三相電機智能保護器的設計

摘要電動機作為動力設備，被廣泛地應用于發(fā)電廠和工礦企業(yè)。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電動機將會更加廣泛的應用于石油、化工、冶金等部門，因此研究設計性能良好的電動機保護裝置就更有現(xiàn)實意義。本文首先介紹了電動機保護的意義、發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，描述了電動機運行中常見的故障現(xiàn)象，并針對各種故障特征建立了相應的判斷流程圖。因為傳統(tǒng)過流保護在電機發(fā)生不對稱故障時不能夠進行有效保護，本文引入了對稱分量法作為電機保護的基本理論以檢測電機運行中的不對稱故障。本裝置通過測量電機運行時的零序和負序分量，應用對稱分量法，能夠對電動機進行短路保護、斷相保護、三相不平衡保護、接地保護、堵轉保護、欠電壓保護、過載保護、過電壓保護。系統(tǒng)采用模塊化設計，主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機模塊、顯示通信模塊、電源模塊和控制模塊。由于電機保護器的重要性以及對保護功能的精確性、全面性要求，本系統(tǒng)還有進一步完善的必要和潛力。關鍵詞：電動機保護，89C51，對稱分量法AbstractTheelectromotorasthepowerdeviceiswidelyusedinthepowerplantsandindustrialenterprises.Withthedevelopmentoftheeconomyinourcountry,theelectromotorwillcontinuetobeusedinthefieldofoil,chemicalindustryandmetallurgy,etc.So,itisveryimportanttoproduceelectromotorprotectorwithgoodcharacters.Themeaningoftheelectromotorprotection,presentdevelopmentandtheexistingproblemsareintroducedinthispaper,thegeneralfaultsoftheelectromotorrunningisdescribed.Accordingtothecharactersofthevariousfault,themathemodelisestablishedandthetheory.Thetraditionalover-currentprotectorCannoteffectivelyprotectmotorwhenthereisaimbalancedfault．Inthispaper,theSymmetricalcomponentsmethodisemployedasbasictheoryofmotorprotectiontofulfillthediagnosisofimbalancedfault．TheintelligentprotectorCandealwiththefollowingmotorfaultssuchasshort—circuit，lossofphase，imbalance，lockedrotor,overload，low—voltage，over-voltagebymeasuringnegativesequencecurrent，positivesequencecurrentandzerosequencecurrentandprocessingthecurrentdatawiththeSymmetricalcomponentsmethod．SystemUSESmodulardesign,including:thedataacquisitionmoduleandsingle-chipmicrocomputermodule,communicationmodule,thatpowersupplymoduleandcontrolmodule.Themotorprotectorshouldbemoreaccuracyandperfect，Sothedesignedsystemneedmorebetterments．KeyWords:Electromotorprotection，89C51，Symmetricalcomponentsmethod目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1研究意義 11.2電機保護器的歷史及發(fā)展情況 21.2.1熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器 21.2.2模擬電子式電機保護器 31.2.3微機式電機保護器 4第二章電機保護器原理 62.1電動機故障分析原因 62.2三相電機保護器狀態(tài)及診斷 72.3采用方法 72.4保護器設計要求 132.4.1兩相不對稱短路保護 132.4.2斷相保護 132.4.3三相電壓不平衡運行 132.4.4欠壓保護 132.4.5過壓保護 142.4.6過載保護 142.4.7單相接地故障保護與兩相接地故障保護 14第三章系統(tǒng)硬件總體設計 153.1系統(tǒng)硬件總體設計框圖 153.2數(shù)據(jù)采集模塊 163.2.1三相電壓采集單元 163.2.2電流采集模塊 213.2.3模擬多路轉換器 233.2.4A/D轉換電路 253.3單片機控制電路設計 293.3.1單片機的選擇 293.3.2晶振電路 313.3.3復位電路 323.4監(jiān)測模塊 333.4.1通信電路 333.4.2LCD顯示電路 343.5電源電路 353.6輸入與輸出電路 363.6.1鍵盤電路 363.6.2繼電控制 37第四章系統(tǒng)軟件設計 394.1總流程圖 394.2故障判斷流程圖 43結論 54致謝 55參考文獻： 56DirectoryTOC\o"1-3"\uAbstract(Chinese) IAbstract IChapter1Introduction 11.1Researchsignificance 11.2Motorprotectorthehistoryanddevelopment 11.2.1Thermalrelay,fuseandassolenoidstylecurrentrelay 11.2.2Analogelectronicmotorprotector 21.2.3Microcomputertypemotorprotectorpathogen 3Chapter2Motorprotectorprinciple 42.1Motorfailureanalysisreasons 52.2three-phaseprotectorstateanddiagnosis 52.3Themethod 62.4Protectorthedesignrequirements 102.4.1Twophaseasymmetricshortcircuitprotection 102.4.2Brokenphaseprotection 102.4.3Threephasevoltageunbalancedoperation 112.4.4Voltageprotection 112.4.5Over-voltageprotection 112.4.6Overloadprotection 112.4.7One-phasegroundfaultprotectionandtwoconnecttofaultprotection 11Chapter3thesystemhardwareoveralldesign 123.1Systemhardwareoveralldesigndiagram 123.2Dataacquisitionmodule 133.2.1Threephasevoltageacquisitionunit 133.2.2Currentacquisitionmodule 173.2.3Simulationwaymoreconverter 193.2.4A/Dcircuit 213.3Single-chipmicrocomputercontrolcircuitdesign 253.3.1Microcontrollerchoice 253.3.2Crystalscircuit 263.3.3Resetcircuit 273.4Monitoringmodule 283.4.1Communicationcircuit 283.4.2LCDShowcircuit 293.5Powersupplycircuit 303.6Inputandoutputcircuit 303.6.1

