（计算机应用技术专业论文）基于atmega64的电机能保护器设计和实现.pdf

s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a oh u a n s e n i o re n g i n e e rz h o u w e i p i n g o c t o b e r , 2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 一 作者签名：步j 云霞 日期拶哞f 月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保刹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：列参霞 日期：2 , - l 口年1 月妒日 导师签名：d 必乙 日期： 加o 年，2 月弓e t 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 摘要 在现代工业生产乃至日常生活中，经常要用到各种各样的电动机，随着国民 经济的不断增长，其需求量与使用量也在不断增加，成为国民经济生活中不可或 缺的角色。但在实际的生产过程中，由于电网波动、负载冲击等影响经常造成电 动机故障甚至损坏，对国民经济造成巨大影响，本文对电动机保护展开研究。 首先介绍了电动机保护的意义、发展现状和存在的问题，针对电动机各种故 障特征建立了相应的数学模型，讨论了交流电流保护的理论和算法。然后介绍了 电动机保护器硬件系统的构成和a t m e g a 6 4 单片机的特点，探讨了1 2 c 现场总 线及m o d b u s 现场总线在电机保护器中的应用。 论文开发了一个电动机实时监控保护系统，该系统以计算机为上位机，通过 m o d b u s 现场总线连接各电动机保护系统构成通讯网络，可对多个电动机的工作 状态进行实时监控和保护。上位机可以通过m o d b u s 总线远程监测网络上每个保 护器的工作状态和得到电动机的运行参数，设定电动机保护器参数。电动机保护 系统以a t m e g a 6 4 单片机为核心c p u ，通过交流采样测量电动机运行时的三相 电流，并通过傅立叶算法计算出三相实时电流有效值、负序、零序电流来实现对 电动机的综合保护。论述了合理分配单片机c p u 资源和建立m o d b u s 通讯协议 的方法。最后，通过有效的实验，验证了该系统的有效性和实用价值。 关键词：电动机保护；交流采样；a t m e g a 6 4 ；现场总线；m o d b u s 工程硕士学位论文 a b s t r a c t m a n yd i f f e r e n tm o t o r sa r eu s e di nm o d e r ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n do u rd a i l y l i f e ，w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ed e m a n da n dt h eu s e da c c o u n t o ft h em o t o r sa r er a p i d l yg r o w i n g ，a n di tp l a y sa nv e r yi m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a l a n da g r i c u s t r i a lp r o d u c t i o n b u tt h em o t o r t h ep o w e rn e t w o r kf l u c t u a t i o na n di m p a c t a r ed a m a g e da n df a u l t e db yt h ei m p a c to f l o a di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e n a t i o n a le c o n o m yi sd a m a g e db yt h ep h e n o m e n a ，s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h e s c i e n t i f i cr e s e a r c ht a s ko ft h ei n t e l l i g e n tm o t o rp r o t e c t i o n w ew i l ld ot h i sw o r ki n t h i sp a p e r i nt h en e x tp l a c et h es i g n i f i c a n c e ，t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o