電動機(jī)保護(hù)-畢業(yè)論文

1序言1.1國內(nèi)外研究的狀況伴隨微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為關(guān)鍵的智能型多功能電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生?；谖⑻幚砥鞯碾妱訖C(jī)保護(hù)裝置具有優(yōu)秀的保護(hù)特性、完善的功能擴(kuò)展和智能化的監(jiān)測與控制。通過數(shù)年的發(fā)展，國外某些著名的電器企業(yè)紛紛推出以微處理器為關(guān)鍵的智能化電機(jī)保護(hù)器。如：德國SIEMENS企業(yè)的3UBI系列繼電器、日本FUJI企業(yè)的QA系列繼電器、美國ABB企業(yè)的SPEM繼電器、英國GEC—ALSHOW企業(yè)的GEMSTART智能控制繼電器。國內(nèi)也有許多單位在進(jìn)行研制(如上海電器科學(xué)研究所，南京自動化研究所等)。各類產(chǎn)品除基本的保護(hù)功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(shù)(如故障值、故障類型等)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于微機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國外某些企業(yè)又提出了兼有監(jiān)控、保護(hù)功能的智能化保護(hù)器。它能與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)；也能監(jiān)視電動機(jī)多種運(yùn)行參數(shù)，不僅能測量目前數(shù)據(jù)，并能對過去的運(yùn)行參數(shù)及故障狀況做出記錄，協(xié)助操作人員做出決策，以減少線路和設(shè)備的停機(jī)和維修時(shí)間，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。1.2以熱繼電器為主的組合保護(hù)中小型電機(jī)保護(hù)采用熔斷器、接觸器和斷路器及熱繼電器的組合。采用熔斷器及熱繼電器的電機(jī)保護(hù)是較為經(jīng)濟(jì)、簡樸的一種方式。熔斷器與刀開關(guān)是使用最早、最簡樸的保護(hù)方式。熔斷器重要是用于短路故障或嚴(yán)重過載時(shí)保護(hù)供電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)的，際上它對電機(jī)不起直接保護(hù)作用。當(dāng)熔體熔斷時(shí)，又往往會導(dǎo)致電機(jī)缺相運(yùn)行而燒毀。許多人把熔斷器的作用看作是保護(hù)電機(jī)，是一種概念錯誤。現(xiàn)行的熔斷器熔體截面選擇按電機(jī)額定電流1．5～2．5倍來選擇是不符合實(shí)際的。電動起動時(shí)受到5～7倍大電流沖擊，但因時(shí)間短，理論上是可以在熔體不熔斷的狀況下通過熔體，但由于熔體在制造工藝、時(shí)效和安裝上存在隨機(jī)“缺陷”，在電機(jī)起動時(shí)很輕易發(fā)生部分相首先熔斷，而使電機(jī)處在缺相運(yùn)行，導(dǎo)致燒毀事故。過載熱繼電器在保護(hù)電機(jī)過載方面具有構(gòu)造簡樸、安裝以便等長處，但也有保護(hù)時(shí)滯和對輕微過載與堵轉(zhuǎn)保護(hù)欠佳的缺陷，因而輕易導(dǎo)致長期輕微過載運(yùn)行使電機(jī)繞組產(chǎn)熱合計(jì)，而使繞組絕緣老化導(dǎo)致電機(jī)損壞。不過熱繼電器對起動過程中的電機(jī)不起保護(hù)作用，且環(huán)境溫度對熱繼電器參數(shù)影響較大，不穩(wěn)定。雙金屬片整定措施粗糙，由于熱繼電器安裝在電機(jī)殼外，一旦發(fā)生通風(fēng)受阻、堵轉(zhuǎn)、長期輕微過載使電機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累等，熱繼電器就無法保護(hù)電機(jī)。原因是熱繼電器串接在主電路中，與電機(jī)繞組溫度無直接關(guān)系。此外熱繼電器自身是一種耗能元件，在動作過程中要消耗較多的電能。而當(dāng)熱繼電器真正起到保護(hù)作用動作幾次，其自身的電阻絲、絕緣材料會因過熱而迅速損壞，不能繼續(xù)使用，必須全套更換。1.3老式的電磁型保護(hù)以反應(yīng)故障發(fā)生后電流量的變化為判據(jù)的電磁型保護(hù)曾得到廣泛應(yīng)用。目前我國電網(wǎng)中，有一部分電機(jī)保護(hù)仍采用電磁型繼電器為主的保護(hù)。如運(yùn)行中的保護(hù)，大多數(shù)為電流速斷或定期限過流，另有相稱數(shù)量的電機(jī)采用一次過電流保護(hù)。根據(jù)異步電機(jī)的起動特性，為了使保護(hù)在電機(jī)起動時(shí)可靠不動作，這些保護(hù)的定值都要躲過電機(jī)的啟動電流來整定，這樣定值要比自身額定電流大許多倍，這對電機(jī)匝間故障、相間故障、堵轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障均不能可靠動作，而只能保護(hù)電源電纜和定子入口的部分，這就加重了電機(jī)的損壞程度，有不少電機(jī)在故障切除后，燒毀的己無法修復(fù)。可見電磁型電機(jī)速斷或定期限電流保護(hù)是犧牲保護(hù)的敏捷性來提高可靠性的。1.4溫度保護(hù)決定繞組絕緣壽命的基本原因是溫度。因此，任何規(guī)定的容許過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間，都應(yīng)以絕緣發(fā)熱為根據(jù)。而熱保護(hù)(熱繼電器)，電流保護(hù)(電磁型、電子式的本質(zhì))，都是按照電機(jī)定子電流的大小規(guī)定容許過負(fù)荷時(shí)間的長短。