【正文】 標(biāo)。 (4) 采樣精度高。 (3) 處理器運(yùn)算速度快。 (2) 抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)。 (1) 抗高溫、低溫能力強(qiáng)。這導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)抗干擾性能要求較高。所以硬件電路的設(shè)計(jì)不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)更簡(jiǎn)單方便?？紤]到電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計(jì)和芯片選型方面充分考慮了該保護(hù)器的實(shí)際需要及抗干擾性能。包括： 短路故障 、 堵轉(zhuǎn)故障 、 斷相故障 、 過載故障 、 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 。然后對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的典型常見故障的類型以及發(fā)生的原因從理論上進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，在此基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)分析了造成電動(dòng)機(jī)損壞的電氣原因，分析了電動(dòng)機(jī)對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障的特征并引入了對(duì)稱分 量法的部分理論。 過壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。 欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)． 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 b．過壓保護(hù) 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對(duì)于負(fù)載星形連接且無中性線的電動(dòng)機(jī)，如果定子繞組一相短路，會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。對(duì)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)需要自動(dòng)起動(dòng)的重要電動(dòng)機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。低電壓也會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就無法啟動(dòng)。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)增大乜”，溫升增高。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到定子電流變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。 c．電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 對(duì)于圖 4所表示的連續(xù)的反時(shí)限過載保護(hù)特性，可以通 過取有限個(gè)有代表性的特征點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)電動(dòng)機(jī)過載區(qū)間劃分為若干個(gè)子過載區(qū)間，對(duì)于每一個(gè)子過載區(qū)間采用定時(shí)限的保護(hù)方法來實(shí)現(xiàn)，如表 示。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一過載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載往往會(huì)有 一定的波動(dòng)，這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定短時(shí)過載能力，不會(huì)因短時(shí)過載而 停機(jī)，影響正常生產(chǎn) 。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)越大，其容許過載時(shí)間就越短，即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。 b．電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)特性 對(duì)式 ()中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，取前兩項(xiàng)可得 ： 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 tCGSe tCGS ?? ??1 （ ） 將式（ ）代入式（ ）并整理可得 11)/(t 222e ???? ? TII T () 式中： eII/?? 稱為電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù) rICGT e2??為一常數(shù)，若電動(dòng)機(jī)的最大容許溫升為 max? ，則式（ ）為 11 圖 電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時(shí)間 t=O時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。式 ()為一階線性微分方程，其通解為 ： tCGSASQ ??? ??? e （ ） 式中 A—— 待定常數(shù)，由初始條件 00 ??t? 確定，即認(rèn)為負(fù)荷不變化時(shí)，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。 式 ()左邊是在時(shí)間間隔 dt中，定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)出的熱量Qdt。 C? )； G—— 定子物體的質(zhì)量 (kg)； ? —— 散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、每秒時(shí)間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù) (W／ 2m 為了便于計(jì)算和分析，一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動(dòng)機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決于其銅損。 電動(dòng)機(jī)是由多種材料組 成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn) 。電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成： (1)負(fù)荷增加： (2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好； (3)電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械故障；(4)電動(dòng)機(jī)容量選擇偏小； (5)電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏小； (6)雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均； (7)電動(dòng)機(jī)端電壓過低等 。 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象 。 ?? （ ） 即 2/ ??? AA II 。 實(shí)際上對(duì)于第③類斷相故障可以通 過計(jì)算得出 A相的正、負(fù)序電流有如下關(guān)系： e2 33231 IIIII CBAA ????? ）（。通常有以下方法： (1)對(duì)于前兩種情況 可以通過在一定時(shí)限內(nèi)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)線電流是否為零的方法來 實(shí)現(xiàn)，即對(duì)某相電流一個(gè)周波內(nèi)連續(xù)采樣 n點(diǎn)的瞬時(shí)值均為零，或通過計(jì)算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對(duì)于第 ③ 種斷相故障，可以通過檢測(cè)不對(duì)稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流 。 根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動(dòng)機(jī)的線電流不平衡，因此可以通過檢測(cè)線電流來作為斷相故障的信號(hào)源。 , — 電動(dòng)機(jī)定予繞組相電流。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表 所示， 其中： SI — 電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)電流； CBA III , — 電動(dòng)機(jī)線電流； eI — 電動(dòng)機(jī)額定線電流； e。正 序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對(duì)稱故障。 由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的 4～ 7倍，為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng)，保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后 ，一般采用躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間 (8～ 16秒 )的方法來實(shí)現(xiàn)。因此在檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，保證電動(dòng)機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞． 堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可取自于電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn) 是最輕的對(duì)稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī) A， B， C三相線電流來實(shí)現(xiàn)，超過整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)． 