三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)001

1、西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)年 級(jí):2007級(jí)學(xué) 號(hào):20077835姓 名:曾利專 業(yè):電子信息工程指導(dǎo)老師:關(guān)海川 2011年5月院 系 電氣工程系 專 業(yè) 電子信息工程 年 級(jí) 2007級(jí) 姓 名 曾利 題 目 三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng) 語 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書班 級(jí) 07級(jí)電子一班 學(xué)生姓名 曾利 學(xué) 號(hào) 20077835 發(fā)題日期：2011年 2 月 28日 完成日期：2011 年 6月 24 日題 目 三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

2、 1、本論文的目的、意義 三相異步電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中被廣泛應(yīng)用，然而異步電動(dòng)機(jī)的故障率也居各種電氣設(shè)備之首。隨著電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論的發(fā)展，現(xiàn)在的電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的功能已經(jīng)比較完善、全面，但是大都是獨(dú)立運(yùn)行，不能聯(lián)網(wǎng)，保護(hù)整定值的修改必須到現(xiàn)場進(jìn)行，很不方便，而且無法進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。要求在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以三相異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)以單片機(jī)微處理器為核心的智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng) 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) （1）研究背景、目前國內(nèi)外電動(dòng)機(jī)保護(hù)研究的現(xiàn)狀和存在的問題； （2）對(duì)電動(dòng)機(jī)各類常見電氣故障特征進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法； （3）設(shè)計(jì)以單片機(jī)微處理器為控

3、制核心的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件電路； （4）設(shè)計(jì)完整的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案； （5）對(duì)系統(tǒng)中可能存在的干擾進(jìn)行分析，并提出軟硬件抗干擾的一些具體措施； 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 17 周）第一部分 資料收集，整理和方案提出 (周)第二部分研究背景、目前國內(nèi)外電動(dòng)機(jī)保護(hù)研究的現(xiàn)狀和存在問題 (周) 第三部分 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件電路 (周) 第四部分 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案 (周)第五部分 可能存在的干擾進(jìn)行分析和措施，論文書寫、整理和裝訂 (周) 評(píng)閱及答辯 ( 周)論文整改 ( 周)指導(dǎo)教師： 2011 年 2 月 28 日審 批 人： 2011 年2 月 28 日

4、摘 要以單片機(jī)C8051F020及其外圍器件作為硬件平臺(tái)，對(duì)電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)進(jìn)行了研究，主要針對(duì)大中型電動(dòng)機(jī)的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過流保護(hù)、零序電流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)等功能。 在電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的過程中，對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種故障進(jìn)行了全面的論述。并根據(jù)需要確定了保護(hù)方案，論述了保護(hù)原理。在硬件電路設(shè)計(jì)上，給出了以單片機(jī)C8051F020及其簡單的外圍電路為主體配置的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)。該電路硬件電路大為簡化，除了實(shí)現(xiàn)了各種保護(hù)功能外，還可顯示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流，同時(shí)設(shè)置了系統(tǒng)與上位機(jī)的連接,為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。作為一種智能化的解決方案，該系統(tǒng)具有可實(shí)

5、現(xiàn)功能多，經(jīng)濟(jì)成本低，高的可靠性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。 第1章緒論1.1課題提出的依據(jù)和意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，自動(dòng)化水平的提高，電能的應(yīng)用和發(fā)展越來越具有重要的位置。作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要工具，電動(dòng)機(jī)在人們?nèi)粘Ｉ钪幸苍絹碓街匾?。三相交流電?dòng)機(jī)正朝著功率與體積之比越來越大的方向發(fā)展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的電動(dòng)機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)。為了安全可靠地運(yùn)行這些電機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)必須正確無誤地保護(hù)電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)在允許的熱極限負(fù)載范圍內(nèi)工作，減少電動(dòng)機(jī)損壞事故的發(fā)生。電動(dòng)機(jī)和供電線路的短路必須能迅速檢測(cè)出來，使得短路影響減小到最小。對(duì)于頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要

6、能準(zhǔn)確地模擬其發(fā)熱和散熱過程。在一些大型的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，還要求對(duì)電動(dòng)機(jī)組進(jìn)行集中控制和狀態(tài)監(jiān)控。為了滿足這些要求，本設(shè)計(jì)將開發(fā)一種新型的采用微處理器技術(shù)的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)與監(jiān)控裝置。 本設(shè)計(jì)所開發(fā)的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)與監(jiān)控裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與監(jiān)控的自動(dòng)化，是電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。由于采用了微處理技術(shù)，保護(hù)參數(shù)可由用戶根據(jù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)和環(huán)境條件設(shè)定，而且還可以提供數(shù)字電路接口，為大系統(tǒng)的智能控制提供了條件。它的制成可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確保護(hù)和監(jiān)控，即可使電動(dòng)機(jī)的過載能力得到充分的利用，還可減少電動(dòng)機(jī)燒毀事故的發(fā)生，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。1.2國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和動(dòng)向電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)大致可

7、劃分為三代。第一代是電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)，第二代是電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置，第三代是以微處理器為核心元件的綜合保護(hù)系統(tǒng)。第一代的電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)存在著很大的弊病。它的每一種功能都需要相應(yīng)的繼電器來實(shí)現(xiàn)。在正常情況下，熱繼電器每年需要校正一兩次，給用戶帶來不便。由于熱繼電器是由雙金屬片構(gòu)成其敏感元件，它是靠雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的力一發(fā)出動(dòng)作，在動(dòng)作值附近不能可靠分?jǐn)?。熱繼電器通過了大的短路電流或經(jīng)受機(jī)械碰撞后，雙金屬片易產(chǎn)生永久性變形。而且，熱繼電器的時(shí)間常數(shù)比電動(dòng)機(jī)小得多，對(duì)電動(dòng)機(jī)上一次的過載歷史沒有記憶，對(duì)于頻繁過載、特別是頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，不能可靠地保護(hù)。熱繼電器的動(dòng)作特性還受環(huán)境溫度的影

