（机械电子工程专业论文）交流电动机测控保护装置的研究与开发.pdf

四川大学硕士学位论文 交流电动机测控保护装置的研究与开发 机械电子工程 研究生张宇指导教师韩震宇 交流电动机作为一种应用广泛的动力设备，其保护问题长期以来受到人们 的关注。近年来；随着计算机技术与自动控制理论的不断发展，出现了以微处 理器为核心的微机综合保护系统。这种新型保护系统与传统的保护系统相比， 具有强大的逻辑分析与处理功能，可兼有故障记录与故障分析功能、易于实现 网络化管理等显著的优点，成为当前电机保护装置的主要发展方向。文章调查 分析了国内外异步电动机各种保护方法和各类保护装置的研究发展状况，结合 实际情况，设计并实现了一种结构简单、实用、可靠方便、性价比高的交流电 动机保护装置。 论文介绍了电动机保护装置的发展现状以及今后的发展趋势，根据电动机 的保护原理提出了一系列的电动机保护模型，设计了以a t m e g a l 6 单片机为主控 芯片的智能综合保护装置。具体进行了信号输入电路、人机接口电路、保护驱 动电路、c p u 系统主控电路和通信电路的硬件设计。还针对人机接口电路、c p u 主系统电路和通信电路，设计了实用的系统软件。保护装置实现了对过载、轻 载、断相和过欠压等故障的实时监控和保护。通信电路实现了上位计算机( p c 机) 与智能终端之间的远程通信。在通信电路中，考虑到上位计算机与单片机的 通信接口类型以及两者之间的传输距离可能很大，选择了r s 一4 8 5 标准串行总线 接口作为单片机与上位计算机之间的通信方式，实现了远距离及时、准确、稳 定的通信。 然后进行了实验工作的介绍。首先介绍实验调试步骤，接着针对过载、轻 载、断相及过欠压保护作了实验检验；得出实验结果，结果表明，此保护装置 的各项功能达到了设计指标。 四川大学硕士学位论文 向。 最后得出全文的结论，总结了保护装置功能及特点，指出了今后的研究方 关键字：交流电动机，数据采集，a 豫单片机，综合保护装置，串西通信 2 四川大学硕士学位论文 t h er e s e a r c h a n de x p l o i t u r eo f a l t e m a t i n gm o t o r m o n i t o ra n dp r o t e c t i o nd e v i c e s p e c i a l t y ：m e c h a 乜o n i c s p o s t g r a d u a t e ：y uz h a n gs u p e r v i s o r ：z h e n y uh a n 舢t e m a t i n gm o t o ri st h em o s tw i d e l yu s e dd y n a m i c a le q u i p m e n ti na l lf i e l d s ， 、) l ，h o s em e m o do fp r o t e c t i o nh 弱b e e n p 邳，e dc l o s e l ya t t 咖o nt om a n yy e a r sa l lo v e r t 1 1 ew o r l d n o w a d a y s ，a st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h et e c h l l 0 1 0 9 yo fc 叩叩u t e r 觚d c o n t r o lt h e o r y an e l wm e t h o do fc o m p u t e rs ”i t h 或i cm o t o rp r o t e c t i o nh a s 印p e 卸e d ， w h i c hh 嬲m o r ep o w 曲ll o 西ca n a l y s i sc h a r a c t e r 卸df h n c t i o nc o m p a r e dw i mt h e f o m e rm o t o r p r o t e c t i o n a tt h es 锄et i m e ，m e s en e wm o t o rp r o t e c t i o i l sc a nr e c o r d a n da n a l y s et h ef a u l t s f u 吡e rm o r e ，t h e yc a nb ec o n n e c t e db yan e t 、) i r o r k ，f o r 血e p u r p o s eo fb e i n ge a s i l yc o n t 0 1 l e d a n 也t h i sd i l e c t i o no fd e v e l o p m e n th a sb e e nt h e m 匈o rd 证e c t i o no ft h i sr e a l m al o to fp r o t e c t i o nm e a s u r e st oa l t e m a t i n gm o t o ra n d m a n yk i n d so fp r o t e c t i o nd e v i c e sb o t hh o m ea n da b r o a da r ei 1 1 v e