然而，往往有這樣的狀況，即電流盡管沒有超過額定值，而電機(jī)的溫度卻到達(dá)了危險(xiǎn)的數(shù)值，需要把電機(jī)從電網(wǎng)斷開。由此看來，直接反應(yīng)電機(jī)溫度的保護(hù)具有一定的優(yōu)越性。溫度保護(hù)是運(yùn)用安裝在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器米實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)到達(dá)一定溫度時(shí)，繼電器動作斷開電機(jī)的供電電路。此類保護(hù)的關(guān)鍵是在制造電機(jī)時(shí)，將傳感器直接放在電機(jī)繞組罩，但究竟將其預(yù)埋于電機(jī)的哪一部位才能最全面有效地檢測電機(jī)繞組的溫升，從而敏捷地切除故障，是不能確定的。例如說，溫度傳感器預(yù)埋于A處，而在遠(yuǎn)離A處的B處發(fā)生故障，傳感器就有也許監(jiān)測不到該處溫度的變化，從而延誤保護(hù)動作的時(shí)間而使故障擴(kuò)大。也就是說它的檢測功能是局部的。況且，由于傳感器埋在電機(jī)繞組里，對傳感器的維護(hù)檢修就極為不便，必須拆除電機(jī)自身才能對傳感器進(jìn)行檢修。因此，溫度保護(hù)的使用有著相稱大的局限性。1.5電子式保護(hù)伴隨現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，一批新型的電子式多功能保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。我國電子式保護(hù)是由晶體管型發(fā)展至集成電路型的。其原理一般包括兩方面：一是檢測電流值反應(yīng)過載、短路及堵轉(zhuǎn)等以過流為特性的故障；二是通過檢測電機(jī)電壓或電流與否缺相來反應(yīng)斷相故障。伴隨微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國的電機(jī)保護(hù)技術(shù)也從機(jī)電式向智能化進(jìn)行過渡，在電機(jī)保護(hù)裝置中引入了微處理器，加強(qiáng)了信號處理功能和通訊功能。這種智能保護(hù)器是在綜合保護(hù)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以同步對電機(jī)斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。它還擁有電流電壓顯示、故障記憶等功能。此外，智能化電機(jī)保護(hù)器還可以與多種傳感器配合進(jìn)行在線檢測保護(hù)。對電機(jī)的多種故障或初期故障進(jìn)行保護(hù)和判斷，真正實(shí)現(xiàn)了智能檢測和控制。當(dāng)保護(hù)器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊后，它又有了遙控和遙測的功能，并且可以存儲大量的數(shù)據(jù)，保護(hù)裝置自身的自動化性能也越來越高。此類保護(hù)器節(jié)能、動作敏捷、精確度高、保護(hù)功能全、反復(fù)性好，代表了目前電機(jī)保護(hù)器的發(fā)展方向。2三相異步電動機(jī)常見故障及分析2.1短路故障特性分析及保護(hù)判據(jù)電動機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大。短路故障包括定子繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會引起電動機(jī)自身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓明顯下降，影響其他用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅體現(xiàn)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的狀況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣所有燒毀，使電動機(jī)的一相繞組所有短接。此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電動機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞。電動機(jī)相間短路故障最明顯的特性是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)不小于電動機(jī)最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機(jī)額定電流的8～lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過檢測電動機(jī)A，B，C三相線電流來實(shí)現(xiàn)，超過整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)。短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在一定期限(當(dāng)然很短)內(nèi)檢測到三相最大電流超過電動機(jī)額定線電流K倍時(shí)（K為短路過流倍數(shù)，一般取8～10)，就認(rèn)為電動機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。2.2堵轉(zhuǎn)故障特性判據(jù)電動機(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)，會導(dǎo)致過熱而燒壞。電動機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以到達(dá)電動機(jī)額定電流的4～7倍，這樣高的故障電流極易把電動機(jī)燒損。