三相电机智能保护器的设计

摘要电动机作为动力设备，被广泛地应用于发电厂和工矿企业。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛的应用于石油、化工、冶金等部门，因此研究设计性能良好的电动机保护装置就更有现实意义。本文首先介绍了电动机保护的意义、发展现状和存在的问题，描述了电动机运行中常见的故障现象，并针对各种故障特征建立了相应的判断流程图。因为传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。本装置通过测量电机运行时的零序和负序分量，应用对称分量法，能够对电动机进行短路保护、断相保护、三相不平衡保护、接地保护、堵转保护、欠电压保护、过载保护、过电压保护。系统采用模块化设计，主要包括数据采集模块、单片机模块、显示通信模块、电源模块和控制模块。由于电机保护器的重要性以及对保护功能的精确性、全面性要求，本系统还有进一步完善的必要和潜力。关键词电动机保护，89C51，对称分量法ABSTRACTTHEELECTROMOTORASTHEPOWERDEVICEISWIDELYUSEDINTHEPOWERPLANTSANDINDUSTRIALENTERPRISESWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEECONOMYINOURCOUNTRY,THEELECTROMOTORWILLCONTINUETOBEUSEDINTHEFIELDOFOIL,CHEMICALINDUSTRYANDMETALLURGY,ETCSO,ITISVERYIMPORTANTTOPRODUCEELECTROMOTORPROTECTORWITHGOODCHARACTERSTHEMEANINGOFTHEELECTROMOTORPROTECTION,PRESENTDEVELOPMENTANDTHEEXISTINGPROBLEMSAREINTRODUCEDINTHISPAPER,THEGENERALFAULTSOFTHEELECTROMOTORRUNNINGISDESCRIBEDACCORDINGTOTHECHARACTERSOFTHEVARIOUSFAULT,THEMATHEMODELISESTABLISHEDANDTHETHEORYTHETRADITIONALOVERCURRENTPROTECTORCANNOTEFFECTIVELYPROTECTMOTORWHENTHEREISAIMBALANCEDFAULTINTHISPAPER,THESYMMETRICALCOMPONENTSMETHODISEMPLOYEDASBASICTHEORYOFMOTORPROTECTIONTOFULFILLTHEDIAGNOSISOFIMBALANCEDFAULTTHEINTELLIGENTPROTECTORCANDEALWITHTHEFOLLOWINGMOTORFAULTSSUCHASSHORTCIRCUIT，LOSSOFPHASE，IMBALANCE，LOCKEDROTOR,OVERLOAD，LOWVOLTAGE，OVERVOLTAGEBYMEASURINGNEGATIVESEQUENCECURRENT，POSITIVESEQUENCECURRENTANDZEROSEQUENCECURRENTANDPROCESSINGTHECURRENTDATAWITHTHESYMMETRICALCOMPONENTSMETHODSYSTEMUSESMODULARDESIGN,INCLUDINGTHEDATAACQUISITIONMODULEANDSINGLECHIPMICROCOMPUTERMODULE,COMMUNICATIONMODULE,THATPOWERSUPPLYMODULEANDCONTROLMODULETHEMOTORPROTECTORSHOULDBEMOREACCURACYANDPERFECT，SOTHEDESIGNEDSYSTEMNEEDMOREBETTERMENTSKEYWORDSELECTROMOTORPROTECTION，89C51，SYMMETRICALCOMPONENTSMETHOD目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111研究意义112电机保护器的历史及发展情况2121热继电器、熔断器和电磁式电流继电器2122模拟电子式电机保护器3123微机式电机保护器4第二章电机保护器原理621电动机故障分析原因622三相电机保护器状态及诊断723采用方法724保护器设计要求13241两相不对称短路保护13242断相保护13243三相电压不平衡运行13244欠压保护13245过压保护14246过载保护14247单相接地故障保护与两相接地故障保护14第三章系统硬件总体设计1531系统硬件总体设计框图1532数据采集模块16321三相电压采集单元16322电流采集模块21323模拟多路转换器23324A/D转换电路2533单片机控制电路设计29331单片机的选择29332晶振电路31333复位电路3234监测模块33341通信电路33342LCD显示电路3435电源电路3536输入与输出电路36361键盘电路36362继电控制37第四章系统软件设计3941总流程图3942故障判断流程图43结论54致谢55参考文献56DIRECTORYABSTRACTCHINESEIABSTRACTICHAPTER1INTRODUCTION111RESEARCHSIGNIFICANCE112MOTORPROTECTORTHEHISTORYANDDEVELOPMENT1121THERMALRELAY,FUSEANDASSOLENOIDSTYLECURRENTRELAY1122ANALOGELECTRONICMOTORPROTECTOR2123MICROCOMPUTERTYPEMOTORPROTECTORPATHOGEN3CHAPTER2MOTORPROTECTORPRINCIPLE421MOTORFAILUREANALYSISREASONS522THREEPHASEPROTECTORSTATEANDDIAGNOSIS523THEMETHOD624PROTECTORTHEDESIGNREQUIREMENTS10241TWOPHASEASYMMETRICSHORTCIRCUITPROTECTION10242BROKENPHASEPROTECTION10243THREEPHASEVOLTAGEUNBALANCEDOPERATION11244VOLTAGEPROTECTION11245OVERVOLTAGEPROTECTION11246OVERLOADPROTECTION11247ONEPHASEGROUNDFAULTPROTECTIONANDTWOCONNECTTOFAULTPROTECTION11CHAPTER3THESYSTEMHARDWAREOVERALLDESIGN1231SYSTEMHARDWAREOVERALLDESIGNDIAGRAM1232DATAACQUISITIONMODULE13321THREEPHASEVOLTAGEACQUISITIONUNIT13322CURRENTACQUISITIONMODULE17323SIMULATIONWAYMORECONVERTER19324A/DCIRCUIT2133SINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLCIRCUITDESIGN25331MICROCONTROLLERCHOICE25332CRYSTALSCIRCUIT26333RESETCIRCUIT2734MONITORINGMODULE28341COMMUNICATIONCIRCUIT28342LCDSHOWCIRCUIT2935POWERSUPPLYCIRCUIT3036INPUTANDOUTPUTCIRCUIT30361TRACKKEYBOARDCIRCUIT30362RELAYCONTROL31CHAPTER4SYSTEMSOFTWAREDESIGN3241TOTALFLOWCHART3342FAULTJUDGINGFLOWCHART37CONCLUSION47THANKS48REFERENCE49第一章绪论三相电机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，其正常输出动力是其所驱动设备正常工作的前提。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛的应用于石油、化工、冶金等部门，因此抓好电动机保护的研究和推广工作，研制性能良好的电动机保护装置就更有现实意义。11研究意义三相电动机由于其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点，同时其机械特性能满足大多数生产作业的要求，因此被广泛应用于电气、机械、冶金、石油、化工、汽车、船舶等行业。据统计，电网的总负荷中约有60以上是感应电机；以电力作为原动力的负荷中，有90左右是感应电机。但多数电机的应用环境很恶劣，尤其是在火力发电厂、矿山、钢铁、冶金和石化等企业，电机长期工作在高温、高湿、多尘埃的工况条件下，很容易使电机出现断相、欠载、漏电、堵转及过载等故障。1实际使用过程当中，除了恶劣的运行环境还有超技术条件运行，也是导致各类电机故障产生的主要原因。三相电机由于电网、负载及电机本身的种种原因，也会经常发生电机损坏现象。电机故障或损坏带来的直接和间接损失是相当巨大的2。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04亿千瓦，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。3造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。在目前各种电机保护装置中，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装置中安装，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，保持电机的稳定运行就成了人们长期以来一直关注的问题。随着自动化大规模生产时代的到来，生产现场往往同时运转着上十台甚至数十台电动机，往往需要对这些电动机的运行参数进行集中监控，以便操作人员及时发现故障并进行处理。设计与使用能及时、准确地检测出故障的发生，并能通过对故障特征的分析来确定故障原因并进行保护的装置，对维持电机的正常运转，确保生产安全显得至关重要。12电机保护器的历史及发展情况电机保护装置的种类繁多，其发展经历了多个阶段。从双金属机械式热继电器到电子式继电器，发展到今天，已经进入了智能化电机保护器阶段。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。121热继电器、熔断器和电磁式电流继电器二十世纪五十年代以来，我国中小型电机的保护器常采用熔断器、接触器和热继电器的组合方式，可以实现过载、短路、欠载、断相等功能。熔断器与接触器是使用最早、最简单的保护方式，熔断器主要是用于短路或严重过载时保护电源设备和供电网络的，实际上它对电机不直接起保护作用。