液压站电动机保护器的设计.doc

第IV页辽宁科技大学本科生毕业设计 液压站电动机保护器的设计摘要随着国民经济的高速发展，电动机已广泛运用到冶金、化工、石油、电力、矿山等各个行业。因此，电动机保护器的研究和推广对国民经济有着重要意义。电动机保护器已由原来传统的热继电器形式发展到微机化、数字化、网络化。市场上具有此特点的智能型保护器装置有50多种，因此，研究一种稳定性高、价格低廉的保护器是非常必要的。本文在分析了目前国内外电动机保护器的研究进展与现状的基础上，设计了一种以TN87C196KD-20单片机为控制核心，集过载、断相、接地、堵转和短路等故障保护于一体的智能型电机综合保护器。本课题的研究方法是：通过对电动机运行过程中电流特征以及发生故障时电流特征的变化进行分析，得出保护方案。运用单片机强大的信号采集和运算功能对数据进行采样和处理，确定电动机是否运行在故障状态下。如果电机发生故障，单片机就会通过输出端口给外接电路信号，实现电动机的停车、报警和故障记忆。本课题的主要任务是：设计系统的硬件电路图，包括电流采样电路、显示输入电路、继电器输出电路、端子输入电路、通信电路等；分析系统的软件结构和编程技巧。另外结合实例(液压站的电动机保护)对保护器系统进行分析。关键字：电动机保护；故障分析；硬件电路；单片机Design Of Motor Protector in hydraulic stationAbstract With the rapid development of the national economy, the motor has been used in metallurgical, chemical, petroleum, electricity, mining and other industries.Therefore, the study and promotion of the motor protector are great significance to the national economy.Motor protectors have been from the traditional form of the thermal relay to the computer ,digital and network-based.Intelligent protection device with this Characteristics in the market has more than 50 kinds, and therefore the study of a high stability, low-cost protection is very necessary.In this paper，a single-chip microcomputer，TN87C196KD-20，based intelligent motor protector with function and short-circuit protection is designed on the basis of analyzing the development and status quo of motor protectors in the world. Research methods in this subject is that through the analysis of process of motor current characteristics and the characteristics of the event of the failure ,then obtain the protection program.The uses of signal acquisition and powerful computing functions of the data of single-chip are been used to determine whether the motor is running in the fault state.If the motor broke down, single-chip will be give the external circuit signals through the output ports and make the achievement of motor parking, alarm and fault memory. The main task of this topic is to design the hardware circuit system, including the current sampling circuit, showing input circuit, the relay