异步电机保护器硬件设计(本科毕业设计)

1、1 论论文文题题目：异步目：异步电电机保机保护护器硬件器硬件设计设计 专专 业业：自：自 动动 化化 本本 科科 生：生：* 签签名：名：_ 指指导导教教师师： ：* 签签名：名：_ subject ： ：the hardware design of the protection for asynchronous motor specialty ： ：automation name ： ：* signature： ： _ 2 instructor： ：* signature： ： _ 摘 要 本文以单片机 c8051f020 及其外围器件作 为硬件平台，对电动机微机保护进行了研究，开 发了主要

2、针对大中型电动机的智能电动机保护 器，具有过流保护、零序电流保护、负序电流保 护、启动时间过长保护、欠电压保护、过电压保 护等功能。 在研制电动机保护器的过程中，对电动机的各种 故障进行了全面的论述。并根据需要确定了保护 方案，论述了保护原理。 在硬件电路设计上，给出了以单片机 c8051f020及其简单的外围电路为主体配置的电 动机保护器系统。该电路硬件电路大为简化，除 了实现了各种保护功能外，还可显示电动机运行 时的电压、电流，同时设置了系统与上位机的连 接,为系统功能的扩展创造了条件。作为一种智 能化的解决方案，该系统具有可实现功能多，经 济成本低，高的可靠性和稳定性等特点。 3 关键词

3、：电动机，保护，c8051f020单片机 abstract in this paper ,an in-depth research for protection for motors is engaged in that is based on the platform that is mainly made up of the c8051f020 single-chip microcomputer. the intelligent protection device for large-scale and middle-scale motors .it has many functions

4、such as the protection for such as over-load, over-voltage, low-voltage, the short of phase and the losing balance of phases, the leakage of electricity, the short circuit, the blocked rotor and the overtime starting. the principles of the various generator failures are detailed particularly. genera

5、tor protection 4 scenario is fixed with requirements, and then it also deliberately states principles of the generator protection scenario. the hardware platform is designed in term of the protective function. the system is based on the platform of c8051f020 single-chip microcomputer and other few p

6、eripheral control circuit. the design not only achieves the full functionality on generator protection, but also can display the transient voltage, current when the generator is running. meanwhile, it is also built and configured the serial link between computer and the system which provide the grea

7、t opportunity to make future expand. the system can achieve a more functional, economic low-cost, high reliability and stability as an intelligent solution. key words： motor, protection, c8051f020 single-chip computer 5 1 目 录 1 绪绪 论论.1 1.1 课题提出的依据和意义.1 1.2 国内外的发展状况和动向.1 1.3 本课题的主要任务和内容.2 1.3.1 本课题的主

8、要任务.2 1.3.2 本课题的主要内容.3 2 异步异步电动电动机的保机的保护护原理及算法原理及算法.4 2.1 电动机故障分析 .4 2.1.1 电动机故障基本原理(工作原理分析) .5 2.1.2 电动机的启动故障.7 2.1.3 电动机的堵转故障.8 2.1.4 过载故障.8 2.1.5 三相不平衡及其危害.8 2.1.6 缺相及相不平衡故障分析.9 2.1.7 故障综合判定.10 2.2 保护原理分析 .11 2.2.1 保护功能设置.11 2.2.2 电流速断保护原理及其整定值.12 2 2.2.3 定时限堵转电流保护.13 2.2.4 热过载反时限过电流保护.13 2.2.5 速

9、断、堵转、过载保护之间的配合.13 2.2.6 零序电流保护.14 2.2.7 负序电流保护.14 2.2.8 启动时间过长保护.15 2.2.9 欠压、过压保护 .16 2.3 本章小结.16 3 硬件硬件设计设计.17 3.1 装置硬件系统结构设计.17 3.2 单片机系统设计.18 3.3 模拟信号采集.21 3.3.1 电压信号采集.21 3.3.2 电流信号采样.23 3.4 开关量输出.25 3.5 人机接口.25 3.5.1 显示电路设计.25 3.5.2 键盘电路.26 3.6 电源部分.26 3.7 通讯.27 3 3.8 硬件抗干扰.27 3.9 本章小结.28 4 实验结