当熔体熔断时，又往往会导致电机因缺相运行而烧毁，许多人常错误的把熔断器的作用看作是保护电机，这是不全面的。一般的熔断器熔体标准选择是按电机额定电流1525倍来选择，这是不符合实际情况的，电机启动时能受到57倍大电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上会存在随机缺陷，在电机起动时很容易发生部分相的首先熔断，而使电机处于缺相运行，最终造成电机烧毁4。我国的热继电器最早是从前苏联引进的技术，开发出双金属机械式热继电器作为电机过载保护装置，用于防止电机因过载而引起的过电流产生故障。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，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扁动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能，而当热继电器真正起到保护作用而动作过几次后，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，无法继续使用，必须全套更换。热继电器最主要的缺点是受环境温度影响较大，双金属片整定方法比较粗糙，使得整定值不准确，变化大，热继电器的动作曲线与电机允许发热特性曲线很难保持一致，此外热继电器安装在电机外部，把它串接在主电路中，与电机绕组温度无直接关系。一旦由于通风受阻、堵转、频繁启动、长时间轻微过载等情况使电机绕组产生热积累，热继电器就无法正常保护电机了。5122模拟电子式电机保护器随着电子技术的迅速发展，二十世纪七十年代，电子式的电机保护装置得以发明并使用。电子式继电器仍然遵循反时限保护的特性，其主要由两大部分组成一是监测部分，二是执行部分。监测部分通常采用电流互感器，利用其磁滞回线的直线部分来获取信号。执行部分全部采用电子元件来工作，其可以分为分立元件式、集成元件式和分立一集成混合式三种，一般由信号比较电路、过电流保护电路、延时电路、触发电路、执行元件及电源等部分组成。工作原理是通过电流互感器直接监测电机运行电流来进行保护。6但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方面1整定精度不高，模拟电子式电机保护器均采用电位器进行额定电流的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难，特别是在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。2采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使可以校正也会使线路变得非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，行内人士知道用于电机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7倍，因为电机在堵转情况下会达到57倍的额定电流；另外，采样线路本身也存在非线性问题。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了一句空话。3无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们对电机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。鉴于以上原因，纯棒模拟线路的保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产晶所代替。7123微机式电机保护器微机保护是在综合保护的基础上发展起来的。基于微处理器或其它数字电路构成的新型微机保护装置，其与传统的保护装置相比具有以下优点；1具有计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，可以连续地进行自检，受环境因素的影响小，可靠性高采用软件编程，可用同一硬件实现不同的保护原理；2具有故障记录、故障分析、交换信息等辅助功能，方便了对事故分析和处理；3通过网络实现与其他设备间的数据交换，为建立综合自动化保护系统提供帮助；4调试维护方便，缩短维修时间，并且可在现场修改保护功能及参数。进入二十一世纪后，随着微处理芯片和大规模集成电路技术的发展，新开发的电机保护装置都是嵌入式的采用单片机，DSP，ARM等。保护器可以对电机运行过程中的各种运行状况的详细信息进行采集跟踪，通过对故障报警、保护动作、以及动作延时时间的设定来实现及时准确的保护，保证生产的安全。它可以同时对电机断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有电流电压显示、故障记忆等功能。同时经过通信，可以使上位机获得电机运行状况的详细信息从而进行实时的监测，并经计算机数据处理提供管理信息。在设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免了不必要的停机而对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行的有效性。当电机运行参数达到预置的预警值时，保证装置仅进行预警，不发生脱扣；但当越线值达到预置的脱扣值时，保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内若设备恢复正常运行，则取消脱扣执行；而如果超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件动作。