8、響。現(xiàn)在，老型號(hào)的熱繼電器己屬淘汰型產(chǎn)品。新型的熱繼電器功能也在完善之中。第二代的電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)第一代的電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)。它利用電阻電容的充放電來模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與散熱，對(duì)電動(dòng)機(jī)的過載歷史能有一定的記錄，其動(dòng)作時(shí)間也可以通過調(diào)節(jié)電阻電容的大小來調(diào)節(jié)，大天提高了對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)性能。但是，電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間調(diào)節(jié)范圍有限，精度也受電阻電容參數(shù)的影響，且沒有監(jiān)控、顯示等功能。因而只能用于一些要求不高的場合。把微處理器技術(shù)引入電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，大大地提高了對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的采集、處理、顯示全部自動(dòng)化，性能穩(wěn)定可靠，顯示直觀準(zhǔn)確，各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)可根據(jù)電

9、動(dòng)機(jī)性能由用戶設(shè)定，動(dòng)作前可預(yù)警顯示，動(dòng)作后可顯示故障原因，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的可靠保護(hù)和監(jiān)控。這是電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。我國的此類產(chǎn)品還很少，且功能欠缺，本設(shè)計(jì)研究的智能型電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器將彌補(bǔ)以上產(chǎn)品的不足，開發(fā)出功能齊全，性能可靠，操作方便，價(jià)格合理的產(chǎn)品。全的優(yōu)化設(shè)計(jì)接地與回流接地典型方案進(jìn)行系統(tǒng)集成和定量評(píng)估。1.3本文主要的工作本課題的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控。對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)包括以下幾項(xiàng)功能：過載保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)、堵轉(zhuǎn)和起動(dòng)超時(shí)保護(hù)、短路保護(hù)、缺相及相不平衡保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)是通過設(shè)置電動(dòng)機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和散熱

10、過程來實(shí)現(xiàn)的。過壓和欠壓保護(hù)是用一位撥碼開關(guān)來設(shè)置其動(dòng)作值，當(dāng)電網(wǎng)電壓超出其動(dòng)作值規(guī)定的范圍并持續(xù)一定時(shí)間后，過壓和欠壓保護(hù)動(dòng)作。漏電保護(hù)是按照漏電電流與漏電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的反時(shí)限關(guān)系設(shè)計(jì)的。堵轉(zhuǎn)和起動(dòng)超時(shí)保護(hù)是通過撥碼開關(guān)設(shè)置起動(dòng)電流和起動(dòng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。而短路保護(hù)是電動(dòng)機(jī)線電流達(dá)到短路保護(hù)動(dòng)作值后采取瞬時(shí)動(dòng)作來完成的。缺相及相不平衡保護(hù)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)缺相或線電流不平衡度超過設(shè)定值并達(dá)到一定時(shí)間后切除電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)電流顯示，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前線電流有效值；(2)電壓顯示，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的相電壓有效值。對(duì)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控的選擇是通過一個(gè)中斷按鈕來實(shí)現(xiàn)的。本裝置在

11、起動(dòng)運(yùn)行時(shí)顯示的是電動(dòng)機(jī)的線電流有效值，按一次中斷按鈕就顯示當(dāng)前電網(wǎng)電壓有效值，再按一次顯示電動(dòng)機(jī)繞組運(yùn)行時(shí)溫升的最高值，再按一次就又顯示電動(dòng)機(jī)的線電流有效值。這樣，用戶就可隨意監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)了。第2章 異步電動(dòng)機(jī)的故障分析和解決方案2.1 電動(dòng)機(jī)故障分析要做好異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，首先要分析保護(hù)對(duì)象會(huì)遇到的各種故障，分析其故障特征，才能提出切實(shí)可行的保護(hù)方案。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。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(dòng)機(jī)不能順利啟動(dòng)，或者短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)，使得電動(dòng)機(jī)因長時(shí)間的大啟動(dòng)電流而過熱。(2) 長期受電、熱、機(jī)械或化學(xué)作用

12、，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪贰?3) 因機(jī)械故障造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。(4) 三相電源電壓不平衡或波動(dòng)太大，或者電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。(5) 冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高。造成電動(dòng)機(jī)軸承損壞的原因主要有：機(jī)械負(fù)荷太大、潤滑劑不合適，或者惡劣的工作環(huán)境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。由于電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要是通過測(cè)量電量(電流、電壓以及開關(guān)狀態(tài)等)來監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，因此面對(duì)的主要是繞組故障。引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)和對(duì)稱過載等；不對(duì)稱故障主要有：斷相、三相不平衡、單相接地或相間短路。當(dāng)因?yàn)楦鞣N原因，如機(jī)械故障、

13、負(fù)荷過大、電壓過低等，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于散熱條件差，電流大，特別容易損壞電機(jī)。其它不出現(xiàn)顯著過流的不對(duì)稱故障，如斷相、不平衡運(yùn)行等，過流保護(hù)常常不能及時(shí)動(dòng)作。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的各類內(nèi)部繞組故障，如匝間短路、接地短路等，往往是由于運(yùn)行環(huán)境差、長期運(yùn)行不當(dāng)引起的，故障最初并不引起顯著的電流增大，若不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電動(dòng)機(jī)機(jī)端過熱、轉(zhuǎn)子及啟動(dòng)力矩降低等一系列問題，嚴(yán)重?fù)p壞電動(dòng)機(jī)。各種短路故障還會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)電壓的顯著波動(dòng)，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)形成過壓欠壓故障。電動(dòng)機(jī)故障基本原理(工作原理分析)為了研究異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起

