【正文】 ... 44 第 6章 總結(jié)及展望 ........................................ 45 參考文獻(xiàn) ................................................ 46 致謝 .................................................... 47 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研究 的背景及意義 在重要的工礦企業(yè)中， ，得到了廣泛應(yīng)運(yùn)。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。 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。 電動(dòng)機(jī)保護(hù) 器 的歷史和現(xiàn)狀 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裝置。 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(duì)輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。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 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(duì)電動(dòng)機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)來對(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的線電流的變化檢測(cè)來對(duì)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： 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 a. 精度不高。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(duì)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。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)像參數(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。 智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 目前，微機(jī)化的智能電機(jī)保護(hù)器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)器，成為電機(jī)保護(hù)器的主流。實(shí)時(shí)性是保護(hù)器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對(duì)電動(dòng)機(jī)故障的檢測(cè)靈敏度以及輸出保護(hù)信號(hào)的準(zhǔn)時(shí)性，直接影響了電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。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(cè)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。 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 微處理器的發(fā)展特點(diǎn) 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) 805 MC6800再到現(xiàn)在32位機(jī)、 16位機(jī)、 8位機(jī)多種處理器并舉。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 STC90C58AD單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾 /高速 /低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī) 。 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì) 的主要工作和論文的各章節(jié)安排 本課題的主要目的是研制基于 STC90C58MCU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)。 根據(jù)研究工作的需要，各章節(jié)安排如下： 第一章綜述課題的目的和意義，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 微處理器的 發(fā)展以及簡單介紹了本論文的主要工作。 第三章論述了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第四章以硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的軟件設(shè)計(jì)。 第六章 對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)以及對(duì)其未來發(fā)展的展望。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)。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。折算后的電動(dòng)機(jī)等效電路原理圖如圖 。 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 電動(dòng)機(jī)故障分 類 對(duì)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。 (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、高次基于單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)諧波嚴(yán)重或者電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。 (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)。 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(duì)軸承的損壞 由于本論文主要研究的是通過電氣測(cè)量手段來檢測(cè)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，因此主要分析解決繞組故障。對(duì)稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對(duì)稱過載等，這類故障對(duì)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。當(dāng)發(fā)生對(duì)稱故障或嚴(yán)重的相間2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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(duì)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(duì)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(duì)于對(duì)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。 表 電動(dòng)機(jī)對(duì)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(duì) 稱 故 障 過載 無 無 （ ～ 6） In CIII ?? ba 反時(shí)限 堵轉(zhuǎn) 無 無 （ 6～ 8） In CIII ?? ba 短時(shí)限 短路 無 無 （ 8～ 10） In CIII ?? ba 速斷 當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問短路，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)而引起電機(jī)過熱，轉(zhuǎn)自啟動(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)原理分析 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)真地研究和比對(duì)發(fā)現(xiàn)對(duì) “ 稱分量法 ” 可以對(duì)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。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A相電流用對(duì)稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；算子 J120ea? 。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，三相電流之和總為零，沒有零序電 流分量。根據(jù)這一結(jié)論論文對(duì)發(fā)電機(jī)常見故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。定子繞組的相間短路是電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 大穩(wěn)定啟動(dòng)電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的 8～ lO倍。 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成過熱而燒壞。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的 4～ 7倍，這么高的故障電流極易把電動(dòng)機(jī)燒損。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)電流，即額定電流的 4～ 7倍。從而 可有效地躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，以免誤動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)無法正常啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)， 沒有振動(dòng)。 根據(jù)對(duì)稱分量法，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的），（ CIIII bam a x m a x?2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 三相不對(duì)稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。帶動(dòng)同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流 產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損。I — 電動(dòng)機(jī)額定相電流； CBA III 。 表 電動(dòng)機(jī)斷相故障電流表值 由表 ，電動(dòng)機(jī)斷相故障主要有三類情況：①當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以 Y形連接時(shí)，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對(duì)于△形連接的電動(dòng)機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時(shí)，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動(dòng)機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時(shí)，電動(dòng)機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。由于斷相故障類型不同，線電2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 流表現(xiàn)也各異，因此保護(hù)判據(jù)也不一樣。 通過負(fù)序電流來反映斷相等不平衡故障 。 ?? （ ） e2 33131 IIIII CBAA ????? ）（。， 因此可以通過正、負(fù)序電流的這個(gè)比值來判斷電動(dòng)機(jī)的第③類斷相故障。 其突出特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動(dòng)機(jī)長時(shí) 間 過載運(yùn)行會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過熱而燒損。 a．電動(dòng)機(jī)溫升特性 電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中加2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 熱電動(dòng)機(jī)，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。但實(shí)際測(cè)定表 明，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別 。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動(dòng)機(jī)定子繞組過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱平衡微分方程為： dtdr d tdt 2e2 ??? SCGIIQ ???? ）（ （ ） 式中： Q—— 定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量 (W)； I—— 電動(dòng)機(jī)過載狀態(tài)下的定子電流 (A)； eI —— 電動(dòng)機(jī)額定定子電流 (A)； r—— 電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻 (? )； C—— 定子物體材料的比熱，即使 lkg物體溫度升高 1C? 所需的熱量(J/Kg C? )； S—— 散熱表面積 ( 2m )； ? —— 定子繞組溫升 (C? )。 右邊 CGd? 是電動(dòng)機(jī)溫度升高 d? 度所吸收的熱量， ? S? dt是 dt時(shí)間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。將初始條件代入式2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ()得出待定常數(shù) A為 : S rIISQA e?? )( 22 ????? 將 A代入式（ ）可得 ）（ tCGSe eS rII ??? ??? 1)( 22 （ ） 這就是異步電動(dòng)機(jī)的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖 。隨著電動(dòng)機(jī)溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周 圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達(dá)到穩(wěn)定溫升。1 22m a x2 ???? ??? rI CGTt e （ ） 式（ ）反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù) ? 與電動(dòng)機(jī)容許過載時(shí)間 t的關(guān)系，即 ? ??f?t ， 我們把這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的容許過載特性，如圖 1所示。 圖 1—— 電動(dòng)機(jī)容許過載特性； 2—— 定時(shí)限過載保護(hù)特性； 3—— 階段式定時(shí)限過載保護(hù)特性； 4—— 反時(shí)限過載保護(hù)特性； 2021 屆 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量，因此電動(dòng)機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過載能力。 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)問 t與過載倍數(shù) ? 的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性。圖 ，定時(shí)限過載保護(hù)和階段式定時(shí)限過載保護(hù)都不能像反時(shí)限過載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力，因此在設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的反時(shí)限特性。 表 某電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的分段式實(shí)現(xiàn) 過 流 反 時(shí) 限 保 護(hù) e/II?? 動(dòng)作時(shí)間 t/s（具體可設(shè)定為某一列） ? 60 120 180 120 300 ? 48 96