在电机控制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成并经通信接口上送到计算机管理系统。8,9,10现在的保护器已经成为一种集监测、保护、遥测、通讯、遥控为一体的电机保护装置。目前，国外已有专用微机化的多功能电动机保护装置投入市场。与传统产品相比，这类保护器有优异的保护特性，保护功能和工作可靠性大为提高。国外一些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心的智能化保护器，如西门子公司的可提供过载、断相和三相电流不平衡保护的过载继电器，富士公司的具有过载、断相和反相保护的继电器，以及韩国三和EOCR株式会社的能提供过载、起动电流、三相电流不平衡、断电保护和自我监控等功能的继电器。我国微机型电动机保护起步较晚，电动机保护水平整体较低。在微机线路保护已经开始普遍运用的时候，微机电动机保护尚处于萌芽状态，普遍是根据电流的大小来决定是否需要保护，这显然没有考虑到多种故障因素对电机的影响。电机是否需要保护其根本的判断依据应该是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温度，在平均电流相同的情况下，对于不同的工作电压、负序电流、零序电流，电机绕组发热程度并不一致，这就说明单纯通过电流的大小来判断电机是否需要保护并不十分科学，不能对电机在各种环境下全面保护。综上所述，虽然目前运行有多种微机型电动机保护装置，但实际运行效果并不好，用户反映一般，主要原因是装置存在可靠性较低，保护功能不完善，界面不友好等因素。因此，围绕电动机保护“可靠、快速、准确“的基本原则，结合当今信息时代的特点，有必要研制一种基于全新硬件平台的新型电动机综合保护装置，其性能稳定可靠，保护功能完善，抗干扰能力强，界面友好，电机运行信息完备并能实现远程监控，以满足用户需求。今后电机保护器技术将会沿着两个主要方向发展11,12,13一方面推进新理论的研究，通过故障建模和仿真计算，并引入序分量、谐波分量、阻抗量、相位量等多种对电机故障敏感的检测量作判据，将小波分析、神经网络、支持向量机等算法引入电机保护控制领域，不但能大大提高保护控制装置性能，而且对电机故障和保护方面的理论研究也会有很大的促进。另一方面要着手新技术的应用与开发，利用各种传感器包括红外线、电磁波、振动、电、热、机械、光、声等对电机运行情况进行监测，然后根据传感器输出的信息经微处理器进行判断、分类，确定故障类型和严重程度，分别采取报警、显示、保护控制等动作，这样不但能实现以上各种电机保护功能，更重要的是能做到预测电机的前兆故障，进而达到提前防止电机故障发生。本章小结本章主要叙述了三相智能电机保护器的研究意义、历史及发展情况。第二章电机保护器原理保护原理是电机保护器的中枢神经，使保护系统性能最主要的决定因素之一。因此，对电机保护原理的研究至关重要。传统的电机保护一般采用热继电器型或电磁型的过流保护，其基本保护原理是以电流幅值的增加作为判断否发生故障的依据。所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称故障进行及时有效的保护。针对传统故障检测方法的不足，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。21电动机故障分析原因对于异步电动机来说，去故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏另个方面。造成绕组损坏的主要原因有1由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。2长期受点、热、机械或化学作用，使得绕组绝缘老化和损坏，形成相间或对地短路。3因机械故障造成电动机转子堵转。4三相电源电压不平衡或者波动太大，或者电动机断相运行。5冷却系统故障或环境温度过高。造成电动机轴承损坏的原因主要有1机械负荷太大。2润滑剂不合适。3恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。由于电动机的微机保护主要是通过测量三相电流、三相电压来监测电动机的运行情况，从而判断是否电机是否产生故障，因此本次设计主要针对的是绕组故障。22三相电机保护器状态及诊断引起电动机绕组损坏的常见故障可分为两大类，对称故障和不对称故障。对称故障主要有三相短路、堵转和对称性过载等；不对称故障主要有断相、三相不平衡、单相接地短路和相间短路。当因为各种原因，如机械故障、负荷过大、电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时，由于散入条件差，电流大，特别容易损坏电机。其他不出现显著过流的不对称故障，如断相不平衡运动等，过流保护往往不能及时动作。对于电动机的各种内部绕组故障，如匝间短路、接地短路等，往往由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，如不及时处理会导致事故的扩大，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。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著波动，因此对电动机形成过欠压故障。（1）过载保护超过电动机铭牌规定的额定负载的10范围报警和动作。增补的反时限特性由（2）断相保护当任意一相的电压低于断相保护设定值时，保护器应当在动作（延时）时间内动作或同时报警。（3）不平衡保护根据最大相电流是否超过90的额定电流，最小相电流是否低于10的额定电流来判断是否起动短相保护。