因此在檢測到電動機(jī)處在堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動作，保證電動機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞。堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號可取自于電動機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并到達(dá)整定期限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動機(jī)的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的4～7倍。由于電動機(jī)起動電流也能到達(dá)額定電流的4～7倍，為辨別電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護(hù)算法上要可以鑒別電動機(jī)是起動時(shí)間內(nèi)還是在起動時(shí)間后，一般采用躲過電動機(jī)起動時(shí)間(8～16秒)的措施來實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過電動機(jī)的起動電流以免誤動作，使電動機(jī)無法正常啟動。2.3斷相故障特性分析及保護(hù)判據(jù)電動機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對稱故障。電動機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒有振動。當(dāng)電動機(jī)繞組斷相，啟動電動機(jī)時(shí)就會有嗡嗡聲而不能啟動。根據(jù)對稱分量法，電動機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的三相不對稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，零序電流增長損耗。帶動同樣負(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)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)承擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增長，導(dǎo)致電動機(jī)燒損。表1根據(jù)電動機(jī)定子繞組的不一樣接法，斷相故障電流體現(xiàn)由表分析可以看出，電動機(jī)斷相故障重要有三類狀況：①當(dāng)電動機(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對于△形連接的電動機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時(shí)，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時(shí)，電動機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。2.4過載故障特性分析及保護(hù)判據(jù)電動機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動機(jī)的工作電流不小于額定電流，溫升高于額定值，假如電動機(jī)長時(shí)間過載運(yùn)行會引起電動機(jī)繞組過熱而燒損。電動機(jī)過載運(yùn)行重要由如下幾種原因?qū)е拢?1)負(fù)荷增長；(2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好；(3)電動機(jī)自身機(jī)械故障；(4)電動機(jī)容量選擇偏??；(5)電動機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏小；(6)雙機(jī)拖動負(fù)荷分派不均；(7)電動機(jī)端電壓過低等。a．電動機(jī)溫升特性電動機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有助于分析電動機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。電動機(jī)在運(yùn)行過程中能量損耗重要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會轉(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)體中加熱電動機(jī)，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。于其銅損電動機(jī)是由多種材料構(gòu)成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱狀況比較復(fù)雜。但實(shí)際測定表明，電動機(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異。為了便于計(jì)算和分析，一般將電動機(jī)認(rèn)為是一種均質(zhì)發(fā)熱體，且忽視電動機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動機(jī)的溫升重要取決銅損。圖2圖2—1電動機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性曲線電動機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時(shí)間t=O時(shí)，電動機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相似，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動機(jī)產(chǎn)生的所有損耗都用來提高電機(jī)的溫度，因此電機(jī)溫度上升很快。