14、動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系。就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模采用集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型時(shí)首先需作一些假定，根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)，可得：1)忽略空間和時(shí)間諧波2)忽略磁飽和3)忽略鐵損異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如下圖2一1所示型，對(duì)于電機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。圖21異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路其中等效電路中元件為定子繞組的電阻，為定子繞組的漏電抗，為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。為定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的等效電阻，為勵(lì)磁電抗。為定子電壓向量，為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量，為定子電流向量，為磁化電流向量?；赥等效電路的數(shù)學(xué)模型為： (2-1) (2-2) (2-3) (

15、2-4)由等效電路可見，異步電機(jī)輸入的電功率一部分消耗在定子繞組的電阻而成為定子銅耗；另一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗。剩余的通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功率。其中為：(2-5)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：(2-6)其中，為同步角速度；轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；為機(jī)械功率。由式（25）和式（26）得：(2-7)根據(jù)T型等效電路可知：(2-8)將式（28）代入式（27），同時(shí)考慮 ，于是有(2-9)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，此時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：(2-10)同時(shí)根據(jù)上式（21）、式（22）、式（23）、式（24）可得：(2-11)在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)?，故可省去和，則上式（211）可表示為：(2-12)電動(dòng)

16、機(jī)的啟動(dòng)故障異步電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)，從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，升速并達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為啟動(dòng)過程。 剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，由于激磁電流相對(duì)較小近似為1，則起動(dòng)電流為： (2-13) 啟動(dòng)時(shí)，把電源電壓直接加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組，顯然，這時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)很大，可達(dá)額定電流的47倍，根據(jù)對(duì)國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際測(cè)量，某些籠型異步電機(jī)甚至可達(dá)812倍對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過大的啟動(dòng)電流將會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，影響電動(dòng)機(jī)的壽命：同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，將會(huì)發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障，通常稱為啟動(dòng)故障，一般是指啟動(dòng)時(shí)間過長故障。也就是說，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果啟動(dòng)電流

17、仍舊維持在一個(gè)很大的值，而不是降到額定電流的附近，這就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)發(fā)生了啟動(dòng)時(shí)間過長的故障。這種故障通常采用定時(shí)限保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障根據(jù)電機(jī)學(xué)得知識(shí)，電動(dòng)機(jī)得機(jī)械特性曲線為下圖：圖2-2異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線是異步電動(dòng)機(jī)可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩>，電動(dòng)機(jī)將因承擔(dān)不了而停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)是用過載倍數(shù)來表示它的過載能力的=/。就異步電機(jī)而言，堵轉(zhuǎn)就意味著轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率S=1，即在T形等效電路圖中的附加電阻為0的狀態(tài)。在這種情況下S=1，=0，即電動(dòng)機(jī)電子電流將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的值，因此同樣會(huì)燒壞電機(jī)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電流值，我們就認(rèn)為出現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)故障。過載故障 過載是指電動(dòng)機(jī)的負(fù)載很

18、大，轉(zhuǎn)子電流加大，使得電動(dòng)機(jī)定子電流很大。過載過大了就形成堵轉(zhuǎn)。其故障原理與堵轉(zhuǎn)相同。三相不平衡及其危害 在三相供電系統(tǒng)中，如果三相的電壓或電流幅值或有效值不等，或者三相的電壓或電流相位相差不為120°時(shí)，則稱三相電壓或電流不平衡。 不平衡的三相電壓或電流，按對(duì)稱分量法，可分解為正序分量、負(fù)序分量、和零序分量。具體原理如下所述：在計(jì)算電力系統(tǒng)不平衡情況下引用了對(duì)稱分量法，即任何三相不平衡的電流、電壓或阻抗都可以分解成為三個(gè)平衡的相量成分即正相序（、）、負(fù)相序（、）和零相序（、），即有：=+，=+，=+，其正相序的相序（順時(shí)方向）依次為、，大小相等，互隔120度；負(fù)相序的相序（逆時(shí)方向

19、）依次為、，大小相等，互隔120度；零相序大小相等且同相，各相序都是按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在對(duì)稱分量法中引用算子a，其定義是單位相量依逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)120度，則有：注意以上都是以A相為基準(zhǔn)，都是矢量計(jì)算。知道了實(shí)際也知道了和，同樣知道了也就知道了和，知道了也就知道了和而負(fù)序電壓有沒有線電壓和相電壓之分由于負(fù)序電壓的存在，就使三相系統(tǒng)中的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(也就是三相異步電動(dòng)機(jī))在產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還產(chǎn)生一個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，并使電動(dòng)機(jī)繞組電流增大，溫度升高，縮短了電動(dòng)機(jī)的實(shí)用壽命。電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱故障主要有斷相、逆向、不平衡負(fù)載運(yùn)行、匝間短路、相間短路、接地短路等引起的除了嚴(yán)重

20、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。最明顯的特征是電動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)負(fù)序分量和零序分量電流。缺相及相不平衡故障分析斷相運(yùn)行是造成電動(dòng)機(jī)燒損的常見事故，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變而發(fā)生斷相時(shí)，剩余兩相繞組的電流將增大，造成電動(dòng)機(jī)過熱而損壞。因此必須對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相及相不平衡保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以Y形連接時(shí)，斷相可能發(fā)生在引線上或者繞組內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)Y型連接時(shí)所斷相的線電流都為零，此時(shí)以線電流為零的原則可以加以保護(hù)。但當(dāng)電動(dòng)機(jī)以A形連接，其斷相也可能發(fā)生在外部引線（a類）或繞組內(nèi)部（b類），當(dāng)發(fā)生( a)類斷相時(shí)，所斷相的線電流為零，以線電流為零的原則可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。但當(dāng)發(fā)生