（4）漏电或接地保护通过外接的零序互感器的测量，以零序电流大小来判断是否起动电动机的漏电后接地保护。（5）过电压、欠电压保护跟据最大相电压与额定电压的比值来判断是否起动保护。（6）堵转保护跟据最大相电流与额定电流的比值来判断是否起动保护。（7）起动超时保护在设定的起动时间内电流未降到额定电流的110，则认为起动超时，保护器在设定的时间内发出停车指令，并报警。23采用方法保护算法是电机保护器的中枢神经，使保护系统性能最主要的决定因素之一。因此，对电机保护原理的研究至关重要。本章主要是分析电机的故障特征和保护原理，从分析电动机的各类故障入手，找出各种故障的故障判据，进而推出相应的保护算法。传统的电子型保护装置都是通过三相电流的过流程度来反映电机的故障特征的，所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称故障进行及时有效的保护。而传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护的主要原因是1不对称故障一般不会使电流显著增加。2不对称故障中出现的负序电流分量所引起的负序电流效应会导致电机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题。3起动电流瞬间值有时会高于电机的故障电流，要对起动电流和故障电流进行分辨，使过流继电器的整定困难。下面主要集中阐述对电机的保护，引起三相异步电动机的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。14，15,16对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，主要特征是发生故障时三相仍基本对称，只是电流幅值增大。这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，所引起的热效应在散热条件差的情况下特别容易烧坏电机。因此，对称故障可以由电流过流程度来反映，所以仍然以电流强度作为故障判据。不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等，故障之初并没有出现明显的电流增大，如果处理不及时会导致事故扩大，引发电动机机端过热、转子及起动力矩降低等问题，严重的损坏了电动机。不对称故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，如果有过电流出现，还会使绕组发热，此类故障明显特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。本文针对传统的保护装置存在的问题，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。传统的检测三相电流经电流电压变换送监幅电路作为判据方法的基础，即通过对各相电流的计算分解出负序电流分量和零序电流分量，采用过流幅值、零序电流和负序电流分量为基础的故障判据，并在这个基础上形成了各种保护的算法，用来作为发生对称故障和不对称故障判据，从而实现电动机全面的综合保护。对称分量法最早由FORTESCUE于1918年提出，又称对称成分法，为解决多相三相不对称交流系统的分析和计算提供了一个有效方法。对称分量法是用于线性系统的坐标变换法。任何一三相不平衡电流都可以分解为三个平衡的矢量成分，即正序分量、负序分量、零序分量。17三相异步电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大，只产生正序电流分量，而负序电流和零序电流为不平衡电流，数值较小；发生不对称故障时的主要特征是负序和零序电流分量会显著增加。因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础，通过检测负序电流、零序电流的大小来判断电动机是否出现不对称故障。这样，不但能更好的反应电动机的运行状况，还可以大大提高保护的灵敏度和可靠性。异步电动机常见故障特征分析情况如表21所示，表中单相故障设A相为故障相，两相设B、C为故障相，表示故障IP前相电流的幅值，。CBAII表21三相异步电动机常见故障特征应用对称分量法，当电动机发生各类对称故障和不对称故障时，可以将故障电分解为正序、负序、零序电流。同时，通过以上对电机常见故障特征的分析可见，电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。采集来的三相电流通过计算分解为正序、负序和零序电流分量，根据是否出现负序、零序电流以及过流程度对所发生的故障类型作出诊断，根据诊断的结果对所发生的故障进行保护跳闸和故障显示。电动机正常运行时，三相电流基本对称，零序和负序电流为零；当电机发生不对称故障时，零序电流和负序电流会有相应的变化。根据这一对应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而实现了智能化的故障诊断。这种诊断不但灵敏、可靠，能够覆盖电动机所有常见故障，而且能够识别不同故障类型，实现故障自动诊断。应用对称分量法，当电动机发生各类对称故障和不对称故障时，可以将故障电分解为正序、负序、零序电流。同时，通过以上对电机常见故障特征的分析可见，电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系故障类型负序零序故障特征过电流三相短路无无CABI（810）PI堵转无无（57）对称故障过载无无CABI（125）PI断相13BI无，0P3逆相IP无CABI无不平衡有无无非接地相间短路与位置有关无AII与位置有关单相接地有13ABC与位置有关不对称故障接地两相接地有I,PI与位置有关与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。