停止，連接脫落的導(dǎo)線與外殼接觸，將可能導(dǎo)致觸電事故及短路事故。異常狀態(tài)下以立即檢測(cè)并處理為保護(hù) 原則，不僅是為了防止電機(jī)燒損，這種情況下也應(yīng)盡快檢測(cè)缺相。即不僅是為防止電機(jī)燒損，也為在輕負(fù)載時(shí)也檢測(cè)缺相。 缺相檢測(cè)電路由一個(gè) RC 充放電電路和一個(gè)比較電路構(gòu)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(gè)鋸齒波 （通過(guò)調(diào)整充放電電阻可以調(diào)整上升和下降沿寬度），再通過(guò)比較電路整形可以得到方波信號(hào)，經(jīng)光電隔離后送到單片機(jī)輸入口。分壓電路提供比較器的翻轉(zhuǎn)電平。 缺相保護(hù)是通過(guò)檢測(cè)缺相保護(hù)電路輸出信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而在實(shí)際單機(jī)的處理上，可通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)缺相保護(hù)電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算頻 率?？紤]到單片機(jī)處理的實(shí)時(shí)性，可利用定時(shí)器中斷的方法實(shí)現(xiàn)，將定時(shí)器時(shí)間設(shè)為兩個(gè)電源周期，選擇定時(shí)器溢出中斷。在中斷子程序中設(shè)置缺相標(biāo)志供主程序查詢。具體做法如下：對(duì)于不缺相情況，缺相保護(hù)電路輸出信號(hào)的頻率為 150Hz，兩個(gè)電源周期內(nèi)，缺相保護(hù)電路輸出信號(hào)的跳變?yōu)?13 次。對(duì)于缺相情況，缺相保護(hù)電路輸出信號(hào)的頻率為 50Hz，兩個(gè)電源周期內(nèi)，缺相保護(hù)電路輸出信號(hào)的跳變?yōu)?5 次。那么，可以在主程序中計(jì)數(shù) 9 次就復(fù)位定時(shí)器。可以看出，當(dāng)缺相時(shí)程序未計(jì)滿 9 次 (計(jì)滿 9 次需 4 個(gè)周期 )定時(shí)器就會(huì)溢出。這樣就可靠地實(shí)現(xiàn)了缺相保護(hù) ，并且還具有較大的容錯(cuò)能力。 漏電保護(hù) 漏電閉鎖保護(hù)采用電壓比較器鑒別檢測(cè)信號(hào)，取樣電壓： U=ER0/(R0r) 式中： U 為取樣電壓； E為電源電動(dòng)勢(shì)； R0 為回路電阻； R0=R24+R25； r 為電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻。 在取樣電壓 U 輸入到 A/D 口之前加了運(yùn)放跟隨電路，提高輸入電阻值。通過(guò)以上計(jì)算，保證 r 的動(dòng)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(shí)際絕緣值，同時(shí)把參數(shù)存入 EEPROM 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 25 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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(cè)原理圖 該測(cè)試電路只有電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，利用控制電機(jī)的接觸器的輔助常閉觸點(diǎn)接入電機(jī)繞組，進(jìn)而測(cè)試電機(jī)繞組的絕緣電阻，電機(jī)工作時(shí)，該觸點(diǎn)斷開(kāi)，測(cè)試電路和 AC380V的電機(jī)工作電壓斷開(kāi)，從而避免測(cè)試電路損壞。 陜西理工學(xué)院 畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文 第 26 頁(yè) 共 30 頁(yè) 保護(hù)器動(dòng)作流程圖 程 序 開(kāi) 始信 號(hào) 采 集 處 理是 否 漏 電是 否 缺 相是 否 過(guò) 熱是 否 過(guò) 電 流顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機(jī)顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機(jī)顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并停 電 機(jī)顯 示 故 障 存 數(shù) 據(jù) 并