10、实验结果果.29 4.1 电流检测回路 .29 4.2 电压检测回路.29 5 结结 论论.31 致致 谢谢.32 参考文献参考文献.33 论论文小文小结结.35 附附录录一一单单片机最小系片机最小系统统.36 附附录录二二单单片机片机 mcs-51f020pcb 布布线线.37 附附录录三三 主回路主回路电电路路图图.38 附附录录四四 外外围电围电路路图图.39 1 1 绪绪 论论 1.1 课题提出的依据和意义 随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高， 电能的应用和发展越来越具有重要的位置。作 为电能转化为机械能的重要工具，电动机在人 们日常生活中也越来越重要。三相交流电动机 正朝着功率

11、与体积之比越来越大的方向发展， 一些外形尺寸小、效率高、功率大的电动机陆续 出现。为了安全可靠地运行这些电机，对电动机 的保护系统提出了越来越高的要求。电动机保 护系统必须正确无误地保护电动机，使电动机 在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机 损坏事故的发生。电动机和供电线路的短路必 须能迅速检测出来，使得短路影响减小到最小。 对于频繁起动的电动机，要能准确地模拟其发 热和散热过程。在一些大型的自动控制系统中， 还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。 为了满足这些要求，本设计将开发一种新型的 采用微处理器技术的电动机综合保护与监控装 置。 2 本设计所开发的电动机综合保护与监控装置， 可实

12、现对电动机的保护与监控的自动化，是电 动机保护系统的发展趋势。由于采用了微处理 技术，保护参数可由用户根据电动机型号和环 境条件设定，而且还可以提供数字电路接口，为 大系统的智能控制提供了条件。它的制成可对 电动机进行准确保护和监控，即可使电动机的 过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧 毁事故的发生，对国民经济的发展具有重要的 意义。 1.2 国内外的发展状况和动向 电动机保护系统大致可划分为三代。 第一代是电磁式继电保护系统，第二代是 电子式电动机综合保护装置，第三代是以微处 理器为核心元件的综合保护系统。 第一代的电磁式继电保护系统存在着很大的 弊病。它的每一种功能都需要相应的继电器来

13、 实现。在正常情况下，热继电器每年需要校正一 两次，给用户带来不便。由于热继电器是由双金 属片构成其敏感元件，它是靠双金属片受热弯 3 曲产生的力一发出动作，在动作值附近不能可 靠分断。热继电器通过了大的短路电流或经受 机械碰撞后，双金属片易产生永久性变形。而且， 热继电器的时间常数比电动机小得多，对电动 机上一次的过载历史没有记忆，对于频繁过载、 特别是频繁起动的电动机，不能可靠地保护。热 继电器的动作特性还受环境温度的影响。现在， 老型号的热继电器己属淘汰型产品。新型的热 继电器功能也在完善之中。 第二代的电子式电动机综合保护系统对第一 代的电磁式继电保护系统有了很大的改进。它 利用电阻电

14、容的充放电来模拟电动机的发热与 散热，对电动机的过载历史能有一定的记录，其 动作时间也可以通过调节电阻电容的大小来调 节，大天提高了对电动机的保护性能。但是，电 子式电动机综合保护器的动作时间调节范围有 限，精度也受电阻电容参数的影响，且没有监控、 显示等功能。因而只能用于一些要求不高的场 合。 把微处理器技术引入电动机保护系统，大大 4 地提高了对电动机的保护特性，实现了对信息 的采集、处理、显示全部自动化，性能稳定可靠， 显示直观准确，各项保护参数可根据电动机性 能由用户设定，动作前可预警显示，动作后可显 示故障原因，实现了对电动机的可靠保护和监 控。这是电动机保护系统的发展趋势。 我国的

15、此类产品还很少，且功能欠缺，本设计 研究的智能型电动机综合保护器将弥补以上产 品的不足，开发出功能齐全，性能可靠，操作方 便，价格合理的产品。 1.3 本课题的主要任务和内容 1.3.1 本课题的主要任务 本课题的主要任务是实现对电动机的综合保 护和状态监控。对电动机的综合保护包括以下 几项功能：过载保护、过压和欠压保护、漏电保 护、堵转和起动超时保护、短路保护、缺相及相 不平衡保护。 电动机的过载保护是通过设置电动机的热时 间常数建立相应的数学模型模拟电动机的发热 和散热过程来实现的。过压和欠压保护是用一 5 位拨码开关来设置其动作值，当电网电压超出 其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压

