【導讀】由于高壓電動機被大量應用于極端惡劣的環(huán)境中其保護問題就顯。近年來隨著微電子技術的飛速發(fā)展，電動機保護裝置的發(fā)展趨。性、高環(huán)境適應性方向發(fā)展。本文以高壓異步電動機為例，對其常見故障及相應保護原理進行分析，該設計的硬件部分以ATmega16為系統(tǒng)的核心，通過對電壓、電。流和溫度數(shù)據(jù)進行采集并進行數(shù)據(jù)處理，從而即時準確判斷并消除故障。更好地提高電動機運行的安全性和可靠性。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作，本文還對其進行了抗干擾設計。

　　

【正文】 的 氣體、蒸汽、化學沉積、污穢及廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 20 其它爆炸性和腐蝕性介質。 3）型號及意義： L Z Z B J 9 1 0 AA 型 結 構電 壓 等 級 （ k V ）設 計 序 號加 強 型帶 保 護澆 注 絕 緣支 柱 式電 流 互 感 器 圖 47 型號含義 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 計量準確級次： 、 、 、 ； ⑤ 保護準確級次： 10P 10P1 10P20； ⑥ 負荷的功率因 數(shù) ： ? （滯后） 。 高壓電動機的沖擊電流一般比其額定值大 10 倍以上，其會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 10%，造成速斷誤操作 ， 因此 必須選擇大變比的電流互感器。 （ 2） 單片機電路板上使用的電流互感器選用 TYCT21EM5A/ 立式穿芯微型精密電流變換器 1）特點： 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，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，安全可靠。 2）使用環(huán)境條件： ① 環(huán)境溫度： 55176。C ~+85176。C ； 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 21 ② 相對濕度：溫度為 40176。C 時不大于 90%。 3） 工作頻率范圍： 20Hz~20kHz。 4） 絕緣耐熱等級： B 級（ 130176。C ）。 5）安全特性： ① 絕緣電阻：常態(tài)時大于 1000M? ； ② 抗電強度：可承受工頻 6000 V/1 分鐘； ③ 阻 燃 性：符合 UL94Vo 級。 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/ 2 . 5 m A 典型應用的性能參數(shù) 應用 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 5A 300? ≤20′ ≤% ≥2 倍 額定 ≥6kV IC 法 5A / ≤1/2 倍 IC電源電壓 ≤5′ ≤% ≥2 倍 額定 ≥6kV 8）注意事項： ① 電流變換器初級應串聯(lián)于被測電流回路中，次級應近似工作于短路廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 22 狀態(tài) ； ② 電流變換器次級電路不允許開路，所以 不能 裝熔斷器。 采樣保持電路 模擬信號在進行 A/D 轉換 時 ， 從啟動轉換到轉換結束輸出數(shù)字量，需要一定的轉換時間。在這個轉換時間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變。否則轉換精度沒有保證，特別當輸入 信號頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在 A/D 轉換開始時將輸入信號的電平保持住，而在A/D 轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化 。采樣保持電路就是完成這樣的功能。 雖然在 AVR 單片機的 A/D 轉換器 中有自帶的采樣保持電路，但是難以在同一時間內(nèi)同時進行多路信號的采樣保持。 為實現(xiàn)同步采樣， 采用共享A/D 轉換器 通道的多通道 采樣保持的形式 構成采樣保持電路 。 采樣保持器選用通用型集成 AD582 芯片 。 使用 多路 AD582 將同一時刻的 多路 輸入 信號 鎖定 ， 再分時輸入 A/D 轉換通道 進行轉換。 共享 A/D 多通道結構 框 圖 如圖 410所示 ： 圖 410 共享 A/D 多通道 結構框圖 AD582 的信號捕捉時間最短達 6μs，具有相互隔開的數(shù)字地、模擬地，從而提高了抗干擾能力。 多路模擬開關 MAX4539 安置在采樣保持器 AD582之后，因此多路開關的導通電阻將會影響傳輸誤差，為此有必要增加高輸入阻抗的緩沖器（圖 410 中的 N 放大器），這樣可提高整個采集系統(tǒng)的精度。 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 23 濾波調(diào)理電路 經(jīng)過 ACDC 轉換所得的直流電壓疊加了豐富的高次諧波分量，另外由于電網(wǎng)以及電動機自身的干擾，使所得的電壓電流信號質量非常差。這就要求對信號 進行濾波處理。本裝置采用 RC 無源 低通濾波電路，將信號中疊加的高頻分量統(tǒng)統(tǒng)濾掉。 AD 轉換電路 本文設計 8 路采集信號： 3 路電壓信號、 3 路電流信號、 1 路 電動機定子繞組 端部 溫度信號和 1 路電動機漏電電流信號。 ATmega16 單片機內(nèi)部集成8 路 10 位逐次逼近型 ADC， ADC 與一個 8 通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進行采樣。用戶可以通過軟件設置將 8路中的任何一路設置為 A/D 轉換，不需要作為 A/D 使用的口可以繼續(xù)作為I/O 口使用。 