基于单片机的高压电动机保护毕业设计论文.doc

广西大学毕业设计论文 基于单片机的高压电动机保护摘 要高压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。由于高压电动机被大量应用于极端恶劣的环境中其保护问题就显得十分重要。近年来随着微电子技术的飞速发展，电动机保护装置的发展趋势是微型化、数字化、智能化和网络化，并在性能上向着高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。本文以高压异步电动机为例，对其常见故障及相应保护原理进行分析，并在此基础上简单设计了保护单元，同时配以led数码管等外围设备构成保护系统。该设计的硬件部分以atmega16为系统的核心，通过对电压、电流和温度数据进行采集并进行数据处理，从而即时准确判断并消除故障。该设计的软件部分对系统的主要流程做出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的数字信号进行监视和判断处理，及时发出报警或跳闸信号，从而更好地提高电动机运行的安全性和可靠性。考虑到电动机保护装置通常安装在较恶劣的现场环境中，为保证单片机系统能够稳定、可靠地工作，本文还对其进行了抗干扰设计。关键词：高压电机 微机保护 单片机 故障诊断design on high-tension motor protection based on scmabstractas one of the important elements of in the drive system, the high-tension motor is highly important in the national economy. due to the high-tension motor is widely used in the extreme environment the protection of the high-tension motor has become a concernment. with microelectronics technology being rapidly developed in recent years, microminiaturization, digitizing, intelligence and networking are the development trend of motor protection devices, and which develop toward high accuracy, high reliability and high environment adaptability.taking the high-tension asynchronous motor for an example the paper analyses the common faults and corresponding protection principle, and the protection unit is simply designed on this basis, the led nixie tube and other peripheral devices are added to make up the protect system. the design of hardware takes atmega16 scm as the core, judges and eliminates faults promptly and accurately by collecting and processing the voltage, current and temperature.the design of software introduces the main flow of the system, telling how scm monitor and judge the handled digital signals, and sends warning or trip signal timely, thus makes the motor running more safe and reliable.considering that the protection device usually works in the extremely bad environment, the anti-interference design is also done in the paper to ensure the scm system being able to work steadily and reliably.keywords: high-tension motor; microcomputer protection; scm; fault