s t i g a t e di n 也i s t 1 1 e s i s ，t h e nt h et h e s i sd e s i g n sa na l t e m a t i n gm o t o rp r o t e c t i o nd e v i c ew i t hs i i i l p l e s 劬c t u r e n ed e v i c ei sc r e d i b l e 、j i r i t hh i g hr a t i oo fp e r f b m a n c ei nr e s p e c to ft h ec o s t t h et h e s i si n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n tt 1 - e n d so f m o t o rp r o t e c t i o nd e v i c e ，t h e np u tf o 州a r das e r i e so fm o t o rp r o t e c t i o nm o d e lb a s i n g o nm o t o rp r o t e c t i o np r i n c i p l e ，a j l dd e s i g na ni n t e l l i g e n ta n ds 叫融i cp r o t e c t i o n 出m c e ，w i t ht h em a s t e rc t l i po f a r m e g a l 6s i n 9 1 ec h i pm i c r 0 一c o n t r o l l e r t h e h a u r d w a r eo fc i r c u i t ，i i l c l u d i n gc i r c u i t so fi n p u t t i n gs i g n a l ，m a n m a c 址n ei 1 1 t e r f a c e ， a n dp r o t e c t i n ga c t u a t i o n ，p 血a 巧d o m i n a t i l l gc p us y s t e ma n dc o n i u 】1 i c a t i o n ，i s d e s i 舀1 e d p r a c t i c a ls y s t e ms o f h ) l r a r ei sd e s i g n e d 弱t oc i r c u i t so fm a n m a c h i n e 3 妞川大学硕出学位论文 i n c e r f i a c e ，p r i m a 巧d o m i n a t i n gc p us y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n t h ep r o t e c t i o n 氐聪c ea c e o n 礤l i s h e dr e a l t 主m em o i l i t o fa n dp r o t e c t i o no nb r e a k d o 戳l s 醒o v e r l o 甜， l i 曲tl o a d ，1 a c k i n gp h a s e ，o v e rv o l t a g ea n dl i g h tv o l t a g e c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 是l 蠡l l sl o 珏g 一式s 勰e ee o 微s p o 班重e 驻eb 式w 藏p c 搬a c 毯珏e 强di 盘d l i g e 觳tt e 蕊弧蔽。 mc o m m u l l i c a t i o nc i r c u i t ，i nv i e wo ft h e 咖eo fc o m m u n i c a t e di n t e r f a c eo fp c 毽赫i 辩琵d 愆毡e 嚣l 6s i 醒l ec 纛猹毽i e 约- e 的l l 糕翟莲l o 鹅 翔驾m i 摄鸥莲i s l 秘e e b e m e e n t h e m ，w ec h o i c or s 一4 8 5s t a n d a r ds 耐a lb u sa c t i n ga st h em a i n 翻滗s p o 珏d i n g 鼬d eb e 细e 髓l h e 辙r s 4 8 5s t a n 幽撼s 碰a lb u sr 髓l i z e s 鑫 1 0 n 分d i s t a n c e dc o m m l m i c a t i d ni n 山旧e 玉【i n d s0 fa s p e c t so ft i m e l i i l e s s ，a c 懈ya n d s t a b i l i t y 耽e nw o 收o f e x p e r i m e n t si s 细d u c e d f i r s t ，t h e 也e s i si 曲0 d u c et h ep a c e so f d e b u g g e dw o r ko fe x p e d m 朗t s ，t h e n ，e x a m i n ee x p e r i m e n t so fp r o t e c t i o 琏0 fo v e r l o a d ， l i g 酞l o a d ，l a c 娃昭p h a s e ，o v e fv o l t a g ea n dl i g h tv o l t a g e ，a n do b t a i n sr e s u i t s e x p e r i m 咄r e s u l t ss h o wt h a te a c h 如n c t i o no ft h ep r o t e c t i o nd e 访c ea c h i e v e st h e 抵i 辨e d a 理黟t 。 