16、 和欠压保护动作。漏电保护是按照漏电电流与 漏电保护动作时间的反时限关系设计的。堵转 和起动超时保护是通过拨码开关设置起动电流 和起动时间来实现的。而短路保护是电动机线 电流达到短路保护动作值后采取瞬时动作来完 成的。缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或 线电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后 切除电动机来实现的。 对电动机的状态监控主要实现以下功能： (1)电流显示，显示电动机当前线电流有效 值； (2)电压显示，显示电动机当前的相电压有 效值。 对电动机的状态监控的选择是通过一个中断 按钮来实现的。本装置在起动运行时显示的是 电动机的线电流有效值，按一次中断按钮就显 示当前电网电压有效值，

17、再按一次显示电动机 绕组运行时温升的最高值，再按一次就又显示 6 电动机的线电流有效值。这样，用户就可随意监 控电动机的运行状态了。 1.3.2 本课题的主要内容 1.3.2.1 设计硬件电路和绘制电路原理图 在此阶段主要根据所要完成的功能，设计硬 件电路，选择所需元件，绘制电路图。硬件主要 由以下几个模块组成： 三相电流输入 漏电输入 电压输入 滤波调理 显示模块 通讯模块 故障记录 i/o 控制 按键模块 cpu c8051f020 图 1-1 电动机保护硬件框图 1.3.2.2 硬件线路的搭接调试 根据电路原理图在面包板上搭接相应线路， 用单片机开发系统对其进行调试，并对线路进 行修改和

18、完善。 根据所实现的功能编制相应的软件，并对其 7 进行调试，在调试过程中若发现硬件电路与软 件冲突，可以考虑对硬件进行修改。 1.3.2.3 绘制电路板并调试 根据调试通过的电路原理图搭建电路板。然 后在电路板上调试软件。 1.3.2.4 程序固化和调试 把在开发机上调试通过的程序固化到、 eprom 中，脱离开发系统进行调试。 8 2 异步电动机的保护原理及算法 异步电动机广泛应用于工农业和其它国民 经济各部门，作为拖动机床、水泵、起重机、卷 扬机、轻工业和农副业加工设备以及其它一般 机械的动力。它是各种电动机中应用最广，需求 量最大的一种电机，因而做好异步电机的保护 工作具有重要意义。

19、2.1 电动机故障分析 要做好异步电动机的保护，首先要分析保 护对象会遇到的各种故障，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) 长期受电、热、机械或化学作用，使绕 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波动太大，或者 9 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

20、：机械负 荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境， 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电量(电流、 电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况， 因此面对的主要是绕组故障。引起电动机绕组 损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障 两大类。对称故障主要有：三相短路、堵转和对 称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平 衡、单相接地或相间短路。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，由于散热条件差，电流大， 特别容易损坏电机。其它不出现显著过流的不 对称故障，如断相、不平衡运行等，过流保护常 常不能及时动作。对于

21、电动机的各类内部绕组 故障，如匝间短路、接地短路等，往往是由于运 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，若不及时处理会导致事 10 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。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压欠压故障。 2.1.1 电动机故障基本原理(工作原理分析) 为了研究异步电动机的起动时的电压、电 流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动 时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。就要 研究电机的数学模采用集中参数等效电路的数 学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识， 可得： 1)忽略空间

22、和时间谐波 2)忽略磁饱和 3)忽略铁损 异步电机的稳态等效电路如下图 2 一 1 所示型，对于电机的软起动而言，多采用基于 集中参数等效电路的数学模型。 11 图 21 异步电机稳态等效电路 其中等效电路中元件 为定子绕组的电阻， 1 r 为定子绕组的漏电抗， 为归算到定子方面 1 x 2 r 的转子绕组的电阻， 为归算到定子方面的转 2 r 子绕组的漏抗。 为定子铁心损耗所对应的等 m r 效电阻， 为励磁电抗。 为定子电压向量， m x 1 . u 为定子感应电动势向量， 为定子电流向量，1 . e1 . i 为磁化电流向量。基于 t 等效电路的数学模mi . 型为： )( . . 2