采集来的三相电流通过计算分解为正序、负序和零序电流分量，根据是否出现负序、零序电流以及过流程度对所发生的故障类型作出诊断，根据诊断的结果对所发生的故障进行保护跳闸和故障显示。电动机正常运行时，三相电流基本对称，零序和负序电流为零；当电机发生不对称故障时，零序电流和负序电流会有相应的变化。根据这一对应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而实现了智能化的故障诊断。这种诊断不但灵敏、可靠，能够覆盖电动机所有常见故障，而且能够识别不同故障类型，实现故障自动诊断。电力系统某处发生不对称短路，三相电路电流和电压的基频分量都会变成不对称的向量。以、表示三相电流，可以将分解为正序、负序、AIBCIAI零序三组成分，、；同理可以分解为正序、负序、零序三组成分120BI、；可以分解为正序、负序、零序三组成分、。其1BI20BIC1CI20CI中，正相序成分的相序依次为、，大小相等及互隔120。；负相序1AIB1CI成分的相序依次为、，大小相等及互隔120。；零相序电流则大小2AIB2C相等且同相。各组相序成分值大小相等，所以可以将其简化，用某一向量表示。定义算子“”为向量沿逆时针方向旋转120，其为一单位矢量，即21）1203JEJ（22）2J由此可以得出（23）12201AABCII式中（23）中以A相为代表，三相电流相加，可以得出如下等式（24）212013ABCAAIII因为（25）210（）故（26）03ABCII同理可以求出A相电流的正序分量和负序分量、。1AI2（27）213ABCII（28）2综上所述，可以得出（29）212031AABCII由式26可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量出现。如果三相系统是三角形接法，或者是没有中性线的星型接法，三相线电流之和总为零，不可能有零序分量电流。只有在中性线的星型接法中才有可能存在零序电流。本次设计的三相电机保护器主要针对三相四线制的电力系统电动机，零序电流可作为故障判断的重要依据，另外，在一个三相对称的元件中（例如线路，变压器和电动机），如果流过三相正序电流，则在元件上的三相电压也是正序的，这一点从物理意义上很容易理解；同理，如果流过三相负序电流或者三相零序电流，则元件上的电压降也是负序的或零序的。这也就是说，对于三相对称的元件，个序分量也是独立的。对称分量计算定时限或速断短路显示故障类型故障跳闸过载反时限保护对称故障不对称非接地故障对称接地故障额定电流鉴定零序电流分量负序电流分量正序电流分量图21电动机故障诊断及保护的原理框图24保护器设计要求241两相不对称短路保护三相异步电动机发生两相不对称短路时，供电线路中的负序电流不断相间增大，为了保证灵敏度，可以设定当负序电流时视为两相不对称短路，02CI随后保护器在判断是那两项短路。本设计判断方法为假如三相电流中有一相电流为0，则两外两相短路。242断相保护断相故障时一种严重的不对称性故障，是不平衡电压的极端情况。断相会使剩余绕组严重的过流且发热，更容易烧坏定子绕组和转子铁心。供电电源线直接即断开是电机断相运行中最常见的故障。本设计判断方法为如果供电线路中有一相电流为0，负序电流达到0832倍的额定电流时，则认为该相断相，电动机保护延时动作。243三相电压不平衡运行主要针对电网不平衡运行设定的。在实际运行中，供电电源总存在着某种程度的不对称，所以即使在三相异步电动机正常运行时，也会存在着一定的负序电流。由供电电压不对称引起的负序电流取决于电动机的复学阻抗与正序阻抗的比值，此比值大致是额定电流与启动电流之比。本设计判断方法为取0308倍的额定电流值作为比较值，一旦判断出故障，保护器延时动作。244欠压保护当电源电压由于某种原因降低到额定电压75或长时间低于额定电压85时，称为系统欠电压。电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。低电压也会使电动机起动转矩下降，当电压降低到能使起动转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。如果电网电压暂时中断，随后又自行恢复，则电动机停机后又会自行起动，这对正在检查电动机故障的人员构成人身威胁；如果电动机的起动转矩较小，不能直接带负载自起动，则可能继续处于堵转或低速爬行状态，同样电动机将承受大起动电流的作用而过热甚至烧毁。因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。本设计判断方法为若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保值，则认为有故障产生，应进行断电保护。245过压保护当电源电压由于某种原因超过额定电压15时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。本设计判断方法为若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。246过载保护电动机正常运行中因负荷过大所引起过热现象的一种非正常状态，这种状态叫做过载。过载电流一般比额定电流大16倍。因为发生过载故障时电机电流比额定电流略高，所以其程度不会立即对电机在成伤害，但是任由其发展下去，长时间的累积效应，会使绝缘以及各部件的机械强度迅速降低，加速电机老化，缩短使用寿命。而其机械性能降低又会给其他的类型故障的发生提供可能性。