21、(b)類斷相時(shí)，電動(dòng)機(jī)的線電流都不為零，此時(shí)再以線電流為零的原則就不能保護(hù)電動(dòng)機(jī)。在這種情況下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的斷相保護(hù)應(yīng)采用線電流不平衡的原則。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生(b)類斷相時(shí)， 因此，若把相不平衡保護(hù)的動(dòng)作值規(guī)定為線電流最大值與最小值的比小于，就能實(shí)現(xiàn)這種斷相保護(hù)?？紤]到電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的線電流不平衡，本裝置以最大線電流不超過最小線電流的1.5倍為動(dòng)作值，這樣，無論電動(dòng)機(jī)以何種方式連接，只要發(fā)生斷相，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)都會(huì)準(zhǔn)確地動(dòng)作，而且，對(duì)于其它的非斷相的相不平衡故障，也能實(shí)施保護(hù)。由于本裝置采用了單片機(jī)作為其核心元件，因此，不用附加任何電路即可實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)。單片機(jī)把采樣來的各相電流值進(jìn)行比較判斷，就能

22、準(zhǔn)確地發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。故障綜合判定 綜上所述電動(dòng)機(jī)的保護(hù)可以分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障。對(duì)稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、和三相短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是機(jī)械力和電流增大引起的熱效應(yīng)，使得繞組發(fā)熱甚至燒毀。其主要的特征是三相仍基本對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度反應(yīng)在過電流的大小，因此可以以過電流的判斷來作為此類故障的依據(jù)。下面列表（2-1）（2-2）說明。表2-1對(duì)稱故障特征故障類型零序負(fù)序過電流過載無無(1.2-5)In堵轉(zhuǎn)無無(5-7)In短路無無(7-10)In表2-2不對(duì)稱故障特征故障類型零序負(fù)序過電流斷相無Ic/I0逆向無Ia無不平衡運(yùn)行無有無相間短路無有(其值取決與位置)有(其

23、值取決與位置)單相接地1/3有取決與位置倆相接地1/3有取決與位置附：單相故障時(shí)，以A相為故障相； 倆相故障時(shí)，設(shè)B、C相為故障相； I0表示故障前電流幅值，In表示額定電流；由以上表障又可進(jìn)一步分為非接地和接地故障倆大類。非接地不對(duì)稱故障，主要包括斷相、相間短路、匝間短路及不平衡運(yùn)行等，這類故障由于我國電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不接地，故定子電流無零序分量，所以就可以采用檢測(cè)負(fù)序分量為判斷依據(jù)。接地故障包括單相接地短路和倆相接地短路，發(fā)生接地性不對(duì)稱故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零序電流分量，這是區(qū)別其它任何形式故障的特征。2.2 保護(hù)原理分析 根據(jù)以上特征分析，電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱故障的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，而發(fā)生不對(duì)

24、稱故障時(shí)的主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和零序電流分量。根據(jù)這一結(jié)論，可將電動(dòng)機(jī)的保護(hù)分解為過電流保護(hù)、斷相保護(hù)、零序電流保護(hù)三個(gè)部分，由此可覆蓋電動(dòng)機(jī)所有常見故障類型。保護(hù)功能設(shè)置 根據(jù)以上隊(duì)電動(dòng)機(jī)故障得分析特設(shè)置電動(dòng)機(jī)保護(hù)如下： A.投入電流速斷保護(hù)，用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子繞組以及進(jìn)線所發(fā)生的相短路故障 B.投入零序電流保護(hù)，用于隊(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生接地故障時(shí)得保護(hù) C.投入反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù) D.低電壓保護(hù)則根據(jù)第 條中“二、根據(jù)生產(chǎn)過程不允許或不需要自動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)?！钡囊?guī)定投入 E.堵轉(zhuǎn)保護(hù)用來作為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或者起動(dòng)時(shí)間過長的保護(hù)，同時(shí)作為電動(dòng)機(jī)流速斷保護(hù)失靈的后備保護(hù)F.負(fù)序過電流保護(hù)對(duì)電動(dòng)

25、機(jī)的斷相、反相及局部匝間短路等各類非接地性不對(duì)稱故障提供單獨(dú)保護(hù)。在這個(gè)配置方案中，電流速斷作為相間短路的主保護(hù)在電機(jī)的運(yùn)行過程中一直投入；堵轉(zhuǎn)保護(hù)作為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或啟動(dòng)時(shí)間過長的主保護(hù)，同時(shí)作為電機(jī)相間短路的后備保護(hù)；過負(fù)荷保護(hù)是電動(dòng)機(jī)定子繞組過流發(fā)熱的主保護(hù)，同時(shí)又作為相間短路及轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)的后備保護(hù)。這樣的配合還是很符合電動(dòng)機(jī)過流的實(shí)際情況的，同時(shí)輔以低電壓保護(hù)和負(fù)序保護(hù)，應(yīng)該說很全面的覆蓋了電動(dòng)機(jī)的應(yīng)有保護(hù)范圍，也使得保護(hù)器的保護(hù)功能發(fā)揮的較為徹底。電流速斷保護(hù)原理及其整定值在過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超過0.50.7時(shí)，應(yīng)裝設(shè)瞬動(dòng)的電流速斷保護(hù)裝置。.1電流速斷保護(hù)的組成及其速斷保護(hù)的整定電流速斷保

26、護(hù)是一種瞬時(shí)動(dòng)作的過電流保護(hù)。其原理相當(dāng)與定時(shí)限過電流保護(hù)中抽去時(shí)間繼電器，即在啟動(dòng)用的電流繼電器后面直接接信號(hào)繼電器和中間繼電器，最后由中間繼電器觸點(diǎn)接通。其工作邏輯原理圖如下：圖2-7 電流速斷保護(hù)邏輯原理圖圖中：S3 電流速斷保護(hù)軟件投切開關(guān)，1；保護(hù)投入，0：保護(hù)退出；d3 電流速斷保護(hù)動(dòng)作定值；t3 時(shí)間繼電器,050000可調(diào)。.2電流速斷整定值計(jì)算動(dòng)作電流值 在傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)整定計(jì)算時(shí)，動(dòng)作電流值除了要滿足躲過電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)流的要求，還需要保證靈敏度大2，微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)決定了只要?jiǎng)幼麟娏髦涤陔姍C(jī)的啟動(dòng)電流就行了。電動(dòng)機(jī)的最大啟動(dòng)電流基本上就相當(dāng)于其堵轉(zhuǎn)電流，也就是要求I，滿足下式

