【正文】 144 192 220 ? 36 72 120 168 200 ? 24 60 96 120 180 ? 8 20 30 40 60 ? 6 10 20 30 40 ? 7 14 20 25 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式 ： 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 22022212)s(s XR URKT ?? 式中 :T—— 電磁轉(zhuǎn)矩 K—— 常數(shù) 1U —— 定子電壓 202 XR， —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和啟動(dòng)感抗 s—— 轉(zhuǎn)差率 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。 a．欠壓保護(hù) 在電動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，因此 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。如果電動(dòng)機(jī)長時(shí)間在低電壓工作會(huì)使電動(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。 電動(dòng)機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。下列電動(dòng)機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)： (1) 當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí)，為保證重要電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)而需要斷開的次 要電動(dòng)機(jī)； (2)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)；(3)需要自啟動(dòng)，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長時(shí)間消失后，需從電網(wǎng)中自動(dòng)斷開的電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行 ，容易對電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞，進(jìn)而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。 本章小結(jié) 本章從異步電動(dòng)機(jī)的模型入手，首先介紹的異步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系以及電動(dòng)機(jī)的等效電路圖。 最后，在理論分析基礎(chǔ)之上本文敘述了構(gòu)成電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的基本原理，并詳細(xì)介紹了 電動(dòng)機(jī) 保護(hù)判據(jù) 。 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第 3 章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 硬件電路設(shè)計(jì) 本章將詳細(xì)討論電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)，本論文的硬件系統(tǒng)以 STC90C58AD單片機(jī)為核心，并配以外圍電路構(gòu)成。 硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)硬件，設(shè)計(jì)的好壞不僅直接影響硬件系統(tǒng)本身功能的實(shí)現(xiàn)，而且對以后的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有很大的影響。 概述 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 硬件系統(tǒng) 的 技術(shù)要求 電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境中通常存在大量的機(jī)電設(shè)備，這些機(jī)電設(shè)備在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。而且在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出保護(hù)命令，這就對保護(hù)器的 硬件電路設(shè)計(jì)提出如下的要求。保護(hù)器系統(tǒng)電路中元件的性能會(huì)隨溫度變化而變化，在較高溫度或較低溫度時(shí)有可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，故保護(hù)器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)級器件。繼電器的閉合與斷開，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行等都會(huì)在空間激發(fā)高頻電磁場，產(chǎn)生大量的強(qiáng)電磁干擾，影響電子設(shè)備正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，因此在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。由于裝置需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)輸入輸出以及數(shù)據(jù)運(yùn)算，為保證保護(hù)器動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性必須采用 運(yùn)算速度快的微2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 處理器。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，表征電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的參量必須得到精確的測量。而實(shí)際的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器還不得不考慮成本因素，本文本著低成本、高性能的原則，查閱了大量微控制器資料，通過認(rèn)真論證比較最終決定以國內(nèi)宏晶科技推出的基于新一代增強(qiáng)型 8051內(nèi)核的STC90系列單片機(jī)作為核心控制器。處理器模塊使用 STC90C58AD單片機(jī)，利用片上 AD模塊對三相電壓電流以及電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行檢測，根據(jù)保護(hù)算法進(jìn)行保護(hù)決策。該模塊是本保護(hù)器的人機(jī)交互接 口 ，鍵盤主要用來設(shè)定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、額 定值。 (3)電源模塊。 (4)數(shù)據(jù)采集模塊。 (5) 報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行模塊 。 (6)通信模塊。 中央處理模塊 處理器 模塊采用 STC90C58AD單片機(jī)。 4路PWM， 8路高速十位 AD轉(zhuǎn)換器，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 圖 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 鍵盤、顯示模塊 人機(jī)接口是本電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的重要組成部分，通過它可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定，顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等功能。鍵盤 由選擇鍵 和功能鍵組成。 P2口的低 3位作為輸入口， ， 。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法， 判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線 key1， key2， key3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵 。 液晶顯示原理 液晶顯示器 (LCD)是一種新型的低功耗顯示器，其基本原理是：在正常情況下，液晶對光具有旋光作用，使光的偏 振方向旋轉(zhuǎn) 90。按不同需要組合液晶電極通電方式或把液晶電極做成各種需要的形狀，就能實(shí)現(xiàn)功能多樣、形態(tài)各異的顯示。 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 (2)平板型結(jié)構(gòu)： LCD的基本結(jié)構(gòu)就是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。 (3)使用壽命長： LCD器件本身幾乎沒有劣化問題。 (4)被動(dòng)顯示：對 LCD來說，環(huán)境光線越強(qiáng)顯示內(nèi)容越清楚。這在信息量大、顯示密度高、觀看時(shí)間長的場合更顯得重要。同時(shí)，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特別是液晶電視的色彩可以做的十分逼真。 LCD 12864液晶顯示器 LCD器件按照其采光方式分 類，分為帶背光源與不帶背光源兩大類?？紤]到本電 動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要 24小時(shí)工作，而且可能被安裝到各種無光源條件的工作環(huán)境中，所以本保護(hù)器選用帶背光型 LCD。 12864 漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個(gè)中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣）、 128 個(gè)字符（ 8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（ GDRAM）。 液晶顯示模塊接口電路如圖 所示： 圖 電源模塊 本系統(tǒng)需四路供電電源，即 +5V的單片機(jī)主電源和模擬參考電壓以及相關(guān)芯片的電源電壓、運(yùn)算放大器 +15V和 15V直流電源 。由于STC90C58AD單片機(jī)內(nèi)置 A／ D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號為 O～ 5V的單極性電壓信號，因此經(jīng)電壓／電流傳感器 采樣的交流信號必需轉(zhuǎn)換為O～ 5V的單極性電壓信號。 圖 圖 R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器 CT2的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。電組 R R Rf和運(yùn)放 ARl組成加法器，電阻 R Ro和運(yùn)放 AR2組成反向器，電阻 R9和電容 Cl組成簡單低通濾波器 。 根據(jù)運(yùn)算放大器相關(guān)原理，可列出如下方程： ffO VRRVRRV 41211 ??? OOO RVRV 271 ?? 令 2R = fR = 4R = aR , 7R = oR = bR ,則可得 feO VVV ??2 。當(dāng)單片機(jī)模擬輸入通道輸入電壓 2OV 為 0～ 5V時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為： A NG NDV A NG NDVAD R E FOO ???? 21024 電壓采樣是通過電壓互感器來實(shí)現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號調(diào)理原理，電路圖如圖 。 其工作原理是：電動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn) 行狀態(tài)時(shí)，置 ，三極管 Q2基2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 極無電流處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器也處于截止?fàn)顟B(tài)，報(bào)警失效；當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，置 ，由于三極管 Q2的導(dǎo)通而導(dǎo)致蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，置 P2． 5為 高 電平， 三極管 Q1導(dǎo)通 ，繼電器 K5斷開，進(jìn)而交流接觸器 K7斷開，電動(dòng)機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故 障自動(dòng)掉電保護(hù)。RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回TTL 電平。 RS232 是為點(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 3kΩ ~7kΩ。 其電路圖如圖 所示： 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了使用 STC90C58AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)以宏晶科技推出的高性能基于 8051內(nèi)核的 STC單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心。 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 第 4 章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 軟件的功能是以硬件為基礎(chǔ)完成各種保護(hù)算法及方案，并提供豐富靈活的手段對裝置進(jìn)行整定、監(jiān)視和維護(hù)，是整套 裝置的靈魂。 (2)為用戶提供簡潔、方便、清晰的人機(jī)對話界面。 (4)及時(shí)、可靠地完成對各種故障的保護(hù)。為保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)始終以以下幾個(gè)原則為基礎(chǔ)： (1)確保 A／ D轉(zhuǎn)換不受干擾，保證外部數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)且準(zhǔn)確 地輸入到處理器。 (3)注重程序的模塊化設(shè)計(jì)，提高整個(gè)程序的可靠性和可讀性。 (5)本保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)應(yīng)用程序以硬件模塊為基礎(chǔ)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的程序模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編寫代碼和調(diào)試，然后將所有模塊裝配連接成一個(gè)整體進(jìn)行綜合調(diào)試，最終成為一個(gè)完成全部功能，具有實(shí)用價(jià)值的程序。軟件是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算、邏輯判斷的具體實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)的功能較多、任務(wù)繁重，所以必須采用合理、高效的語言和方式編寫。 C語言主要特點(diǎn)如下：語言簡潔、緊湊、使用方便、靈活；運(yùn)算符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富；具有結(jié)構(gòu)化的控制語句；允許直接訪問物理地址 ，能進(jìn)行位操作，可以直接對硬件進(jìn)行操作。但是，采用 C語言編寫的程序生成的指令代碼會(huì)較長，因此 C語言編寫的程序執(zhí)行起來會(huì)較匯編程序花費(fèi)的時(shí)間長。但是，匯編語言與高級語言相比存在諸多不利因素：工作量大、變量組織困難、地址安排復(fù)雜、容易出錯(cuò)、調(diào)試?yán)щy、開發(fā)周期長、通用性差、可讀性差，不利于軟件的升級和保護(hù)功能的改進(jìn)。對于大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，例如數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、程序邏輯判斷等的實(shí)現(xiàn)采用 C語言：對于設(shè)計(jì)硬件、端口操作以及其它實(shí)時(shí)性要求較高的操作采用匯編語言編程；軟件整體結(jié)構(gòu)采用 C語言編寫，這樣就兼顧了程序的效率和可讀性。主程序循環(huán)完成鍵盤掃描和顯示刷新任務(wù)，響應(yīng)用戶輸入的鍵盤命令并實(shí)時(shí)顯示故障處理程序輸出信息；中斷處理程序主要有定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到中斷、 A／ D轉(zhuǎn)換完成中斷、串行口接收發(fā)送完成中斷等。中斷執(zhí)行完成后，回到主循環(huán)程序的斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序。 根據(jù)模塊化的思想，軟件系統(tǒng)按照功能可以劃分為如下幾個(gè)模塊： (1)人機(jī)接口模塊：包括液晶顯示子模塊和鍵盤檢測子模塊。 (2)通信子程序模塊：通過串行口將電動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置本身的運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī) PC中。 (4)數(shù)據(jù)處理、保護(hù)決策程序模塊：對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)決策。 保護(hù)器 主程序設(shè)計(jì) 主程序的主要功能是對系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化、調(diào)用各個(gè)子 程序完成各項(xiàng)功能和開中斷等。主程序先進(jìn)行初始化，為各個(gè)子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各個(gè)模塊的使用做好準(zhǔn)備，然后查詢按鍵，判斷是否需要進(jìn)行各種控制參數(shù)的調(diào)整。 主程序的主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)無限循環(huán)，單片機(jī)不斷重復(fù)調(diào)用電壓、電流、溫度的判斷程序，一旦出現(xiàn)故障便輸出保護(hù)動(dòng)作并報(bào)警。 主程序并不參與具體的工作，而是去管理各子程序，各種工作 均由不同的子程序分別完成。使主程序和子程序的修改及調(diào)試工作都變得十分方便。 鍵盤中斷服務(wù)程序 關(guān)閉鍵盤中斷 延時(shí) 10ms 去 抖 讀 P2口，確定是否有鍵按下 有鍵按下？ 逐行掃描進(jìn)行按鍵識別，計(jì)算鍵值 根據(jù)鍵值和程序運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)鍵值處理程序 開鍵盤中斷 中斷返回 N Y 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 鍵盤中斷服務(wù)程序流程圖 顯示子程序設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器所帶的液晶顯示模塊 需要實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)和保護(hù)器的運(yùn)行信息。 顯示子程序流程圖如圖 ： 圖 顯示子程序流程圖 開始 選擇字符顯示方式電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器所帶的液晶顯示模塊需要實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)和保護(hù)器的運(yùn)行信息。 設(shè)置字符顯示區(qū)首地址 設(shè)置顯示緩沖區(qū)首地址 取顯示內(nèi)容 輸出控制信號 輸出顯示內(nèi)容 完成顯示？ 返回 Y N 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 定時(shí)器及數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì) STC90C58AD單片機(jī)有 兩 個(gè)與 8051相兼容的定時(shí)器：定時(shí)器 0、定時(shí)器 l。 模擬量的數(shù)據(jù)采集由 AD模塊完成， AD轉(zhuǎn)換在定時(shí)器 0的中斷處理程序中啟動(dòng)，采用中斷方式，在 AD轉(zhuǎn)換完成后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行軟件濾波。 程序流程圖如圖 所示。 參數(shù)調(diào)整模塊的子程序流程圖如 圖