na n dt h ep r o b l e mo f t h em o t o rp r o t e c t i o ni si n t r o d u c e n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sf o u n d e df o rv a r i o u s f a u l tc h a r a c t e r ，t h ep r o t e c t i n gt h e o r ya n da r i t h m e t i ca b o u tt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t e l e c t r o m a g n e t i cm o t o r s e c o n d ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ep r o t e c t o ra b o u tt h e m o t o ra n dt h ec h a r a c t e ro ft h es t a t u sa n dp r o b l e m sf o rt h em o t o rc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sf a u l t s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od i s c u s st h ep r o t e c t i o no f a l t e r n a t i n gc u r r e n tt h e o r y a n da l g o r i t h m s t h e nt h em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e m h a r d w a r e s t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e a t m e g a 6 4s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra r ei n t r o d u c e d f i n a l l yt h e1 2 cf i e l db u sa n dm o d b u sf i e l db u si nt h e m o t o rp r o t e c t i o na p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r ，w er e s e a r d e d ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e d ar e a l t i m ei n t e l l i g e n tm o t o r p r o t e c t i o ns y s t e m p c i s u p p e rc o m p u t e r i nt h i ss y s t e m b yt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ks t r u c t u r e db yt h em o d b u sf i e l db u sc o n n e c t e dt h em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e m i su s e dt or e a l t i m em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d t h eu p p e rc o m p u t e rm o n i t o rt h e w o r k i n gs t a t u sa n da c q u i r et h er u n n i n gp a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m e ，i tc a ns e tt h e p a r a m e t e r so ft h es y s t e m t h em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea t m e g a 6 4 s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs a m p l e da n d m e a s u r e dt h et h r e e p h a s ea co ft h e r u n n i n gm o t o r ，t h e e