output circuits, input circuits, communications circuits and so on ,and to Analyse the Systems software architecture and programming skills. Another task is that an example is given to the protection system for analysis. That is hydraulic stations motor protection .Key words:Motor protection;Failure analysis;Hardwarecircuit;Single chip microcomputer目录摘要IAbstractII1绪论11.1 液压站设备简介11.2 电动机保护器概述11.3 电动机保护器的国内外发展状况21.3.1 国外发展状况21.3.2 国内发展状况21.4 电动机保护器的特点31.5 本课题的主要任务和研究内容42电动机保护器工作原理及方案设计62.1 基本工作原理62.2 系统功能特点72.3 方案确定72.4 本章小结93 电动机运行状态分析及保护方案设计113.1 过流、欠流分析及保护方案113.2 电机过载分析及保护方案123.3 短路分析及保护方案143.4 缺相和相不平衡分析及保护方案153.5 漏电分析及保护方案163.6 欠电压分析及保护方案163.7 启动分析及保护方案173.8 本章小结174 保护器硬件电路设计184.1 信号采集电路194.2 输入、显示电路设计224.2.1 显示电路分析224.2.2 键盘输入电路分析254.3 电源电路设计254.4 继电器输出电路设计264.5 端子输入电路284.6 单片机（TN87C196KD-20）接口电路设计294.6.1 外围电路设计304.6.2 单片机知识介绍324.7 本章小节365 电动机保护器软件设计375.1 主程序设计375.2 电流采样中断设计385.3 按键中断设计395.4 显示子程序设计395.5 本章小结40结 论41参考文献42致 谢42第44页辽宁科技大学本科生毕业设计 1绪论1.1 液压站设备简介液压站又称液压泵站，是独立的液压装置，它按驱动装置（主机）的要求供油，并控制油流的方向、压力和流量，适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械下。液压能具有出力大，控制方便、准确等特点。因此在工业高速发展的今天，液压站作为一种能源装置运用于各个行业。液压站主要由泵装置、集成块或阀组合、油箱、电器盒等组合而成。泵装置上装有电机和油泵，是液压站的动力来源，将机械能转化为液压能；集成块是由液压阀及通道体组合而成，对液压油实行方向、压力、流量调节；油箱是钢板焊制的半封闭容器，其上装有滤油网、空气滤清器等，实现储油、油冷却及过滤等功用；电器盒可用于电动机的接线，出于液压站在工作系统中的重要性，一般液压站都配备两台电机，一台工作用，一台备用。可见液压站对驱动电机的要求很高：电机应工作在电压波动为10%；频率0.991.01倍；额定频率（连续的）；三相电源不平衡电压，电流零序成分都不应超过正序成分的2%。因此，电动机保护器在液压站上的应用就显得极其重要了。11.2 电动机保护器概述电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，广泛用于冶金、化工、纺织、石油、电力、矿山等国民经济的主要部门，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，“据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。”因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。我国的电动机保护装置大约经历了由起初的JR系列热继电器、熔断器和电磁式电流继电器发展到模拟电子式电动机保护器，到后来的数字电子式电动机保护器。产品功能一代比一代强，保护器性能一代比一代优越。更值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。本文即要介绍一种由TN87C196KD-20单片机作为微控制器的新型智能化电动机保护器。1.3 电动机保护器的国内外发展状况 在微电子领域，国外产品总会走在时代的前列。特别是在美国和德国以及日本这些发达国家。当然近几年国内产品也得到了飞速发展，以致在控制功能上能与国外同类产品媲美。1.3.1 国外发展状况 国外的电动机保护器也经历着由不发达到发达，由传统到智能的一个阶段。