f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o ni sd r o u g l l t ，加n c t i o na n dc h a r a c t e ro ft h ed e 访c ei s 鼹鑫溅撕z 甜，毅d 囊e 珏钹s 抛颧鹅凼确。基。魏逸p o i 鑫蕊跚l 。 k e yw o r d s ：烈t e m a t i n 8m o t o r ，d a t as 卸m l e ，a v rc h i pm i c r o c o n t r o l l 筋 s 辨t 弧i cp 蹴e 嘶v ed 赢c e ，s 撕蠢c o 嫩嫩n i c 旋瞧 4 四川大学硕士学位论义 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文孛特别加以标注帮致谢的地方辨，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获碍四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期闻在导藤指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生签名：堤孑 导师签名：韩嗽考 导师签名：姊、鬈晋 曰 期：抽7 年岁月 四川大学硕士学位论文 1 绪论 课题的背景和意义 三相交流异步电动机因其结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便、机 械特性能满足大多数生产机械的要求等优点被广泛地应用于发电厂、化工厂以 及工矿企业中，成为所有动力设备中的主力军，其耗电量占总发电量的7 0 以 上，所以电动机的节电在节能中具有举足轻重的作用。在电动机节能运行方面 己作了许多工作，取得了一定效果，但忽略了电动机保护在节能中的重要作用。 电动机在烧毁过程中因发热所消耗的电能是极大的，每年仅因电动机烧毁所耗 电能达数十亿l 湖m ，因材料报废所产生的间接耗能更是巨大的，所以必须重视 电动机保护这一重要环节【l 】。目前在技术先进国家电动机保护已具有较高水平。 据有关部门统计，全国每年烧毁电动机的数量在2 0 万台次左右，总容量约 4 0 0 0 万k w ，直接损失达1 6 亿元左右，间接损失高达百亿元。因修复电动机每 年消耗电磁线5 0 0 0 万k g ，生产1 k g 铜线需3 3 4 k w h 电能，每年为此需消耗1 6 7 亿k w h 电能。所以，节约用电，节约原材料就是节约能源。节约能源就是通过 采用技术上可行的，经济上合理和有利于环境保护的一切措施，用以消除用电 过程中不合理和浪费现象。因此，抓好电动机保护的研究与推广工作，对国民 经济和节能有着重要的意义【旧。 另外，科技的发展和生产的现代化推动了电动机设计制造技术和生产使用 的发展，而采用了现代科技设计制造并且在生产现代化和控制自动化条件下使 用的电动机又对电动机的保护提出了更高更新的要求。 从电动机制造和发展的过程来看，由于采用新型电磁材料与绝缘材料的结 果，在增加出力的同时，其体积和重量不断减少。为了将生产成本降到最低， 现代大型电动机的设计与制造正走向“极限设计 ，容量相同的电动机与3 0 年 代相比重量减少了一半以上，体积减小了约1 3 。这意味着新型电动机额定电 流与耐热限度电流( 或称允许过载电流) 及启动电流与耐热限度电流的差额较 小。这样的电动机对不正常运行条件十分敏感，电动机所能承受的过负荷能力 四川大学硕士学位论文 急剧下降囝。 从电动机制造和发展的过程来看，由于生产自动化及各种自动化控制、顺 序控制设备的出现，要求电动机经常运行在频繁启动、制动、正反转、间歇以 及变负荷等多种方式。在上述各种不同运行状态下，电动机的发热情况及其所 受到的电动力和热力的冲击相差悬殊。而电动机的经济使用周期( 寿命) ，正与 它所受到的启动次数和持续时间密切摆关。现代生产机械中，由于黧动化的需 要，对电动机的运行要求越来越高【2 捌。同时，由于电动机与配套机械连接在一 起，当电动机发生故障时，经常波及生产系统。因此，对电动机实行有效保护， 是保证生产系统正常工作的一项重要任务。某种程度上讲，电动机的保护与电 动机的设计制造、控制使用同等重要。 l 。2 国内、外电动机保护的发展动态 1 2 1 国内保护动态 目前国内对于电动机的保护与控制主要有兰种类型，即热工仪表型保护、 半导体集成电路型保护与微机型保护。 1 2 1 。