diagnosis目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 高压电动机保护的历史及现状11.3 微处理器的发展与特点31.4 论文的主要工作3第二章 高压电动机故障分析52.1 异步电动机的运行原理52.2 异步电动机的基本结构52.3 高压电动机故障类型及不正常运行状态6第三章 高压电动机保护原理分析73.1 高压电动机保护的基本要求73.2 高压电动机保护原理分析73.2.1 过流保护93.2.2 负序电流保护93.2.3 零序电流保护103.2.4 电压保护103.2.5 过热保护11第四章 硬件电路设计124.1 微机保护的基本原理及其特点124.2 微机保护装置的构成124.3 硬件设计概述134.4 主系统硬件设计144.4.1 atmega16微处理器144.4.2 多路模拟开关144.4.3 温度采集系统164.4.4 电压电流采集系统174.4.5 采样保持电路224.4.6 滤波调理电路234.6.7 ad转换电路234.6.8 输入输出通道234.5 键盘与显示设计254.5.1 键盘设计254.5.2 显示设计264.6 系统外围电路274.6.1 电源274.6.2 通信接口274.6.3 其他外围电路28第五章 系统软件设计295.1 软件系统整体设计295.2 保护装置软件设计305.2.1 键盘控制设计305.2.2 led显示设计315.2.3 数据转换设计325.2.4 数据处理设计335.3 软件开发环境34第六章 系统抗干扰技术376.1 干扰的分类及其危害376.2 硬件抗干扰技术386.3 软件抗干扰技术39总 结42参考文献43致 谢4544第一章 绪论1.1 课题背景及意义电动机是最易于实现能量转换的设备，随着工业的发展，高压电动机越来越广泛地应用于电力、冶金、炼焦、化工、煤矿等各个行业，推动了电力工业的发展。高压电动机一般都是用于工业生产中的重要场所，它的可靠运行对于生产安全来说非常关键。另一方面，大中型高压电动机其自身价格昂贵，在运行过程中不允许出现故障，如果停机将会带来巨大的经济损失。因此，维持高压电动机的安全稳定运行显得十分重要。在实际生产环境中，外界环境的高温、潮湿、粉尘等恶劣状况和电网波动、负载冲击的影响，对高压电动机的安全运行构成很大威胁。高压电动机的故障或不正常运行不仅会损坏电动机，而且会破坏生产的连续性。由于高压电动机容量大，故障修复比较困难，费用也大。据原电力部的一份调查资料表明，所调查34个电厂，高压异步电动机损坏率达15.1%，造成经济上的巨大损失。由于电动机的故障、损坏所造成的间接经济损失更为巨大。因此，研究一种高压电动机的综合监测和保护装置迫在眉睫。1.2 高压电动机保护的历史及现状1、热继电器、熔断器和电磁式电流继电器作电动机保护器在50年代，我国引进了苏联的jr系列热继电器，据其开发的电机过载保护器在中国的电机保护行业中使用了半个世纪。这种电机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成。热继电器是利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会启动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、重复性差、误差大等，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。很多人把熔断器作为电机的过载保护，其实这是一种不科学的做法。因为首先受其规格限制无法按电机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规格选得太小容易造成断路，使电机单相运行，如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保护的效果。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机保护器，为电机的可靠运行提供了较可靠的保障。其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会社的产品为代表，在国内市场具有一定影响，他们的产品品种多样，规格齐全，主要功能包括：缺相、过载、欠流、相失衡、相序、接地、短路、过欠压、电流显示、声光报警及变送输出等。我国电子式保护器是由晶体管型发展至集成电路型，装置功能基本满足电动机保护的要求。但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括整定精度不高、采样精度不高以及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，纯粹模拟线路的电机保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。3、智能型电动机保护器近年来随着微电子技术的深入发展，以微控制器为代表的智能控制器不断进步。