設(shè) maxI 為檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)三相電流 cba III ， 的最大值，即 （ ） 短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在很短的時(shí)限內(nèi)檢測(cè)到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數(shù)，一般取 8～ 10， eI 為電動(dòng)機(jī)額定線電流）時(shí)，就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相 電流不對(duì)稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接．此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞． 電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。 電動(dòng)機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大．短路故障包括定予繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。 根據(jù)前面對(duì)故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會(huì)發(fā)生變化。 由式 （ ） 可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時(shí)才有零序電流分量。對(duì)稱分量的計(jì)算公2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式如下（以 A 相為例）。 根據(jù)三相對(duì)稱分量法的理論，三個(gè)不對(duì)稱的向量可以唯一分解成三組對(duì)稱的向量：正序分量，負(fù)序分量和零序分量。因此，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常，采取全面有效的保護(hù)措施保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。詳細(xì)情況如表 1所示。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，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)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)。不對(duì)稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問短路等，不對(duì)稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，但若不及時(shí)查找故障原因排除故障則可能造成嚴(yán)重后果。 從電氣角度分析，引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見故障分為對(duì)稱故障和非對(duì)稱故障兩大類。 (5)某些大型電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障或是長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫高濕環(huán)境下造成電機(jī)故障。 (3) 電源電壓過低使得電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠，電動(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)或者是在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間承受過大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致電機(jī)過熱。 造成繞組損壞的主要原因有： (1)在長(zhǎng)時(shí)間的電、熱、機(jī)械和化學(xué)作用下，繞組的絕緣老化損壞，定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或是對(duì)地短路。 圖 電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖 其中： Ul 是電動(dòng)機(jī)定子側(cè)線電壓， r1， x1是電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻、電抗， Lm 為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電抗， r2， x2 是電動(dòng)機(jī)折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn) 子電阻、電抗。 根據(jù)電路等效的原理，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢(shì)保持不變， 電磁功率及損耗保持不變。 異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對(duì)稱繞組通以三相對(duì)稱電流就會(huì)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 異步電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行原理 交流電機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，其中異步電動(dòng)機(jī)，即感應(yīng)電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。 第五章 通過試驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證了本論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測(cè)量精度，靈敏度以及保護(hù)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。以微控制器模塊為核心，分別介紹了保護(hù)裝置的各硬件模塊電路設(shè)計(jì)。 第二章主要介紹了電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，電動(dòng)機(jī)各種故障的特征分析以及相應(yīng)的故障判斷方法和保護(hù)措施。 （ 4） 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量模塊和保護(hù)模塊。針對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務(wù)， 主要做了以下幾個(gè)方面的工作： (1) 參閱大量文獻(xiàn)資料，剖析原有電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置平臺(tái)，深入理解電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理，掌握電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)任務(wù)。該單片機(jī)片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括 4路 外部中斷 ，8路十位高速 AD轉(zhuǎn)換器，集成 MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用 。它們活躍在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機(jī)、家電等等都可以找到它們的身影。現(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商 的青睞，它將是電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的主要發(fā)展方向。它可以同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。基于智能型控制器的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器與前兩種保護(hù)方式相比具有先天的優(yōu)勢(shì)。 隨著微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果同新月異。智能電機(jī)保護(hù)器作為一種實(shí)時(shí)控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)故障信號(hào)做出響應(yīng)，及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施保護(hù)。 c. 另外，整個(gè)保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾 多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。 b. 無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)、通信等功能。由于整個(gè)保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個(gè)元件的性能都回對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。我國(guó)電子式保護(hù)器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿 足電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求。此類保護(hù)器從保護(hù)取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流取樣型。正因?yàn)槿绱?，這 種傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。由于上述缺點(diǎn)電動(dòng)機(jī)容易長(zhǎng)期運(yùn)行在輕微過載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。熱繼電器在電子技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代曾是電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當(dāng)電流超過熱繼電器整定電流的一定時(shí)間 就會(huì)啟動(dòng)其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達(dá)到保護(hù)基十單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的目的。 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 這種電 動(dòng)機(jī)保護(hù)器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為以下四種： (1)熔斷器一交流接觸器一熱繼電器； (2)斷路器一交流接觸器一熱繼電器； (3)熔斷器一斷路器： (4)熔斷器一斷路器一交