【正文】 32 軟件設(shè)計(jì) 35 第五章 提高系統(tǒng)可靠性措施 40 概述 40 提高抗干擾措施 41 第六章 總結(jié) 43 參考文獻(xiàn) 44 致謝 45 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 1 第一章 緒論 本章介紹論文選題的背景意義、國內(nèi)外電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀、我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)發(fā)展趨勢，以及本課題所做的工作。由于電動(dòng)機(jī)的 耗電量巨大 ，所以我國在電動(dòng)機(jī)節(jié)能方面做了許多工作。 與先進(jìn)國家相比，我國的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置存在有一定的差距。另外，電動(dòng)機(jī)在燒毀過程中消耗的電量也是很大的。因此，無論是從減少經(jīng)濟(jì)損失還是從節(jié)約資源來講，做好電動(dòng)機(jī)的保護(hù)工作都具有重大意義，必須引起足夠重視。因此 ,電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的研制工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。但其存在整定精度不高、受環(huán)境影響大、誤差大以及功能單一等缺點(diǎn)。 這種裝置體積小，安裝方便；功能更為全面：可以保護(hù)缺相、過載、欠流、相失衡、逆相、接地、短路、過電壓、過電流等故障，還具有電流電壓顯示和聲光報(bào)警等功能。如整定精度不高、采樣精度不高無法實(shí)現(xiàn)具有多種保護(hù)功能于一體的全保護(hù)、 裝置復(fù)雜，對(duì)電磁干擾敏感，對(duì)維護(hù)人員的要求很高等。 PTC 熱敏電阻也稱正溫度系數(shù)熱敏電阻，它的電阻值隨著溫度的升高而增大，屬于非線性變化，當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，電阻急劇增大，而發(fā)生突變。這種直接監(jiān)視溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，是一種相對(duì)可 靠、準(zhǔn)確的方式。 [2]：采用微機(jī)處理器 (如單片機(jī) ， DSP)組成的保護(hù)裝置。由于微機(jī)處理器的智能和功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)其他三種傳統(tǒng)保護(hù)控制裝置不能實(shí)現(xiàn)的保護(hù)控制功能?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，該保護(hù)裝置越來越廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 3 受到業(yè)內(nèi)人士的青睞，更多的科技人員也正致力于研制出保護(hù)效果更好的微機(jī)保護(hù)裝置。 在國外，早在 1975年初，英國 GEC公司將微機(jī)處理器應(yīng)用于變電所的控制和自動(dòng)合閘的情況就已有報(bào)道。之后，世界各大繼電器制造商都先后推出了各種商業(yè)性微機(jī)保護(hù)裝置，微機(jī)保護(hù)逐步趨于實(shí)用。從 70年代后期開始，各國都在這個(gè)方面做了很多努力，使電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)技術(shù)逐漸成熟起來。日本富士公司生產(chǎn)的 QA型繼電器由 CT、 A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器組成，提供過載、斷相和反向保護(hù)。 GE、 EGR、 DG、 DZ、 DGRSDDR、 EECLH、DZG DZNG ECHL）、數(shù)顯式智能型保護(hù)器 (3DD、 3DI、 3DM、 FD)、電壓型保護(hù)器（ VR、 EOVR、 EUVR）等型號(hào)系列， 60余種規(guī)格 [3]。美國的其它產(chǎn)品還有電子型保護(hù)繼電器（ SMP、 CFFI）、熱敏電阻保護(hù)繼電器（ RT3）、電子型保護(hù)系統(tǒng)（ CFT4）、智能控制器（ SMC）等各種型號(hào)序列數(shù)十種規(guī)格 [21]。與世界先進(jìn)國家相比我國的電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制技術(shù)水平，還有一定差距，其技術(shù)含量較低。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 4 我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢 我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā) 展趨勢大致有以下幾點(diǎn) [3]： 1. 研制在線監(jiān)控系統(tǒng)； 2. 追尋理論上的突破，逐步由定性描述到定量分析； 3. 應(yīng)具有較寬的連續(xù)可調(diào)整范圍、方便、準(zhǔn)確； 4. 應(yīng)有完善的保護(hù)特性和互換性； 5. 發(fā)展小型、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的保護(hù)裝置； 6. 應(yīng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性； 7. 應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力；電壓使用能力和長時(shí)間連續(xù)工作能力。 在本次課題設(shè)計(jì)中，首先分析了電動(dòng)機(jī)的各種故障類型及 故障產(chǎn)生的原因，對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)原理做了大量分析，選擇適合于大、中型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)方案；然后在第三章 以 ATmega16L 單片機(jī)為硬件核心， 設(shè)計(jì)出一套綜合保護(hù)裝置，通過處理采集來的電壓、電流、溫度等信號(hào)來判斷電動(dòng)機(jī)是否含有故障以及故障的類型，并發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)電動(dòng)機(jī)。 