智能型电动机保护器主要以单片机作为控制器，具有处理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各种非常复杂的算法和各种保护功能可实现电动机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。与传统继电保护方式相比，引入单片机实现自动控制继电保护具有很多优点：（1）可靠性高，性能稳定，价格低廉，体积小，外围电路简单，无需大量的连线。（2）运算速度快，扫描周期仅几百毫秒，可开发功能多。（3）具有较强的通用性，我们可通过操作面板调节各项设定值，完成控制过程的设置，同时可利用单片机串口和外部计算机进行连接实现程序修改,做到无需修改外部连线。（4）可实现数据的远程传输，这对将来企业的远程监控、无人值守是至关重要的。智能型电动机保护器正以其优异的性能取得各大原始设备生产商的青睐，它将是电动机保护器的主要发展方向。1.3 微处理器的发展与特点从1971年第一代微处理器诞生开始，微处理器技术得到了飞速发展，经过六代的发展，从最初的4位机再到8位机、16位机、32位机到现在的64位机、多核机。现在，随着集成电路技术的不断进步，各种由大规模集成电路芯片构成的微处理器不断涌现。今天，微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、航空航天等都要嵌入各类不同的微处理器。本论文所介绍的电动机保护器所采用的atmega16单片机是atmel公司的基于增强的avr risc结构的低功耗8 位cmos微控制器。通过将8位risc cpu 与系统内可编程的flash 集成在一个芯片内，atmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。该单片机片上还有极其丰富的外设资源，这包括4通道pwm，8路十位ad转换器，上电复位以及可编程的掉电检测，因此十分适合于电机监控等相关应用。1.4 论文的主要工作论文全面阐述了高压电动机保护的各种故障和不正常工作状态，高压电动机保护的基本要求和配置情况；论述了高压电动机保护的基本原理。本论文在第一章先概述了高压电动机保护的背景及意义，明确了本论文的主要工作。接下来在第二章对高压电动机的故障进行了简要的分析，并列出根据要求所应装设的保护配置。在此基础上，在第三章阐述了高压电动机的各种保护原理，包含其主保护和后备保护。在了解了高压电动机保护的各种基本知识以后，开始对保护装置进行硬件及软件设计。在第四章，讲述了采用atmega16单片机为核心所设计的高压电动机保护装置及其硬件构成，并介绍了对温度、电压及电流这三个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种avr单片机基于c语言的编译器和集成环境，在此环境下对atmega16进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。最后对论文作一个全文总结。第二章 高压电动机故障分析2.1 异步电动机的运行原理交流电机分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机由于其结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠，成本低廉，是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。本论文以三相异步电动机为例阐述电动机保护器的设计。三相异步电动机的基本运行原理是：当向三相对称定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速旋转的圆形旋转磁场。旋转磁场在闭合的转子绕组中产生感应电流，转子即在电磁力的作用下做旋转运动，转速小于同步速。2.2 异步电动机的基本结构异步电动机的基本结构，包括定子和转子两部分。下面以三相异步电动机为例说明异步电动机的基本结构。电动机的定子部分包括定子铁芯、定子绕组和机座，转子部分包括转子铁芯和转子绕组，其他附件为端盖、轴承、轴承端盖、风扇等部件。定子、转子中间是空气隙。定子铁芯是电动机磁路的一部分，其上放置定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，将在其间产生旋转磁场。定子绕组主要有对地绝缘、相间绝缘、匝间绝缘三个绝缘项目。机座用于固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。转子铁芯是电机磁路的一部分，在铁心槽内放置转子绕组。定子通电后，转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。端盖安装于电动机端部与转子相交，转子通过轴承和轴承端盖与电动机端盖连为一体。电动机在运行过程中，各种损耗最终转变为热量，热量积累到一定程度就会使绝缘损坏甚至使电机烧毁，所以电动机通常都装有散热风扇。