f f e c t i v ev a l u e ，n e g a t i v e s e q u e n c yc u r r e n ta n dz e r os e q u e n c e c u r r e n to ft h r e e p h a s ea cw o r k e do u tb yt h ef o u r i e ra l g o r i t h ma r eu s e dt oc o n t r o lt h e m o t o rs y s t e m w ed i s c u s st h ea t m e g a 6 4s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs t r u c t u r ea n d r e s o u r c e ，f o u n dt h em e t h o do ft h em o d b u sp r o t o c 0 1 f i n a l l y , t h ev a l i d i t ya n dt h e p r a c t i c a lv a l u eo ft h i ss y s t e mi sv e r i f i e db yt h es c i e n t i f i ce xe x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：m o t o rp r o t e c t i o n ；a cs a m p l i n g ；a t m e g a 6 4 ；f i e l d b u s ；m o d b u s m 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 系统开发背景1 1 2 电机保护器的历史及发展现状1 1 2 1 电机保护器的发展概况2 1 2 2 电机保护理论的发展概况3 1 3 系统基本特点与论文主要内容4 1 3 1 本文研究的内容4 1 3 2 本电机保护器的基本特点5 1 3 3 论文章节安排6 1 4 j 、结6 第2 章电机保护原理_ 7 2 1 电机故障及判断依据7 2 1 1 启动时间过长保护7 2 1 2 堵转保护7 2 1 3 定时限过载保护8 2 1 4 反时限过载保护8 2 1 5 欠载保护1 0 2 1 6 接地漏电保护1 0 2 1 7 缺相保护1 1 2 2 电机保护原理1 1 2 2 1 信号采样原理1 l 2 2 2 电机保护算法1 2 2 3 小结1 4 第3 章电机保护器硬件设计1 5 3 1 微处理器介绍1 5 3 1 1c p u 选型原因1 6 i v 工程硕士学位论文 3 1 2a v r 单片机特点1 6 3 2 输入电路设计1 7 3 2 1 开关量输入电路设计1 7 3 2 2 采样信号输入1 8 3 3 输出回路设计l9 3 3 1 开关量输出回路设计1 9 3 3 2 使用p w m 实现d a 转换2 0 3 4 c p u 周边电路2 2 3 4 1 振荡电路2 2 3 4 2 系统复位与看门狗电路2 3 3 4 31 2 c 电路设计2 4 3 5 人机接口电路设计2 6 3 5 1 键盘电路设计2 6 3 5 2l c d 电路设计2 6 3 6 通信系统设计2 7 3 7 小结2 9 第4 章电机系统保护软件设计3 0 4 1 系统开发环境选择3 0 4 2 电机保护器软件设计3 0 4 2 1 主程序设计3 0 4 2 2 定时器中断程序设计一3 2 4 2 3 故障、通信与按键处理程序设计3 3 4 4 系统菜单式操作界面设计3 4 4 5 下位机通讯模块设计3 4 4 5 1m o d b u s 协议介绍3 4 4 5 2 本系统所用通讯格式详解一3 8 4 5 3 本系统对应数据的地址表4 0 4 6 月、结4 2 第5 章平台性能测试4 3 5 1 测试设备：4 3 5 2 测量精度测试4 3 5 3 保护功能测试4 5 5 3 1 保护动作精度测试4 5 5 3 2 保护时间精度测试4 5 5 4 模拟量输出测试4 5 v 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 5 5 开入开出测试一4 8 5 5 1 开入测试4 8 5 5 2 开出测试4 8 5 6 测试过程中所发现问题及解决4 9 5 7 小结4 9 结j 沦5 0 参考文献5 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 5 致 射5 6 v i 工程硕士学位论文 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图 图 图 图 图3 8 图3 9 图3 1o 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 插图索引 反时限过载保护1 0 