l 热工仪表型保护 这是一种原始简单的电动机保护方式，这类电动机保护大多采用的是熔断 器，接触器和断路器及热继电器组合的简单保护，其组合类型主要有：熔断器 交流接触器燕继电器；断路器交流接触器一热继电器；熔断器 断路器。二次操作、控制回路使用的是原始的开停机按钮控制电动机痘 停。 采用热工仪表型保护技术保护与控制的优点是价廉，操作简单，但这种保 护、控制技术的主要缺点是： ( 1 ) 装置体积大。 ( 2 ) 对故障的检测、判断精度差、拒动、误动现象严重，另外反应也不灵敏， 2 四川大学硕士学位论文 常常出现保护尚未动作，电动机已烧毁现象。 ( 3 ) 对于热工仪表型保护，仪表易受原材料，工艺水平的影响使之性能不稳 定，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调。 ( 4 ) 对轻微过载保护欠缺，因而容易导致长期轻微过载运行，在电动机绕组 产生热积累，促使绕组绝缘老化，使电动机损坏。 ( 5 ) 参数整定，更改困难，调试整定费事，无法实现自动化控制。 ( 6 ) 当电动机发生故障或熔丝选择不当，一相熔断时反而使电动机工作在缺 相状态下，使故障扩大造成电动机烧毁。电磁型、热继电器的保护虽然结构简 单，安装方便，但这类保护主要以电流增大作为故障判据，对于断相、不平衡 运动等不对称故障不能及时有效的保护【4 1 。 1 2 1 2 半导体、集成电路型保护 随着集成电路的发展，这类保护与控制装置从分立元件向集成电路过渡。 它们较之热工仪表型的保护装置前进了一大步，无论从体积上还是从装置对信 号的检测，判断及实现电动机自动化控制等方面都优于原始的热工仪表型保护 技术，这类保护装置具有过载、短路、断相保护的功能，此类装置通过取三相 电流信号经电流电压变换器转化为电压信号，经整流送至比较、鉴幅电路。然 而它们又暴露出新的问题【5 】： ( 1 ) 设备运行的可靠性和准确性、精度受元器件质量、稳定性影响大。 ( 2 ) 参数整定困难、不准确、动作特性因元器件等因素容易造成拒动或误动。 ( 3 ) 电磁干扰成为装置正常运行的重要威胁。 ( 4 ) 复杂的电子线路，对维护人员的维护水平要求高。 1 2 1 3 微机型多功能保护 微机型多功能保护就是将微电子技术和微电脑技术应用到保护中，是以单 片机为核心，将控制、保护、通讯等功能及于一体，智能全面的保护电动机。 微机型多功能保护有传统保护无法比拟的优点【6 】： ( 1 ) 高度的灵活性 疆j | 大学硕士学位论文 对于不同原理的保护，可使用相同的硬件，只是软件不同，因而更改程序 既可实现一机多用。而且还可以随时通过更改整定值，改变保护特性、增减保 护功能等。 往) 自适应性 程序可实现自适应性，可依系统运行状态而自动改变整定值和特性，如对 电动机的电流速断保护，在寤动和正常运行状态分别采用不同的整定值，从而 提高系统的可靠性和灵敏性。 ( 3 ) 性能稳定，可靠性高 微机型保护的功能主要取决于算法和判据，也即由软件决定，对于同类型 的保护装置，只要程序相同，其保护性能必然一致，所以性能稳定。而且微机 型傺护的软件可以设计成对保护定值和一些硬件设备进行定期自检，发现故障 即报警并将相应的保护退出。在硬件方面，通过一些抗干扰措施以及采用冗余 结构，能大大增强系统的可靠性，从而有效的防止误动和拒动。 ( 4 ) 综合判断能力强 常规继电保护中，当要考虑的因素太多时，霜模拟电路缀难实现兹闯题， 在智能保护中利用微机的逻辑判断能力，很容易解决，因而可以使继电保护的 动作更合理。 ( 5 ) 调试维护方便 微机型保护上电后都要进行自检，发现异常后最譬报警，只有一切正常才进 行保护判断，所以几乎不需要人工调试。在运行过程中可以通过面板上的键盘 更改保护定值，因而工作量小。 ( 6 ) 体积小，重量轻，功麓全，有良好的经济性 微机型保护将多种保护共用一套硬件，体积和重量都比传统的电磁式保护 系统小，便予运输和安装。利用其存储功能可以保存故障参数，在事故后可打 印出各种有用数据，例如故障前后电压、电流采样值和出口时间等。由于计算 机硬件价格的大幅下降，其成本已经下降很多，丽量由于其调试、维护成本低， 与传统保护相比有更好的经济性。 但在国内实际应用上还处于探索研究阶段，对所期望的高精度、高智能化 4 四川大学硕士学位论文 还有一段距离。根据实际调查来看，有些装置存在误动、抗干扰差的情况，对 一些特殊用户的需求没有考虑，人机对话操作繁琐、不直观等。根据我国的实 情还有相当多的企业还在使用传统的热工仪表型或半导体集成电路型保护装 置，因此在这方面我们还有很多的工作要做，迫切需要有适用、价格合理的智 能型保护装置。 1 2 2 国外保护动态 1 2 1 3 国外保护情况 由于微电子、计算机和信息技术的发展，7 0 年代初，国外开始使用电子脱 扣器 刀。到8 0 年代中期，则出现了以微处理器为基础的新一代数字脱扣器的智 能化电动机保护继电器。由于微处理器的应用，使智能化电器的保护性能大幅 度提高，并且也使这些电器具有自我诊断功能，提高了工作可靠性。到了9 0 年 代，由于微机通信技术的发展，又出现了兼有监查、保护、通信和控制功能的 智能化电动机控制器。它有通信功能，能与中央控制计算机进行双向通信，形 成监控、保护与信息网络系统。 目前，国外电动机保护装置研究起步早，功能比较完善。