【正文】 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 015V+G N DVR E F H IR E F L OC O MN O 1N O 2N O 3N O 42 0L A T C HE NC A LA 0A 1A 2N O 8N O 7N O 6N O 5M A X 4 5 3 923467891 01 91 81 71 61 51 41 31 21 1A 0A 1A 2P B 0P B 1P B 2溫 度 、 電 壓 、 電 流 信 號 圖 42 MAX4539 連接圖 溫度采集系統(tǒng) 三相異步電動機的銅耗、鐵耗、機械損耗及非穩(wěn)態(tài)運行都會導致其發(fā)熱。 MAX4539 可修正 A/D 轉(zhuǎn)換 中的兩個主要誤差：失調(diào)誤差和增益誤差MAX4539 具有測量、自檢和校準三種工作模式，不同工作模式可通過控制廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 15 引腳 CAL 和 地址引腳 A0~A2 進行選擇，另外還具有使能控制和狀態(tài)鎖存。 作 為數(shù)據(jù)采集通道的最后一個環(huán)節(jié)， A/D 轉(zhuǎn)換 器 會在 一定 程度上給測量結(jié)果帶來誤差，而且該誤差會隨著溫度、時間而漂移 。 片上外設資源豐富，單片機內(nèi)部集成 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計數(shù)器，一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器 /計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC，四通道 PWM， 8路 10 位 ADC，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器。 多達 32 個可編程的 I/O 口。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， 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 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 采樣精度高 由于要對電動機進行實時監(jiān)控， 電動機 的 狀態(tài)參量必須得到精確的測量。 抗強電磁干擾能力強 保護器的運行環(huán)境通常存在大量的電磁干擾，這會影響電子設備的正常運行甚至導致設備失效，因此設計硬件電路時應該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。 微機保護硬件系統(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接 口 單元四個部分， 如圖 41 所示 ： 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 13 模擬電氣量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微 處 理 器C P U開 關 量 輸 入 接 口開 關 量 輸 出 接 口執(zhí) 行 元 件人機交互系統(tǒng)顯 示 器打 印 機輸 出鍵 盤 輸 入 圖 41 微機保護裝置的硬件系統(tǒng)原理框圖 微機保護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、故障計算模塊、故障檢出模塊以及保護功能模塊等等。 微機保護的特點 微機型繼電保護裝置的普遍特點可歸納為：維護調(diào)試方便，具有自動檢測功能 ； 可靠性高，具有極強的綜合 分析和判斷能力，可實現(xiàn)常規(guī)模擬保護很難做到的自動糾錯，即自動識別和排除干擾，防止由于干擾而造成的誤動作，并具有自診斷能力，可自動檢測出保護裝置本身硬件系統(tǒng)的異常部分；保護裝置自身的經(jīng)濟性、可擴展性強，易于獲得附加功能；保護裝置的性能得到很好 的 改善，具有較高的運算和大容量的存儲能力等等。 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 12 第四章 硬件電路設計 微機保護的基本原理及其特點 微機保護的基本原理 微機保護主要由 計算機 、輸入輸出接口、人機聯(lián)系、軟件等構(gòu)成。因此很有必要對電動機的繞組溫度進行監(jiān)控，采取一定措施保證電動機工作在正常的溫升范圍之內(nèi)。 三相異步電動機損壞多因其過熱燒毀所致。 （ 2）需要自啟動，但為保證人身和設備安全或由生產(chǎn)工藝等要求，在電源電壓長時間消失后不允許再啟動的電動機也應裝設 低電 壓 保護，但其動作時限應足夠大，一般整定為 5~10s，其動作電壓多整定為額定電壓的40%~50%。 為此配置 過 電 壓保護為：輕微過壓時延時跳閘將電 動 機從電網(wǎng) 切除 ； 嚴重過 電 壓 時 應立即跳閘以防止電動機繞組間絕緣材料擊穿，導致嚴重事故。對 3kV、 6kV、10kV 電網(wǎng)中的少數(shù)變壓器中性點經(jīng)高阻接地的電網(wǎng) ， 保護動作 于跳閘 ， 其動作電流應躲過電動機在起動過程中由于三相電流不完全對稱而出現(xiàn)的 3倍不平衡零序電流 ， 延時整定為 ， 以此延時來躲過相間短路對零序電流保護的影響 。 對我國 3kV、 6kV、 10kV 電網(wǎng)大多數(shù)是變壓器中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng) ， 保護通常只需發(fā) 出 接地信號 ， 不跳閘。 另外必須校驗 ? 的值大于 ? 的值 ， 以確保在電動機起動過程中負序電流第一段可靠地不動作。 兩相短路時， 兩段定時限負序電流保護： 為使負序電流保護第一段可靠地工作，整定為： 定值 ? = )2(I，延時 t1固定為 1s。 這將會使電動機運行性能惡化，輸出轉(zhuǎn)矩、過載能力和效率降低，并且有局部過熱燒壞的危險。 根據(jù)等效電流將 過流保護分為 3 段 ： eeqII 大于 8 時 ， 保護特性為速斷 ， 針對的是短路故障； eeqII 在 5~8 時 ， 保護特性為 反時限 速斷 ， 針對的是堵轉(zhuǎn) 故障 ； eeqII 在 ~5 時 ， 保護特性為反時限過流 ， 針對的是 過負荷 。過流保護所針對的故障是各類短路故障及熱過載 ， 保護特性分別為短路速斷和過載反時限。