Trackkeyboardcircuit 303.6.2Relaycontrol 31Chapter4systemsoftwaredesign 324.1Totalflowchart 334.2Faultjudgingflowchart 37Conclusion 47Thanks 48Reference： 49第一章緒論三相電機是機電行業(yè)中應用最為廣泛的設備之一，其正常輸出動力是其所驅動設備正常工作的前提。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電動機將會更加廣泛的應用于石油、化工、冶金等部門，因此抓好電動機保護的研究和推廣工作，研制性能良好的電動機保護裝置就更有現(xiàn)實意義。1.1研究意義三相電動機由于其可靠性高、結構簡單、成本低廉、維護方便等特點，同時其機械特性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)作業(yè)的要求，因此被廣泛應用于電氣、機械、冶金、石油、化工、汽車、船舶等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，電網(wǎng)的總負荷中約有60％以上是感應電機；以電力作為原動力的負荷中，有90％左右是感應電機。但多數(shù)電機的應用環(huán)境很惡劣，尤其是在火力發(fā)電廠、礦山、鋼鐵、冶金和石化等企業(yè)，電機長期工作在高溫、高濕、多塵埃的工況條件下，很容易使電機出現(xiàn)斷相、欠載、漏電、堵轉及過載等故障。[1]實際使用過程當中，除了惡劣的運行環(huán)境還有超技術條件運行，也是導致各類電機故障產(chǎn)生的主要原因。三相電機由于電網(wǎng)、負載及電機本身的種種原因，也會經(jīng)常發(fā)生電機損壞現(xiàn)象。電機故障或損壞帶來的直接和間接損失是相當巨大的[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計全國每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數(shù)千萬度，電動機燒毀的數(shù)量達20萬臺次以上，容量約0．4億千瓦，因維修所耗的電磁線約5000萬公斤，修理費達20億元，而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個無法估量的巨大數(shù)目。[3]造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，關鍵的問題是電機保護技術尚有不盡人意之處，誤動、拒動的情況時有發(fā)生，常影響正常使用，以致出現(xiàn)多數(shù)用戶不用或將保護裝置甩掉的嚴重現(xiàn)象。在目前各種電機保護裝置中，普遍存在著要么智能化程度高而價格過高、體積較大不便在有限制的控制裝置中安裝，推廣難度大；要么價格低而智能化程度低，對故障的判斷由于缺少智能分析而影響使用效果，導致現(xiàn)場經(jīng)常放棄使用這類保護器。因此，保持電機的穩(wěn)定運行就成了人們長期以來一直關注的問題。隨著自動化大規(guī)模生產(chǎn)時代的到來，生產(chǎn)現(xiàn)場往往同時運轉著上十臺甚至數(shù)十臺電動機，往往需要對這些電動機的運行參數(shù)進行集中監(jiān)控，以便操作人員及時發(fā)現(xiàn)故障并進行處理。設計與使用能及時、準確地檢測出故障的發(fā)生，并能通過對故障特征的分析來確定故障原因并進行保護的裝置，對維持電機的正常運轉，確保生產(chǎn)安全顯得至關重要。1.2電機保護器的歷史及發(fā)展情況電機保護裝置的種類繁多，其發(fā)展經(jīng)歷了多個階段。從雙金屬機械式熱繼電器到電子式繼電器，發(fā)展到今天，已經(jīng)進入了智能化電機保護器階段。值得一提的是由于近年來微處理器技術的發(fā)展，給電動機保護器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機保護進入了一個飛速發(fā)展的階段。熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器二十世紀五十年代以來，我國中小型電機的保護器常采用熔斷器、接觸器和熱繼電器的組合方式，可以實現(xiàn)過載、短路、欠載、斷相等功能。熔斷器與接觸器是使用最早、最簡單的保護方式，熔斷器主要是用于短路或嚴重過載時保護電源設備和供電網(wǎng)絡的，實際上它對電機不直接起保護作用。當熔體熔斷時，又往往會導致電機因缺相運行而燒毀，許多人常錯誤的把熔斷器的作用看作是保護電機，這是不全面的。一般的熔斷器熔體標準選擇是按電機額定電流1.5～2.5倍來選擇，這是不符合實際情況的，電機啟動時能受到5～7倍大電流沖擊，但因時間短，理論上是可以在熔體不熔斷的情況下通過熔體，但由于熔體在制造工藝、時效和安裝上會存在隨機缺陷，在電機起動時很容易發(fā)生部分相的首先熔斷，而使電機處于缺相運行，最終造成電機燒毀[4]。我國的熱繼電器最早是從前蘇聯(lián)引進的技術，開發(fā)出雙金屬機械式熱繼電器作為電機過載保護裝置，用于防止電機因過載而引起的過電流產(chǎn)生故障。在電子業(yè)尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應工作的，雙金屬片是由不同膨脹系數(shù)的兩片金屬鉚合而成，當電流通過時它將產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，電流的大小和彎曲的程度成正比，當電流超過熱繼電器整定電流的一定倍數(shù)時就會扁動其中的脫扣裝置從而切斷主回路達到保護的目的。但熱繼電器本身是一個耗能元件，在動作過程中要消耗較多的電能，而當熱繼電器真正起到保護作用而動作過幾次后，其本身的電阻絲、絕緣材料會因過熱而迅速損壞，無法繼續(xù)使用，必須全套更換。熱繼電器最主要的缺點是受環(huán)境溫度影響較大，雙金屬片整定方法比較粗糙，使得整定值不準確，變化大，熱繼電器的動作曲線與電機允許發(fā)熱特性曲線很難保持一致，此外熱繼電器安裝在電機外部，把它串接在主電路中，與電機繞組溫度無直接關系。一旦由于通風受阻、堵轉、頻繁啟動、長時間輕微過載等情況使電機繞組產(chǎn)生熱積累，熱繼電器就無法正常保護電機了。[5]模擬電子式電機保護器隨著電子技術的迅速發(fā)展，二十世紀七十年代，電子式的電機保護裝置得以發(fā)明并使用。電子式繼電器仍然遵循反時限保護的特性，其主要由兩大部分組成：一是監(jiān)測部分，二是執(zhí)行部分。監(jiān)測部分通常采用電流互感器，利用其磁滯回線的直線部分來獲取信號。執(zhí)行部分全部采用電子元件來工作，其可以分為分立元件式、集成元件式和分立一集成混合式三種，一般由信號比較電路、過電流保護電路、延時電路、觸發(fā)電路、執(zhí)行元件及電源等部分組成。工作原理是通過電流互感器直接監(jiān)測電機運行電流來進行保護。[6]但這類產(chǎn)品仍存在一些無法克服的缺陷，包括如下幾個方面：(1)整定精度不高，模擬電子式電機保護器均采用電位器進行額定電流的整定，然而要使電位器滑動臂的旋轉角度與其阻值成較好的線形關系比較困難，特別是在大批量生產(chǎn)中更是難以做到，另外，操作者的整定誤差也是難以避免的，特別是對于那些沒有設定值顯示的產(chǎn)品。(2)采樣精度不高，模擬線路對電流互感器的非線性問題束手無策，即使可以校正也會使線路變得非常復雜，甚至無法實際使用，因而大部分廠家只好將非線性問題依賴于提高電流互感器的線性，而實際上要想由矽鋼片做成的電流互感器在很寬的范圍內(nèi)保持線性是非常困難的，行內(nèi)人士知道用于電機保護器采樣的電流互感器需考慮的最大使用范圍至少為被保護電機額定電流的7倍，因為電機在堵轉情況下會達到5~7倍的額定電流；另外，采樣線路本身也存在非線性問題?；谶@些技術難題，要實現(xiàn)高精度的采樣自然就成了一句空話。