西门子公司生产 的s a c o n 型智能马达控制器，采用微处理器作为其核心元件，实现了电动 机的综合保护。显示电动机运行时的各项参数，存储近期的运行状态、故障信 息，并实现了与上位p c 机通信，把运行状态参数信息及故障态信息送往上位 机。并可接受上位机的启动，停机以及重新设定保护动作值【8 】。 但是国外一些电动机保护还存在一些问题，比如西门子公司生产的 i 、r a c o n 型智能电动机控制器其操作复杂界面不友好，非专业人员很难正确使 用，价格昂贵，很难在我国推广使用。 疆摧大学硬士学位论文 1 3 课题来源及论文主要研究内容 本论文来源于成都甘泉自动化供水设备有限公司所设立的开发项目：“交流 电动规酶测控僳护装置酶研究与开发捧。 本文的研究工作主要是在分析了异步交流电动机故障特征、保护原理的基 础上，运焉微枫继电保护理论，借助子觚羹e g a 圭6 革片枫高速运算麓力秘丰富酶 外围设备，设计开发了一套智能化的电动机微机保护测控系统。该保护测控系 统实时对电流、电压等模拟量进行采集，采用先进的保护算法对采集量进行计 算和处理，利用软件实现先进可靠的保护，从而实现对电动机的保护和测控功 能。 本文俸者具钵完成了系统装置的硬件及软件设诗，进行了基本的实验调试 并对装置所能完成的功能进行了实验检验。 牙篇首先奔缨了本课题研究的蟊翡和意义，电动规综合保护的发震现状以 及课题的理论依据。在下面的内容中将讨论交流电动机的故障特征及其保护原 理。篱要介绍了系统的设计方案。详细分绍了傈护装置的硬件结构设计，介缓 了装置的配套软件设计以及上下位机通信，最后介绍了本装置的实验调试过程 及针对交流电动枧故障保护的实验检验过程，最后对本论文做了总结。 s 四川大学硕士学位论文 2系统总体设计 2 。量研究内容 设计电动机智能综合保护装置。利用单片机实现对电动机过压欠压故障、 过载故障、短路故障和断相故障的检测以及对电动机的保护，对这几种故障按 设定值进行功能性实验。此保护装置实现了以下通信功能： ( 1 ) 保存故障信息； ( 2 ) 显示故障状态； ( 3 ) 和上位机进行信息交换：智麓综合保护装置终端向上位枫( 咒机) 报送电 动机运行时的各项参数、智能终端的各种状态设置、故障信息和系统信息( 遥讯 功能) ；智能终端向上位机报送工作参数，运行时的电流、电压、漏电和湿升( 遥 测功能) ；上位机改变智能终端的设定参数值( 遥调功能) ；上位机向智能终端发 出控制命令，控制开关的分闸( 遥控功能) ，使电动机停止工作。 2 2 研究目标及解决的关键问题 2 2 1 研究目标 开发出适合普通用户使用的功能齐全，界面友好，操作方便的电动机测控 保护装置。 2 2 2 解决的关键问题 模拟量的准确采集，电源的设计：主要器件鲶选型以及上下位视通信功能 的实现为本设计要解决的关键问题。 7 四川大学硕士学位论文 2 3 系统总体结构及保护原理 2 3 1 电动机微机保护装置的一般结构介绍 电动机保护装置实现的功能主要包括：三相电流显示、声音报警、故障脱 扣、故障记忆、过载保护、短路保护、堵转保护、缺相保护、相失衡保护、启 动时间过长保护、过欠压保护等。用传统的模拟线路要实现如此综合的功能， 其线路将会交得毒 常复杂，整个装置的体积也会菲常庞大。因此吾前一些模拟 电子式电动机保护器能实现的功能都比较单一，例如：过流保护器、缺相保护 器、漏电保护器等。而随着单片机的出现，使得电动机保护器的发展有了质的 飞跃，在智能化、功能多样化、小型化、模块化、性能可靠性等方面达到前所 未有的水平剀。 用单片机系统实现电动机保护的功能，在硬件方面主要由三相电流信号采 样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等 几部分构成，下面分别对其中的关键部分作简要分析。 2 3 。1 1 电压、电流采样部分 这部分设计直接关系到电压、电流的采样精度。因此，必须通过理论分析、 反复实验方能确定。这部分线路可采用整流线路，也可采用直接交流比例变换 电路，采用哪种线路劂直接决定了程序是采用直流采样还是交流采样，程序设 计将完全不同。若采用直流采样则线路需采用整流线路，整流线路包括半波整 流、桥式全波整流、精密半波整流、精密全波整流等几种形式，二极管半波整 流和桥式全波整流都存在二极管的导通压降影响整流线路线性的问题，特别是 在信号电压较低的时候，影响更大。为了减小二极管导通压降的影响，应选择 整流二极管作整流器件，如l n 4 0 0 l ，但需要注意的是l n 4 0 0 l 耐压值较低( 只有 5 0 v ) ，因而采样电压信号不宜过大。精密半波或全波整流线路在许多资料中皆 有介绍，在此无庸赘述。这种方法的优点是算法简单、便于滤波，但不能及时 反应被测量的突变，具有较大的时阉常数，无法实现实时信号采集；焉且测量 精度点接受变送器的精度和稳定性的影响。 四川大学硕士学位论文 在一些比较高档的仪器仪表中，人们普遍采用交流采样 1 0 】。采样方式是按 一定周期( 称为采样周期) 连续实时采样被测信号一个完整的波形( 对于正弦波 只需采样半个周期即可) ，然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而 得到电流信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。 