起初也是单一的、传统的双金属继电器，这种继电器只能对电动机的过载进行保护，而且也只适合于轻载启动的情况下；接下来发展到智能化过载继电器，这种继电器能提供过载、断相和三相电流不平衡三种保护。生产该继电器的厂家主要有德国西门子公司、美国的ABB公司以及日本的富士公司。再到后来发展成智能化电动机控制器，进入90年代，由于微机通信技术的发展，国外一些公司提出了兼有监控、保护作用的智能化电动机控制器，它有通讯功能，能与中央控制计算机进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络系统，不但能监察电动机运行的各个参数，测量当前数据。还能对过去的运行参数及故障情况做出统计，以便于维修。最先生产该种保护器的是英国的GEC-ALSHOM公司，且之后在不断的更新它的产品。1.3.2 国内发展状况我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。20世纪60年代以来，电子式保护器开始走上社会2。(1)热继电器、熔断器和电磁式电流继电器。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品,它是利用双金属片热效应工作的。但热继电器存在致命的缺陷,包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等,已无法满足越来越高的要求,因而也就无法避免被淘汰的命运。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能,有的还有缺相保护,其过载保护具有反时限特性,但其结构复杂,机械制造精度高,价格高且体积庞大,因而目前已被基本淘汰。(2)模拟电子式电动机保护器(电机保护器)。 在上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器(电机保护器),为电机的可靠运行提供了较可靠的保障,但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷:整定精度和采样精度都不高;无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。鉴于以上原因,纯粹模拟线路的电动机保护器(电机保护器)正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。随着近年来微处理器技术的发展,给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台,使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。3常规电子式保护器,检测元件一般采用速饱和电流互感器,不存在发热问题,其动作稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。但是常规电子式保护器均采用人工可调定时限保护特性,无法实现与电机热过载保护特性曲线相匹配的反时限特性保护,只能实现“单点式”保护,并且该保护装置一般采用定时避开启动电流的措施,以防止正常启动的保护误动作。但是如果启动过程中出现异常故障,则电机就得不到保护。另外,由于电网电压波动、干扰、自身发热等因素,其故障率也很高。随着电子技术的发展,继电保护技术的数字化、计算机化成为了必然的发展趋势。 热继电器的淘汰为电子式电机保护技术的推广与使用提供了广阔的前景,况且国内的电机保护控制装置由于价格高或产品质量低劣而未能普及,技术水平及在品种和数量上远远满足不了国民经济发展的需要。因此尽快开发新型三相电动机智能保护器,使我国低压电器产品追踪国际最新技术成为当务之急。在这种背景下,以单片机为核心,对电机过压、欠压、过载等故障具有综合检测保护功能的智能保护器应运而生。本课题要做的也正是这样一款多功能的智能型电动机保护器。力争达到国内电动机保护器研究领域的至高点。1.4 电动机保护器的特点本课题设计的电动机保护器可以堪称国内电动机保护领域的高端产品。本保护器集启动保护、运行保护、通讯功能、人机对话模块于一身，并且做到了故障的显示和记忆。为电机故障分析提供充分的数据，有效的起到了电动机故障防范的作用。1、 整机模块化结构，主要包括： （1）中央处理模块：由TN87C196KD-20单片机、晶振电路和A/D转换基准电源电路构成。 （2）信号处理模块：由电流互感器和零序互感器从380V电动机供电线上获取电流信号，经过A/D转换后送入单片机。 （3）电源模块：电源电路与总电路分开处理，可提供+24V单独接地、+12V、+5V电源共同接地以及+5V单独接地，充分满足单片机的电源要求。 （4）人机交互模块：该模块集输入与显示于一身，采用串行数据传输，有效节约单片机资源。 （5）控制模块：由开关量输入、输出组成，开关量输入用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制：开关量输出主要用于输出报警信号，脱扣信号和远程起动信号。 （6）通讯模块：该模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能。2、多重保护措施 （1）过流保护：包括采样传感器到电机及电机内部的局部短路保护，保护特性分为定时限和反时限两种。 （2）断相保护：包括电机内部和外部供电引起的各种断相故障，保护特性为定时限。 （3）过载保护：根据电机额定电流确定保护整定值基于过电流倍率的自动双向反时限特性保护。 （4）启动保护：通过起动电流的变化时长和连续频繁启动造成的热积累来判断是否正常启动。 （5）过电压、欠电压保护：电网供电过压及欠压引起的故障保护、保护特性为定时限。1.5 本课题的主要任务和研究内容 电动机的烧坏以不对称故障率最高，占70%以上。不对称故障主要表现为过流、过载、三相不平衡、断相以及堵转等4。而所有的这些故障都同时表现为电流的变化，因此只要将电动机起动和运行过程中的电流值进行取样，经过整流、滤波再通过A/D转换送到单片机中进行算法处理和分析就可以判断电动机是否出现故障，从而做出相应的故障处理措施，同时将故障通过显示输出。因此，本课题的主要研究内容： （l）通过分析电机定子电流的变化情况来判定电动机的故障 电动机发生故障时，定子电流的幅值和相位都会发生变化。掌握这些变化情况是进行电动机故障分析与故障类型判断的依据。 （2）确定电动机保护器的保护曲线和参数设置 电动机定子电流的过载倍数与电机允许运行时间之间的关系取决于电动机的结构、材料、运行场合等多种因素。因此，要想使保护器具有一定的通用性，既要使电动机器的保护曲线符合相关标准的规定，还要使电动机保护器的保护曲线能够根据不同电动机由用户来修改。 （3）硬件电路设计 本设计拟采用TN87C196KD-20单片机为核心，配合其外围电路实现智能型电动机保护器的硬件设计。根据智能型电动机综合保护器的要求，硬件电路应由电流信号采集模块、人机交互模块、中央处理模块、控制保护模块和电源模块等组成。 （4）软件程序设计 系统程序需要完成各A/D采样计算，各种保护判断、处理，电流、电压值以及故障类型的显示，按键输入识别、处理等功能。在程序中，所有的计算都应采用特定的算法以保证处理数据的精度。达到故障判断动作的准确性。 2电动机保护器工作原理及方案设计 2.1 基本工作原理电动机保护器发展到今天，已经经过好几代的改革升级了。数字式智能型电动机保护器的工作原理基本没有太大变化，只是随着硬件电路和芯片的升级在不断的得到改善，保护精度得以提高，保护功能得以增加。下面主要通过以下6个模块对保护器的基本工作原理进行阐述。如图2.1 图2.1 电动机保护器的基本原理框图1、电流电压采集模块本课题设计的保护器主要采集电流信号，即监测电机运行的状态信号。状态信号主要利用穿心式电流互感器和零序互感器采样得到。具体方法是将电动机的电源线穿过互感器。互感器通过固定的变比将电流信号同步缩小成微电流。这个电流信号就可以供下一步处理，最后进入单片机作为电动机运行是否正常的依据。2、微处理器设计 单片机是保护器的处理核心，它由硬件电路和软件程序来支撑。通过对程序的编制以及外围电路的设计可以使单片机按一定的要求去执行各种动作。单片机主要起对信号进行一定的算法处理、与故障参数进行比较、做出电动机运行是否正常的判断、发出信号使外围模块断开电动机电路等作用。3、继电器输出控制模块 采用继电器的主触点的吸合和断开达到对输出端子的控制，然后由端子控制外部接触器实现电动机的保护。继电器主要采用固态继电器，因为固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点。因此使用起来安全可靠。控制信号主要来自单片机的输出，不过要配以放大电路才能实现继电器的动作。 4、通信模块 实现联网，通信是现代电子设备所必不可少的，特别在电动机保护器中。将电动机的运行状态参数传送给上位机或者其他控制设备，以实现远程控制和在线监视，同时也做到故障的记录和保存，以给维护和诊断带来帮助。所有这些都需要保护器处于一个通信的状态。5、人机对话模块人机对话模块即是图2.1中的按键采集电路和显示电路的组合。主要由显示器和输入按钮构成。显示器可以直接采用7段数码管和显示驱动电路构成，主要用于显示设定的保护参数和当前工作状态参数；输入则主要由按钮开关构成，实现控制电动机的正转和反转以及制动停车和参数的输入。6、 电源模块电源模块主要用于给整个系统供电。系统的各个电路需要的电源电压是不一样的，因此该模块需提供四种电源：+24V单独接地、+12V，+5V共同接地和+5V单独接地。2.2 系统功能特点根据对现有各种保护装置功能对比及客户需求，确定本课题设计的保护装置实现的保护功能包括：启动保护、堵转保护、过流保护、过载保护、断相保护、三相不平衡保护、过压及欠压保护、漏电保护。