本文僅在電動(dòng)機(jī)保護(hù)上做了部分保護(hù)裝 置 ，有待更高的完 善。 電動(dòng)機(jī)常見故障分析 要設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)裝置，首先要分析保護(hù)對(duì)象會(huì)遇到的各類故障，分析其故障特征，才能提出切實(shí)可行的保護(hù)方案。 由于電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要通過測量電量 (電流、電壓以及開關(guān)狀態(tài)等 )來監(jiān)測電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，因此本論文探討的主要是繞組故障。這類故障主要特征是三相電流電壓基本對(duì)稱，但電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，還會(huì)產(chǎn)生不良的機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)不同程度的受損； 不對(duì)稱故障又分為接地故障和非接地故障。這類故障主要特征是除了嚴(yán)重的短路會(huì)造成故障相電流明顯增大外，大多數(shù)的不對(duì)稱故障一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的過電流，電動(dòng)機(jī)定子出 現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問題，如果有過電流出現(xiàn)，還會(huì)使繞組發(fā)熱，甚至嚴(yán)重?fù)p壞。因此， 對(duì) 額定容量在20xxkW 以上，或小于 20xxkW 但電流速斷保護(hù)靈敏度不夠的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。 由于電動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于過負(fù)荷狀態(tài)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過熱，最后導(dǎo)致繞組間絕緣的損壞，所以電動(dòng)機(jī)長時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行是不允許的。 當(dāng)供電 系出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降。另外，如果供電電壓恢復(fù)的較慢，則電動(dòng)機(jī)長 期處于起動(dòng)狀態(tài)，長時(shí)間的大電流 會(huì)導(dǎo)致絕緣過熱甚至損壞。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中如果因機(jī)械故障、負(fù)荷過大、電壓過低等原因而使轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)散熱條件極差，電流很大，特別容易燒壞，需設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 在電動(dòng)機(jī)絕緣被破壞時(shí)，將導(dǎo)致繞組對(duì)外殼短路，引起繞組對(duì)地短路故障。 另外，還應(yīng)設(shè)置過熱保護(hù)、 啟動(dòng)時(shí)間過長和頻繁起動(dòng)保護(hù) 。目前國內(nèi)外使用的各種異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過程中的繼電保護(hù)，采用的是給保護(hù)整定長延時(shí)或在啟動(dòng)過程中閉鎖保護(hù)跳閘出口的方式，此時(shí)若電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在故障隱患，或電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過程中發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞甚至 燒毀。 對(duì)于 20xxkW 及以上的大容量電動(dòng)機(jī)，或容量稍小些的重要電動(dòng)機(jī)采用雙重保護(hù)措施。 本文對(duì)電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)為電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)測控單元，后備保護(hù)為電動(dòng)機(jī)保護(hù)測控單元，兩個(gè)保護(hù)單元相互獨(dú)立。 它分為比率制動(dòng)式縱差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)等。且規(guī)定一次側(cè)電流(以 A 相位例 ) 1I 和 1I? 的正方向?yàn)橛删€路流向電動(dòng)機(jī)，則二次測得電流為： MI 1 I 180。 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 8 當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，流入電動(dòng)機(jī)一相繞組上的兩個(gè)電流互感器二次側(cè)電流、相位均相同 ，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。 于是有 ： 120dI I I? ? ? () 本設(shè)計(jì)采用的是比率制動(dòng)式縱差保護(hù)，它對(duì) 電動(dòng) 機(jī)內(nèi)部短路有較高 靈敏度，而對(duì)外部短路則能可靠不誤動(dòng)。 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)制動(dòng)特性如圖 22 所示： ABCID Z . m i n動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)ID Z . m a xDZI0.minZDI ZDISDI 圖 2－ 2 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的制動(dòng)特性 圖中， DZI 為差動(dòng)電流， SDI 為差動(dòng)速斷電流，一般取 6~8 倍的流入保護(hù)裝置的第二側(cè)二次電流， .minDZI 為差動(dòng)啟動(dòng)電流，一般為 ~ 倍的流入保護(hù)裝置的第二側(cè)二次電流， .minZDI 為最小制動(dòng)電流，一般取額定電流， ZDI 為制動(dòng)電流。 