27、lop=kst *In保護(hù)裝置中的動(dòng)作電流值并非實(shí)際的電流值，另外還要考慮到接線系數(shù)及保證足夠的可靠性等，我們的計(jì)算公式如下： (2-14)式中，krel為可靠系數(shù)，對(duì)DL型電流繼電器，取1.21.3，Kw為接線系數(shù)(倆相倆繼電器)取1，ki為變流比。對(duì)于動(dòng)作時(shí)限，我們選擇不設(shè)置動(dòng)作時(shí)限。定時(shí)限堵轉(zhuǎn)電流保護(hù)定時(shí)限過電流保護(hù)也叫做堵轉(zhuǎn)保護(hù)，電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于各種原因使轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于堵轉(zhuǎn)則相當(dāng)與轉(zhuǎn)子開路，因此電流很大，容易燒毀電機(jī)。因此在檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，防止燒毀。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)完成后，如果因機(jī)械原因或負(fù)載過重致使轉(zhuǎn)子被卡住，即電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障，則正序電流將會(huì)增大，

28、當(dāng)正序電流大于堵轉(zhuǎn)定值時(shí)，保護(hù)器經(jīng)整定延時(shí)后動(dòng)作。熱過載反時(shí)限過電流保護(hù)所謂的反時(shí)限電流保護(hù)的保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限原先是按照10倍的動(dòng)作電流來整定，而實(shí)際的動(dòng)作時(shí)間則與其電流呈反比關(guān)系變化，電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。其保護(hù)動(dòng)作方程如下： (2-15)式中：In為電動(dòng)機(jī)額定電流 S為電動(dòng)機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，表示電動(dòng)機(jī)的過載能力過載保護(hù)一般都采用反時(shí)限來計(jì)算保護(hù)時(shí)間，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電流超過整定值時(shí)，過載保護(hù)投入，開始利用反時(shí)限公式計(jì)算時(shí)間，一旦故障時(shí)間超過了計(jì)算時(shí)間t之后，則動(dòng)作與出口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。 速斷、堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)之間的配合速斷保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)和過載保護(hù)需要相互配合，以使保護(hù)裝置的工作更符合電

29、動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的實(shí)際電流特性。三者之間的配合關(guān)系如下：圖2-8速斷、堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)之間的配合關(guān)系零序電流保護(hù) 零序電流保護(hù)，即接地保護(hù)，當(dāng)大于保護(hù)的動(dòng)作電流10時(shí)，經(jīng)短延時(shí)t保護(hù)出口動(dòng)作依據(jù)用戶要求發(fā)出接地信號(hào)或跳閘。 (1)變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的零序電流保護(hù)整定計(jì)算 我國3KV， 6KV， 10KV電網(wǎng)大多數(shù)是變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧圈接地的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)的電流小，不是短路電流，因此這種系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)零序電流保護(hù)需發(fā)出接地信號(hào)，不跳閘。 變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)零序電流保護(hù)的動(dòng)作電流lo.dz的整定原則是：當(dāng)本電動(dòng)機(jī)外部 (指機(jī)端電流互感器以外)電網(wǎng)中任一地點(diǎn)

30、單相接地時(shí)，本電動(dòng)機(jī)的零序電流保護(hù)應(yīng)可靠地不動(dòng)作，為此 (2-16)式中：U本國電機(jī)所在電網(wǎng)的相電壓(V)；Cod：本電動(dòng)機(jī)每相對(duì)地電容 (F)； ：角頻率；nL本電動(dòng)機(jī)機(jī)端電流互感器變化：可靠系數(shù)，取1.25再校驗(yàn)靈敏度。本電動(dòng)機(jī)定子繞組單相接地故障時(shí)，本電動(dòng)機(jī)零序電流保護(hù)應(yīng)可靠地動(dòng)作。 零序電流保護(hù)的短延時(shí)t可整定為0.10.5s 負(fù)序電流保護(hù)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)序電流分量很?。ń咏诹悖谙到y(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)序分量電流，從而通過測(cè)量負(fù)序電流的大小可以判別是否發(fā)生故障。設(shè)置負(fù)序電流保護(hù)，作為電動(dòng)機(jī)斷相、逆相。定子繞組或引出線不對(duì)稱相間短路、定子繞組閘間短路、電源電壓

31、嚴(yán)重不平衡等的保護(hù)。本裝置采用兩段式定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)，作為電動(dòng)機(jī)斷相、定子繞組或引出線不對(duì)稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護(hù)。第一段具有高定值，短延時(shí)t1，第二段具有低定值，長延時(shí)t2。（1） 第一段的整定在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下電動(dòng)機(jī)機(jī)端兩相短路時(shí)，最小的短路電流負(fù)序分量應(yīng)使負(fù)序電流保護(hù)第一段可靠地動(dòng)作，其靈敏KI=1.25，按此原則得： (2-17)同時(shí)，還必須校驗(yàn)的值大于按公式計(jì)算的值，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程式中負(fù)序電流保護(hù)第一段可靠地不動(dòng)作。用戶可根據(jù)上述算法確定、本裝置負(fù)序電流保護(hù)第一段的延時(shí)t1默認(rèn)為Is，以短延時(shí)躲開斷路器合閘及其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的短時(shí)間負(fù)序電流的影響。（2） 第