高壓電動機常見故障的分析結(jié)果如表 1 所示： 表 1 高壓電動機故障分布 故障類型 零序 負序 過電流 其他故障特征 保護特性 對 稱 故 障 過載 無 無 (~5)Ie IA≈ IB≈ IC 反時限 堵轉(zhuǎn) 無 無 (5~7)Ie IA≈ IB≈ IC 短時限 短路 無 無 (8~10)Ie IA≈ IB≈ IC 速斷 不 對 稱 故 障 非 接 地 斷相 無 3CI 03I IA=0， IB=﹣ IC 短時限 逆相 無 IA 無 IA≈ IB≈ IC 速斷 不平衡 無 有 無 IA≠ IB≠ IC 短時限 相間 短路 無 有 有 IB≈ ﹣ IC 速斷 接 地 單相 接地 3/I? 有 取決于位置 IAIB≈ IC 速斷 兩相 接地 3/I? 有 取決于位置 IB， IC IA=I0 速斷 注：單相故障設 A 相為故障相；兩相故障設 B、 C 相為故障相； I0表示故障前電流幅值 ， ∑ I=IA+IB+IC 廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 9 過流保護 三相電流過大、三相負荷過大、啟動時間過長、堵轉(zhuǎn)以及定子繞組一相斷線、不對稱短路、不對稱負荷、三相電源電壓不對稱等均可造成電流過大 ，從而使電動機過熱燒毀。 各序分量獨立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各元件呈現(xiàn)出不同的特性。 根據(jù)對稱分量法的分析，當發(fā)生不對稱故障時電動機電流可以分解為正序、負序和零序電流分量 。 當發(fā)生對稱故障時，電動機繞組電流大 ，電機發(fā)熱嚴重特別容易燒毀電機。 下面就高壓電動機的各種保護進行簡單的介紹。 為保證系統(tǒng)和 高壓電動機 安全運行，減少事故損失，繼電保護還應滿足如下要求： 高靈敏度 要求能靈敏動作于 過流 、短路、接地、斷相故障。 除此此外，對繼電保護裝置還要求具有經(jīng)濟性 和適用性，便于調(diào)試和運行維護。 （ 3） 異常振動。 電動機 不正常 運行 狀態(tài)： 交流電動機不正常運行狀態(tài)主要表現(xiàn)為： （ 1） 異常聲響。不對稱故障不僅使電流增加，引起發(fā)熱而損害電動機 ， 更重要的是不對稱引起的負序效應 會 給電動機運行帶 來隱患 ， 這類故障易形成事故擴大 ， 造成電動機的嚴重損壞。對稱故障有對稱過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等 ， 這類故障對電動機的損害主要是由于電流增大引起的熱效應 ，可通過流程度來反映。這些機械故障一般是由一些 潛在危害 因素積累發(fā)展而導致的，所以要在故障發(fā)生前 對其 監(jiān) 測并排除。 軸承發(fā)熱，輕則使?jié)櫥♂屄┏?，重則將軸承損壞 ， 引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從面造成繞組匝間短路 ， 嚴重時會使定子鐵心倒槽、錯位、 轉(zhuǎn)軸磨損、端蓋報廢等。 （ 1） 機械 故障 機械方面的主要故障是振動、軸承過熱、運轉(zhuǎn)聲音異常等 。電動機在運行過程中， 各種損耗最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚?熱量積累到一 定程度就會使絕緣損壞甚至 使 電機燒毀，所以電動機通常都裝有散熱風扇。 定子通電后， 轉(zhuǎn)子繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機旋轉(zhuǎn)。機座用于 固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。定子繞組 是電動機的電路部分，通入三相交流電， 將在其間 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 。 定子、轉(zhuǎn)子中間是空氣 隙。 下面 以三相異步電動機為例說明異步電動機的基本結(jié)構(gòu)。 旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速小于同步速。 本論文以 三相 異步電動機為 例闡述電動機保護器的設計。 最后對論文作一個全文總結(jié)。 在第四章， 講述了采用 ATmega16 單片機為核心所 設計的 高壓電動機 保護裝置及其硬 件構(gòu)成，廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 4 并介紹了對溫度、電壓及電流這三個判斷量的數(shù)據(jù)采集以及相應的信號處理電路。在此基礎上，在第三章闡述了 高壓電動機的各種保護原理，包含其主保護和后備保護。 本論文在第一章先概述了高壓電動機保護的背景及意義，明確了本論文的主要工作。 該單片機片上還有極其豐富的外設資源，這包括 4 通道PWM， 8 路十位 AD 轉(zhuǎn)換器， 上電復位以及可編程的掉電檢測 ，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關應用。 本論文所介紹的電動機保護器所采用的 ATmega16 單片機是 ATMEL 公司的 基 于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 。 現(xiàn)在，隨著集成電路技術的不斷進步，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)。 智能型電動機保護器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動機保護器的主要發(fā)展方 向。 （ 3） 具有較強的通用性 ， 我們可通過操作面板調(diào)節(jié)各項設定值 ， 完成控制過程的設置 ， 同時可利用單片機串口和外部計算機進行連接實現(xiàn)程序修改 ,廣西大學畢業(yè)設計論文 基于單片機的高壓電動機保護 3 做到無需修改外部連線 。 與傳統(tǒng)繼電保護 方式相比 ， 引入單片機實現(xiàn)自動控制繼電保護具有很多優(yōu)點 ： （ 1） 可靠性高 ， 性能穩(wěn)定 ， 價格低廉 ， 體積小 ， 外圍電路簡單 ， 無需大量的連線 。 智能型 電動機保護器 近年來 隨著 微電子技術 的 深入發(fā)展，以微控制器為代表的 智能控制器不斷進步。 但這類產(chǎn)品仍存在一些無法克服的缺陷，包括整定精度不高 、 采樣精度不高 以及 無法實現(xiàn)具有多種保護功能于一體的全保護 。 其中 得到公眾認可且具有自