本设计判断方法为当电机的工作电流超过额定电流值，保护器启动反时限保护。247单相接地故障保护与两相接地故障保护在三相电机所有的故障中，只有两相短路接地和单相短路接地会在相间产生零序电流。所以当线路中检测到零序电流时，就代表发生了两相短路接地或者单相短路接地故障。所以判断出故障时两相短路接地或者单相短路接地后，在比较电机电流大小。单相接地短路保护本设计判断方法为出现零序电流，且，则AABCI相为单相接地的故障相。两相接地短路保护本设计判断方法为出现零序电流，且，,PI则B相C相为两相接地的故障相。本章小结本章主要叙述了三相智能电机保护器的原理。因为传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。第三章系统硬件总体设计本系统设计的基本原理就是监测电机运行时的三相电压和电流参数，获得电机的工作情况。通过对这些参数的分析，了解此时三相电机运行状况。该设计是基于交流电机的普遍应用和经常出现的故障为设计背景，提出以8951单片机控制核心的智能保护器。设计采用单片机和互感器构成的数据采集系统能够对电机的响应参数进行测量和监控，能够及时解决出现的基本故障，保证电机在良好的状态下进行工作。为做到提供准确电机的参考信息，本系统包括采集和设置电机参数的底层硬件设备以及进行显示、通信和保护部分。31系统硬件总体设计框图本论文的工作重点是及时的发现三相电机出现的故障，并及时的反映出来，在一定的时间内做出如果没有及时的排除故障，则三相电机断电停车。三相电机保护器采用模块化设计，主要包括（1）数据采集模块，对三相电机的电压数据和电流数据镜像采样，让后输送到单片机中，此模块包括三相电压采样单元、三相电流采样单元、模拟多路开关单元和A/D转换单元；（2）主体模块，为整个设计的核心单元，采集到的数据与设定值进行分析与判断是否产生故障，此模块是包括为键盘电路单元、晶振电路单元、复位电路单元；（3）监测模块，为了及时地了解三相电机的电压数据和电流数据，就需要与上位机连接，把数据通过通信单元输送到主控室，在调节故障电机时，需要知道此时的电机数据，这就需要LCD显示，所以此模块包括LCD显示单元和通信单元。4电源模块，8951单片机LM324等芯片都可以在5V电压系驱动，电源模块输出5V电压。通过对三相电流、电压监测，对电机的信息准确及时的了解，实现对电机的智能化监控。为电机提供完善的保护，热过载、堵转、断相、相不平衡、欠载、漏电短路等故障导致的生产事故，最大限度的保证设备运行的有效性和安全性。图31为电机保护器原理结构框图。8951单片机三相电流采样三相电压采样LCD显示执行单元通信单元A/D转换图31电机保护器原理结构框图32数据采集模块通过互感器对三相电压数据和三相电流数据进行采集，采集到的众多数据首先送入到模拟多路开关中，分别把数据一一送出。送出的数据经过A/D转换单元，转换为单片机可读的信号，然后送入到单片机中。321三相电压采集单元电压采集模块由两部分组成。前半部分为截止频率为100HZ的4阶伯特瓦兹低通滤波器，后半部分为电压信号采集保持电流与放大电路。3211器件选择LM324系列器件为是带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到30伏或者高到32伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图32所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，VI（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反；VI（）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图33。2311114_图32LM324运放引脚图VCC1673245981413121110输出4输出1输出2输出3输入1输入2输入3输入4GNDLM324图33LM324引脚图3212伯特瓦兹低通滤波器伯特瓦兹低通滤波器的特点L、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的平坦度，阶数越高，平坦度越好。在截止频率处，所有的伯特瓦兹低通滤波器都有3DB的增益衰减。2、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强。图34为截止频率为100HZ的4阶伯特瓦兹低通滤波器。16KR23UALMD809C5UFVP信图34伯特瓦兹低通滤波电路滤波器输入输出关系为（31）0NHSB是放大倍数，为伯特瓦兹多项式。0HNBS伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式的幅值满足下式（32）201NNSJN为滤波器阶数，为截止频率，为信号频率。0令截止频率，得到归一化的伯特瓦兹多项式。1/RADS表31归一化的伯特瓦兹多项式N多项式的因子NBS1S2214321S420765184S52161SS6220581493S721718021SSS82203916396S滤波器为4阶，N4，查表后，对第一级滤波器，得到其放大倍数为（33）01375H第二级滤波器，放大倍数为（34）284因此可得，0125H02对于放大倍数，有下式成立（35）012354R36）21取。可得，。为满足145RKK152R频率要求，根据下式进行求解（37）0102FHZRC由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取，则可以得到F。实际使用时，取。即RR3R4R5R6。