32、二段的整定在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行及起動(dòng)過程中，允許三相電壓之間有持續(xù)性的5%以內(nèi)的誤差，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較長時(shí)間的負(fù)序電流I2，應(yīng)保證負(fù)序電流保護(hù)第二段可靠地不動(dòng)作，為此： (2-18)按上式公式整定的躲不開斷路器斷路器跳合閘或其他暫態(tài)干擾所出現(xiàn)的短時(shí)間數(shù)值較大的負(fù)序電流I2，但因?yàn)橛衪2長延時(shí)，則能保證第二段不誤跳，t2由用戶整定，一般可整定為3s。啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)正常啟動(dòng)過程結(jié)束后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流低于額定值或者在額定值附近，而啟動(dòng)時(shí)間過長則是在啟動(dòng)時(shí)間過后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流仍保持較大值(一般為機(jī)械原因)。啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)是由啟動(dòng)時(shí)間和堵轉(zhuǎn)時(shí)間保護(hù)整定值來配合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)正序電流大于，一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)

33、。經(jīng)過啟動(dòng)時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)的電流如果仍然大于堵轉(zhuǎn)電路的整定值，則啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)開始動(dòng)作，發(fā)出跳閘命令：若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流小于堵轉(zhuǎn)電流的整定值，則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)已加入正常運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)可作電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中短路保護(hù)的后備保護(hù)。而且啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)只針對(duì)與電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程加以保護(hù)，如果電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后，此保護(hù)應(yīng)該自動(dòng)退出，而且只要電動(dòng)機(jī)不停，此保護(hù)應(yīng)一直不能進(jìn)入保護(hù)。欠壓、過壓保護(hù)當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或出現(xiàn)短時(shí)中斷，一些不允許或不需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)須從電網(wǎng)中斷開，因此需要配置低電壓保護(hù)。保護(hù)原則是：當(dāng)。有一相低于保護(hù)定值時(shí)，低電壓保護(hù)經(jīng)延時(shí)后動(dòng)作發(fā)跳閘命令；當(dāng)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中斷開，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，

34、可使電動(dòng)機(jī)隨時(shí)重新啟動(dòng)。第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的整體結(jié)構(gòu)如下，硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)包括幾個(gè)方面的內(nèi)容：單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)量電路設(shè)計(jì)、鍵盤與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)和I/O控制設(shè)計(jì)等。三相電流輸入漏電輸入 電壓輸入 濾波調(diào)理顯示模塊通訊模塊故障記錄I/O控制按鍵模塊CPUC8051F020圖3-1硬件系統(tǒng)(1)交流輸入通道 本部分實(shí)現(xiàn)電流電壓的輸入調(diào)理(2)顯示部分本部分采用LED數(shù)碼管作為用戶界面，單片機(jī)與LED數(shù)碼管接口采用串行通訊方式，配接移位寄存器來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管工作。(3)控制輸出 I/O控制電路控制輸出部分采用機(jī)電式繼電器，其價(jià)格便宜，市場產(chǎn)品豐富，驅(qū)動(dòng)線路也

35、比較簡單。(4)通信模塊這部分采用RS-485接口，采用硬件自動(dòng)控制收發(fā)電路，不用單片機(jī)進(jìn)行控制以減輕負(fù)擔(dān)。3.2單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)微處理器應(yīng)根據(jù)所要完成的數(shù)據(jù)處理工作的復(fù)雜程度來選擇。由于整個(gè)保護(hù)器需要的計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)較大，加之，還要完成于上微機(jī)的通訊，因此對(duì)微處理器的要求較高。本設(shè)計(jì)采用美國CYGNAL公司生產(chǎn)的C8051F020作為數(shù)據(jù)處理的核心部分。該處理器內(nèi)部資源豐富，僅需要少量的外部控制電路即可完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。C8051F020系列單片機(jī)是完全集成的混合系統(tǒng)級(jí)芯片，具有MCS51兼容的控制器內(nèi)核，其指令于MCS-51完全兼容。除具有MCS-51數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集

36、和控制系統(tǒng)中常用的模擬及數(shù)字外設(shè)功能部件。這些功能部件的高度集成為設(shè)計(jì)體積小，功耗低，可靠性高的應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，業(yè)可使系統(tǒng)集成成本大大降低。 采用TQFP-100封裝形式的C8051F020內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 3-2 8051F020內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖a) 單片機(jī)主要特點(diǎn)（1） 模擬外設(shè)l 12位逐次逼近型（SAR）ADO，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大100ksps，輸入電壓信號(hào)范圍：02。40V；8位ADC（ADC1），可編程轉(zhuǎn)換速率，最大500ksps；l 可編程放大增益：16，8，4，2，1，0.5；l 數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器；（2） 片內(nèi)JTAG調(diào)試和掃描；l 片內(nèi)調(diào)試提供全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)

37、試；l 支持?jǐn)帱c(diǎn)、單部、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器、支持觀察、修改存儲(chǔ)器和寄存器；l 完全符合IEEE11149.1邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)；（3） 高速8051微控制器內(nèi)核；l 流水線指令結(jié)構(gòu)；l 百分之70指令的執(zhí)行時(shí)間位1個(gè)或者2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，速度可達(dá)25MIPS；l 22個(gè)矢量中斷源；（4） 存儲(chǔ)器l 4352BB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4KB+256B）；l 64KB FLASH存儲(chǔ)器，可以在系統(tǒng)編程，每個(gè)扇區(qū)位512B；l 外部64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口； （5）數(shù)字外設(shè)l 8個(gè)8位的端口I/O，所要口線均耐5V電壓；l 可同時(shí)使用硬件SMBus，SPI及倆個(gè)增強(qiáng)型UART串口；l 可編程16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣

38、列，有5個(gè)捕捉/比較模塊，6種工作方式；l 5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；（5） 時(shí)鐘源l 內(nèi)部可編程振蕩器：216MHz；l 外部振蕩器：晶體、RTC或外部時(shí)鐘；l 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）方式（用定時(shí)器3或者PCA）；b)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)該最小系統(tǒng)采用C8051F020為核心芯片；采用3.3V供電；采用22.1184M無源晶振；同時(shí)提供JTAG(Joint Test Action Group)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，為在線調(diào)試與仿真提供很大的方便；通過4個(gè)20腳的插針引出2407A的所有功能引腳；最小系統(tǒng)所需的電源通過與之相邊的底部插座提供。該最小系統(tǒng)電路板上有3處跳線，分別是J301、J302、J30