保护器与主电路的连接图1 5 保护器整体硬件电路示意图1 6 开关量输入电路1 8 采样信号稳压滤波电路1 9 开关量输出电路2 0 p w m 实现d a 转换输出框图2 1 p w m 到d a 转换输出电路2 2 a t m e g a 6 4 时钟电路2 3 系统上电复位电路2 3 看门狗电路2 4 日历时间及存储器扩展电路2 5 人机接口电路2 7 单片机系统与p c 机组成的r s 4 8 5 网络框图2 8 r s 4 8 5 通信电路设计一2 8 系统主程序流程图31 t 3 的中断服务程序流程图3 2 故障处理程序流程图3 3 系统主监控界面3 4 系统菜单3 5 保护系统与继电保护仪联机测试4 3 三相电流精度测试误差图4 4 模拟量输出线性图4 6 v 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 附表索引 表2 1 极端反时限系数表9 表2 2 电流一时间特性对照表9 表3 1p w m 脉冲个数与d a c 分辨率对应关系表2 1 表4 1a s c i i 信息帧格式3 6 表4 2a s c i ir t u 信息帧格式3 6 表4 3 本系统所用功能码3 7 表4 4m o d b u s 出错代码表3 7 表4 5 查询数据帧格式3 9 表4 6 响应数据帧格式一3 9 表4 7 查询数据帧格式3 9 表4 8 有s o e 的响应数据帧格式3 9 表4 9 无s o e 的响应数据帧格式4 0 表4 1 0 遥信数据地址检索表4 1 表4 1 1 遥测数据地址检索表4 l 表4 1 2 遥控输出地址检索表4 1 表5 1 三相电流测量精度表4 3 表5 2 保护动作精度测试数据表( i e = 5 0 a ) 4 4 表5 2 保护动作精度测试数据表( i e = 5 0 a ) 4 6 表5 3 保护时间精度测试数据表( i e = 5 0 a ) 4 7 表5 4 反时限保护时间精度测试数据表( i e = 5 0 a ) 4 7 表5 5 模拟量输出精度测试数据表一4 7 表5 6 系统开入测试数据表4 8 表5 7 系统开出测试数据表一4 9 v i i i = 程硕士学位论文 1 1 系统开发背景 第1 章绪论 电机在国民经济中起着十分重要的作用，现代工业生产及以至我们的日常生 活都要用到各种各样的电机。电机是广为应用的动力设备之一，为各种机电设备 提供动力支持。在当今工业社会中，以电机作为动力的比例占全部动力来源的 9 0 以上，9 0 的电能是被电机消耗的【l 】。电机所带负载种类繁多，往往都是影 响整个生产过程的关键设备。随着国民经济的不断增长，电机的需求量与使用量 也在不断增加。但在实际的使用过程中，由于人为失误、电网不稳定、环境因素、 负载冲击等的影响，电机故障运行经常发生，轻则打乱生产计划，重则可能造成 电机损坏和其他严重事故，从而导致极大的经济损失。据不完全统计，全国使用 的中型电机大约有2 0 0 0 万台，每年烧毁的电机约占l6 ，约3 2 0 万台，假定 平均每台的维修费用10 0 0 元，则总费用约为3 2 亿元左右。另外，由于电机的故 障造成的其它事故所导致的间接经济损失则更为巨大【2 】。高效、及时、可靠的保 护电机对经济的平稳运行有着重要的意义。 造成电机损坏的原因有很多，除了管理措施不完善、自然条件影响、生产现 场制约等因素外，电机保护器也是其中很重要的一个因素。目前使用的电机保护 器尚有诸多不完善的地方，误动、拒动等不正常的情况经常发生，影响电机的正 常使用，导致部分用户不用或将保护系统甩掉的现象。随着工业社会的发展，自 动化技术得到了广泛应用，一个工作部门往往同时运转着上十台甚至数十台电 机，为方便操作人员及时发现故障并进行处理，需要对这些电机的运行参数进行 集中监控。在目前各种电机保护器中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、 体积较大不便在有限制的控制系统中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程 度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，导致现场经常放弃使用 这类保护器。因此，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、 可靠性好、方便实用、带网络功能、能够集中控制的电机综合保护与监控系统十 分必要。 1 2 电机保护器的历史及发展现状 电机作为各种机电设备最主要的动力来源在国民生产中具有无可替代的地 位，它在各行各业中广泛使用，是经济平稳运行及人民生活正常进行的重要保证， 但在使用中因各种原因经常发生电机烧毁甚至引发重大安全事故，因此做好电机 基于删e g a 6 4 的电机智能保护器设计 的保护工作在保证安全生产、增进经济效益、提高生产效率等方面具有重要意义。 