伴隨電動機(jī)溫度上升的增長，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增長，溫升增長變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時(shí)，電動機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的所有熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即到達(dá)穩(wěn)定溫升。圖2—2電動機(jī)過載保護(hù)特性曲圖2—2電動機(jī)過載保護(hù)特性曲線1—電動機(jī)容許過載特性；2—定期限過載保護(hù)特性；3—階段式定期限過載保護(hù)特性；4—反時(shí)限過載保護(hù)特性電動機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量，因此電動機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動機(jī)負(fù)載往往會有一定的波動，這也規(guī)定電動機(jī)具有一定短時(shí)過載能力，不會因短時(shí)過載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。電動機(jī)過載保護(hù)動作時(shí)問t與過載倍數(shù)B的關(guān)系稱為電動機(jī)過載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)，要充足運(yùn)用電動機(jī)自身的過載能力，不要由于電動機(jī)一過載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖中可以看出，定期限過載保護(hù)和階段式定期限過載保護(hù)都不能像反時(shí)限過載保護(hù)特性那樣充足運(yùn)用電動機(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。2.5欠壓和過壓故障特性分析及保護(hù)判據(jù)a．欠壓保護(hù)在電動機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓減少時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機(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)出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。和變壓器的原理同樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然對應(yīng)增大，溫升增高。假如電動機(jī)長時(shí)間在低電壓工作會使電動機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)。低電壓也會使電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓減少到能使起動轉(zhuǎn)矩不不小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動機(jī)就無法啟動。電動機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對電源電壓短時(shí)減少或短時(shí)中斷后又恢復(fù)需要自動起動的重要電動機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。下列電動機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)：(1)當(dāng)電源電壓短時(shí)減少或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí)，為保證重要電動機(jī)自啟動而需要斷開的次要電動機(jī)；(2)電源電壓短時(shí)減少或短時(shí)中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的規(guī)定，不容許或不需要自啟動的電動機(jī)；(3)需要自啟動，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)中自動斷開的電動機(jī)。欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定期限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。b．過壓保護(hù)過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致的，當(dāng)然也也許是伴隨其他故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對于負(fù)載星形連接且無中性線的電動機(jī)，假如定子繞組一相短路，會導(dǎo)致其他兩相負(fù)載的電壓增大。電動機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，輕易對電動機(jī)的絕緣導(dǎo)致破壞，進(jìn)而縮短電動機(jī)使用壽命，因此電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。過壓保護(hù)的整定原則是：若在一定期限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。