(3)無法實現(xiàn)具有多種保護功能于一體的全保護，隨著社會的發(fā)展，人們對電機保護的要求也越來越高，希望保護器的功能多樣化，性能可靠，接線簡單，界面直觀且體積要小，這些都是純粹的模擬線路根本無法實現(xiàn)的。鑒于以上原因，純棒模擬線路的保護器正逐漸被其它一些更先進的技術產(chǎn)晶所代替。[7]微機式電機保護器微機保護是在綜合保護的基礎上發(fā)展起來的。基于微處理器或其它數(shù)字電路構成的新型微機保護裝置，其與傳統(tǒng)的保護裝置相比具有以下優(yōu)點；(1)具有計算、分析和邏輯判斷能力和存儲記憶功能，可以連續(xù)地進行自檢，受環(huán)境因素的影響小，可靠性高;采用軟件編程，可用同一硬件實現(xiàn)不同的保護原理；(2)具有故障記錄、故障分析、交換信息等輔助功能，方便了對事故分析和處理；(3)通過網(wǎng)絡實現(xiàn)與其他設備間的數(shù)據(jù)交換，為建立綜合自動化保護系統(tǒng)提供幫助；(4)調(diào)試維護方便，縮短維修時間，并且可在現(xiàn)場修改保護功能及參數(shù)。進入二十一世紀后，隨著微處理芯片和大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，新開發(fā)的電機保護裝置都是嵌入式的采用單片機，DSP，ARM等)。保護器可以對電機運行過程中的各種運行狀況的詳細信息進行采集跟蹤，通過對故障報警、保護動作、以及動作延時時間的設定來實現(xiàn)及時準確的保護，保證生產(chǎn)的安全。它可以同時對電機斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉、漏電等進行保護。它還擁有電流電壓顯示、故障記憶等功能。同時經(jīng)過通信，可以使上位機獲得電機運行狀況的詳細信息從而進行實時的監(jiān)測，并經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理提供管理信息。在設備可能產(chǎn)生重大故障前，越限報警可及時提醒管理人員進行處理，避免了不必要的停機而對正常生產(chǎn)造成影響，最大限度地保證設備運行的有效性。當電機運行參數(shù)達到預置的預警值時，保證裝置僅進行預警，不發(fā)生脫扣；但當越線值達到預置的脫扣值時，保護裝置進入脫扣觸發(fā)延時。在預置脫扣延時時間內(nèi)若設備恢復正常運行，則取消脫扣執(zhí)行；而如果超過延時時限，則保護裝置發(fā)出脫扣信號，驅動執(zhí)行元件動作。在電機控制裝置實現(xiàn)各項保護功能的同時，各種保護信息也由裝置生成并經(jīng)通信接口上送到計算機管理系統(tǒng)。[8,9,10]現(xiàn)在的保護器已經(jīng)成為一種集監(jiān)測、保護、遙測、通訊、遙控為一體的電機保護裝置。目前，國外已有專用微機化的多功能電動機保護裝置投入市場。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，這類保護器有優(yōu)異的保護特性，保護功能和工作可靠性大為提高。國外一些著名的電器公司紛紛推出以微處理器為核心的智能化保護器，如西門子公司的可提供過載、斷相和三相電流不平衡保護的過載繼電器，富士公司的具有過載、斷相和反相保護的繼電器，以及韓國三和EOCR株式會社的能提供過載、起動電流、三相電流不平衡、斷電保護和自我監(jiān)控等功能的繼電器。我國微機型電動機保護起步較晚，電動機保護水平整體較低。在微機線路保護已經(jīng)開始普遍運用的時候，微機電動機保護尚處于萌芽狀態(tài)，普遍是根據(jù)電流的大小來決定是否需要保護，這顯然沒有考慮到多種故障因素對電機的影響。電機是否需要保護其根本的判斷依據(jù)應該是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度，在平均電流相同的情況下，對于不同的工作電壓、負序電流、零序電流，電機繞組發(fā)熱程度并不一致，這就說明單純通過電流的大小來判斷電機是否需要保護并不十分科學，不能對電機在各種環(huán)境下全面保護。綜上所述，雖然目前運行有多種微機型電動機保護裝置，但實際運行效果并不好，用戶反映一般，主要原因是裝置存在可靠性較低，保護功能不完善，界面不友好等因素。因此，圍繞電動機保護“可靠、快速、準確"的基本原則，結合當今信息時代的特點，有必要研制一種基于全新硬件平臺的新型電動機綜合保護裝置，其性能穩(wěn)定可靠，保護功能完善，抗干擾能力強，界面友好，電機運行信息完備并能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，以滿足用戶需求。今后電機保護器技術將會沿著兩個主要方向發(fā)展[11,12,13]：一方面推進新理論的研究，通過故障建模和仿真計算，并引入序分量、諧波分量、阻抗量、相位量等多種對電機故障敏感的檢測量作判據(jù)，將小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等算法引入電機保護控制領域，不但能大大提高保護控制裝置性能，而且對電機故障和保護方面的理論研究也會有很大的促進。另一方面要著手新技術的應用與開發(fā)，利用各種傳感器(包括紅外線、電磁波、振動、電、熱、機械、光、聲等)對電機運行情況進行監(jiān)測，然后根據(jù)傳感器輸出的信息經(jīng)微處理器進行判斷、分類，確定故障類型和嚴重程度，分別采取報警、顯示、保護控制等動作，這樣不但能實現(xiàn)以上各種電機保護功能，更重要的是能做到預測電機的前兆故障，進而達到提前防止電機故障發(fā)生。本章小結本章主要敘述了三相智能電機保護器的研究意義、歷史及發(fā)展情況。第二章電機保護器原理保護原理是電機保護器的中樞神經(jīng)，使保護系統(tǒng)性能最主要的決定因素之一。因此，對電機保護原理的研究至關重要。傳統(tǒng)的電機保護一般采用熱繼電器型或電磁型的過流保護，其基本保護原理是以電流幅值的增加作為判斷否發(fā)生故障的依據(jù)。所以，這種過流保護的原理只能反映以電流增加為主要特征的對稱故障和短路故障，如過載、堵轉、嚴重短路等，不能夠對斷相、接地、不平衡等不對稱故障進行及時有效的保護。針對傳統(tǒng)故障檢測方法的不足，本文引入了對稱分量法作為電機保護的基本理論以檢測電機運行中的不對稱故障。2.1電動機故障分析原因對于異步電動機來說，去故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞另個方面。造成繞組損壞的主要原因有：(1)由于電源電壓太低使得電動機不能順利啟動，或者短時間內(nèi)重復啟動，使得電動機因長時間的大啟動電流而過熱。(2)長期受點、熱、機械或化學作用，使得繞組絕緣老化和損壞，形成相間或對地短路。(3)因機械故障造成電動機轉子堵轉。(4)三相電源電壓不平衡或者波動太大，或者電動機斷相運行。(5)冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高。造成電動機軸承損壞的原因主要有：機械負荷太大。潤滑劑不合適。惡劣的工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。由于電動機的微機保護主要是通過測量三相電流、三相電壓來監(jiān)測電動機的運行情況，從而判斷是否電機是否產(chǎn)生故障，因此本次設計主要針對的是繞組故障。2.2三相電機保護器狀態(tài)及診斷引起電動機繞組損壞的常見故障可分為兩大類，對稱故障和不對稱故障。對稱故障主要有：三相短路、堵轉和對稱性過載等；不對稱故障主要有：斷相、三相不平衡、單相接地短路和相間短路。當因為各種原因，如機械故障、負荷過大、電壓過低等，使電動機的轉子處于堵轉狀態(tài)時，由于散入條件差，電流大，特別容易損壞電機。其他不出現(xiàn)顯著過流的不對稱故障，如斷相不平衡運動等，過流保護往往不能及時動作。對于電動機的各種內(nèi)部繞組故障，如匝間短路、接地短路等，往往由于運行環(huán)境差、長期運行不當引起的，故障最初并不引起顯著的電流增大，如不及時處理會導致事故的擴大，進而引起電動機機端過熱、轉子及啟動力矩降低等一系列問題，嚴重損壞電動機。各種短路故障還會造成供電網(wǎng)絡電壓的顯著波動，因此對電動機形成過欠壓故障。（1）過載保護：超過電動機銘牌規(guī)定的額定負載的10%范圍報警和動作。