2.3 高压电动机故障类型及不正常运行状态高压电动机的故障类型和不正常运行状态如下：1、电动机故障：电动机故障可分为机械故障和电气故障两类。（1）机械故障机械方面的主要故障是振动、轴承过热、运转声音异常等。电动机振动会加速电动机轴承磨损，使轴承的正常使用寿命大大缩短，同时绕组绝缘将下降。轴承发热，轻则使润滑脂稀释漏出，重则将轴承损坏，引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路，严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。运转声音异常的原因可能是转子损坏、定转子相擦、润滑油严重缺少等。这些机械故障一般是由一些潜在危害因素积累发展而导致的，所以要在故障发生前对其监测并排除。（2）电气故障电动机的电气故障又可分为对称和不对称两大类。对称故障有对称过载、堵转、三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大引起的热效应，可通过流程度来反映。电动机的不对称故障有断相、三相不平衡、匝间短路、相间短路、接地短路等。不对称故障不仅使电流增加，引起发热而损害电动机，更重要的是不对称引起的负序效应会给电动机运行带来隐患，这类故障易形成事故扩大，造成电动机的严重损坏。不对称故障的明显特征是电动机电流出现负序电流和零序电流。2、电动机不正常运行状态：交流电动机不正常运行状态主要表现为：（1）异常声响。（2）异常升温。（3）异常振动。第三章 高压电动机保护原理分析3.1 高压电动机保护的基本要求为保证系统能安全、可靠的运行，对继电保护提出了四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。除此此外，对继电保护装置还要求具有经济性和适用性，便于调试和运行维护。高压电动机是工业生产的一个关键设备，它的可靠运行对工厂的生产安全、经济效益具有重大意义。为保证系统和高压电动机安全运行，减少事故损失，继电保护还应满足如下要求：1、高灵敏度要求能灵敏动作于过流、短路、接地、断相故障。2、高速度电流速断保护要求继电保护具有高速度。下面就高压电动机的各种保护进行简单的介绍。3.2 高压电动机保护原理分析电动机保护原理的研究决定了电动机智能保护器性能的高低，在查阅大量文献之并经过认真仔细的分析对比后发现对称分量法可以对交流电动机的三相电流进行详细的描述，非常适用于故障诊断。当发生对称故障时，电动机绕组电流大，电机发热严重特别容易烧毁电机。这类故障的主要特征是三相基本对称，但同时出现过电流，故障的严重程度基本反应在过电流的程度上，因此检测过电流的程度可作为这类故障的判断依据。根据对称分量法的分析，当发生不对称故障时电动机电流可以分解为正序、负序和零序电流分量。以a相为例，对称分量的计算公式如下： （3-1）式（3-1）中， ，分别是a相电流用对称分量法分解所得的正序电流、负序电流、零序电流；复数算子=ej120。各序分量独立存在，在不同分量的作用下，系统的各元件呈现出不同的特性。在电动机正常运行时，三相基本对称，负序和零序电流分量基本为零，而一旦发生不对称故障，则出现很大的幅值，以此鉴定不对称故障有很高的灵敏度和可靠性。高压电动机常见故障的分析结果如表1所示：表1 高压电动机故障分布故障类型零序负序过电流其他故障特征保护特性对称故障过载无无(1.25)ieiaibic反时限堵转无无(57)ieiaibic短时限短路无无(810)ieiaibic速断不对称故障非接地断相无ia=0，ib=ic短时限逆相无ia无iaibic速断不平衡无有无iaibic短时限相间短路无有有ibic速断接地单相接地有取决于位置iaibic速断两相接地有取决于位置ib，ic ia=i0速断注：单相故障设a相为故障相；两相故障设b、c相为故障相；i0表示故障前电流幅值，i=ia+ib+ic3.2.1 过流保护三相电流过大、三相负荷过大、启动时间过长、堵转以及定子绕组一相断线、不对称短路、不对称负荷、三相电源电压不对称等均可造成电流过大，从而使电动机过热烧毁。随着过电流倍数的变化，定子绕组导体的温升具有反时限特性。过流保护所针对的故障是各类短路故障及热过载，保护特性分别为短路速断和过载反时限。对异步电动机，转子对负序电流和正序电流所表现的电阻之比为： r1/r2=kr=1.256,这就是说数值相同的负序电流的损耗近似于正序电流的损耗的kr倍，若不考虑负序电流的热效应，在某些故障情况下，可能有时定子过流不是很大，但转子温度却已达到危险值,所以为了对电动机提供更为全面，准确的保护，本论文采用等效电流的方法，分别求出电动机电流的正序分量和负序分量，然后把负序电流的热效应扩大k2倍，求得一个等效电流，用这个等效电流作为电动机过负荷保护的计算电流，等效电流计算方法为： （3-2）式（3-2）中：k1、k2为正、负序电流发热等效系数, k1在启动过程内为0.5，启动结束后为1，k2=310，一般取6；i1、i2是电动机电流正、负序分量。