3電機(jī)保護(hù)裝置框圖及硬件電路設(shè)計(jì)3.1電機(jī)保護(hù)裝置總體框圖電動機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的功能重要包括：三相電流顯示、聲音報(bào)警、故障脫扣、故障記憶、過載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、相失衡保護(hù)、相序保護(hù)、過欠壓保護(hù)等。用老式的模擬線路要實(shí)現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會變得非常復(fù)雜，整個裝置的體積也會非常龐大。目前某些模擬電子式電動機(jī)保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一，例如：過流保護(hù)器、缺相保護(hù)器、漏電保護(hù)器等，而單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面到達(dá)前所未有的水平。圖3圖3—1電動機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)保護(hù)的功能，在硬件方面重要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)基本工作原理是：由電流、電壓互感器實(shí)時(shí)檢測電動機(jī)的三相線電壓和線電流，并經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道，根據(jù)一定的算法，計(jì)算出信號的有效值，將計(jì)算出來的信號有效值與預(yù)先設(shè)定的對應(yīng)整定值進(jìn)行比較判斷，若在一定期限內(nèi)，采樣到的信號有效值都在設(shè)定的故障范圍值之內(nèi)，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，并由單片機(jī)發(fā)出故障控制信號對電動機(jī)進(jìn)行跳閘斷電和報(bào)警。若無端障產(chǎn)生，則循環(huán)采樣、顯示和存儲電壓、電流信號。3.280C196K0單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口設(shè)計(jì)80C196KC單片機(jī)主系統(tǒng)基本接口電路如圖所示圖3圖3—2系統(tǒng)基本接口3.3電源與公共地線的連接80C196KC有三個電源引腳，Vcc為主電源(+5V)，而Vref為芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器和P0口的參照電壓和電源電壓(+5V)。假如芯片使用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，則為保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，Vref最佳分開供電，若與Vcc共電源，也要分開引線；假如不用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，則應(yīng)把Vref與Vcc相連，此時(shí)有關(guān)模擬信號輸入引腳作PO端口用。Vpp為EPROM芯片編程電壓，編程時(shí)應(yīng)接+12.5V,正常運(yùn)行時(shí)與Vcc相連。芯片的地線引腳包括數(shù)字地Vss和模擬地ANGND，一般都為O。若不用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，Vss和ANGND直接相連；若用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，Vss和ANGND應(yīng)分開引線，ANGND只在芯片附近與Vss相連。為克制噪聲，提高系統(tǒng)抗干擾性，Vcc與Vss之間，Vref與ANGND之間應(yīng)接一種去耦電容，電容大小一般為0.1μF或1μF。3.4振蕩電路80C196KC片內(nèi)振蕩器電路包括一種晶體控制的正電抗振蕩器，它與外部晶體Y1和外部電容C6、C7的連接措施如上圖所示，XTALl腳為內(nèi)部反相放大器的輸入端，XTAL2腳為該放大器的輸出端。在晶體振蕩器中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一種感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。80C196KC的狀態(tài)周期由振蕩器信號經(jīng)2分頻后獲得，本系統(tǒng)采用12MHz的晶體振蕩器，故狀態(tài)周期為1/((12/2)×106)=167ns，它是指令執(zhí)行的基本時(shí)間單位，是對程序設(shè)計(jì)非常重要的時(shí)間常數(shù)。3.5復(fù)位電路復(fù)位信號用來將80C196KC單片機(jī)初始化為復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)每次上電時(shí)，都應(yīng)復(fù)位。為了復(fù)位，復(fù)位信號至少保持4個狀態(tài)周期。單片機(jī)復(fù)位使某些寄存器初始化，清除PSW，由H存儲單元讀出芯片配置字節(jié)并存入芯片配置寄存器CCR，并將Pc寄存器的值置為2080H，從2080H存儲單元開始執(zhí)行指令。本系統(tǒng)的復(fù)位電路如上圖所示，帶有上電復(fù)位和手動復(fù)位功能。上電時(shí)靠復(fù)位電容C3的充電緩沖保持在低電平狀態(tài)；手動復(fù)位時(shí)按下復(fù)位開關(guān)S16并延遲一定期間，可將引腳拉低復(fù)位。