增補的反時限特性由（2）斷相保護：當任意一相的電壓低于斷相保護設定值時，保護器應當在動作（延時）時間內(nèi)動作或同時報警。（3）不平衡保護：根據(jù)最大相電流是否超過90%的額定電流，最小相電流是否低于10%的額定電流來判斷是否起動短相保護。（4）漏電或接地保護：通過外接的零序互感器的測量，以零序電流大小來判斷是否起動電動機的漏電后接地保護。（5）過電壓、欠電壓保護：跟據(jù)最大相電壓與額定電壓的比值來判斷是否起動保護。（6）堵轉保護：跟據(jù)最大相電流與額定電流的比值來判斷是否起動保護。（7）起動超時保護：在設定的起動時間內(nèi)電流未降到額定電流的110%，則認為起動超時，保護器在設定的時間內(nèi)發(fā)出停車指令，并報警。2.3采用方法保護算法是電機保護器的中樞神經(jīng)，使保護系統(tǒng)性能最主要的決定因素之一。因此，對電機保護原理的研究至關重要。本章主要是分析電機的故障特征和保護原理，從分析電動機的各類故障入手，找出各種故障的故障判據(jù)，進而推出相應的保護算法。傳統(tǒng)的電子型保護裝置都是通過三相電流的過流程度來反映電機的故障特征的，所以，這種過流保護的原理只能反映以電流增加為主要特征的對稱故障和短路故障，如過載、堵轉、嚴重短路等，不能夠對斷相、接地、不平衡等不對稱故障進行及時有效的保護。而傳統(tǒng)過流保護在電機發(fā)生不對稱故障時不能夠進行有效保護的主要原因是：(1)不對稱故障一般不會使電流顯著增加。(2)不對稱故障中出現(xiàn)的負序電流分量所引起的負序電流效應會導致電機端部發(fā)熱、轉子振動、減小起動力矩等一系列問題。(3)起動電流瞬間值有時會高于電機的故障電流，要對起動電流和故障電流進行分辨，使過流繼電器的整定困難。下面主要集中闡述對電機的保護，引起三相異步電動機的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。［14，15,16］對稱故障主要有對稱過載、堵轉、對稱穩(wěn)態(tài)短路等，主要特征是發(fā)生故障時三相仍基本對稱，只是電流幅值增大。這類故障對電動機的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應和機械應力，所引起的熱效應在散熱條件差的情況下特別容易燒壞電機。因此，對稱故障可以由電流過流程度來反映，所以仍然以電流強度作為故障判據(jù)。不對稱故障主要有斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運行、接地短路等，故障之初并沒有出現(xiàn)明顯的電流增大，如果處理不及時會導致事故擴大，引發(fā)電動機機端過熱、轉子及起動力矩降低等問題，嚴重的損壞了電動機。不對稱故障對電動機的損害主要是負序電流引起的負序效應，如果有過電流出現(xiàn)，還會使繞組發(fā)熱，此類故障明顯特征是電動機定子電流出現(xiàn)負序電流和零序電流。本文針對傳統(tǒng)的保護裝置存在的問題，本文引入了對稱分量法作為電機保護的基本理論以檢測電機運行中的不對稱故障。傳統(tǒng)的檢測三相電流經(jīng)電流電壓變換送監(jiān)幅電路作為判據(jù)方法的基礎，即通過對各相電流的計算分解出負序電流分量和零序電流分量，采用過流幅值、零序電流和負序電流分量為基礎的故障判據(jù)，并在這個基礎上形成了各種保護的算法，用來作為發(fā)生對稱故障和不對稱故障判據(jù)，從而實現(xiàn)電動機全面的綜合保護。對稱分量法最早由Fortescue于1918年提出，又稱對稱成分法，為解決多相(三相)不對稱交流系統(tǒng)的分析和計算提供了一個有效方法。對稱分量法是用于線性系統(tǒng)的坐標變換法。任何一三相不平衡電流都可以分解為三個平衡的矢量成分，即正序分量、負序分量、零序分量。[17]三相異步電動機發(fā)生對稱故障的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，只產(chǎn)生正序電流分量，而負序電流和零序電流為不平衡電流，數(shù)值較小；發(fā)生不對稱故障時的主要特征是負序和零序電流分量會顯著增加。因此可以在檢測電動機過流程度的同時，以序分量為基礎，通過檢測負序電流、零序電流的大小來判斷電動機是否出現(xiàn)不對稱故障。這樣，不但能更好的反應電動機的運行狀況，還可以大大提高保護的靈敏度和可靠性。異步電動機常見故障特征分析情況如表2-1所示，表中單相故障設A相為故障相，兩相設B、C為故障相，表示故障前相電流的幅值，。表2-1三相異步電動機常見故障特征故障類型負序零序故障特征過電流對稱故障三相短路無無（8-10）·堵轉無無（5-7）·過載無無（1.2-5）·不對稱故障非接地斷相無，逆相IP無無不平衡有無無相間短路與位置有關無與位置有關接地單相接地有與位置有關兩相接地有與位置有關應用對稱分量法，當電動機發(fā)生各類對稱故障和不對稱故障時，可以將故障電分解為正序、負序、零序電流。同時，通過以上對電機常見故障特征的分析可見，電動機的負序、零序電流分量及過流程度等故障信息的分布組合關系與電動機的故障類型之間有很好的對應關系。采集來的三相電流通過計算分解為正序、負序和零序電流分量，根據(jù)是否出現(xiàn)負序、零序電流以及過流程度對所發(fā)生的故障類型作出診斷，根據(jù)診斷的結果對所發(fā)生的故障進行保護跳閘和故障顯示。電動機正常運行時，三相電流基本對稱，零序和負序電流為零；當電機發(fā)生不對稱故障時，零序電流和負序電流會有相應的變化。根據(jù)這一對應關系，可以區(qū)別電動機的故障類型，指示故障原因，從而實現(xiàn)了智能化的故障診斷。這種診斷不但靈敏、可靠，能夠覆蓋電動機所有常見故障，而且能夠識別不同故障類型，實現(xiàn)故障自動診斷。應用對稱分量法，當電動機發(fā)生各類對稱故障和不對稱故障時，可以將故障電分解為正序、負序、零序電流。同時，通過以上對電機常見故障特征的分析可見，電動機的負序、零序電流分量及過流程度等故障信息的分布組合關系與電動機的故障類型之間有很好的對應關系。采集來的三相電流通過計算分解為正序、負序和零序電流分量，根據(jù)是否出現(xiàn)負序、零序電流以及過流程度對所發(fā)生的故障類型作出診斷，根據(jù)診斷的結果對所發(fā)生的故障進行保護跳閘和故障顯示。電動機正常運行時，三相電流基本對稱，零序和負序電流為零；當電機發(fā)生不對稱故障時，零序電流和負序電流會有相應的變化。根據(jù)這一對應關系，可以區(qū)別電動機的故障類型，指示故障原因，從而實現(xiàn)了智能化的故障診斷。這種診斷不但靈敏、可靠，能夠覆蓋電動機所有常見故障，而且能夠識別不同故障類型，實現(xiàn)故障自動診斷。電力系統(tǒng)某處發(fā)生不對稱短路，三相電路電流和電壓的基頻分量都會變成不對稱的向量。以、、表示三相電流，可以將分解為正序、負序、零序三組成分，、、；同理可以分解為正序、負序、零序三組成分、、；可以分解為正序、負序、零序三組成分、、。其中，正相序成分的相序依次為、、，大小相等及互隔120。；負相序成分的相序依次為、、，大小相等及互隔120。；零相序電流則大小相等且同相。各組相序成分值大小相等，所以可以將其簡化，用某一向量表示。定義算子“α”為向量沿逆時針方向旋轉120o，其為一單位矢量，即：(2-1）（2-2）由此可以得出：（2-3）式中（2.3）中以A相為代表，三相電流相加，可以得出如下等式：（2-4）因為（2-5）故：（2-6）同理可以求出A相電流的正序分量和負序分量、。（2-7）（2-8）綜上所述，可以得出：（2-9）由式2-6可知，只有當三相電流之和不等于零時才有零序分量出現(xiàn)。如果三相系統(tǒng)是三角形接法，或者是沒有中性線的星型接法，三相線電流之和總為零，不可能有零序分量電流。只有在中性線的星型接法中才有可能存在零序電流。本次設計的三相電機保護器主要針對三相四線制的電力系統(tǒng)電動機，零序電流可作為故障判斷的重要依據(jù)，另外，在一個三相對稱的元件中（例如線路，變壓器和電動機），如果流過三相正序電流，則在元件上的三相電壓也是正序的，這一點從物理意義上很容易理解；同理，如果流過三相負序電流或者三相零序電流，則元件上的電壓降也是負序的或零序的。這也就是說，對于三相對稱的元件，個序分量也是獨立的。