其中过流和过载都采用反时限特性进行保护。过载反时限保护特性标志可由用户根据现场的负载情况进行设定。该装置还具有人机交互功能、故障指示和故障记忆功能。该另外系统还具有的一个最大的特点是具有通信功能，这会给现场的生产带来更多方便。2.3 方案确定 根据系统功能特点，确定本装置主要由单片机、电动机三相电流、零序电流及线电压采样输人通道、按键输人、数码管显示、故障指示、跳闸出口等部分组成。 1、单片机确定： 当前单片机种类繁多，且性能各异。因此，作为系统枢纽的CPU的确是系统方案确定的核心问题。Intel公司是全球最大的半导体芯片生产厂家,它生产的单片机具有硬件系统设计简洁、指令系统丰富、计算功能强大、直接设计有乘法和除法指令给计算带来方便、集成外围模块多、功耗低、性能稳定等特点12。 图2.2 TN87C196KD-20单片机因此，本课题确定选用由Intel公司产的TN87C196KD-20芯片，如图2.2所示，该单片机有68个管脚。内部集成16KB的FLASH程序存储器和1024字节的数据存储器（RAM），以及A/D转换口，可直接输入模拟信号。 2、 信号采集方案确定 信号采集使用电流互感器，如图2.3。电流互感器主要是用来采集电流信号，它可以将大电流信号同步的转换成小电流信号以供微电控制器使用。本课题选择互感器的变比为:250A/50mA，即电流互感器可以将250A的电流信号转变为50mA的电流信号。 图2.3 电流互感器3、 按键输入和显示的方案确定 根据对系统的总体分析以及对客户的调查资料，决定将按键输入和显示整合到一个模块，并且该模块作为一个外置模块，通过9针插座与系统相连。这样做的另一个好处是该模块可以用于该系列的其他产品，只要在软件上做一些设计就行了，因此互换性很强。显示采用7段数码管，数码管可简单的现实一些英文字母和数字，因此，在保护器的使用过程中可以显示电流值、电压值和故障类型。4、 故障指示和跳闸出口的方案确定故障指示和跳闸的信号都来自单片机的输出，在跳闸处设置输出端子，端子的接通与否由继电器来控制。继电器的吸合信号来自单片机的输出。2.4 本章小结本章主要简单的介绍了电动机保护器的基本工作原理和系统的一些特点以及保护器的一些粗略实行措施。其中系统的特点介绍很具有说服力，因为现在市场上生产电动机保护器的厂家是越来越多，保护器的类型也越来越繁杂。这给用户对产品的选择带来不便。随着电子技术的发展，各种新型的芯片相继推出，旧芯片也不断的在改良。所以电动机保护器的功能就会越来越强大，保护精度也就会越来越高。因此通过系统功能特点的介绍，会给产品带来更大的商业价值。另外，将保护器的具体实施方案分为四个部分进行了介绍，确立了一个大致的制作方案。对元器件也做了一些选型。比如，单片机的选择；电流互感器的选择；数码管的选择以及继电器的选择。这些都给接下来的具体实施打下基础。在之后的章节会具体介绍到怎么把这些电器元件制作成硬件电路，完成电动机保护器的制作。 3 电动机运行状态分析及保护方案设计 电动机是一个将电能转变为机械能的装置，很多情况下要驱动大负载工作，因此运行过程中会出现各种不确定因素导致电动机发生故障，影响工作的正常进行。电动机故障分为内部故障与外部故障两种。电动机的常规外部保护理论上和诊断与保护的实现手段上都相对完善，因此电动机内部故障的诊断与检测是电动机保护的主要研究方向。5引起电动机绕组损坏的内部故障可分为不对称故障和对称故障两大类，其中以不对称故障率最高，约占70%以上。不对称故障主要有断相、逆相、三相不平衡、单相接地、相间短路等13；对称故障主要有三相短路、转子堵转、对称过载等。故障最初并不引起电流显著增大，但若不及时处理会导致事故扩大,进而引起电动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，严重损坏电动机。而且，各种故障下所表现出来的电流变化是不一样的。因此，要可靠地保护电动机，单一的过流保护是不够的，必须配置全面的保护方案。3.1 过流、欠流分析及保护方案电动机过流和欠流情况主要是指电动机在运行过程中工作电流忽然高于或低于电机额定电流，且持续一定的时长。至于偏离额定电流的多少倍，持续时间多长为电机故障可由用户通过参数设定，这种设定主要视电机的工作现场情况和用户对电机工作要求而定。一般认为电流偏离额定电流4倍以上，持续时间1.2秒以上为过流或欠流情况。其具体实施过程和原理：由电流互感器取出电机三相的电流信号经运算放大器转换成单片机所能接受的电压信号送至单片机的具有A/D转换输入端,如果单片机的输入端口不具备A/D转换功能的话，就需要外置A/D转换芯片，比如W27C512芯片，这就是一个16位通道的A/D转换器。本课题所选单片机是intel公司的TN87C196KD-20，可参见图2.2。其左上角的ACH0ACH7集成有A/D转换电路。因此，采集转换成的电压信号可直接与其相连。