為防止 CT 斷線時(shí)保護(hù)裝置誤動(dòng)，本裝置采用了 CT 斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)的方案。 CT 斷線判據(jù)：當(dāng)至少檢測到一相電流為零并且零序電流大于 ctI 時(shí)，發(fā)出斷線告警并閉鎖差動(dòng)保護(hù)。 A 相 比 率 差 動(dòng) 動(dòng) 作B 相 比 率 差 動(dòng) 動(dòng) 作C 相 比 率 差 動(dòng) 動(dòng) 作比 率 差 動(dòng) 投 入差 動(dòng) 啟 動(dòng) 元 件C T 斷 線 檢 測 閉 鎖 控 制 字1?amp。斷 線 告 警 信 號(hào)差 動(dòng) 保 護(hù) 動(dòng) 作 圖 2－ 3 比率制動(dòng)式縱差保護(hù)邏輯框圖 圖 24 為差動(dòng)速斷保護(hù)的邏輯框圖。 A 相 差 動(dòng) 速 斷 動(dòng) 作B 相 差 動(dòng) 速 斷 動(dòng) 作C 相 差 動(dòng) 速 斷 動(dòng) 作差 動(dòng) 速 斷 投 入1?amp。當(dāng)電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱時(shí)，負(fù)序和零序電流為零，而發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)則會(huì)顯著增加。這樣，不僅能更好地反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還可以大大提高保護(hù)的靈敏度和可靠性。 表 2l電動(dòng)機(jī)常見故障信息分布表 故障類型 過電流 負(fù)序電流 零序 電流 其他故障特征 設(shè)置保護(hù) 類型 對(duì)稱 故障 三相短路 (8 10) pI? 無 無 a b cI I I?? 電流速斷 堵轉(zhuǎn) (5 7) pI? 無 無 a b cI I I?? 正序 定 時(shí) 限 過載 ( 5) pI? 無 無 a b cI I I?? 正序 反 時(shí) 限 不對(duì)稱性故障 非接地 斷相 3/2pI 無 0,a b cI I I? ?? 負(fù)序 定 時(shí) 限 逆相 無 pI 無 a b cI I I?? 不平衡 無 有 無 a b cI I I?? 相間短路 有 1/ 3bI 無 b c aI I I?? 接地 單相接地 有 1/3aI 1/3aI a b cI I I?? 零序 定時(shí) 限 二相接地 有 有（值的大小 取決于位置） ,b c a pI I I I?? 從表 21 可知，若以過流信息反映短路和堵轉(zhuǎn)故障，以負(fù)序和零序電流反映各類不對(duì)稱短路和接地短路等不對(duì)稱故障，可以實(shí)施全面的電流保護(hù)。 由于短路故障將導(dǎo)致很大的故障電流，所以只要檢測到 A、 B、 C 三相電流中任一相或一相以上的電流值大于速斷的整定值，保護(hù)立即動(dòng)作。在簡單、可靠和保證選擇的前提下，原則上總是越快越好。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 時(shí)，保護(hù)判據(jù)為 ： .m axsq zd relq stI I K I? ? ? () 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 時(shí)，保護(hù)判據(jù)為 ： sdzd rel xjdI I K I? ? ? () 其中 I 為 電動(dòng)機(jī)各相相電流 ； relqK 為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可靠系數(shù)，一般取 ；.maxstI 為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流，一般取 9 倍的額定電流 NI ； xjdI 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)相間短路電流 ； relK 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可靠系數(shù)，一般取 。 速 斷 保 護(hù) 投 入A 相 電 流 大 于 整 定 值B 相 電 流 大 于 整 定 值C 相 電 流 大 于 整 定 值≥amp。 當(dāng)保護(hù)裝置在電機(jī)運(yùn)行過程中檢測到電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作，出口跳閘。 保護(hù)判據(jù)為 ： 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) ： 1 1 . m a x1qzd re lq stzdI I K ITt? ? ??????? () 廣西大學(xué)畢業(yè)生論文 單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用 12 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí) 111zd rel zxzdI I K ITt? ? ??? ?? () 1I 為電動(dòng)機(jī) 的正序電流 ； .maxstI 為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流 ； relqK 為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可靠系數(shù)，依據(jù)不同保護(hù)類型取不同值 ； 1zdt 為時(shí)間常數(shù)，依 據(jù)不同保護(hù)取不同值 ； zxI 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)正序電流整定值 ； relK 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可靠系數(shù) 。 正 序 電 流 保