圖2.1電動機故障診斷及保護的原理框圖2.4保護器設計要求2.4.1兩相不對稱短路保護三相異步電動機發(fā)生兩相不對稱短路時，供電線路中的負序電流不斷相間增大，為了保證靈敏度，可以設定當負序電流時視為兩相不對稱短路，隨后保護器在判斷是那兩項短路。本設計判斷方法為：假如三相電流中有一相電流為0，則兩外兩相短路。2.4.2斷相保護斷相故障時一種嚴重的不對稱性故障，是不平衡電壓的極端情況。斷相會使剩余繞組嚴重的過流且發(fā)熱，更容易燒壞定子繞組和轉子鐵心。供電電源線直接即斷開是電機斷相運行中最常見的故障。本設計判斷方法為：如果供電線路中有一相電流為0，負序電流達到0.83—2倍的額定電流時，則認為該相斷相，電動機保護延時動作。2.4.3三相電壓不平衡運行主要針對電網(wǎng)不平衡運行設定的。在實際運行中，供電電源總存在著某種程度的不對稱，所以即使在三相異步電動機正常運行時，也會存在著一定的負序電流。由供電電壓不對稱引起的負序電流取決于電動機的復學阻抗與正序阻抗的比值，此比值大致是額定電流與啟動電流之比。本設計判斷方法為：取0.3—0.8倍的額定電流值作為比較值，一旦判斷出故障，保護器延時動作。2.4.4欠壓保護當電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長時間低于額定電壓85％時，稱為系統(tǒng)欠電壓。電動機的轉矩和定子電流與電壓密切相關，在電網(wǎng)電壓降低，電磁轉矩下降時，電動機轉速也下降，因此轉子繞組中感應出的電動勢和產(chǎn)生的轉子電流都將增大。轉子電流增大，定子電流必然相應增大，溫升增高，致使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉。低電壓也會使電動機起動轉矩下降，當電壓降低到能使起動轉矩小于負載轉矩時，電動機就無法啟動。如果電網(wǎng)電壓暫時中斷，隨后又自行恢復，則電動機停機后又會自行起動，這對正在檢查電動機故障的人員構成人身威脅；如果電動機的起動轉矩較小，不能直接帶負載自起動，則可能繼續(xù)處于堵轉或低速爬行狀態(tài)，同樣電動機將承受大起動電流的作用而過熱甚至燒毀。因此，電動機應有欠壓保護，以保證一旦發(fā)生欠壓故障它就能夠自行脫離電源。本設計判斷方法為:若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。2.4.5過壓保護當電源電壓由于某種原因超過額定電壓15％時,稱為系統(tǒng)過電壓。過電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然有時也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負載星形連接且無中性線的電動機定子繞組一相短路，則會造成其它兩相負載的電壓增大。電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，從而縮短電動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。本設計判斷方法為:若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。2.4.6過載保護電動機正常運行中因負荷過大所引起過熱現(xiàn)象的一種非正常狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做過載。過載電流一般比額定電流大1—6倍。因為發(fā)生過載故障時電機電流比額定電流略高，所以其程度不會立即對電機在成傷害，但是任由其發(fā)展下去，長時間的累積效應，會使絕緣以及各部件的機械強度迅速降低，加速電機老化，縮短使用壽命。而其機械性能降低又會給其他的類型故障的發(fā)生提供可能性。本設計判斷方法為:當電機的工作電流超過額定電流值，保護器啟動反時限保護。2.4.7單相接地故障保護與兩相接地故障保護在三相電機所有的故障中，只有兩相短路接地和單相短路接地會在相間產(chǎn)生零序電流。所以當線路中檢測到零序電流時，就代表發(fā)生了兩相短路接地或者單相短路接地故障。所以判斷出故障時兩相短路接地或者單相短路接地后，在比較電機電流大小。單相接地短路保護本設計判斷方法為：出現(xiàn)零序電流，且，則A相為單相接地的故障相。兩相接地短路保護本設計判斷方法為：出現(xiàn)零序電流，且，則B相C相為兩相接地的故障相。本章小結本章主要敘述了三相智能電機保護器的原理。因為傳統(tǒng)過流保護在電機發(fā)生不對稱故障時不能夠進行有效保護，本文引入了對稱分量法作為電機保護的基本理論以檢測電機運行中的不對稱故障。第三章系統(tǒng)硬件總體設計本系統(tǒng)設計的基本原理就是監(jiān)測電機運行時的三相電壓和電流參數(shù)，獲得電機的工作情況。通過對這些參數(shù)的分析，了解此時三相電機運行狀況。該設計是基于交流電機的普遍應用和經(jīng)常出現(xiàn)的故障為設計背景，提出以8951單片機控制核心的智能保護器。設計采用單片機和互感器構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠對電機的響應參數(shù)進行測量和監(jiān)控，能夠及時解決出現(xiàn)的基本故障，保證電機在良好的狀態(tài)下進行工作。為做到提供準確電機的參考信息，本系統(tǒng)包括采集和設置電機參數(shù)的底層硬件設備以及進行顯示、通信和保護部分。3.1系統(tǒng)硬件總體設計框圖本論文的工作重點是及時的發(fā)現(xiàn)三相電機出現(xiàn)的故障，并及時的反映出來，在一定的時間內(nèi)做出如果沒有及時的排除故障，則三相電機斷電停車。三相電機保護器采用模塊化設計，主要包括：（1）數(shù)據(jù)采集模塊，對三相電機的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)鏡像采樣，讓后輸送到單片機中，此模塊包括三相電壓采樣單元、三相電流采樣單元、模擬多路開關單元和A/D轉換單元；（2）主體模塊，為整個設計的核心單元，采集到的數(shù)據(jù)與設定值進行分析與判斷是否產(chǎn)生故障，此模塊是包括為鍵盤電路單元、晶振電路單元、復位電路單元；（3）監(jiān)測模塊，為了及時地了解三相電機的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，就需要與上位機連接，把數(shù)據(jù)通過通信單元輸送到主控室，在調(diào)節(jié)故障電機時，需要知道此時的電機數(shù)據(jù)，這就需要LCD顯示，所以此模塊包括LCD顯示單元和通信單元。(4)電源模塊，8951單片機LM324等芯片都可以在5V電壓系驅動，電源模塊輸出5V電壓。通過對三相電流、電壓監(jiān)測，對電機的信息準確及時的了解，實現(xiàn)對電機的智能化監(jiān)控。為電機提供完善的保護，熱過載、堵轉、斷相、相不平衡、欠載、漏電短路等故障導致的生產(chǎn)事故，最大限度的保證設備運行的有效性和安全性。圖3-1為電機保護器原理結構框圖。圖3-1電機保護器原理結構框圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊通過互感器對三相電壓數(shù)據(jù)和三相電流數(shù)據(jù)進行采集，采集到的眾多數(shù)據(jù)首先送入到模擬多路開關中，分別把數(shù)據(jù)一一送出。送出的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉換單元，轉換為單片機可讀的信號，然后送入到單片機中。三相電壓采集單元電壓采集模塊由兩部分組成。前半部分為截止頻率為100Hz的4階伯特瓦茲低通濾波器，后半部分為電壓信號采集保持電流與放大電路。器件選擇LM324系列器件為是帶有真差動輸入的四運算放大器。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖3-2所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3-3。圖3-2LM324運放引腳圖圖3-3LM324引腳圖伯特瓦茲低通濾波器伯特瓦茲低通濾波器的特點：l、伯特瓦茲低通濾波器在通頻帶內(nèi)具有最大的平坦度，階數(shù)越高，平坦度越好。