根据等效电流将过流保护分为3段： 1、大于8时，保护特性为速断，针对的是短路故障；2、在58时，保护特性为反时限速断，针对的是堵转故障；3、在1.055时，保护特性为反时限过流，针对的是过负荷。3.2.2 负序电流保护电源电压不对称、外部不对称短路、定子一相断线等故障均会引起负序电流i2。这将会使电动机运行性能恶化，输出转矩、过载能力和效率降低，并且有局部过热烧坏的危险。本文采用两段式定时限负序电流保护，作为电动机断相、不平衡运行、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路的主保护。两相短路时，两段定时限负序电流保护：1、为使负序电流保护第一段可靠地工作，整定为：定值=，延时t1固定为1s。2、在电动机正常运行及起动过程中，允许三相电压之间有持续性的5%以内的误差，此时会出现较长时间的负序电流i2，应保证负序电流保护第二段可靠地不动作，为此=（0.30.4）ie，延时t2一般可整定为3s。另外必须校验的值大于的值，以确保在电动机起动过程中负序电流第一段可靠地不动作。3.2.3 零序电流保护零序保护即接地保护，当3倍零序电流大于保护的动作电流时，经短延时保护出口动作，发出接地信号或跳闸。对我国3kv、6kv、10kv电网大多数是变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，保护通常只需发出接地信号，不跳闸。零序电流保护的短延时可整定为0.10.5s。对3kv、6kv、10kv电网中的少数变压器中性点经高阻接地的电网，保护动作于跳闸，其动作电流应躲过电动机在起动过程中由于三相电流不完全对称而出现的3倍不平衡零序电流，延时整定为0.5s，以此延时来躲过相间短路对零序电流保护的影响。3.2.4 电压保护电压保护主要有以下两种情况：1、过电压保护电动机绕组是用固体介质来绝缘，冲击绝缘水平很低，特别在电动机导线出槽处，由于电场极不均匀，在过电压作用下，会受轻微损伤，使绝缘老化，引起击穿。为此配置过电压保护为：轻微过压时延时跳闸将电动机从电网切除；严重过电压时应立即跳闸以防止电动机绕组间绝缘材料击穿，导致严重事故。2、低电压保护电动机的低电压保护是一种辅助性保护，一般用于下列电动机：（1）当电源电压短时降低或中断后，根据生产过程不需要自启动的电动机或为保证重要电动机启动而需要断开的次要电动机上应装设低电压保护，其动作时限应在满足选择性条件下先取最小值，一般整定为0.51.5s,为保证重要电动机自启动有足够电压，保护装置的动作电压多整定为额定电压的60%70%。（2）需要自启动，但为保证人身和设备安全或由生产工艺等要求，在电源电压长时间消失后不允许再启动的电动机也应装设低电压保护，但其动作时限应足够大，一般整定为510s，其动作电压多整定为额定电压的40%50%。3.2.5 过热保护三相定子绕组的短路、断路，三相定子绕组接错，轴承及定子与转子铁芯相摩擦等都会导致电动机过热。三相异步电动机损坏多因其过热烧毁所致。电动机的绕组温度过高还会损坏绕组绝缘，缩短电动机的寿命。因此很有必要对电动机的绕组温度进行监控，采取一定措施保证电动机工作在正常的温升范围之内。另外，有时候也会出现电动机因长时间运行等原因即使电压、电流在正常范围内，但电动机的温度确实达到了极度危险的数值，过热保护可直接根据电动机的温度状况做出保护动作，使其对电动机的保护更为全面，确保设备的安全。第四章 硬件电路设计4.1 微机保护的基本原理及其特点1、微机保护的基本原理微机保护主要由计算机、输入输出接口、人机联系、软件等构成。在微机保护系统中，输入量的电气量经过采样和模数转换所形成的离散数字信号传送到中央处理器，根据该保护系统应具有的功能进行相应的数值分析、运算和判断，最终输出跳闸与否的命令，或同时输出计算结果，以实现继电保护功能。2、微机保护的特点微机型继电保护装置的普遍特点可归纳为：维护调试方便，具有自动检测功能；可靠性高，具有极强的综合分析和判断能力，可实现常规模拟保护很难做到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作，并具有自诊断能力，可自动检测出保护装置本身硬件系统的异常部分；保护装置自身的经济性、可扩展性强，易于获得附加功能；保护装置的性能得到很好的改善，具有较高的运算和大容量的存储能力等等。4.2 微机保护装置的构成微机保护装置是以cpu为核心，根据数据采集系统所采集到的实时状态数据，检测设备是否发生故障以及故障的性质、范围等，并据此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。1、微机保护硬件系统包括数据处理单元、数据采集单元、数字量输入/输出接口单元和人机接口单元四个部分，如图4-1所示：图4-1 微机保护装置的硬件系统原理框图2、微机保护装置的软件部分主要包括：初始化模块、数据采集管理模块、故障计算模块、故障检出模块以及保护功能模块等等。