23、. 1mmmmm jxriziee (2-1) . . . 2 1 . m iii (2-2) 12 )( 2 2 . 2 2 . jx s r ie (2-3) )( 11 1 . 1 . 1 jxrieu (2-4) 由等效电路可见，异步电机输入的电功 率 一部分消耗在定子绕组的电阻而成为定子 1 p 铜耗；另一部分消耗在定子铁心上而变成铁 1cu p 耗。剩余的通过气隙传递到转子的功率成为 fe p 电磁功率。其中为： em p em p (2-5) s r imiempem 2 2 212 2 21 cos 电磁转矩可表示为： (2-6) 11 )1 ( )1 ( ememmec em

24、 p s psp t 其中，为同步角速度；转子机械角速 p fn 11 1 2 60 2 度；为机械功率。 60 2 n em p 由式（25）和式（26）得： (2-7) s r i mp t em em 2 2 2 1 1 1 13 根据 t 型等效电路可知： (2-8) 2 21 2 2 1 1 2 )()(xx s r r u i 将式（28）代入式（27），同时考虑 ，1 p f1 2 于是有 (2-9) )()( 2 2 21 2 2 1 2 2 1 1 1 xx s r r s r u f pm tem 刚起动时，转子 n=0，转差率 s=1，此时起动转 矩为： (2-10) )

25、()(2 2 21 2 21 2 2 1 1 1 xxrr ru f pm tst 同时根据上式（21）、式（22）、式（23）、 式（24）可得： (2-11) 2 211 11 2 2 . 1 . 1 )1 ( 1 jx s r jxr jxr jxr jxr jx s r ui mm mm 在异步电动机里，因为，故可省去 11 xr mm xr ，电动机将因承担不了而停转。电zt max t 动机是用过载倍数 来表示它的过载能力的 =tttt / 。 max tnt 就异步电机而言，堵转就意味着转子堵住不 16 转，转差率 s=1，即在 t 形等效电路图中的附加 电阻为 0 的状态。在这

26、种情况下 s=1，=0， 2 1 s r () s 即电动机电子电流将会出现一个很大的值，因 此同样会烧坏电机，如果在规定的时间内电流 值，我们就认为出现了堵转故障。 2.1.4 过载故障 过载是指电动机的负载很大，转子电流加大，使 得电动机定子电流很大。过载过大了就形成堵 转。其故障原理与堵转相同。 2.1.5 三相不平衡及其危害 在三相供电系统中，如果三相的电压或电流幅 值或有效值不等，或者三相的电压或电流相位 相差不为 120时，则称三相电压或电流不平衡。 不平衡的三相电压或电流，按对称分量法，可分 解为正序分量、负序分量、和零序分量。具体原 理如下所述： 在计算电力系统不平衡情况下引用

27、了对称 分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗 都可以分解成为三个平衡的相量成分即正相序（ 、）、负相序（、）和零相序1ua1ub1uc2ua2ub2uc 17 （、），即有：=+，=0ua0ub0ucua1ua2ua0uaub1ub +，=+，其正相序的相序（顺2ub0ubuc1uc2uc0uc 时方向）依次为、，大小相等，互隔 1201ua1ub1uc 度；负相序的相序（逆时方向）依次为、2ua 、，大小相等，互隔 120 度；零相序大小相2ub2uc 等且同相，各相序都是按逆时针方向旋转。在对 称分量法中引用算子 a，其定义是单位相量依逆 时针方向旋转 120 度，则有： )aa (

28、3/10 2 ucubuaua )aa(3/11 2uc ubuaua )aa(3/12 2 ucubuaua 注意以上都是以 a 相为基准，都是矢量计 算。知道了实际也知道了和，同样知道0ua0ub0uc 了也就知道了和，知道了也就知道了1ua1ub1uc2ua 和而负序电压有没有线电压和相电压之分2ub2uc 由于负序电压的存在，就使三相系统中的三相 感应电动机(也就是三相异步电动机)在产生正 向转矩的同时，还产生一个相反方向的转矩，从 而降低电动机的输出转矩，并使电动机绕组电 流增大，温度升高，缩短了电动机的实用寿命。 18 电动机的不对称故障主要有断相、逆向、不 平衡负载运行、匝间短路