1592RK6K3213电压采样保持放大电路图35为采样保持电路。图36为信号放大电路。因为由互感器采集到的模拟信号无法直接输送到单片机中，要经过首先经过A/D转换器把采集到的模拟信号转换为数字信号，再把经过A/D转换后的数字信号输送到单片机中，这个过程中是需要一定的时间，为了保持采集到的信号保持不变，所以需要由LM324的一组运算放大器构成一个采样保持电路，来确保在A/D转换的过程中信号保持不变。418093U5CLM2V图35采样保持电路现在大多数所用到的电压互感器采集到的信号可能会很小，8951单片机无法读取。以众磊PT013型互感器为例，其输出电压（01000V低电压）为04V，这就需要把采集到的信号进行放大，由LM324两组运算放大器构成一个串联25倍放大电路，把信号放大后送到单片机中。三相电压采集的电路是完全一样，这里只画出其中一相。389KR72014UDLMAVC5信图36放大电路322电流采集模块图37为OP07与两个二极管组成的电流与电压转换的电路，把采集到的三相电流信号转换为电压信号。信号由图39的有源二阶滤波器过滤去杂波。电压信号由图310的差分放大电路放大后，送入模拟多路开关中，最后由A/D转换送入单片机中。FNP6OZU图37电压转换电路13KR62457UBLMAD0UFC8V信图38二阶有源滤波电路在信号传输当中，一般都含有其他不同种类的波，这些杂质波往往会影响数据采集的精确性，所以信号采集系统在电路中连滤波电路来消除那些杂质波，使信号波更加纯正精确。本设计中采用的是有源二阶滤波电路。图38所示为滤波电路图。此采集电路经由LM324运放接口芯片组成的差分输入电路，采样保持电路后接入模/数转换接口，实现对三相电流的数据采集。本系统采用差分输入电路也有很大好处1A1和A2提高了差模信号和共模信号之比，提高了信噪比。2在保证有关电阻严格对称的条件下，各电阻的阻值误差对该电路共模抑制比没有影响。3电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近于零。从图中可知，A1和A2两个同相运放构成输入级，与差分放大器A3串连成三运放差分放大电路。418093U6CLM2AD5KR7V信图39差分放大电路因为，根据欧姆定律可导出两级差R5374R85960模总增益（38）42359RA第一级增益放大了10倍，第二级增益1倍。323模拟多路转换器本设计所采用的模拟多路快关的型号为CD4051，图310为其引脚图。16732459814131211101516S4S6SVCCS7S5ENVEEGNDABCS3S0S1S2CD4051图310CD4051引脚图三相电机保护器所采集的数据较多，无法同时输送到单片机中。这就学要一个模拟多路转换器，把采集到的数据一个一个的通过A/D转换电路送到单片机中。CD4051引脚号符号与功能输入/输出端S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；地址端A、B、C；公共输出/输入端S；禁止端；EN模拟信号接地端VEE；数字信号接地端GND。电源（VCC）CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为EN4520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VCC5V，GND0，VEE135V，则05V的数字信号可控制13545V的模拟信号。这些开关电路在整个VDDVSS和VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当输入端N“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。表32CD4051真值表ENCBA输出0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71XXX均不接通324A/D转换电路A/D转换电路如图311所示，图中74LS00为与非门，74LS373用于低8位地址锁存器，74LS14是反向输出施密特触发器，ADC574为A/D转换芯片。OE1LD3Q2457689VC0GNUMSW/ARFIBPTJHK图311A/D转换电路3241器件选择74LS00为与非门。74LS373用于低8位地址锁存器，输出端Q0Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图312为74LS373引脚图。引脚号符号与功能数据输入端D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7三态允许控制端OE（低电平有效）锁存允许端LE；输出Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7；电源VCC；接地GND。1517181920161413121110912345678VCCQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1LEGNDD7D6D5D4D3D2D1OED8Q874LS373图31274LS373引脚图74LS14是反向输出施密特触发器。AD574的状态输出“STAT”经74LS14在接到8951的P30引脚，提高了抗干扰能力。当正在进行A/D转换时，STAT1，当A/D转换以结束时，则STAT变为低电平。8951采用查询方式。启动A/D转换后便查询P30，若P30为低电平，表示已经转换完毕，否则继续等待。AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/