4.3 硬件设计概述电动机的运行环境及其故障特点对电动机智能保护器提出如下要求：1、抗高温、低温能力强保护器系统电路中元件的性能会随温度变化而变化，在较低温度或较高温度时有可能发生误动作，故保护器系统所有的元器件都应选用工业级器件。2、抗强电磁干扰能力强保护器的运行环境通常存在大量的电磁干扰，这会影响电子设备的正常运行甚至导致设备失效，因此设计硬件电路时应该尽可能地提高硬件的抗干扰性能。3、处理器运算速度快由于装置需要进行大量的数据处理，必须采用运算速度快的微处理器以保证保护器动作的快速性和准确性。4、采样精度高由于要对电动机进行实时监控，电动机的状态参量必须得到精确的测量。4.4 主系统硬件设计4.4.1 atmega16微处理器atmega16是基于增强的avr risc结构的低功耗8位cmos微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，atmega16具有比普通的cisc微控制器最高至10倍的数据吞吐率，高达1mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。atmega16单片机的主要特点：1、高性能、低功耗的8位avr微处理器。2、多达32个可编程的i/o口。3、片上高达16k字节的可编程flash，擦写寿命在一万次以上；集成可擦写十万次以上的512字节的eeprom，用于数据保存；1k字节的片内sram；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；具有独立锁定位的可选boot代码区，可实现同时读写。4、片上外设资源丰富，单片机内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立振荡器的实时计数器rtc，四通道pwm，8路10位adc，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。4.4.2 多路模拟开关由于有多路模拟采样信号输入，需要对多路参量进行a/d转换，为节省硬件开销，可使用多路开关分时将各路模拟量与atmega16转换电路的通道接通。作为数据采集通道的最后一个环节，a/d转换器会在一定程度上给测量结果带来误差，而且该误差会随着温度、时间而漂移。综合考虑本系统采用带有校准功能的新型8通道cmos模拟开关max4539。max4539可修正a/d转换中的两个主要误差：失调误差和增益误差max4539具有测量、自检和校准三种工作模式，不同工作模式可通过控制引脚cal和地址引脚a0a2进行选择，另外还具有使能控制和状态锁存。其工作模式及输入通道的选择参见真值表见表4-1。表4-1 max4539真值表cala2a1a0enlatch输出0所有开关开路，输出高阻，锁存器置全111保持原状态000010通道1（no1）000110通道2（no2）001010通道3（no3）001110通道4（no4）010010通道5（no5）010110通道6（no6）011010通道7（no7）011110通道8（no8）100010v+/2100110refh1101010refl01011105/8(v+-v-)110010gnd1101104081/4096(vrefh1-vrefl0)11101015/4096(vrefh1-vrefl0)111110所有开关开路，输出高阻max4539与atmega16的连接电路图如图4-2所示：图4-2 max4539连接图4.4.3 温度采集系统三相异步电动机的铜耗、铁耗、机械损耗及非稳态运行都会导致其发热。铂热电阻的优点是：精度高，电气性能稳定，温度和电阻关系近于线性。本装置在电动机定子绕组端部安放pt100铂热电阻作为温度传感器，其测温范围可达50600，并且热响应时间短。pt100铂热电阻是阻抗型传感器，其输出电阻与温度呈近似线性关系，为使其直接输出电压本装置设计了如图4-3电桥。图4-3 测温电桥电路电路输出电压与pt100的电阻值的对应关系为： 因为atmega16片内a/d转换器的参考电压为2.56v，所以的值必须在0v与2.56v之间。4.4.4 电压电流采集系统国产高压电动机的端电压一般为310kv，线电流可达几十乃至上百安培，这不可能直接送到模数转换器直接进行a/d转换，因此在本装置中使用电压互感器和电流互感器将高电压、大电流转换成模数转换器可以接受的低电压、小电流。然后再将对电流进行电流-电压转换，将电流量转换成易于测量的电压量。由于avr单片机的模数转换器对采集信号的要求，进行数据分析之前需要对这些电压信号整形，将交流信号转换为直流信号，以获得单片机能接收的信号，对此可使用二极管全桥整流装置将交流电压值转换成直流电压值。1、电压数据采集（1）采用jdz-6型电压互感器对定子电压进行测量jdz-6型电压互感器为用环氧树脂全真空浇注全绝缘结构的半封闭式电压互感器，适用于额定频率50hz，额定电压为6kv电力系统中作电能计量、电压监控和继电保护用。