交流采样的关键技术有几个方面： ( 1 ) 采样周期应远小于被测信号周期。 ( 2 ) 要从硬件上避免采样信号畸变，这就需要从几个方面来努力：保证传 感器在测量范围内输出的电压信号波形失真小。传感器的采样信号到单片机 输入接口往往需要比例放大，这就要求信号变换电路失真要小。防止噪声干 扰，一般的做法是在单片机输入口加一个高频旁路电容【i l 】。交流采样线路中除 去了阻容滤波电容，因而在响应速度方面比直流采样有极大改善，特别对于那 些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。但其会增加软件编程的难度，要 占据较大的存储空间而在一些较简单的小型系统中很少使用。至于采用哪种方 法，在实际使用中应权衡利弊，综合考虑才能作出选择。 根据以上的分析，若本系统使用交流采样，在一个被测信号周期内要多次采 样，即采样周期非常短，而在每个采样周期内要完成信号采集、大量数据计算 的信号处理、各种类型的故障判断、电流电压的显示以及上下位机的通信，若 不能及时完成，就会发生信号混迭失真。并且交流采样还存在采样周期有误差 ( 如其他中断的影响) 、工频波动以及采样不同步等问题，这在本系统中解决有 些困难。由于本系统的响应都是秒级的，实时性要求不高，可采用直流采样。 但电压、电流的直流采样过程又有所不同。由于在电源部分已经有变压和整流 线路，这部分电压采样可直接借用而无需重新构造。它的变换过程如图2 1 所示 厂 广 广 厂 广 广 交流电压一变压器h 整流电路h 滤波电路h 分压电路ha d 电路h 单片机l 【一1 j i j 1 一1 一【一 图2 1 电压信号采样过程 而电流采样则采用传统的方式，利用传感器采集信号后，放大整流滤波后送 入a d 。它的变换过程如图2 2 所示 交流电流一竺竺兰h 竺奎皇竺h 兰兰皇竺h 兰兰皇竺h 坌竺! 竺h ! ! ! 皇竺h 兰竺竺j 9 四川大学硕士学位论文 图2 2 毫流信号采样过程 2 。3 1 。2 显零部分 在工控仪表中经常使用l c d 数码管作为用户界面，其优点是亮度高、驱动 电路简单，但只能显示有限的几个字符，要想表达比较丰富的信息十分困难。 目前，一些高档仪表中开始采用字符型液晶显示器或图形液晶显示器，有的还 含有中文字库模块，直接用中文显示，从焉使界面十分直观，易于理解稻操作。 但同时增加了线路的成本，特别是图形液晶显示模块价格太高，一般低价位的 仪表无法接受。 单片机与l c d 数码管接口一般采用串行通讯方式，配接移位寄存器来驱动 数码管工作，设计不同的驱动程序可实现不露的显示方式。例如：数码管闪烁、 小数点位数自动变换，特殊字符显示等。为了减小数码管的功耗，一般采用动 态驱动方式，也就是在一个周期( t ) 内只在( 1 3 1 2 ) t 的时间内显示，通过调 节占空比可改变数码管豹亮度。另外需注意数码管的驱动电压不能太高，如果 用+ 5 v 电源驱动就需力曩限流电阻或降压二极管。其中用降压二极管较好，可防 止因数码管点亮的笔数发生变化而造成的电压波动，从而保证数码管亮度稳定。 单片机与字符型l c d 模块接口的数据线仍可采用串行接口方式，而控制信 号可直接由单片机王0 西控制。如果数据线采用并行方式，将占用单片机大量 的资源，因丽不宣使用。在编制驱动程序时，在性能许可的情况下应注意尽量 减小数据线和时钟线的信号频率，这样可减小电磁干扰。 2 3 。1 3 控制输出部分 控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜，市场产 品丰富，驱动线路也比较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作时会 产生“火花，严重时可影响系统的正常工作：因此，在p c b 板布局时应将继电 器尽量远离单片机并靠近仪表鲶输出端墨。另外，在继电器线圈两端应并联续 流二极管，否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压，从丽破坏电路。 固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，随着其价格的逐渐降低和 性能的完善已开始被广泛使用，但小功率的固态继电器价格仍比普通继电器高 1 0 四川大学硕士学位论文 很多倍，因此，在电动机保护器中绝大部分均采用普通继电器 1 2 ，1 3 1 。 2 3 2 本设计保护装置的结构及保护原理 微机型保护装置是一种依靠单片机，智能的实现保护功能的工业控制装置， 保护装置的硬件结构通常由五部分构成，即信号输入电路、单片微机系统、人 机接口部分，输出通道部分及电源部分【1 4 ，1 5 1 。系统硬件框图如图2 3 所示 l 信号输入卜_ 呻 - 一人机接口 c p u 主系统 p 驴l 卜一 通信 图2 3 系统硬件框图 保护装置的基本工作原理：当电动机开始启动时，仪器把采集到的模拟信 号通过a d 转换器转换成数字信号并送给c p u ，仪器对参数进行分析和计算并 和设定值进行比较。一旦出现故障( 即过载、短路、断相、过欠压等) ，c p u 发 出指令，执行机构动作，停止电动机的运行。 2 4 设计的一般原则 电动机测控保护装置，是一种以各种电子元件为基础，实现对电动机各种 保护功能的装置。