29、、相间短路、接地短路 等引起的除了严重的短路会造成故障相电流明 显增大外，大多数的不对称故障一般不会出现 明显的过电流。最明显的特征是电动机中出现 负序分量和零序分量电流。 2.1.6 缺相及相不平衡故障分析 断相运行是造成电动机烧损的常见事故， 当电动机负载不变而发生断相时，剩余两相绕 组的电流将增大，造成电动机过热而损坏。因此 必须对电动机进行断相及相不平衡保护。当电 动机绕组以y形连接时，断相可能发生在引线上 或者绕组内部，电动机y型连接时所断相的线电 流都为零，此时以线电流为零的原则可以加以 保护。 但当电动机以a形连接，其断相也可能发生 在外部引线（a类）或绕组内部（b类），当发生(

30、 a) 类断相时，所断相的线电流为零，以线电流为零 的原则可以保护电动机。但当发生(b)类断相时， 电动机的线电流都不为零，此时再以线电流为 19 零的原则就不能保护电动机。在这种情况下，对 电动机的断相保护应采用线电流不平衡的原则。 当电动机发生(b)类断相时， 因此， c 33 ab iii 若把相不平衡保护的动作值规定为线电流最大 值与最小值的比小于，就能实现这种断相保护。3 考虑到电网电压波动引起的线电流不平衡，本 装置以最大线电流不超过最小线电流的1.5倍为 动作值，这样，无论电动机以何种方式连接，只 要发生断相，在预定的时间内都会准确地动作， 而且，对于其它的非断相的相不平衡故障，

31、也能 实施保护。由于本装置采用了单片机作为其核 心元件，因此，不用附加任何电路即可实现断相 保护。单片机把采样来的各相电流值进行比较 判断，就能准确地发出动作信号。 2.1.7 故障综合判定 综上所述电动机的保护可以分为对称故障和不 对称故障。 对称故障包括过载、堵转、和三相短路等，这 类故障对电动机的损害主要是机械力和电流增 20 大引起的热效应，使得绕组发热甚至烧毁。其主 要的特征是三相仍基本对称，但同时出现过电 流，故障的严重程度反应在过电流的大小，因此 可以以过电流的判断来作为此类故障的依据。 下面列表（2-1）（2-2）说明。 表 2-1 对称故障特征 故障 类型 零序负序过电流 过

32、载 无无(1.2-5)in 堵转无无(5-7)in 短路无无(7-10)in 表 2-2 不对称故障特征 故障类 型 零序负序过电流 断相无ic/3i03 逆向无ia无 不平衡 运行 无有无 相间短 路 无有(其值取 决与位置) 有(其值取 决与位置) 21 单相接 地 1/3i有取决与位 置 俩相接 地 1/3i有取决与位 置 附：单相故障时，以 a 相为故障相； 俩相故障时，设 b、c 相为故障相； i0 表示故障前电流幅值，in 表示额定电流； 由以上表障又可进一步分为非接地和接地 故障俩大类。非接地不对称故障，主要包括断相、 相间短路、匝间短路及不平衡运行等，这类故障 由于我国电动机中

33、性点不接地，故定子电流无 零序分量，所以就可以采用检测负序分量为判 断依据。 接地故障包括单相接地短路和俩相接地短 路，发生接地性不对称故障时，会出现零序电流 分量，这是区别其它任何形式故障的特征。 2.2 保护原理分析 根据以上特征分析，电动机发生对称故障的主 要特征是出现电流幅值增大，而发生不对称故 22 障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。 根据这一结论，可将电动机的保护分解为过电 流保护、断相保护、零序电流保护三个部分，由 此可覆盖电动机所有常见故障类型。 2.2.1 保护功能设置 根据以上队电动机故障得分析特设置电动机保 护如下： a.投入电流速断保护，用于保护电动机内部定 子绕

34、组以及进线所发生的相短路故障 b.投入零序电流保护，用于队电动机产生接地故 障时得保护 c.投入反时限过负荷保护 d.低电压保护则根据第 9.0.5 条中“二、根据生 产过程不允许或不需要自动的电动机，应装设 低电压保护。 ”的规定投入 e.堵转保护用来作为转子堵转或者起动时间过 长的保护，同时作为电动机流速断保护失灵的 后备保护 f.负序过电流保护对电动机的断相、反相及局 部匝间短路等各类非接地性不对称故障提供单 23 独保护。 在这个配置方案中，电流速断作为相间短 路的主保护在电机的运行过程中一直投入；堵转 保护作为转子堵转或启动时间过长的主保护， 同时作为电机相间短路的后备保护；过负荷保