jdz-6型电压互感器体积小、重量轻，安装仅占有限空间所有绕组完全浇注在环氧树脂中，具有优良的绝缘性能，耐冲击和机械压力，并可以保护绕组不受潮。1）产品型号及意义为：图4-4 型号意义2）其基本技术参数如表4-2所示：表4-2 jdz-6型互感器技术参数型号额定电压比（v）额定频率（hz）额定输出（va）极限输出（va）额定绝缘水平（kv）0.2级0.5级jdz-66000/1005030503007.2/32/603）工作环境及安装： 环境温度：最高温度40，最低温度-5，日平均温度低于30； 户内环境湿度：在室内温度条件下，最大相对湿度为90%； 安装场所应无严重的震动和颠簸。（2）单片机电路板上使用的电压互感器选用typt31d型微型精密电压变换器1）特点： 体积小，精度高；印刷线路板直接焊接安装，使用方便，外形美观； 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，安全可靠。2）使用环境条件： 环境温度：-40+85； 相对湿度：温度为40时不大于90%。3）工作频率范围：20 hz20 khz。4）绝缘耐热等级：b级（130）。5）安全特性： 绝缘电阻：常态时大于1000m； 抗电强度：可承受工频2500v/1分钟； 阻燃性：符合ul94-vo级。6）外形图、安装尺寸和线圈图： 图4-5 （a）外形图、安装尺寸 图4-5 （b）线圈图7）性能参数：typt31d是一种电流型电压变换器，典型应用如图4-6（a）和图4-6（b）所示，性能参数见表4-3。 图4-6 （a）电阻法 图4-6 （b）ic法表4-3 typt31d典型应用的性能参数应用方法输入电压输出电压相移非线性度线性范围额定电流隔离耐压电阻法1000v0.5v300.2%1.5倍额定2ma/2ma2000vic法1000v1/2倍ic电源电压50.1%2倍额定2ma/2ma2000v8）注意事项：本型电压变换器其原理是电流型电压变换器，所以次级电路不允许开路使用，也因于此请不要在次级回路安装熔断器。2、电流数据采集（1）采用lzzbj9-10a型高压电流互感器对定子电流进行测量lzzbj9-10a为户内、全封闭、全工矿、干式、支柱式电流互感器，采用环氧树脂全封闭浇注成型，适用于额定频率为50hz或60hz，额定电压在10kv及以下的电力系统中作电流、电能测量和继电保护用。1）特点：本产品采用超导磁材料，使产品具有高精度下能有大的动、热稳定电流承载能力和局部放电小的特点2）使用条件： 海拔高度不超过3000米； 周围环境温度不高于+40,不低于-5； 周围空气的相对湿度不大于85%（20）； 产品表面爬电距离：满足级污秽等级； 安装场所无严重影响互感器绝缘的气体、蒸汽、化学沉积、污秽及其它爆炸性和腐蚀性介质。3）型号及意义：图4-7 型号含义本型电流互感器有 75/5a（1a）、100/5a（1a）、150/5a（1a）、200/5a（1a）、300/5a（1a）、400/5a（1a）、500/5a（1a）等多种变比。4）主要技术参数： 额定一次电流：203000a； 额定二次电流：5a或1a； 额定电压：10kv； 计量准确级次：0.2s、0.5s、0.2、0.5； 保护准确级次：10p10、10p15、10p20； 负荷的功率因数：（滞后）。高压电动机的冲击电流一般比其额定值大10倍以上，其会使电流互感器的一次额定电流倍数增加，从而引起的电流误差可大大超过10%，造成速断误操作，因此必须选择大变比的电流互感器。（2）单片机电路板上使用的电流互感器选用tyct21em-5a/2.5ma立式穿芯微型精密电流变换器1）特点： 立式穿芯印刷线路板直接焊接安装、外形美观； 体积小，精度高；全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，安全可靠。 2）使用环境条件： 环境温度：-55+85； 相对湿度：温度为40时不大于90%。3）工作频率范围：20hz20khz。4）绝缘耐热等级：b级（130）。5）安全特性： 绝缘电阻：常态时大于1000m； 抗电强度：可承受工频6000 v/1分钟； 阻 燃 性：符合ul94-vo级。 6）外形图、安装尺寸和线圈图： 图4-8（a）外形图、安装尺寸 图4-8（b）线圈图7）典型应用如图4-9（a）和图4-9（b），性能参数见表4-4； 图4-9（a） 图4-9（b）表4-4 tyct21em-5a/2.5ma典型应用的性能参数应用方法额定输入电流额定输出电流额定采样电阻rl额定采样电压相移非线性度线性范围耐压电阻法5a2.5ma3000.75v200.2%2倍额定6kvic法5a2.5ma/1/2倍ic电源电压50.1%2倍额定6kv8）注意事项： 电流变换器初级应串联于被测电流回路中，次级应近似工作于短路状态； 电流变换器次级电路不允许开路，所以不能装熔断器。4.4.5 采样保持电路模拟信号在进行a/d转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在a/d转换开始时将输入信号的电平保持住，而在a/d转换结束后又能跟踪输入信号的变化。