【正文】 既有反時(shí)限特性，即過載倍數(shù)越大，允許的時(shí)間越短。過載保護(hù)電路圖如下圖所示。根據(jù)這一結(jié)論論文對電動(dòng)機(jī)常見故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點(diǎn)不引出的星型接法，三相線電流之和總為零，沒有零序電流分量。對稱分量的計(jì)算公式如下（以A相為例）[1113]： ()式中,IA1,IA2,IA0分別是A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；算子a=eJ120。根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個(gè)不對稱的向量可以唯一分解成三組對稱的向量：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。對稱故障的保護(hù)可通過常規(guī)的過流保護(hù)手段來實(shí)現(xiàn)對于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)該采用短時(shí)限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時(shí)限跳閘或反時(shí)限跳閘，反時(shí)限特性與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。當(dāng)發(fā)生對稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重特別容易燒毀電機(jī)。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對稱過載等，這類故障對電動(dòng)機(jī)的損壞主要是機(jī)械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀[9,14]。造成軸承損壞的原因有很多：①機(jī)械負(fù)荷太大②潤滑劑不合適③惡劣工作環(huán)境對軸承的損壞由于本論文主要研究的是通過電氣測量手段來檢測電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集到保護(hù)器的數(shù)據(jù)適時(shí)做出保護(hù)動(dòng)作，因此論文主要分析解決繞組故障。（4）因機(jī)械故障或其它原因造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。（2）電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電源電壓三相不平衡、電壓波動(dòng)大、電網(wǎng)電壓波形畸變、高次諧波嚴(yán)重或者電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。對電動(dòng)機(jī)來說，其故障形式從機(jī)械角度可以分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速小于同步速[9]。本論文以異步電動(dòng)機(jī)為例闡述電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)。本章就這一部分展開詳細(xì)說明。（4）考慮到該電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器需要在惡劣工況下運(yùn)行，對系統(tǒng)的電磁兼容性做專門的設(shè)計(jì)和測試，使該裝置具備較強(qiáng)的抗干擾性能。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是處理器模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和保護(hù)模塊。針對電動(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)。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。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[37]。它可以同時(shí)對電動(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)?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱?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。而智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果日新月異。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器上無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)記錄，實(shí)時(shí)通信這樣的高端功能，這也限制了這類保護(hù)器的應(yīng)用范圍。各個(gè)元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護(hù)器不能正常工作。我國電子式保護(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)的目的。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—交流接觸器—熱繼電器；（2）斷路器—交流接觸器—熱繼電器；（3）熔斷器—斷路器；（4）熔斷器—斷路器—交流接觸器—熱繼電器[1,2]。因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。而且這一數(shù)字還在不斷增長。電動(dòng)機(jī)的故障或不正常運(yùn)行輕則影響設(shè)備功能重則造成設(shè)備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟(jì)損失，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究就顯得十分必要。電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個(gè)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。目錄三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要 IABSTRACT II前言 V1 緒論 12 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 3 3 3 4 過流保護(hù) 5 負(fù)序電流保護(hù) 5 零序電流保護(hù) 6 電壓保護(hù) 6 過熱保護(hù) 6 本章小結(jié) 63 硬件電路設(shè)計(jì) 7 7 7 7 8 8 ATmega16單片機(jī)的主要特點(diǎn) 8 ATmega16單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 9 ATmega16單片機(jī)的CPU核心 9 ATmega16的引腳功能介紹 10 處理器模塊的電路設(shè)計(jì) 11 12 13 液晶顯示原理 13 液晶顯示器的特點(diǎn) 13 LCD1602液晶顯示器 13 16 電壓、電流信號(hào)處理 16 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換 17 18 本章小結(jié) 194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 20 程序設(shè)計(jì)語言選擇 20 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 21 主程序設(shè)計(jì) 21 ADC處理部分 23 1602液晶顯示程序 25 人機(jī)接口程序設(shè)計(jì) 26 參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計(jì) 27 本章小結(jié) 28結(jié)論 29參考文獻(xiàn) 30致謝 32附錄1 33附錄2 34II— —前言前言在當(dāng)今電力如此發(fā)達(dá)的社會(huì)，電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，供電系統(tǒng)70%的電能是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防等領(lǐng)域。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動(dòng)，負(fù)載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行受到很大的威脅。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，全國每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在300萬臺(tái)以上，僅電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用就在百億元以上，因電動(dòng)機(jī)不正常工作所造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億KWh，間接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)目驚人。另外，由于現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動(dòng)機(jī)的體積越來越小，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部電流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種狀態(tài)下切換運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重。1——1 緒論國內(nèi)電動(dòng)機(jī)保護(hù)有以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式，熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)器，是長期以來我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。熱繼電器是用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)因過載引起過電流的置。熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護(hù)時(shí)滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)[1,2]。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動(dòng)作曲線與電動(dòng)機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線不協(xié)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)有效功率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作。普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批新的基于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。電壓取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主要針對電動(dòng)機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過對電動(dòng)機(jī)的線電流的變化檢測來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。但是設(shè)計(jì)思路的限制導(dǎo)致這些電動(dòng)機(jī)保護(hù)器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在：一是精度不高，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)元件的性能都會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。二是無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)、通信等功能。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。以微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進(jìn)步，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成果。這種智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護(hù)功能；由于能夠方便地實(shí)現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護(hù)不正確動(dòng)作，提高了保護(hù)的可靠性。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。自第一個(gè)微處理器問世以來，微處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，從早期的四位機(jī)4004到七十年代末出現(xiàn)的8位機(jī)805MC6800再到現(xiàn)在32位機(jī)、16位機(jī)、8位機(jī)多種處理器并舉[7]。當(dāng)今微處理器市場上高端三十二位機(jī)與低端的八位機(jī)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手。本論文所介紹的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采用的ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。本課題的主要目的是研制基于ATmega16 MCU的電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的硬件電路。（3）設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的軟件系統(tǒng)。2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理要設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)裝置，必須首先分析保護(hù)對象的基本運(yùn)行原理、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、可能出現(xiàn)的主要故障、故障特征以及保護(hù)措施等。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。異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會(huì)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。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保持不變，電磁功率及損耗保持不變。造成繞組損壞的主要原因有[913]： （1）在長時(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地短路。（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)長時(shí)間承受過大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致電機(jī)過熱。（5）某些大型電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障或是長時(shí)間工作在高溫高濕環(huán)境下造成電機(jī)故障。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稱故障和非對稱故障兩大類。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相間短路等，不對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[9]。這類故障的主要特征是三相基本對稱，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，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。詳細(xì)情況如表1所示[15]：表1 電動(dòng)機(jī)對稱故障故障類型零序負(fù)序過電流其他特征保護(hù)特性對稱故障過載無無(~6)InIa≈Ib≈Ic反時(shí)限堵轉(zhuǎn)無無(6~8)InIa≈Ib≈Ic短時(shí)限短路無無(8~10)InIa≈Ib≈Ic速斷當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝間短路，接地短路等，往往在初期并不會(huì)引起顯著的電流增大、電機(jī)過熱，但若不及時(shí)處理就會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電動(dòng)機(jī)過熱，轉(zhuǎn)子啟動(dòng)力矩降低等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞乃至報(bào)廢。電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理的研究是保證電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真的研究和比對發(fā)現(xiàn)對稱分量法可以對電動(dòng)機(jī)的三相電流進(jìn)行詳細(xì)的描述，可以為故障的診斷提供準(zhǔn)確的信息。各序分量獨(dú)立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各個(gè)元件呈現(xiàn)出不同的特性。由式1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。根據(jù)前面對故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會(huì)發(fā)生變化。過載保護(hù)電路是用來保證電機(jī)不長期過載運(yùn)行的。它的取樣信號(hào)是通過電流互感器取自逆變的三相交流輸出端（即電機(jī)的輸入端），經(jīng)整流濾波后送由運(yùn)放UA組成的積分器積分，其輸出送由UD組成的比較器比較后送封鎖電路。 、欠壓保護(hù)電網(wǎng)電壓的質(zhì)量嚴(yán)重影響著電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、電壓波形畸變都會(huì)給電動(dòng)機(jī)的正常工作帶來重大影響，瞬間電壓尖峰或是電壓跌落甚至可以造成電動(dòng)機(jī)永久損壞，因此有必要對電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)保護(hù)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。（2）過壓保護(hù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓大于Us時(shí)，應(yīng)該根據(jù)過壓情況的嚴(yán)重程度采取不同措施，輕微過壓時(shí)延時(shí)跳閘將電機(jī)從電機(jī)切除，嚴(yán)重過壓時(shí)應(yīng)立即跳閘以防止高電壓將電動(dòng)機(jī)繞組間絕緣材料擊穿，導(dǎo)致嚴(yán)重事故。所不同的是過壓、欠壓保護(hù)取樣信號(hào)要分別送入比較器的同相端和反向段。過壓、欠壓的電路保護(hù)圖如下圖所示。而定子繞組一相斷線、不對稱短路、不對稱負(fù)荷、三相電源電壓不對稱等均可造成電流過大的現(xiàn)象。一旦三相電流不對稱，則可將三相電流分解成正序電流、零序電流和負(fù)序電流，此時(shí)負(fù)序電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場以接近兩倍的同步速相對于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)三相電流不對稱時(shí)，就會(huì)有負(fù)序電流產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加。英國CEO公司提出了一個(gè)反應(yīng)上述熱效應(yīng)的等效電流Ieq的概念，定義為[9,17]： () 式中：K2為負(fù)序電流發(fā)熱等效系數(shù)，取值在3~6；I1是電動(dòng)機(jī)電流正序分量；I2為電動(dòng)機(jī)電流負(fù)序分量。(2) =5~8時(shí)設(shè)置定時(shí)限過流保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中短路保護(hù)