在截止頻率處，所有的伯特瓦茲低通濾波器都有-3dB的增益衰減。2、伯特瓦茲低通濾波器的階數(shù)越高，在通頻帶內(nèi)愈平坦，且對高頻噪聲的抑制能力也越強。圖3-4為截止頻率為100Hz的4階伯特瓦茲低通濾波器。圖3-4伯特瓦茲低通濾波電路濾波器輸入輸出關系為：（3-1）是放大倍數(shù)，為伯特瓦茲多項式。伯特瓦茲低通濾波器的設計中，要求伯特瓦茲多項式的幅值滿足下式：（3-2）n為濾波器階數(shù)，為截止頻率，為信號頻率。令截止頻率，得到歸一化的伯特瓦茲多項式。表3-1歸一化的伯特瓦茲多項式n多項式的因子12345678濾波器為4階，n=4，查表后，對第一級濾波器，得到其放大倍數(shù)為：（3-3）第二級濾波器，放大倍數(shù)為：（3-4）因此可得：，對于放大倍數(shù)，有下式成立：（3-5）(3-6）?。?。可得：，。為滿足頻率要求，根據(jù)下式進行求解：（3-7）由于電容分檔較粗，首先進行電容選擇，?。海瑒t可以得到:。實際使用時，取:。即R=R3=R4=R5=R6。3.2.1.3電壓采樣保持放大電路圖3-5為采樣保持電路。圖3-6為信號放大電路。因為由互感器采集到的模擬信號無法直接輸送到單片機中，要經(jīng)過首先經(jīng)過A/D轉換器把采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號，再把經(jīng)過A/D轉換后的數(shù)字信號輸送到單片機中，這個過程中是需要一定的時間，為了保持采集到的信號保持不變，所以需要由LM324的一組運算放大器構成一個采樣保持電路，來確保在A/D轉換的過程中信號保持不變。圖3-5采樣保持電路現(xiàn)在大多數(shù)所用到的電壓互感器采集到的信號可能會很小，8951單片機無法讀取。以眾磊PT01-3型互感器為例，其輸出電壓（0-1000V低電壓）為0.4V，這就需要把采集到的信號進行放大，由LM324兩組運算放大器構成一個串聯(lián)25倍放大電路，把信號放大后送到單片機中。三相電壓采集的電路是完全一樣，這里只畫出其中一相。圖3-6放大電路3.2.2電流采集模塊圖3-7為OP07與兩個二極管組成的電流與電壓轉換的電路，把采集到的三相電流信號轉換為電壓信號。信號由圖3-9的有源二階濾波器過濾去雜波。電壓信號由圖3-10的差分放大電路放大后，送入模擬多路開關中，最后由A/D轉換送入單片機中。圖3-7電壓轉換電路圖3-8二階有源濾波電路在信號傳輸當中，一般都含有其他不同種類的波，這些雜質(zhì)波往往會影響數(shù)據(jù)采集的精確性，所以信號采集系統(tǒng)在電路中連濾波電路來消除那些雜質(zhì)波，使信號波更加純正精確。本設計中采用的是有源二階濾波電路。圖3-8所示為濾波電路圖。此采集電路經(jīng)由LM324運放接口芯片組成的差分輸入電路，采樣保持電路后接入模/數(shù)轉換接口，實現(xiàn)對三相電流的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用差分輸入電路也有很大好處：1.A1和A2提高了差模信號和共模信號之比，提高了信噪比。2.在保證有關電阻嚴格對稱的條件下，各電阻的阻值誤差對該電路共模抑制比沒有影響。3.電路對共模信號幾乎沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。從圖中可知，A1和A2兩個同相運放構成輸入級，與差分放大器A3串連成三運放差分放大電路。圖3-9差分放大電路因為，，根據(jù)歐姆定律可導出兩級差模總增益：……（3-8）第一級增益放大了10倍，第二級增益1倍。3.2.3模擬多路轉換器本設計所采用的模擬多路快關的型號為CD4051，圖3-10為其引腳圖。圖3-10CD4051引腳圖三相電機保護器所采集的數(shù)據(jù)較多，無法同時輸送到單片機中。這就學要一個模擬多路轉換器，把采集到的數(shù)據(jù)一個一個的通過A/D轉換電路送到單片機中。CD4051引腳號符號與功能：輸入/輸出端：S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；地址端：A、B、C；公共輸出/輸入端：S；禁止端：；模擬信號接地端：VEE；數(shù)字信號接地端：GND。電源：（VCC）CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關，有三個二進控制輸入端A、B、C和輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如，若VCC＝+5V，GND＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號可控制-13.5～4.5V的模擬信號。這些開關電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當輸入端＝“1”時，所有的通道截止。三位二進制信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。表3-2CD4051真值表CBA輸出0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71XXX均不接通3.2.4A/D轉換電路A/D轉換電路如圖3-11所示，圖中74LS00為與非門，74LS373用于低8位地址鎖存器，74LS14是反向輸出施密特觸發(fā)器，ADC574為A/D轉換芯片。圖3-11A/D轉換電路器件選擇74LS00為與非門。74LS373用于低8位地址鎖存器，輸出端Q0～Q7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當OE為高電平時，Q0～Q7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。圖3-12為74LS373引腳圖。引腳號符號與功能：數(shù)據(jù)輸入端：D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7三態(tài)允許控制端：OE（低電平有效）鎖存允許端：LE；輸出：Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7；電源：VCC；接地：GND。圖3-1274LS373引腳圖74LS14是反向輸出施密特觸發(fā)器。AD574的狀態(tài)輸出“STAT”經(jīng)74LS14在接到8951的P3.0引腳，提高了抗干擾能力。當正在進行A/D轉換時，STAT=1，當A/D轉換以結束時，則STAT變?yōu)榈碗娖健?951采用查詢方式。啟動A/D轉換后便查詢P3.0，若P3.0為低電平，表示已經(jīng)轉換完畢，否則繼續(xù)等待。AD574A是一種高性能的12位逐次逼進式A/D轉換器，片內(nèi)有輸出三態(tài)緩沖器，供電電源有+5V，+12V，轉換時間為25μs，線性誤差為±0.5LSB，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝。圖3-13為AD574A引腳圖圖3-13AD574引腳圖在CE=1、=0同時滿足時，AD574A才會正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時，當=0時A/D轉換，當=1是進行數(shù)據(jù)讀出。和A0端用來控制啟動轉換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0=0時，啟動的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進行的。當A0=1時，按8位A/D轉換方式進行。當=1，也即當AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時，A0和控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當=1時，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當=0時，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當A0=0時，輸出轉換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時輸出A/D轉換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補零。