圖中二極管D6為復(fù)位電容在掉電的狀況下提供了一條迅速放電的通路，以保證芯片能在反復(fù)上電的狀況下可靠復(fù)位。3.6其他有關(guān)引腳的闡明(1)ACHO～ACH7為80C196KC內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器8個模擬輸入通道，本系統(tǒng)用其中的ACH0～ACH5六引腳作為采樣電壓/電流信號的輸入通道。(2)P1.0～P1.7為8位準(zhǔn)雙向I/0口，本系統(tǒng)用其中部分引腳作為控制輸出信號。(3)P3.O～P3.7及P4.O～P4.7引腳有2種功能，一種為具有開漏輸出特性的雙向口，一種是訪問外部存儲器時(shí)，作為系統(tǒng)總線。本系統(tǒng)用其第二種功能，即用來作為訪問外部存儲器的地址/數(shù)據(jù)總線。(4)、為外部存儲器的讀寫控制信號，ALE為地址容許鎖存信號，EXINT為外部中斷輸入信號，RXD/TXD為串行接口的收/發(fā)腳。(5)為存儲器選擇信號。當(dāng)其為高電平時(shí)，訪問地址范圍為H～5FFFH的存儲單元時(shí)，指向片內(nèi)EPROM，反之，訪問上述地址范圍的存儲單元時(shí)指向片外。由于本系統(tǒng)的程序存儲器由片外提供，故接低電平。3.7電壓/電流采樣及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)故障檢測信號取自于電動機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號，其中三路用于線電流檢測，三路用于線電壓檢測。由于80C196KC單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道規(guī)定輸入信號為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。下圖為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其他兩路相似。圖3圖3—3電流采樣電路圖中R1為采樣電阻，其重要作用是將電流互感器CTl的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。運(yùn)用運(yùn)放AR5的高輸入阻抗，來克制負(fù)載對采樣精度的影響。Vf為偏置電壓，一般通過電阻或電位器分壓電路獲得。電組R2、R4、Rf和運(yùn)放ARl構(gòu)成加法器，電阻R7、Ro和運(yùn)放AR2構(gòu)成反向器，電阻R9和電容Cl構(gòu)成簡樸低通濾波器。Vref為80C196KB/KC內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒄针妷海壒蹹1和D2重要起嵌位作用，可保證V02在-VD2～(VREF+VD1)(VD1、VD2分別為Dl、D2的正向壓降)之間波動。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，電路圖如下圖所示。圖3—4電壓采樣電路3.8系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)圖3—4電壓采樣電路本系統(tǒng)需四路供電電源，即+5V的單片機(jī)主電源和模擬參照電壓以及有關(guān)芯片的電源電壓、運(yùn)算放大器+15V和-15V直流電源以及直流繼電器線圈電源+12V。本裝置都是通過三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖3—5、圖3—6所示。+12V直流繼電器線圈的電壓如下圖中標(biāo)注處引出。圖3圖3—5圖3圖3—63.9故障報(bào)警和保護(hù)動作執(zhí)行電路設(shè)計(jì)本裝置為電動機(jī)故障提供兩種報(bào)警方式，即指示燈報(bào)警和蜂嗚器發(fā)聲報(bào)警，報(bào)警電路如下圖所示。其工作原理是：電動機(jī)處在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，置P1.0為低電平，三極管Q1基極無電流處在截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器U4和發(fā)光二極管D8也處在截止?fàn)顟B(tài)，報(bào)警失效；當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，置P1.0為高電平，由于三極管Ql的導(dǎo)通而導(dǎo)致發(fā)光二級管D8導(dǎo)通發(fā)光，蜂鳴器U4導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動報(bào)警功能。圖3圖3—7故障報(bào)警電路下圖為保護(hù)裝置的動作執(zhí)行保護(hù)電路。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生故障時(shí)，置P2.5為低電平，光電耦合器6N137截止，繼電器Kl斷開，進(jìn)而交流接觸器K2斷開，電動機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)故障自動掉電保護(hù)。圖3圖3—8動作執(zhí)行電路4電動機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)初始化及主程序設(shè)計(jì)主程序重要作用是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化以及重要部件的自檢，初始化重要完畢80C196KC單片機(jī)多功能引腳的定義、堆棧(SP)地址設(shè)置、鍵盤作方式的設(shè)置以及液晶模塊顯示設(shè)置。自檢對象重要有外部擴(kuò)展隨機(jī)存儲器(RAM)。主程序流程下圖所示。