电子器件具有寿命长，动作速度快，灵敏度高，消耗功率小， 重量轻及便于小型化、集成化等突出优点，使电子保护装置实现对电动机的多 功能保护取得了广泛的应用。 综合各类电动机电子保护装置的工作原理及现场应用的实际要求，可将电 子综合保护装置的设计原则归纳为【1 6 】： ( 1 ) 要求保护功能齐全，保护特性优良，以满足生产的实际需求。 四川大学硕士学位论文 电动桃电子综合保护装置应包括有过压保护、欠压保护、过载的反时限保 护、凝摆与不平衡保护、短路速动保护等功麓。 ( 2 ) 要充分注意工作环境对毫子保护装置可靠性的影响。 由半导体元件组成的电子保护装置的最大弱点是热稳定性羡。保护器要安 装在邀动机豹旁边，由于散热条件的限制以及保护装鬻长时闻运行本身损耗发 热，更使电子保护装置长麓处于较高的工作溢度。隧着装置向小型化发展，由 于腔体减小；结构紧凑，更馒腔内溢：升加剧，隧外已有琶家将电子装置的考核 温度规定为7 0 0 c 。 各逸供电距离蓑异很大，电压波动范嚣也缀大。为了适应这一情况，一般 要求电子保护装置能在额定电压的8 0 一1 2 0 电压波动范围内可靠工诈。 本装置主要用予水泵挂制，现场湿度夫，有的场所甚至出现淋求，赦对电 子保护装置的防潮性也有很高的要求。 电子保护装置在使用过程中还经常随电动机一起搬运、滚动，其交流接触 器本身分合也产生缀大的震动，要求僳护装置应具有较高熬辊械强度与抗震性 能。 电压波动大，高温、高湿及干扰多，震动大是现场环境对怒子僳护装置提 磁的特殊要求。在设计时簧使保护装置安装位置远离热源，各种电子元器件选 取要有较大的裕量，电路上要采取必要的温度补偿措施、稳压措施与撬于扰簧 施，并努力使其具有定的囱检功能。印刷电路板的材质、各种插接件的质量 必须给予足够的重视，各种元件必须经过筛选，元器件的安装应采取一定的防 震措施，整机酶密厂必须经过浸漆烘干处理，戳确保整个装置工作的可靠性。 3 ) 在生产过程中安全是最重要韵，电动机电子综合保护装蓑在设计及应焉 过程时，首先要考虑到应用现场的安全问题。如保护装置本身要傲到在强毫秘 弱电之间可靠隔离；在采用短路保护功能时，分断的短路电流必须小于交流接 皴器棱限分断麓力等，决不允许因保护装置的使用磊带来新的不安全因素。 ( 4 ) 努力采用新元件、新技术，力求僳护装置电路简单，使焉元锋少，生产 调试方便，维修简单，成本低廉，利予大量生产及广泛应用。 四川大学硕士学位论文 3 理论基础 电动机保护理论是本课题设计的基础，也是系统核心器件选型的基础。 要设计一个保护装置，首先要分析保护对象会遇到的各类故障，分析其故 障特征，才能提出切实可行的保护方案。对于异步交流电动机来说，其故障形 式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。造成绕组损坏的主要原因有： ( 1 ) 由于电源电压太低不能顺利启动，或者启动过于频繁，使电动机因长期 过负荷而毁坏。 ( 2 ) 长期受电、热、化学或机械作用，使电动机绝缘老化和损坏，形成相间 或对地短路。 ( 3 ) 三相电源电压不平衡或者断相运行，电动机长期承受负序电流而烧毁。 ( 4 ) 冷却系统故障或环境温度过高。轴承损坏造成偏心、扫膛，以及因机械 故障造成堵转。 造成电动机轴承损坏的原因主要是： ( 1 ) 机械负荷过大或振动太大。 ( 2 ) 使用润滑剂不合适、缺少润滑油甚至无润滑油。 ( 3 ) 绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承损坏【l 刀。 由于电动机的微机保护主要通过检测电量( 电流、电压以及开关状态等) 来 监测电动机的运行状态，因此面对的主要问题是绕组故障。 3 1 常用的保护方法 3 1 1 过电流保护及堵转保护 因为当电动机在起动、超载、堵转、满载状态电源电压下降等条件下，均 会出现过电流，其特点是三相电流平衡增大【1 8 1 。所以系统针对过电流保护主要 考虑两点：一是启动过程定时限保护；二是运行时反时限保护。 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 启动过程的保护 电机启动的瞬闻，启动电流非常大，高达电机额定电流的7 倍。但随着电 机的转速增大，电流逐步减小，在额定负荷下，启动电流最终稳定在额定电流 上，这一过程称为电机的启动过程。如采用常规方法进行堵转、过流故障检测， 则必然会产生误判断，造成电机无法启动。传统电机保护器采用“延时法朋以 便避开瘟动过程。在电枧启动初期，保护器作适当延时，延时时阆大予雇动时 间，在延时过程中，保护器不作任何检测，以便跳开启动过程，延时结束后再 进入正常检测状态，如目前市场上的晶体管保护器就是采用这种方法。这里有 这样一个问题，如果在启动过程中就已经出现堵转、不正常过电流等故障时怎 么办? 很显然，这种方法在启动期间已失去保护作用，不能进行有效的保护。为 了进一步提高保护装置的实用性，可以采用定时限方法，也就是在一定时间内 检测电机电流参数多次，如果该电流参数一直大于某一定值，则认为电机故障， 实现启动过程保护。 ( 2 ) 运行中过电流的保护 在过流保护中传统的方法是使焉定值判断傈护法。定值判断保护法就是根 据不同的电机将过流保护域值设定为不同的定值，一旦运行电流超过该保护域 值就视为出现过电流故障，但是如遇到电圈电压波动、电机负载正常值的上下 波动及电脉冲干扰等情况，容易发生误保护，要消除误保护，就必须增大保护 域值，这必然会降低过流保护灵敏度，降低保护性能。