表3-2AD574A控制端意義CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止X1XXX禁止100X0啟動12位轉換100X1啟動8位轉換101+5VX12位并行輸出有效1010V0高8位并行輸出有效1010V1低4位并行輸出有效3.3單片機控制電路設計單片機的選擇89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。它即有傳統(tǒng)微控制單元的功能，同時它又集成了許多外圍模塊。與傳統(tǒng)的微控制單元相比，它采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，使取指和執(zhí)行完全分開，提高了運行速度；并且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都是非易失性的，可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。89C51內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)中斷，內(nèi)置一個全雙工串行通信口，內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路。89C51單片機引腳號符號與功能：（1）電源引腳：電源端；Vcc；接地端：GND（Vss）（2）輸入/輸出引腳：P0.0～P0.7（P0口）：P0口是一個8位雙向I/O，作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線使用。P1.0～P1.7（P1口）：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P2.0～P2.7（P2口）：P2口是內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流。P3.0～P3.7（P3口）：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。P3口也可作為一些特殊功能口，如下所示：P3.1TXD（串行輸出口）；P3.2/INT0（外部中斷0）；P3.3/INT1（外部中斷1）；P3.4T0（記時器0外部輸入）；P3.5T1（記時器1外部輸入）；P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。圖3-1489C51引腳圖（3）控制引腳:復位/備用電源引腳。：地址鎖存允許信號輸出/編程脈沖輸入引腳。：外部程序存儲器讀選通信號引腳。：外部程序存儲器允許輸入/編程電源輸入引腳。（4）時鐘引腳XTAL1、XTAL2：兩個時鐘引腳。分別接片內(nèi)反相放大器的輸入端、輸出端。構成片內(nèi)振蕩器時，分別接外部晶振的兩個引腳。3.3.2晶振電路DS1302的引腳排列,其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當VCC2大于VCC1+0.2V時，VCC2給DS1302供電。當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。是復位/片選線，通過把輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。輸入有兩種功能：首先，接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在VCC>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK為時鐘輸入端。圖3-15為系統(tǒng)晶振電路。圖3-15晶振電路3.3.3復位電路一個可靠的復位電路對于應用系統(tǒng)來說是必不可少的。8951單片機為高電平復位，一般來說有兩種復位電路設計方法：專用芯片和RC電路法。本設計中采用MAX708作為復位芯片，具備上電復位和手動復位兩種功能，電路如圖3-16所示。MAX708是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號。復位信號可由VCC電壓、手動復位輸入、或由獨立的比較器觸發(fā)。獨立的比較器可用于監(jiān)視第二個電源信號、為處理器提供電壓跌落的預警功能、這一功能是為器件發(fā)出復位信號前的正常關機、向操作者發(fā)送警報、或電源切換而考慮的。圖3-16復位電路3.4監(jiān)測模塊3.4.1通信電路圖3-17為單片機與上位機的通信接口電路。本裝置利用單片機本身所提供的簡單串行接口，加上總線驅動器SN75176組合成簡單的RS－485通訊網(wǎng)絡。SN75176芯片有一個發(fā)送器和一個接收器，非常適合作為RS－485總線驅動芯片，而RS－485串行總線接口標準以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅動多個負載設備，所以工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中一般都采用該總線標準進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3-17通信電路3.4.2LCD顯示電路圖3-18LCD顯示電路顯示電路的作用是把采集到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)及時的顯示出來，方便工作人員對電機的數(shù)據(jù)進行了解。圖3-18為LCD顯示電路。圖中74HC573為八進制三態(tài)非反轉透明鎖存器，74LS08為二輸入端四與門。LCD1602是具有串／并行接口、內(nèi)部含有中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊。LCD1602的液晶顯示屏為128×32點陣，可顯示2行，每行8個漢字；同時，為了便于英文和其它常用字符的顯示，具有16KB半寬字型ROM(HCGROM)，提供128個16×8點陣的字母符號字型。LCD1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地；第2腳：VDD接5V電源正極；第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器；第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作；第6腳：E端為使能端；第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。3.5電源電路89C51是工作電壓為5V，而LM324的工作電壓為3V～32V。所以一個5V的供電電源即能滿足系統(tǒng)的需要。圖3-19電源電路3.6輸入與輸出電路3.6.1鍵盤電路本設計采用矩陣式鍵盤，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交上。與獨立式按鍵鍵盤相比，矩陣式鍵盤節(jié)省了很多輸入/輸出口。它的工作原理是：按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線位于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電態(tài)將由與此行線相連的列顯電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關鍵所在。由于矩盤中行、列行為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合起來并作適當?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位。根據(jù)設計需要，要設置4個按鍵，分別為“確認”鍵、“返回”鍵、“上翻”鍵、“下翻”鍵。圖3-20為鍵盤電路。