当电机合闸后,单片机中的A/D转换器就把电动机工作时的电流值转换为相应的数字信号存储起来,并在电机以后的运行期间,单片机通过A/D转换器转换不间断地监视电机的工作电流,只要电机的工作电流高于或低于正常值的规定范围(这个范围在程序中设定),单片机就立即发出指令,停止电机运行,从而达到过流或欠流保护的目的。3.2 电机过载分析及保护方案电动机允许一定时间的过载，但长时间过载会导致电动机烧毁或影响电动机的使用寿命。电动机过载时，电流值会有明显的变化。通常为1.2至5倍的额定电流。过载电流不至于马上对电动机造成损害，但如果长期处于过载运行，绝缘材料的电气强度与机械强度受导体发热因素的影响将不断降低，使用中如果超过限定温度，绝缘材料将会加速老化，大大缩短使用寿命。因此电机过载保护必不可少。过载发热量的大小基本由电流决定，所以通过对电流值特征的分析后决定采用过载反时限保护。按国标JB3905要求，电动机过载保护应满足表3.1的要求。实际上，表3.1规定的范围很宽，在这个范围内还应该包括很多条保护曲线，以满足不同电动机的要求。表3.1 电动机过载保护性能指标主回路工作状况 过载电流 保护器动作时间 过载 1.05Ir 两小时内不动作过载 1.15 Ir 2.0 Ir 一小时内动作过载 2.0 Ir 4分钟内动作过载 6.0 Ir 510秒内动作当电机过载时,下式近似成立式中： 电动机最终温升； 电动机过载倍数； 电动机额定运行时温升。根据电机实际运行测得的数据,可以得出过载倍数与允许过载时间t的关系。式中：电动机允许过载时间； 电动机过载倍数； 电动机绕组温升，一般取，考虑到电动机实际运行使用情况，设计时留有一定余量，故取，则：电动机过载将可能导致其定子温升超过绕组绝缘的热容限。根据经验，在额定温度以上，温度每升高10，绝缘的寿命将减半。因此，持续过载也会使绝缘过早老化或损坏。此保护装置根据电动机的时间电流热特性，在其内部复制生成一个电动机的热模型。装置的热过负荷保护功能可以由用户启用或闭锁。保护装置对流过电动机的正序和负序负载电流进行单独测量，然后将这些测量值综合，得到一个等效电流Ieq供热复制回路使用。热复制产生的热效应由Ieq2来生成，这样在计算时也就同时考虑了电动机的正序和负序电流所产生的影响。过负荷保护功能生成的等效电流按下式计算得出 式中： 正序电流； 负序电流； 与电动机热容量成比例的一个常数，可自行设定。如上所述，电动机的温度将按平方关系随着电流的增大而升高。为了更好地实现过负荷保护，此装置中对时间常数提供了很大的整定范围，以保证在电动机升温和降温的过程中，装置中的热模型与实际受保护的电动机更为接近。此外，电动机的热承受能力还要受到故障前电动机绕组的热状态的影响。所以在设计热复制功能时，还对极端的情况进行了考虑：一种为故障前电流为零，也即是常说的“冷状态”；另一种为故障前电流为额定电流，也即是常说的“热状态”。若故障前电流为0，装置将根据“冷状态曲线”计算；若故障前电动机在或曾经在额定电流下运行，那么装置将采用“热状态曲线”计算。在正常运行方式下，此装置将运行在这两种极限状态之间，除非通过编程使其不以这种方式运行。为了对电动机的所有运行状况，都能实现对电动机的保护，过负荷曲线中引入了3个独立可调的时间常数： 热电流整定； 当电流处于和2之间时的过负荷时间常数； 当电流大于2是的过负荷常数； 当电动机停止时的冷却时间常数。装置中需整定的升温、冷却时间常数应根据电动机定子的升温、冷却时间常数确定。装置的升温时间常数(T1)应整定为与电动机定子的升温时间常数相等或尽可能地接近，该参数由电动机制造厂家提供。整定时，应使T1等于T2，这样就能获得一条连续的热特性曲线。在时间电流图上绘制出选定的热特性曲线很重要，因为这样可以确保冷特性曲线与起动特性曲线不会相交。在某些应用场合下，无法得到电动机的热时间常数。但有可能得到关于这些值的曲线图。这种情况下，在选择电动机定子升温时间常数时，应使绘制出的时间电流曲线近似地与电动机的冷态曲线相匹配。而在那些既不能得到电动机的热时间常数，也不能得到热曲线图形的情况下，选择的T1和T2应使热特性曲线位于起动特性曲线的上方，但小于电动机堵转的持续时间。此时，热过负荷保护同时也具有了一定的堵转保护的能力。Tr为冷却时间常数。该整定值对于周期性运行的电动机极为重要，因为在电动机升温和冷却的过程中装置需要获得电动机热状态的准确信息。一般情况下其整定值为T1的倍数，并略微大于电动机自身的冷却时间常数。3.3 短路分析及保护方案短路故障是指不同相的导线间或相对地发生金属性的连接或经较小阻抗的连接。电动机短路通常发生在接线端子或绕组内部。接线端子短路是由于接线端松脱造成的单相偶然与壳体连接或两相间偶然断路。而绕组内部短路又分为相间短路和匝间短路两种。相间短路包括绕组端部层间短路，槽内上下层线圈之间短路及绕组连接线或引出线绝缘损坏造成的相间短路。