采样保持电路就是完成这样的功能。虽然在avr单片机的a/d转换器中有自带的采样保持电路，但是难以在同一时间内同时进行多路信号的采样保持。为实现同步采样，采用共享a/d转换器通道的多通道采样保持的形式构成采样保持电路。采样保持器选用通用型集成ad582芯片。使用多路ad582将同一时刻的多路输入信号锁定，再分时输入a/d转换通道进行转换。共享a/d多通道结构框图如图4-10所示：图4-10 共享a/d多通道结构框图ad582的信号捕捉时间最短达6s，具有相互隔开的数字地、模拟地，从而提高了抗干扰能力。多路模拟开关max4539安置在采样保持器ad582之后，因此多路开关的导通电阻将会影响传输误差，为此有必要增加高输入阻抗的缓冲器（图4-10中的n放大器），这样可提高整个采集系统的精度。4.4.6 滤波调理电路经过ac-dc转换所得的直流电压叠加了丰富的高次谐波分量，另外由于电网以及电动机自身的干扰，使所得的电压电流信号质量非常差。这就要求对信号进行滤波处理。本装置采用rc无源低通滤波电路，将信号中叠加的高频分量统统滤掉。4.6.7 ad转换电路本文设计8路采集信号：3路电压信号、3路电流信号、1路电动机定子绕组端部温度信号和1路电动机漏电电流信号。atmega16单片机内部集成8路10位逐次逼近型adc，adc与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口a的8路单端输入电压进行采样。用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为a/d转换，不需要作为a/d使用的口可以继续作为i/o口使用。4.6.8 输入输出通道1、输入通道（1）模拟量输入通道每路模拟信号输入通道都配置图4-11（a）所示的前置模拟低通滤波电路滤去输入信号中对保护无用的较高频率部分。当输入信号为电流信号时，需先转换为电压信号，再进行滤波。为了保证输出电压不受后级电路输入阻抗的影响，一般采用由运算放大器构成的电流电压变换电路，如图4-11（b）所示。 图4-11（a） 图4-11（b）（2）开关量输入通道开关量输入主要显示各种开关状态，如断路器的位置，接地刀位置、手动合闸、手动分闸、保护动作情况以及装置的各种报警功能。单片机和电气开关二者在电平范围和驱动能力的要求上存在很大的差异。因此，在设计硬件时必须在二者之间添加缓冲驱动电路。另外，为减少强电对弱电的干扰还应该添加光电耦合电路将二者隔离开来。开关量输入通道电路图如图4-12所示：图4-12 开关量输入电路2、开关量输出通道开关量输出通道的任务是把单片机输出的数字信号传送给保护装置，控制控制保护装置的跳闸、合闸、报警等。单片机输出的信号在传输线上只能存在很短的时间，所以接口电路必须及时把信号锁存。同时为提高抗干扰能力，本设计采用了光电隔离电路，开关量输出电路设计如图4-13所示：图4-13 开关量输出电路4.5 键盘与显示设计人机接口是本装置的重要组成部分，通过它可以实现人机交互，进行电动机参数设定，显示电动机运行状态以及报警等功能。本部分主要有键盘和led显示两部分，键盘用来实现控制功能的选择和参数的设定，led则用来显示功能菜单和实时数据。4.5.1 键盘设计键盘输入的功能主要包括设定温度、电压及电流各量的告警值、选择要设定的参量，确定选项以及返回。因此系统设计有4个按键：确认键、返回键、左方向选择键（选择键及定值减小键）、右方向选择键（选择键及定值增加键）。键盘的四个输入端分别接到pa5pa8，键盘设计电路如图4-14所示：图4-14 键盘设计电路图键盘扫描采用查询法，在键盘扫描程序中不断查询pa口的状态（无按键按下时为高电平，有按键按下时为低电平），如果查询发现有按键按下则调用延时子程序延时一段时间后再次查询pa口的状态，如果此时状态与上一次相同则确认有按键按下，进入相应的处理程序；否则就认为是干扰信号不予处理。4.5.2 显示设计本系统的显示功能使用led数码管来实现。为使电路工作更可靠以及节约资源，采用动态扫描方式。当扫描频率足够大时，所有数码管在视觉上是同时亮的。该方式的功耗只有静态扫描的1/5。设计用5个共阴极的led数码管进行显示，其中最高位用来显示数值的状态，低四位显示参数值。这就需要对8位段码以及5位位码总共13个引脚进行控制，直接接i/o口会占用太多的资源，因此本电路使用1个8位移位寄存器74hc164实现串行输入，并行输出，从而驱动数码管，这样便可以节约i/o资源了。其原理图如图4-15所示：图4-15 单片机与led的连接电路 图4-15中，led4显示状态码，其码形如表4-5：表4-5 状态码形4.6 系统外围电路4.6.1 电源电源为整个装置提供工作电源，为保证装置能正常可靠的工作，本文采用集成开关稳压电源，使用上海德创电器电子的开关电源。该电源输入为110/220v宽电压输入，输出功率最高可达100w，交直流都可用，使用寿命高，可靠性强，输出电流、电压纹波小，能够满足快速