国内外已有各类针对电机的保护系统，而且无论是从电机的保护理论还是实现方 法等方面都在不断发展。我国的电机保护器经历机械式、模拟电子式和智能化发 展等几个阶段，随着研究的不断深入，电机保护理论也在不断更新、发展。 1 2 1 电机保护器的发展概况 1 机械式电机保护器 在我国采用熔断器、接触器与热继电器的组合是最早普遍的电机保护方案， 热继电器具有反时限特性且结构简单、使用方便、价格便宜等优点，型号选用得 当时也能收到较好的保护效果，因此一直延用至今。例如自19 5 3 年以来大批生 产使用的电机保护j r 0 1 6 系列热继电器是典型代表产品。但热继电器存在功能 单一、整定粗糙、受环境影响大、误差大及重复性差等缺陷，且对电机起动过程 中故障不能进行有效保护，在堵转、轻微过载等使电机绕组产生热积累时，由于 热继电器串接在主电路中，无法直接检测电机绕组的温度，对于电机温度过高的 状况无法进行有效保护【3 】。热继电器在保护过程中也要消耗较多的电能，在热继 电器真正起到保护作用动作几次后，其绝缘材料与电阻丝等部件也会因过热而迅 速损坏，不能继续使用，必须全部更换【4 】。随着技术水平的发展，基于热继电器 的电机保护方案已无法满足越来越高的要求。 2 模拟电子式电机保护器 随着半导体模拟器件的兴起及普及，在上个世纪七八十年代出现了一批功能 多样化、性能比较可靠的电子式电机保护器，能够比较可靠的为电机的正常运行 提供保障。电子式电机保护器一般可分为温度保护、综合保护( 多功能保护) 、断 相保护。电子式电机保护器具有动作迅速、耐冲击振动、功能多、功耗小等特点 1 5j 。但它仍存在一些致命的缺陷，主要包括：整定、采样精度不高，无法实现包 括多种保护功能于一体的全功能保护器。随着生产技术的发展，生产现场对电机 保护的要求也越来越高，希望保护器的性能可靠、功能多样化、界面直观、体积 小，接线简单，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的1 3 】。 温度继电器是采用双金属片结构的盘式继电器，具有动作可靠、结构简单、 保护范围广等优点。但温度继电器的成本高、体积较大、安装在电机内部绕组上 的安装工艺复杂、保护动作慢，恢复时间长，3 k w 以上的三角形接法电机不宜 使用温度继电器进行保护【6 】。目前温度继电器只是在小型家用电器保护方面大量 使用。 3 智能式电机保护器 智能式电机保护器是在综合保护器的基础上发展起来的，集保护、遥测、通 信和遥控为一体的电机保护器。其采用微电子技术，通过精确地检测电机的工作 2 工程硕士学位论文 电流并与设定值进行比较从而提供比传统热继电器更精确、更可靠、更完善的保 护。除了可实现通常的过载、相保护外，还可实现预警、报警、多功能保护、非 电量保护。具有节能、动作灵敏、耐冲击振动，重复性好等优点，可定义的输入 输出端子可以省略大量的中间继电器等转换电器，使线路得到简化；具有可扩展 功能、可现场调整多种参数、可现场编程、人机界面友好、故障记忆与诊断等功 能，适用于各种智能化控制程度要求高的场合【3 】。 智能型产品适应性强，可以根据要求，只要修改软件就可以比较容易地实现 覆盖了通用类机械的保护器及各类专用保护器。 智能式电机保护器将各类继电器、变送器、测量互感器的功能融为一体，集 中了分立元器件的优点并克服其缺点，同时添加了现场总线技术。具有集成化、 模块化、小型化、高性能、安装调试方便等特点，成为低压电机控制系统理想的 电器元件，特别适用于电厂、石油化工等行业的电机控系统，是一种高可靠性的 电器产品。为电机保护与控制系统提供了一种新的解决方案。 随着现代信息技术与集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究也 取得了巨大的进步。随着新技术、新工艺不断出现，用计算机测控系统取代传统 的测控仪表，用现代的控制算法取代经典的控制算法，已成为工矿企业及科研院 所设计与改造工业测控系统首先考虑的问题【。 1 2 2 电机保护理论的发展概况 智能式电机保护器一般由软硬件两部分构成，硬件提供软件运行的平台，软 件则按照系统功能要求和保护原理对硬件进行控制。智能型电机保护器采用的保 护原理主要有以下几种： 1 以过流为特征的电机保护理论 以过流为特征的电机保护理论以通过电机的电流大小作为故障判据的。这种 保护理论只对严重对称故障能够及时进行判定，对非对称故障( 如：断相、漏电 和三相不平衡运行等) 不能及时进行保护动作。首先，电机发生非对称故障时不 一定出现明显的过电流，例如当发生断相故障时，只有电机负荷率高于7 0 的 情况下其它相才会出现过流的情况；其次，电机发生非对称故障时会产生负序电 流，从而导致电机发热、转子震动、起动力矩降低等一系列问题。因此以过流为 特征构成的电机保护器不能够实现对电机的全面监测与保护【引。 2 基于对称分量法的电机保护理论 对称分量法在电机严重故障的诊断与保护方面已得到广泛应用，研究比较深 入。由对称分量法理论可知，在电机发生不对称故障时，通过其的电流可分解为 正序、负序和零序电流等三个分量。