为了进一步提高过电流 保护性能，可以采用反时限特性保护法。反时限工作原理是当电动机实际运行 电流大于设定电流时，故障因子开始累加，过流倍数( 电动机实际运行电流最大 一相值与设定电流值的毙僵) 越大，累加越快，到保护装置将要采取动作的时间 越短；反之，在尚未到达保护装置动作时限之前，一旦故障解除，故障因子立 即递减，直至为零。警过流倍数大于8 时，保护装置判断为短路，立即跳阑。 这样我们看出因为干扰电脉冲的宽度通常都很窄，所以脉冲干扰根本就不能使 保护装置出现误动作，大大提高了保护装置的抗于扰能力。 ( 3 ) 堵转保护 由于某些原因( 如负载过重、电机卡轴等) 造成电机无法转动( 电机并未断 1 4 四川大学硕士学位论文 电) ，也就是常说的堵转，此时的定子电流为额定电流的7 8 倍，它可在短时间 内烧毁电机。 堵转特性参数值= 乞l 气一电机堵转电流；t 一电机额定电流。 该参数通常设定为4 1 9 1 3 1 2 三相电流不平衡及缺相保护 在三相电流不平衡及缺相判断中仍需采用反时限保护原理，保护装置动作 时间和不平衡度d 成反比。不平衡度d 的计算方法如下式所示【2 0 1 扛与等枷毗仔， 其中k 为最大相电流；k 为最小相电流；l 为三相平均电流。根据以上 计算方法，三相中任一相为零、其余两相不为零时的不平衡度为1 5 0 ；任两相 为零、一相不为零时的不平衡度为3 0 0 。保护装置设定d 为3 0 0 时的动作时 间为1 s ；d 为1 5 0 时的动作时间为2 s ；3 0 d 1 5 0 时的动作时间为5 s ； 1 5 d 3 0 时，且持续时间超过5 秒就会报警。 可以看出：电机缺相运行和三相不平衡是同一种类型，区别在于严重程度 不一样，三相不平衡的极限就是缺相，可采用同一保护方式。 3 1 3 过热保护 用发热模型计算过温的电机保护：电动机短时间过载时，持续时间不长( 指过 载时间小于1 0 s ) ，可看成是没有散热的发热过程。电机定子绕组的温度模型如 式( 3 - 2 ) 所示。 f = + 争f 2 名 ( 3 - 2 ) 四川大学硕士学位论文 式中一绕组的初始温度；t 一额定负载温升：卜电机负载电流相对额定 负载电流倍数； f ，一过载时间；t 一电机发热时间常数；一般情况下t 可以 用式( 3 3 ) 表示： r 。警( 3 3 ) 1 i 式中立额定负载下，电机绕组电流密度。 上述公式是电动机内线圈发热模型的基础。e l j 于实际上，在电机运行时散热 是必然的，因此，实际应用的电机发热模型还要考虑散热的修正系数。过载热 损伤保护是通过测量相电流来计算由电流不平衡引起的等值电机热电流，再根 据电机发热模型计算，求得绕组温度。当计算数值达到设定的绕组跳闸温度时， 保护继电器动作，切断电机电源，从而保护电机系统。这种保护可以实现因过 流造成的热损伤保护。 但是，这种保护不是直接测得电机绕组的温度，不能反应通风、冷却系统 损坏等造成的过温。它适用于没有测温探测器的场合 2 l 】。 3 1 4 热冷却模型 过负荷跳闸后， 式( 3 4 ) 所示。 q i = q 0 矿“r 电动机进入冷却状态，电机的热容量值以指数函数衰减如 ( 3 - 4 ) 式中磊为电动机过负载消除时的热容量积累值，零力热衰减时闻常数，骇为经 t 时间衰减后的热容量值。当q l 低于莱一数值时，可以认为电机已冷却可以重 新靡动。 3 1 5 其它保护 ( 1 ) 过载保护 1 6 四川大学硕士学位论文 可通过计算f 2 f 和选择负荷曲线，也可通过电流的有效值加以判断。 ( 2 ) 过电压、低电压保护 给电机供电的电源电压是很难保证恒定、不出现波动或其它异常情况的。 如果电动机在电源电压低于额定电压一定程度时启动，则难以提升到额定转速。 当电源电压降低或短时中断时，一些不允许或不需要自起动的电动机须从电网 中断开。另一方面，如果电动机带负载运行时电源电压升高，则电动机电流降 低，但铁损和铜损变大，引起电动机温度上升，也会导致电机损坏。因此，针 对电源电压的变化，可以分别配置低电压和过电压保护。低电压其定值的设置 要躲过电动机启动时的最低电压。当三相相间电压均高于过电压保护定值时， 过电压保护动作。过电压保护定值要按电网电压允许波动的最大范围进行整定， 通常当电网电压超过额定电压的2 0 时被视为过压。 3 2 基于对称分量法的电动机保护理论 在对大型电机的保护措施中，要求具有较高的保护特性，常规的电机保护 措施有些严重缺陷，这样就出现了基于对称分量法的电动机保护理论。 根据对称分量法理论，当发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、 负序和零序电流分量，其中正序分量可以反映电动机过流程度，负序分量和零 序分量在正常运行时没有或很小，而发生不对称故障时则会显著增加，因此若 通过检测负序和零序电流分量来判别各类不对称故障应具有很高的灵敏度及可 靠性。根据以上分析，电动机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大， 而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和(