圖3-20鍵盤電路3.6.2繼電控制當系統(tǒng)判斷出故障類型后，會發(fā)出故障信號，在設定的時間內(nèi)沒有排除故障，系統(tǒng)會自動跳閘。這部分不屬于系統(tǒng)的結構，而是屬于系統(tǒng)與電機保護裝置的外接部分。圖3-21為繼電控制電路。89C51的P3.5引腳控制繼電器兒，從而控制電機主回路接觸器K1。此驅動電路的優(yōu)點如下：(1)三極管Q1基極和發(fā)射極之間接電阻R=10K，在沒有正向偏置電壓的情況下，保證基極的電壓為零，防止三極管的受外部的干擾而誤導通，提高了繼電器動作的可靠性。(2)繼電器串聯(lián)RC電路。當電路閉合時，繼電器線圈由于自感現(xiàn)象會產(chǎn)生電動勢阻礙線圈中電流的增大，從而導致吸合時間延長，而電容C兩端電壓不能突變可視為短路，這樣就將比繼電器線圈額定工作電壓高的電源電壓加到線圈上，從而加快了線圈中電流增大的速度，使繼電器迅速吸合。圖3-21保護器電路本章小結本章主要敘述了三相智能電機保護器的硬件設計。實現(xiàn)電機三相電流、電壓監(jiān)測，對電機的信息準確及時的了解，實現(xiàn)對電機的智能化監(jiān)控。為電機提供完善的保護，熱過載、堵轉、斷相、相不平衡、欠載、漏電短路等故障導致的生產(chǎn)事故，最大限度的保證設備運行的有效性和安全性。第四章系統(tǒng)軟件設計本設計的總體程序設計采用模塊化結構，由系統(tǒng)主程序和各功能應用子程序組成，相對獨立的功能程序段均作為子程序來調(diào)用。目前通常的保護程序流程的設計是采用集中控制處理的模式，即故障啟動后，通過改變中斷和指針，強行執(zhí)行故障處理程序的模式。模塊化編程設計思想指的是按照功能、系統(tǒng)狀態(tài)等條件對保護程序進行模塊化設計。各保護模塊子程序的執(zhí)行采用由主程序調(diào)用的方式，提高了程序運行的可靠性。并且這種多任務模塊結構有利于程序的調(diào)試、維護、修改和升級。例如要增加某一項保護功能，僅需要在故障處理程序中并上一個功能模塊子程序即可。采用模塊化結構設計的基本原則：（1）各模塊間應保持相對的獨立和封閉。模塊內(nèi)部所用的特有變量不能由模塊外部的其它程序對其進行操作。（2）每個模塊自有獨立的輸入和輸出，各模塊之間沒有交叉互聯(lián)，信息傳遞盡量通過全局變量或各模塊的返回值來完成。所有的模塊只有一個入口和出口，即：不允許模塊外程序直接跳轉到本模塊程序中的非入口部分，也不允許模塊中間直接跳至其它模塊，而是統(tǒng)一走向本模塊的出口。（3）每個大模塊可以根據(jù)對象作用的時間、功能、作用條件、工作原理等，將該模塊分成多個最基本的單元模塊。4.1總流程圖保護器程序的總體結構如圖4-1所示。上電復位后，從程序入口執(zhí)行，首先是封閉出口，防止保護誤操作，然后執(zhí)行初始化程序。保護器初始化包括：89C51單片機芯片I／O控制寄存器的設置、多功能引腳定義、串口通信設置、堆棧地址設置、工作方式設置等，還有液晶屏、鍵盤、通信等的初始化，以及保護裝置自身的一些系統(tǒng)變量的初始化。當完成初始化后電機保護器就可以進入工作階段，進行實時的數(shù)據(jù)采集，采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后用于電機故障監(jiān)測。電機正常運行期間，用戶可在保護器液晶屏觀看各種實時數(shù)據(jù)也能在中央控制室中看到電機的實時信息，包括檢測到的數(shù)據(jù)和計算出的數(shù)據(jù)，并且可以通過鍵盤對保護器的參數(shù)等內(nèi)容進行修改。一旦電機出現(xiàn)故障，則保護器迅速關停電機，并根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)參照故障參數(shù)，判斷出故障原因，在液晶屏上顯示出來。保護器和還可以上位機實時通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)或命令等的傳輸。圖4-1保護器程序的總體結構首先要初始化程序主要執(zhí)行單片機和外設的初始化，其流程如圖4-2所示：（1）上電復位后，先執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和單片機的初始化；（2）初始化液晶顯示器，顯示系統(tǒng)當前基本信息；（3）對采樣定時器進行初始化，設定采樣頻率為，即使電流電壓為每周采樣；（4）比較數(shù)據(jù)初始化，即開始采樣。圖4-2初始化流程圖初始化完成后，就要對電機故障參數(shù)進行設置。電機每種故障都是分析電機的電流值和電壓值來進行判斷，并且每種故障判斷依據(jù)都不相同，這樣一來就能準確的判斷出電機產(chǎn)生那個的故障時何種故障，能夠及時的進行處理。本設計沒有設計報警電路，而是在判斷出電機產(chǎn)生的故障后，直接送入到中央控制室的上位機中，由中央控制室派分派子控制室去處理電機產(chǎn)生的故障。每種電機的故障設定的延時時間都不一樣，在延時時間內(nèi)電機沒有恢復到正常的工作的電壓值和電流值，保護器判定電機強制停車。初始化故障判斷設定值和延時時間流程圖如圖4-3所示。圖4-3初始化故障判斷設定值和延時時間流程圖本系統(tǒng)設計的基本原理就是監(jiān)測電機運行時的三相電壓和電流參數(shù)，獲得電機的工作情況。通過對這些參數(shù)的分析，了解此時三相電機運行狀況。在初始化結束后，便對電機的三相電壓和電流進行采樣，把采樣的數(shù)據(jù)送入單片機中。由單片機分析采樣的電流電壓數(shù)據(jù)，并開始與錄入的設定值進行比較判斷。監(jiān)控保護程序模塊的功能是以軟件為基礎，完成各種保護算法及方案，對電機運行情況進行監(jiān)控和保護。由于電機保護器對電機安全穩(wěn)定運行的重大作用，它要時刻處于工作狀態(tài)，一方面不能在該動的時候拒動，另一方面又不能在不該動的時候誤動，所以電機保護器軟件的可靠性是對其軟件開發(fā)的最主要的要求。軟件可靠性內(nèi)容包括：保護原理的正確性；邏輯結構的嚴密性；計算方法的準確性和平穩(wěn)性。4.2故障判斷流程圖起動超時判斷電機啟動時電流較大，若電機長時間沒有成功啟動，則會導致電機過熱損，所以必須對電機啟動時間進行監(jiān)控。啟動超時是根據(jù)規(guī)定的啟動時間結束后線電流和設定值的比較來判斷。啟動超時監(jiān)控程序流程如圖4-4所示。在設定的起動時間內(nèi)，電流沒有降到額定電流的110%，則認為起動超時，保護器在設定的延時時間內(nèi)發(fā)出停車指令。圖4-4為超時起動保護流程圖。圖4-4超時起動保護流程圖過載保護判斷電動機正常運行中因負荷過大所引起過熱現(xiàn)象的一種非正常狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做過載。過載電流一般比額定電流大1—6倍。因為發(fā)生過載故障時電機電流比額定電流略高，所以其程度不會立即對電機在成傷害，當電機的工作電流超過額定電流值，保護器啟動反時限保護。圖4-5為過載保護保護流程圖。圖4-5過載保護保護流程圖（3）斷相保護判斷斷相故障時一種嚴重的不對稱性故障，是不平衡電壓的極端情況。當任意一相斷電或任意一相的電壓低于斷相保護設定值時，保護器在動作延時設定時間內(nèi)動作。圖4-6為斷相保護流程圖。圖4-6斷相保護流程圖（4）欠壓保護判斷當電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長時間低于額定電壓85％時，稱為欠電壓。若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。圖4-7為欠壓保護流程圖圖4-7欠壓保護流程圖（5）過電壓保護當電源電壓由于某種原因超過額定電壓15％時,稱為系統(tǒng)過電壓。過電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然有時也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負載星形連接且無中性線的電動機定子繞組一相短路，則會造成其它兩相負載的電壓增大。電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對