正序分量用来判断电机的过流程度；零序和 负序分量在电机正常运行时很小或没有，因此可利用负序和零序分量来可靠地判 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 别电机的不对称故障，对称分量保护理论与过流保护结合可以构成电机的综合保 护【9 1 。 3 基于数字信号处理的电机保护理论 无论是过流保护还是对称分量法保护，对于电机内部故障判定均存在不足。 随着分析算法与检测手段的发展，各种数字信号处理算法在提取有效故障特征量 方面起着越来越重要的作用。 傅氏变换的频谱分析技术是一种应用于电机故障诊断的较早的信号处理方 法。对于电机内部故障、三相电压不平衡运行、单相运行等故障是一种比较有效 的检测手段【l0 1 。在电机发生不对称故障时，其定子电流中会产生相应的感应电 流，傅氏变换的频谱分析技术可以检测出这些感应分量，通过这些感应分量构造 相应故障判据就可确定电机故障状态。以快速傅里叶变换( f f t ) 为核心的信号处 理方法在电机保护中发挥了巨大作用 1 1 - 1 3 】。 小波分析是一种新的信号分析处理方法。它通过一个可变尺度滑动窗对信号 进行分段截取和分析。小波变换可以精确反映瞬时信号的特征，能准确定位信号 中的短时高频成分，也能估计信号中低频信号的变换趋势。小波变换不仅继承和 发展了局部化的思想，而且克服了其它信号处理方法时频窗口固定不变、缺乏离 散正交基的缺点，是一种理想的时频分析工具 1 4 1 。小波分析法在电机保护中已 经逐步得到了应用。 目前的微机综合型电机保护器基本能满足电机保护的要求，但是依然还存在 如：保护系统通用性不强；可靠性不高；人机界面不够友好；系统复杂，成本高 昂，对运行维护人员要求高；或太过简单化，造成保护功能少，判据过于简单， 不利于电机安全。本论文在电机保护器研发中，将针对电机各种状态下的电气量 特征进行研究，力求准确检测出电机的状态，从而加强对电机的保护。 1 3 系统基本特点与论文主要内容 1 3 1 本文研究的内容 本系统的主要功能是实现对生产过程中的电机实时保护与控制，要求能通过 电机系统的电流变化情况对电机实行不同的保护动作以保证其正常工作，对故障 状态进行记录，并将故障数据根据需要及时传输到p c 中，同时可以进行声光报 警提示，以便于及时进行人工干预，对严重故障能进行实时中断电机运行，实现 对电机系统的保护功能。 综合国内外智能电机保护器的发展现状，本系统采用a v r 单片机 a t m e g a 6 4 作为微机保护系统的c p u ，利用其片内的a d 转换芯片把现场采集 到的模拟量转换成数字量，同时对键盘输入、l c d 显示和执行机构进行控制。 4 工程硕士学位论文 本论文还利用其片内集成的异步串行通信接1 3 ( s c i ) ，实现了串行通信。另外， 利用a t m e g a 6 4 片内的t w i 通信接口，实现1 2 c 总线通讯，为工业控制系统提 供了高可靠性的数据传输。系统设计的主要目的是充分利用a t m e g a 6 4 丰富的 片内资源，尽量少用外接元器件，使系统的性价比最大化。系统设计主要包括硬 件电路的设计和软件程序的实现两个方面。 1 硬件电路的设计 ( 1 ) 信号预处理单元的设计：把从现场采集到的电流信号，经过电流互感器 形成小电流信号，再经稳压电路完成对信号的预处理； ( 2 ) 数据处理单元的设计：单片机将经过预处理的电压电流模拟量转换为数 字量，并进行数字滤波，然后执行存放在程序存储器中的保护程序，对数据进行 分析处理，以完成各种保护的功能； ( 3 ) 键盘显示单元的设计：它是实现人机对话的关键，能够设定标准值并显 示故障类型以及现场工作电流； ( 4 ) 通信单元的设计：通过机械接口、电气接口及微处理器输出口连接设计 来最终实现智能保护系统多机通信或联网以及1 2 c 总线通讯； 2 软件程序的实现 主要是用c 语言编写程序以实现预期功能，其中包括a d 采样与转换程序， 显示程序，故障判断与保护程序，串行通信程序以及1 2 c 总线通讯程序，还包括 各种自诊断程序。 1 3 2 本电机保护器的基本特点 1 智能性 利用集成电路设计技术和单片机技术，使该系统具有了智能性：可实现过载、 断相、接地、堵转和短路等多种保护功能，能根据电机的型号和额定参数设定电 流额定值，实现智能保护。 2 可通信性 可通信是当前国内外研究的一个新的也是一个比较热门的领域。为了适应配 电和控制系统高度信息化、网络化的要求，本论文实现了带m o d b u s r t u 协议 的4 8 5 异步串行通信与1 2 c 总线通讯。通过r s 4 8 5 接口直接与p c 机相连，可由 p c 机指令控制设置初始数据及故障数据上传。 3 实时性 为了使保护更加及时，达到实时性要求，本论文采用a t m e g a 6 4 作为保护 系统的c p u ，极大的提高系统运行速度，增强了系统的实时性，采用a t m e g a 6 4 自带的a d 转换器进行数据采样，以提高系统的数据采样速度。 