匝间短路包括一个线圈之间短路，一个极相组中的线圈之间短路及各极相组线圈间的短路。造成绕组短路的内部原因是电动机绝缘有缺陷及导线本身绝缘不良或嵌线时绝缘受损。电动机出现短路后，短路电流会立即增大，远远高于额定电流。断路电流使绕组迅速产生高热，以致绝缘变色、焦脆、直至烧毁。短路后果是严重的，因此短路故障出现时必须迅速切除，即瞬断。由于电动机相绕组间的绝缘相对较多，因此发生相间短路故障的现象较少。而由于电动机定子绕组安装在接地金属外壳内，所以电动机内部发生的绝大部分故障都与接地有关，使得接地漏电保护装置动作。尽管如此，一般来说，仍然需要设计了一个快速动作的过流保护元件，用于保护电动机端子间发生的相间短路故障。为了避免在起动过程中，因电流互感饱和时的不对称性导致的跳闸，当电流在I1.21I之间时，该元件的最小动作时间为100 ms,发生短路时,可以采用速断保护法,短路判别计算公式为6 式中：电动机最大电流； IN 电动机额定电流。3.4 缺相和相不平衡分析及保护方案电动机断相运行时，往往表现为旋转磁场产生不均匀，电机的带负载能力明显下降。在重载情况下电动机会立马处于停转的状态，而此时电动机的另外两相电源任在接通。这样就会使电流在短时间内增大导致电动机损坏。如果电动机处于轻载情况下，电机会由于惯性冲过不均匀的磁场区。不过此时断相产生的不对称电流对电动机的损害不仅仅是电流增加引起定子发热，更重要的是不对称电流会在各相电流中出现很大的负序分量，这些分量会导致电动机端部发热、转子振动，以及起动力矩降低等一系列问题，而且电动机的不对称故障容易形成事故的扩大，造成电动机的严重损坏。断相情况可能出现在电机运行期间，也可能发生在电机启动时。 由于缺相能引起电动机三相电流严重不平衡,故在设计时将缺相和相不平衡故障综合考虑。根据电动机使用规范,相间不平衡及缺相的计算公式如下 式中：三相最大电流； 三相最小电流； 三相平均电流。 电动机的相间不平衡采用反时限动作原理,即数越大,动作时间越短,考虑到电动机本身因素和测量值误差,为10%时开始累加,大于150%时,保护器立即动作。3.5 漏电分析及保护方案 由于电机绕组的绝缘下降，电机受潮等原因，使电动机极易发生接地短路，若接地是非金属性的，将不会出现大的电流，因此不会反映成各相电流的过流，现有各类保护器很难检测到这类故障，然而，这类局部故障若不及时处理，将会使故障扩大，等到出现大的相电流时，电动机实际己损坏，保护失去意义。 异步电动机一般不接中线，即：采用三相三线制供电方式。根据对称分量法，在正常运行时， Ia+Ib+Ic=0，无零序分量。一旦出现接地故障，不论该故障是金属性的，还是非金属性的，均在相电流中出现零序电流，即：I a+I b+Ic0。同时，定子电流不对称不会产生零序电流，即I a+I b+I c=0。而接地产生的零序电流在定子电流中又很难察觉出来。 对于采用三相四线制供电方式的系统，根据对称分量法，在正常运行时，I a+I b+I cIn=0。一旦出现漏电故障，不论该故障是金属性的，还是非金属性的，均有I a+I b+I cIn0。因此，I a+I b+ I cIn是否等于零可作漏电故障的判据。定子电流的不对称产生了中线电流，但不会产生零序电流，即I a+I b+I cIn=0。而漏电产生的零序电流在定子电流和中线电流中察觉不出来。因此，检侧零序电流是判断漏电故障的有效方法。可采用零序互感器来采集电流信号。3.6 欠电压分析及保护方案在电力系统中，由于负载的增大、系统故障或调整不当，就有可能会出现欠电压现象。电压的下降会直接影响到电动机的转矩。如果电压降落的时间较短，电动机可以实现成功的重升速。但持续的欠电压则会使所有电动机停转。因此一般在系统中都广泛地采用了基于时间延迟的欠电压保护。这个保护器内的欠电压保护由两段独立的相间测量量组成。如果需要的话，两段保护都可以同时提供报警和跳闸信号。另外根据电压降落的严重程度，我们可能需要采用不同的时间整定值，换句话说就是，电动机可承受小电压降落的时间较长，而可承受大电压降的时间则较短。这就是继电器设计两个保护段的原因，其中一段的整定电压较高而延迟时间较长，另一段则与之相反。3.7 启动分析及保护方案电动机的正常启动是确保机械正常运行的关键，是电机使用寿命的决定因素。电动机定子给电后，有几种异常情况会导致启动故障：电动机的机械故障、轴承故障、电压过低或断相启动。给电后转子不转，电动机类似于一个二次侧为阻性负载的变压器，电流为满载电流的58倍，具体值取决于电机设计和电源阻抗。按典型值6倍考虑，由于集肤效应（集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，集肤效应越显著），电阻按增加3倍计算的话7，发热量约为正常工作时的108倍。由于温度上升很快，电机绝缘层会因此损坏，使生产蒙受损失。所以用电动机保护器给电动机设定一个启动时间，在规定时间内还不能使整定电流降至电机额定电流，那么就认为启动失败，切断电机电源以达到保护目的，等到故障切除后再次启动电机。