圖4圖4—1主程序流程圖程序開始執(zhí)行后，首先運(yùn)行初始化模塊，初始化的重要任務(wù)是完畢80C196KC有關(guān)I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的設(shè)置、多功能引腳定義、串行口設(shè)置、堆棧地址設(shè)置、8255A工作方式設(shè)置、液晶顯示模塊設(shè)置以及保護(hù)裝置自身的某些系統(tǒng)變量初始化等功能。自檢程序重要檢測RAM存儲器與否損壞，自檢措施是先向整個R枷地址區(qū)寫入數(shù)據(jù)，然后再一一讀出比較，若不一樣樣，則出錯。出錯后，由顧客自己決定處理，程序不進(jìn)行出錯處理。4.2測量主程序圖4圖4—2測量主程序流程圖測量主程序重要完畢電動機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，程序流程圖如上圖所示。進(jìn)入測量主程序之后，首先啟動軟件定期器中斷，并立即執(zhí)行一次軟件定期器0的中斷服務(wù)程序，在其中斷服務(wù)程序中，設(shè)置下一次軟件定期器0中斷的時(shí)間間隔，由于本系統(tǒng)一周波內(nèi)采樣12個數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相鄰兩次采樣間間隔為20ms/12=1.67ms(20ms為被采樣信號的周期)。這個時(shí)間也就是軟件定期器0中斷的時(shí)問間隔，即每隔1.67ms產(chǎn)生一次軟件定期器中斷，在其中斷服務(wù)程序中完畢電動機(jī)數(shù)據(jù)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理以及故障判斷和處理等功能，中斷返回后，等待下一次中斷。4.2.1A/D采樣子程序圖4圖4—3A/D采樣子程序流程圖A/D采樣子程序是測量主程序的重要構(gòu)成部分，它的重要任務(wù)是依次采集A/D轉(zhuǎn)換器的六路模擬輸入通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其存入預(yù)定存儲單元，以供后續(xù)程序取用。圖4—4數(shù)據(jù)處理子程序4.2圖4—4數(shù)據(jù)處理子程序數(shù)據(jù)處理子程序也是測量主程序的構(gòu)成部分，它的重要任務(wù)是在A/D采樣子程序的采樣結(jié)束之后，從預(yù)定的RAM單元中取出各路通道近來一種周波內(nèi)采集的12個數(shù)據(jù)點(diǎn)，并根據(jù)有關(guān)算法計(jì)算各路電壓或電流的有效值和正負(fù)序分量，然后將其存入預(yù)定單元，并發(fā)送至液晶顯示模塊顯示。須注意的是，顯示之前應(yīng)將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的BCD碼表達(dá)，然后查表得各位數(shù)字的顯示碼，并發(fā)送置液晶顯示模塊顯示。4.2.3故障處理子程序重要任務(wù)是根據(jù)近來采集到的數(shù)據(jù)按下列次序依次進(jìn)行故障判斷。故障判斷次序依次為短路、堵轉(zhuǎn)、斷相、過壓、欠壓、過載。下圖為故障處理子程序流程圖，開始時(shí)從預(yù)定RAM中讀取近來采樣的特性參數(shù)，然后短路故障判斷，若有故障，則進(jìn)行故障處理，若無短路故障，則轉(zhuǎn)下一故障處理模塊，當(dāng)所有故障判斷完畢后無端障發(fā)生，則重新啟動軟件定期器中斷，等待下一種周波的采樣。每一故障處理模塊都應(yīng)有讀取特性參數(shù)、故障判斷以及故障處理三部分構(gòu)成。各個保護(hù)模塊計(jì)時(shí)器的選用視動作時(shí)限的長短而定，如對短路和堵轉(zhuǎn)故障動作時(shí)限較短，可用80C196KC內(nèi)部定期器1計(jì)時(shí)，對過載倍數(shù)較小的過載保護(hù)可以以外部時(shí)鐘芯片的走時(shí)時(shí)間作為動作時(shí)限計(jì)時(shí)。圖4圖4—5故障處理子程序結(jié)論電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，不過其高故障率對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在分析老式電動機(jī)保護(hù)裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。微控制器以其優(yōu)秀的特性在電動機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)中應(yīng)用越來越廣泛，基于微控制器的電動機(jī)保護(hù)測控裝置采用的是將微機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)引入電動機(jī)保護(hù)的一種控制思想，電動機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置一般具有響應(yīng)速度快、可靠性好、智能化程度高、功能擴(kuò)展靈活、操作以便以及易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等長處。本文在分析我國電動機(jī)保護(hù)裝置現(xiàn)實(shí)狀況的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以Intel80C196Kc為關(guān)鍵的電動機(jī)智能保護(hù)裝置。在系統(tǒng)的保護(hù)原理和硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面做了大量的工作，重要有；(1)根據(jù)電動機(jī)運(yùn)行原理，對電動機(jī)常見電氣故障特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出適合微