39、3。尤其要注意跳線J303。應(yīng)用仿真器進(jìn)行硬件仿真的時(shí)候，跳線帽連接的是1腳與2腳；當(dāng)程序下載到C8051F020，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，跳線帽連接的是2腳與3腳。該最小系統(tǒng)主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG仿真電路、外部存儲(chǔ)器等。（1）時(shí)鐘電路圖3-3 時(shí)鐘電路（2）復(fù)位電路圖 3-4 復(fù)位電路（3）JTAG仿真電路圖3-5 JTAG仿真電路3.3模擬信號(hào)采集 模擬信號(hào)采集模塊完成保護(hù)單元模擬信號(hào)的采集調(diào)理整形等功能。本裝置有五路模擬量輸入，其中三相電流Ia，Ib，Ic輸入，一相電壓Ia輸入，零序電流I0輸入。裝置通過對(duì)這3路模擬量進(jìn)行一系列采樣、濾波以及模數(shù)變換操作后，再對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，從

40、而獲得各種保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。圖3-3給出模擬量輸入模塊框圖。電流互感器/電壓互感器濾波調(diào)理電路單片機(jī)A/D口圖 3-6 模 擬 量 輸 入 模 塊 框 圖電壓信號(hào)采集電壓信號(hào)采集采用了具有精密整流的全波整流式AC-DC轉(zhuǎn)換電路，其電路圖如下。采用平均值A(chǔ)C-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)交流電壓進(jìn)行有效值測(cè)量的方法是：先測(cè)出交流信號(hào)的平均值，然后再根據(jù)波形因數(shù)換算出對(duì)應(yīng)的有效值。圖 3-7 電壓輸入電路圖交流信號(hào)的平均值可用式（3-1）來表示U0= （3-1）從交流測(cè)量的角度看，平均值是指經(jīng)過整流之后的平均值。否則，若被測(cè)交流信號(hào)為正弦波，則平均值為零。因此，要取到上式的平均值，必須先要對(duì)交流信號(hào)求絕對(duì)值，然后再取

41、其平均值。絕對(duì)值用全波線形整流器來實(shí)現(xiàn)，平均值可用濾波器來實(shí)現(xiàn)。圖3-7是一種以全波線形整流為基礎(chǔ)的平均值A(chǔ)C-DC轉(zhuǎn)換器。圖中放大器A2及二極管VD1 VD2和R10構(gòu)成了全波整流器，在輸入電壓的正半周VD1導(dǎo)通，VD2截止，B點(diǎn)的電壓為0，電壓通過電阻R10傳在C點(diǎn)。在輸入電壓的負(fù)半周，VD1截至，VD2導(dǎo)通，其導(dǎo)通電流經(jīng)R7在B點(diǎn)產(chǎn)生正極性電壓，由于R3R4，在B點(diǎn)處的電壓波形的幅度于輸入電壓相等，但極性相反。在半波整流器之前有一級(jí)高輸入阻抗的阻抗放大器A1，它的作用是提高輸入阻抗和擴(kuò)大測(cè)量范圍。在半波整流之后有一個(gè)放大器A3組成的有源濾波放大器，它的作用是實(shí)現(xiàn)平均值的計(jì)算。最后再將平均

42、值按正弦信號(hào)的有效值測(cè)量。平均值A(chǔ)CDC轉(zhuǎn)換器的電路簡單，成本低，廣泛應(yīng)用于低精度的電壓測(cè)量中，因此本設(shè)計(jì)采用它來作為電壓采樣。在電壓互感器出來的是一個(gè)交流信號(hào)，圖形如下圖所示。圖 3-8 互感器出來的電壓波形經(jīng)電路整形和處理，得到的是一個(gè)整流后的全波電壓，其圖形如下圖 3-9 A/D口輸入的電壓波形電流信號(hào)采樣 由于電流信號(hào)采樣采用交流采樣，故電流采集采用交流信號(hào)采集，將電流信號(hào)的幅值和相位一起采集，可采集到電流的整個(gè)波形。電路圖如下，由于三相的采集均一樣，故現(xiàn)以一路電流輸入回路為例做說明：圖 3-10 單相電流輸入回路 在電流互感器出來的電流是一個(gè)交流信號(hào)，圖形如下圖所示，由于單片機(jī)A/D

43、口只能輸入單極性的正電壓，故正弦的電流信號(hào)就不能不能輸入，這里采用加法放大電路將正弦的電流信號(hào)抬高到正值。電路圖中后一個(gè)放大器A2的作用就是將其放大太高為正的。放大器A1的作用是形成一個(gè)電壓跟隨器，其作用是提高輸入阻抗。為了保證加法電路得穩(wěn)定性，加穩(wěn)壓二極管，對(duì)于濾波電路選取截止頻率100HZ則選濾波時(shí)間常圖 3-11電流互感器二次側(cè)的電流波形圖 3-12 A/D口輸入的電流波形 數(shù)為10ms，1/RC=10ms，取R1=1M，則C=1PF。取倆個(gè)放大器同向輸入端的輸入電 阻相同，即R2=R3則可保證倆電壓跟隨器出來的電壓值相同，取R2=10k，由于MCS-51單片機(jī)的輸入電壓最大為2.43V

44、, 即電壓的峰值為2.43V, 因此加法放大電路的電阻采用20K的電位器調(diào)試，獲得峰值為2.43V的電壓波形。3.4開關(guān)量輸出本裝置輸出電路板上裝有1個(gè)繼電器-保護(hù)動(dòng)作繼電器。一般當(dāng)保護(hù)裝置判斷出某種事件需要繼電器動(dòng)作時(shí)，CPU控制發(fā)出信號(hào)給繼電器線圈通電，使繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作；當(dāng)故障處理完畢以后，CPU控制發(fā)出信號(hào)使繼電器復(fù)位。 本設(shè)計(jì)采用三極管9013驅(qū)動(dòng)繼電器工作，利用三極管的開關(guān)特性來達(dá)到無接觸無火花的控制開啟的目的，同時(shí)達(dá)到強(qiáng)電隔離的效果。在繼電器的上面并聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管，作為繼電器動(dòng)作的指示燈。為了防止繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)產(chǎn)生的瞬間反向電壓，在繼電器回路中并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。圖 3-13