基于a t m e g a 6 4 的电机智能保护器设计 4 可靠性 系统在硬件电路和软件程序的设计上采取了比较完善的抗干扰措施，输入输 出通道与通信接口方面均采用线性模拟光电隔离器，采用看门狗芯片防止程序跑 飞等，大大提高了保护器的可靠性和抗干扰能力，程序设计采用循环数组存储数 据，节省了存储空间，提高了系统效率。通过1 2 c 总线实现了对扩展铁存储器的 控制，利用铁存储器可以近乎无限次写入及数据能长期保持的特点，用以保存系 统故障数据，以方便对系统运行情况进行分析、改进，保证系统可靠性的情况降 低了系统的功耗。 1 3 3 论文章节安排 论文共分5 章。 第l 章论述了系统开发的背景与意义，讨论了电机保护器及电机保护理论的 发展历程与现状，最后介绍了本系统开发的主要内容与基本特点。 第2 章在介绍电机故障类型基础上，讨论了电机故障类型及其主要判断依 据；根据本系统信号处理的需要，对傅立叶算法与对称分量法在电机保护中的应 用进行了简单介绍。 第3 章首先介绍了单片机选型的基本理由及a v r 单片机的的基本特点，然 后重点介绍了系统硬件设计的整个流程，对系统主要硬件部分的设计进行了阐述 并给出了相关电路图。 第4 章是本系统的程序设计部分，对a v r 单片机开发工具做了基本介绍， 讨论了本系统的软件设计流程，提供了主要子程序的程序流程图，对系统所用的 m o d b u s r t u 协议做了详细的说明，最后对本系统所用到相关地址单元情况进 行了说明。 第5 章介绍了系统测试的基本方法，通过相关测试获得的数据表明，整个系 统软硬件性能和保护逻辑的正确性与可靠性均满足设计要求。 结论部分对整个论文内容进行了简单的总结，并对进一步开展研究的方向进 行了展望。 1 4 小结 本章在介绍电机保护器开发背景的基础上对电机保护器及其保护理论的发 展进行了阐述。同时简单介绍了本论文的主要内容及所开发的电机保护器的基本 特点，并对论文章节作了整体安排。 6 工程硕士学位论文 第2 章电机保护原理 电机故障一般可分为对称故障和不对称故障两类。对称故障主要包括电机堵 转、过载、投入运行时的逆相序、定子绕组和供电电缆的三相短路等，这类故障 会导致电机绕组发热甚至烧坏。其主要特征是三相电流波形基本对称，但幅值较 大，可用电流幅值的显著变化作为此类故障的判断依据。不对称故障包括断相、 相间短路、匝间短路和不平衡运行、断线、单相接地短路和两相接地短路等。发 生不对称故障时会产生较明显的负序或零序分量，因此可以采用负序或零序分量 作为这类故障的判断依据。 2 1 电机故障及判断依据 2 1 1 启动时间过长保护 启动时间是指从电机的最大相电流自零值突然变动到0 0 6 i 。( i 。为电机额定 电流归算到机端电流互感器二次侧的值) 时开始计时，直到最大相电流过峰值后 下降到1 2 i 。时为止，这之间经历的时间长度即为起动时间。 启动时间过长保护是判断电机在规定的时间内是否完成启动而设立的保护， 判断的条件是：当i m a x ( i a ，i b ，i c ) 0 0 6 i 。时，认定电机开始启动，开始计算启 动时间t 。当t t o d 时，正常情况下认为电机启动完毕，电流降低，进入正常运 转状态；如果电机由于负载过大或其他原因未能在规定的时间内启动完毕，超过 启动时间后电机的电流仍然很大，超过了启动时间过长的判断电流，则判断电机 启动时间过长，保护器执行保护动作。 其动作方程为： t q d t i ( 2 1 ) i _ 1 1 ( 2 2 ) 式中：t o d 为设定的电机启动时间；t i 为系统设置的启动延时；i 为故障电 流；1 1 为系统设置的启动时间过长电流( 系统中设置的值为额定电流的倍数，此 处所讲系统设置的电流为实际的电流数) 。 当电机正常启动完成后，即t t o d 且i _ 1 2( 2 3 ) t _ t 2( 2 4 ) 式中：i 为故障电流；1 2 为系统设置的堵转电流；t 为动作时间；t 2 为系统 设置的堵转延时时间。 2 1 3 定时限过载保护 定时限过载保护是用于判断电机在运行中所带动的负载是否过大而设立的 保护。当电机所带负载超过额定值时，会产生较大的电流，长时间运行会导致电 机发热损坏。定时限过载保护也是一种仅判断电机工作电流的保护，定时限过载 保护时，系统动作时间按速断时间固定不变，与故障电流大小无关，其动作电流 与堵转保护相比要小得多，动作时限一般比堵转保护要长。 本系统功能为一段两时限的定时限过负荷保护，其中i 时限用作跳闸，i i 时 限用作告警。 其动作方程为： i _ 1 3( 2 5 ) t _ t 3 ( 2 6 ) 式中：i 为故障电流，1 3 为系统设置的过载电流；t 为动作时间；t 3 为系统 设置的过载延时。 设置系统的过载延时，要充分考虑电机的过载能力，不能因为电机一过载就 进入保护状态，否则会对正常生产造成严重影响。 2 1 4 反时限过载保护 反时限过载保护与定时限过载保护的作用相同，两者在应用中只能选择其中 的一种。反时限过载保护的动作时间由