3.8 本章小结本章主要对电动机运行过程中可能出现的故障进行了分析并给出了具体的保护方案，构造了保护特性的数学模型。这些保护方案和保护参数会作为软件编制过程中的保护依据，有效的衔接了硬件和软件。故障分别有：过流、欠流保护；过载保护；短路保护；缺相和相不平衡保护；漏电保护；欠压保护和电机启动保护。在接下来的章节里我们会设计具体的硬件电路，以完成这些保护方案。4 保护器硬件电路设计 硬件电路是整个系统的基础，电路中元器件的选择是决定系统好坏的关键因素。系统在软件的配合下能否正常工作取决于硬件电路对信号处理的好坏以及抗干扰能力。除了工作性能以外，经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考虑到的一个重要因素，尤其是在我国当前经济不甚发达的情况下，能够长期占据市场的将是那些高性价比的产品。 硬件电路以单片机为控制核心，而单片机的功能主要是对输入接口的信号进行运算处理然后给出输出，用输出信号来驱动外部电路，达到用户的控制目的。所以单片机要配置一定的外围电路。下面就从保护器的结构框图着手来对硬件电路进行分析。结构图如下图4.1。调理 图4.1 保护器结构框图由结构框图可以看出，硬件电路电路主要又六个部分组成：信号采集放大电路、电源供电电路、端子输入电路、输入显示电路、继电器输出电路、通信电路。另外单片机还配以别的外围电路，比如晶振电路，A/D转换基准电源以及复位电路。这些都是单片机的必备电路，所以就不作为小节介绍。接下来就一一给大家介绍六大电路。4.1 信号采集电路 信号采集电路主要采集电动机三相电源的电流信号。电流信号作为输入，它的值经处理后直接用来作为电动机故障的判据。因此，必须通过理论分析、反复实验方能确定。经分析，本课题经过分析和计算设计电路图如下图4.2。图4.2 信号采样电路1、电路分析电路图左侧为电流互感器和零序互感器，这两个器件都是用来采集电流信号的。为采集三相电源的电流，应同时使用3个电流互感器，均为穿心式，变比为250A/50mA。以A相为例，R7电阻将电流信号转换成电压信号；然后通过电容C12进行滤波，去掉干扰信号；接下来通过肖特基二极管D1进行整流。得到直流信号。直流信号分两路，上边一路通过比较放大器U8C进行放大后进入单片机的ACH2口。这一路信号采集的主要是电动机运行过程中的电流。下边一路经过电压跟随器后再经分压后进入单片机的ACH3口，这一路采集的主要是电动机启动时的电流。在进入单片机输入口之前都设计一个钳位二极管，主要是主要是将输入电压钳位在5.7V以内，对单片机起保护作用，以免烧坏单片机8。2、 电路数据计算以本课题的液压站为例，假设液压站的泵电机的额定电流为160A。属于本保护器保护范围之列（本保护器的保护额定电流在100A250A之间）。那么泵电机的峰值为:选择电压转换电阻为R7=10。根据选择的电流互感器的变比（250A/50mA）可得变换后的电流为： 电压为： U8C的放大倍数：=1+R f/R1=1+R27/R22=1+9/1=10，这里设R27=9k，R22=1k。所以电机运行中的电压为:通常，启动电流可以高达额定电流的68倍，所以可算得启动时的电流为： 电压为：5.7V因此设计合理，满足单片机的输入要求。那么其余两相也按照此方法可以算出。为适应电动机不同额定电流，本装置应该是通用的智能保护器，适应不同电机不同的额定电流。这样就会对装置的保护精度有一定的影响。为了尽量扩大保护整定范围而不降低精度，采取了如下两项措施：首先是使用罗氏线圈电流互感器来检测电动机的电流，由于罗氏线圈电流互感器具有不饱和，量程宽，线性度好，误差小的特点，因此可以用一个罗氏线圈电流互感器满足不同量程要求；其次就是取合适的放大倍数和优良的电器元件，保证输入电压尽量靠近3.2V。因为3.2V是单片机A/D转换器最佳识别电压。3、 元器件介绍 本电路中在选择元器件和电路接法上做了一些特殊的处理。主要表现在肖特基二极管和集成运算放大器的正向输入。首先来看肖特基二极管，肖特基二极管利用金属与半导体接触所形成的势垒对电流进行控制。它的主要特点是具有较低的正向压降（0.3V至0.6V）；另外它是多子参与导电，这就比少子器件有更快的反应速度。肖特基二极管常用在门中作为三极管集电极的钳位二极管，以防止三极管因进入饱和状态而降低开关速度。电路基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间特别地短。因此，能制作开关二极管和低压大电流整流二极管。它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除钨材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响应仅为RC时间常数限制，因而