輸入輸出通道 輸入通道 （ 1）模 擬量輸入通道 每路模擬 信號輸入 通道都配置 圖 411（ a） 所示的 前置模擬 低通 濾波 電路 濾 去 輸入信號中對保護無用的 較高頻率部分 。 當 輸入信號為電流信號時，需先轉換為電壓信號，再進行濾波。為了保證輸出電壓不受后級電路輸入阻抗的影響，一般采用由運算放大器構成的電流 — 電壓變換電路，如圖 411（ b）所示。 RRC CViVo －＋AIiVoR 圖 411（ a） 圖 411（ b） 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 24 （ 2）開關量輸入通道 開關量輸入主要顯示各種開關狀態(tài)，如斷路器的位置，接地刀位置、手動合閘、手動分閘、保護動作情況以及裝置的各種報警功能。單片機和電氣開關二者在電平范圍和驅動能力的要求上存在很大的差異。因此，在設計硬件時必須在二者之間添加緩沖驅動電路。另外，為減少強電對弱電的干擾還應該添加光電耦合電路將二者隔離開來。開關量輸入通道電路圖如圖 412所示： A CK ET L P 1 8 01364I / O 口＋ 5 VG N D＋ 2 4 VRx 1C1D1Rx 3開 關 量 輸 入Rx 2G N D 1 圖 412 開關量輸入電路 開關量輸出通道 開關量輸出通道的任務是把單片機輸出的數(shù)字信號傳 送給保護裝置，控制 控制 保護 裝置 的跳閘、合閘、 報警 等 。 單片機 輸出的 信號 在傳輸線上只能存在很短的時間，所以接口電路必須及時把信號鎖存。同時 為提高抗干擾能力，本設計采用了光電隔離電路， 開關量輸出電路 設計 如圖 413 所示： 鎖存器出 口 繼 電器 輸 出出 口 繼 電器 線 圈＋ 5 VR1R2C1CRDK C O來 自 C P UR3G N D G N D 1 圖 413 開關量輸出電路 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 25 鍵盤與顯示設計 人機接口是本裝置的重要組成部分，通過它可以實現(xiàn)人機交互，進行電動機參數(shù)設定，顯示電動機運行狀態(tài)以及報警等功能。本 部分 主要有鍵盤和LED 顯示兩部分，鍵盤用來實現(xiàn)控制功能的選擇和參數(shù)的 設定， LED 則用來顯示功能菜單 和 實時數(shù)據(jù) 。 鍵盤 設計 鍵盤輸入的功能主要包括設定溫度、電壓及電流各量的告警值、 選擇要設定的參量 ， 確 定選項 以及返回 。 因此系統(tǒng)設計有 4 個按鍵： 確認鍵、 返回鍵、 左 方向選擇鍵（ 選擇鍵及 定 值 減小鍵 ） 、 右 方向選擇鍵（ 選擇鍵及 定值增加鍵 ） 。 鍵盤的四個輸入端分別接到 PA5~PA8，鍵盤設計電路如圖 414 所示： s 1s 3s 4s 2VC CP A 5P A 6P A 7P A 8R1R2R3R4R5R6R7R8 圖 414 鍵盤設計電路圖 鍵盤掃描采用查詢法，在鍵盤掃描程序中不斷查詢 PA 口的狀態(tài)（無按鍵按下時為高電 平，有按鍵按下時為低電平），如果查詢發(fā)現(xiàn)有按鍵按下則調(diào)用延時子程序延時一段時間后再次查詢 PA 口的狀態(tài)，如果此時狀態(tài)與上一次相同則確認有按鍵按下，進入相應的處理程序；否則就認為是干擾信號不予處理。 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 26 顯示設計 本系統(tǒng)的顯示功能使用 LED 數(shù)碼管來實現(xiàn)。為使電路工作更可靠以及節(jié)約資源，采用動態(tài)掃描方式。當掃描頻率足夠大時，所有數(shù)碼管在視覺上是同時亮的。該方式的功耗只有靜態(tài)掃描的 1/5。 設計用 5 個共陰極的 LED 數(shù)碼管進行顯示 ，其中最高位用來顯示數(shù)值的狀態(tài)，低四位顯示參數(shù)值 。 這就需要對 8 位段碼以及 5 位位 碼總共 13 個引腳進行控制， 直接接 I/O 口會占用太多的 資源 ，因此本電路使用 1 個 8 位移位寄存器 74HC164 實現(xiàn)串行輸入，并行輸出， 從而驅動數(shù)碼管，這樣便可以節(jié)約 I/O 資源了 。 其原理圖如圖 415 所 示： ( A D C 0 ) P A 0( A D C 1 ) P A 1( A D C 2 ) P A 2( A D C 3 ) P A 3( A D C 4 ) P A 4( A D C 5 ) P A 5( A D C 6 ) P A 6( A D C 7 ) P A 7A R E FG N DA VC C( T O S C 2 ) P C 7( T O S C 1 ) P C 6( T D I ) P C 5( T D O ) P C 4( T M S ) P C 3( T C K ) P C 2( S D A ) P C 1( S C L ) P C 0( O C 2 ) P D 7P B 0 ( T 0 )P B 1 ( T 1 )P B 2 ( I N T 2 )P B 3 ( O C 0 )P B 4 ( S S )P B 5 ( M O S I )P B 6 ( M I S O )P B 7 ( S C K )R E S E TVC CG N DX T A L 2X T A L 1P D 0 ( R X D )P D 1 ( T X D )P D 2 ( I N T 0 )P D 3 ( I N T 1 )P D 4 ( O C 1 B )P D 5 ( O C 1 A )P D 6 ( I C P 1 )A T M E G A 1 6 4 0 P I N1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 2 12 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 0Q HQ GQ FQ EQ DQ CQ BQ ABAC L KC L R7 4 H C 1 6 434651 01 11 21 32189efabdcpgefabdcpgefabdcpgefabdcpgefabdcpgL E D 0L E D 1L E D 2L E D 3L E D 4+ 5 V