45、繼電輸出電路3.5人機(jī)接口顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路主要是用來顯示測(cè)量電壓和測(cè)量電壓。 顯示電路一般可分為動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示通過單片機(jī)對(duì)各數(shù)碼管進(jìn)行掃描來實(shí)現(xiàn)的。它的電路較簡單，對(duì)系統(tǒng)資源的占用較多，可用于一些實(shí)時(shí)性要求不高，計(jì)算量不太大的場合。靜態(tài)顯示用硬件來代替部分軟件功能，以增加硬件的開銷來換取更多的系統(tǒng)資源。同時(shí)為了省去硬件的負(fù)擔(dān)，采用以軟件為主的接口方式，它是以軟件查表代替硬件譯碼器，電路圖如下。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的動(dòng)態(tài)掃描，需要給數(shù)碼管提供顯示段碼和位碼控制，即通常所說得”段控”和”位控”本電路中P1口輸出段控信號(hào)，而由P2.1、P2.2輸出位控信號(hào)。倆個(gè)三極管9013是用來提供

46、驅(qū)動(dòng)電壓。因?yàn)槭枪碴枠OLED，所以位驅(qū)動(dòng)采用5V電壓高位控制。圖 3-14 LED顯示電路鍵盤電路鍵盤電路是用來切換顯示電壓和電流，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)參數(shù)的設(shè)置，其電路圖如下：圖 3-15 鍵盤電路3.6電源部分目前廣泛使用的單片機(jī)普遍沒有配備不間斷電源。因此在使用過程中，一旦發(fā)生斷電等異?，F(xiàn)象，信息就會(huì)丟失，使之無法繼續(xù)進(jìn)行。為了避免這種情況發(fā)生，有采用微電流對(duì)蓄電池充電或浮充的辦法來防止微機(jī)斷電的，但存在著充不滿而使維持時(shí)間短的弱點(diǎn)。也有使用UPS交流不間斷電源的，但成本太高。本系統(tǒng)中的電源需求為：驅(qū)動(dòng)電路中的光耦一路獨(dú)立電源（15V），同時(shí)，控制電路也需要四組工作電源（15V，15V，5V

47、），單片機(jī)最小系統(tǒng)需要一路工作電源（5V），顯示部分需要一路工作電源（5V），因此，輔助電源應(yīng)該能提供至少五組相互獨(dú)立的電源，直流電源的質(zhì)量好壞與系統(tǒng)能否正常工作有很大的聯(lián)系。因此電源設(shè)計(jì)為：兩路（15V），兩路（15V），四路（5V）。當(dāng)交流供電正常時(shí)，市電經(jīng)變壓器變壓，二極管整流，電容濾波后輸出直流，再經(jīng)穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，電容濾波后輸出穩(wěn)定的直流供單片機(jī)和本設(shè)計(jì)中其它模塊使用。3.7通訊由于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，以及現(xiàn)場實(shí)時(shí)性要求較高，故單片機(jī)現(xiàn)場只能暫時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，至于大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后續(xù)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理可交給上位機(jī)完成，由于大型機(jī)具有RS-485

48、標(biāo)準(zhǔn)串行口，所以通過MCS-51F020單片機(jī)TTL電平全雙工串行口，附加RS-485電平轉(zhuǎn)換電路MAX3232可與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。具體電路如圖所示。圖 3-17 RS-485與上位機(jī)連接圖3.8硬件抗干擾 由于工業(yè)環(huán)境有強(qiáng)大的干擾源存在，若單片機(jī)系統(tǒng)沒有采取要的抗干擾措施，很難正常地工作，因此，必須對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)行抗干擾設(shè)計(jì)。 干擾信號(hào)可以沿各種線路侵入系統(tǒng)，也可以以電磁波的形式侵入單片機(jī)系統(tǒng)。干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的作用可分為三個(gè)部位，第一個(gè)部位是輸入系統(tǒng)，它使模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)出錯(cuò)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)這種輸入信息作出的反應(yīng)必然是錯(cuò)誤的。第二個(gè)部位是輸出系統(tǒng)，使各輸出信號(hào)混亂，不能真實(shí)地反

49、應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的輸出，從而導(dǎo)致接觸器或斷路器的誤動(dòng)作以及顯示內(nèi)容的錯(cuò)誤。第三個(gè)部位是單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核，它使單片機(jī)三總線上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂，從而引發(fā)一系列錯(cuò)誤結(jié)果。單片機(jī)系統(tǒng)受到干擾后，一方面可能造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，另一方面可能進(jìn)入死循環(huán)，造成系統(tǒng)“死機(jī)”。為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計(jì)特設(shè)計(jì)硬件抗干擾措施。硬件抗干擾具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此硬件抗干擾措施是非常重要的。 本裝置的硬件抗干擾主要采用了以下措施：（1） 信號(hào)濾波在電壓信號(hào)輸入和電流信號(hào)輸入中加入了前置的模擬低通濾波器，從而可以減少信號(hào)中疊加的高頻分量的干擾。從抗干擾的角度考慮，RC濾波器較LC濾波器好，因RC濾波器是耗散式濾波器，它將躁聲能量變成了熱能耗散掉了，而LC濾波器則會(huì)產(chǎn)生附加的磁場干擾，所以電感要加屏蔽罩。本系統(tǒng)采用的是RC濾波器。同時(shí)，在電流輸入回路中，為了得到恒定的電流波形的提升，特加入3V的穩(wěn)壓