35、护 是电动机定子绕组过流发热的主保护，同时又 作为相间短路及转子堵转的后备保护。这样的 配合还是很符合电动机过流的实际情况的，同 时辅以低电压保护和负序保护，应该说很全面 的覆盖了电动机的应有保护范围，也使得保护 器的保护功能发挥的较为彻底。 2.2.2 电流速断保护原理及其整定值 在过电流保护动作时间超过 0.。50.。7 时， 应装设瞬动的电流速断保护装置。 2.2.3.1 电流速断保护的组成及其速断保护的整 定 电流速断保护是一种瞬时动作的过电流保 护。其原理相当与定时限过电流保护中抽去时 间继电器，即在启动用的电流继电器后面直接 接信号继电器和中间继电器，最后由中间继电 24 器触点接

36、通。其工作逻辑原理图如下： 图 2-7 电流速断保护逻辑原理图 图中：s3 电流速断保护软件投切开关，1；保 护投入，0：保护退出； d3 电流速断保护动作定值； t3 时间继电器，0-50000s 可调。 2.2.3.2 电流速断整定值计算 动作电流值 在传统电流速断保护整定计算时，动作电流值 除了要满足躲过电动机的启动流的要求，还需 要保证灵敏度大 2，微机保护的特点决定了只要 动作电流值于电机的启动电流就行了。电动机 的最大启动电流基本上就相当于其堵转电流， 也就是要求 i，满足下式 iop=kst*in 保护装置中 的动作电流值并非实际的电流值，另外还要考 25 虑到接线系数及保证足够

37、的可靠性等，我们的 计算公式如下： (2-14)iop ki krelkw 3d 式中，krel 为可靠系数，对 dl 型电流继电器， 取 1.21.3，kw 为接线系数(俩相俩继电器)取 1，ki 为变流比。 对于动作时限，我们选择不设置动作时限。 2.2.3 定时限堵转电流保护 定时限过电流保护也叫做堵转保护，电动 机在正常运转中，由于各种原因使转子处于堵 转状态，由于堵转则相当与转子开路，因此电流 很大，容易烧毁电机。因此在检测到电动机处于 堵转时，应及时动作，防止烧毁。电动机在启动 完成后，如果因机械原因或负载过重致使转子 被卡住，即电动机出现堵转故障，则正序电流将 会增大，当正序电流

38、大于堵转定值时，保护器经 整定延时后动作。 2.2.4 热过载反时限过电流保护 所谓的反时限电流保护的保护装置的动作 时限原先是按照 10 倍的动作电流来整定，而实 26 际的动作时间则与其电流呈反比关系变化，电 流越大，动作时间越短。其保护动作方程如下： (2-15) 2 2 2 05 . 1 t in i s 式中：in 为电动机额定电流 s 为电动机发热时间常数，表示电动机的过载 能力 过载保护一般都采用反时限来计算保护时间， 当电动机运行在电流超过整定值时，过载保护 投入，开始利用反时限公式计算时间，一旦故障 时间超过了计算时间 t 之后，则动作与出口，实 现对电动机的保护。 2.2.

39、5 速断、堵转、过载保护之间的配合 速断保护、堵转保护和过载保护需要相互配 合，以使保护装置的工作更符合电动机运行过 程中的实际电流特性。三者之间的配合关系如 下： 27 图 2-8 速断、堵转、过载保护之间的配合关系 2.2.6 零序电流保护 零序电流保护，即接地保护，当 大于保护的0i 动作电流。i0 时，经短延时 t 保护出口动作依据 用户要求发出接地信号或跳闸。 (1)变压器中性点不接地系统中电动机的零序电 流保护整定计算 我国 3kv， 6kv， 10kv 电网大多数是变压 器中性点不接地或经消弧圈接地的系统，当单 相接地故障时，接地点的电流小，不是短路电流， 因此这种系统中电动机零

40、序电流保护需发出接 地信号，不跳闸。 变压器中性点不接地系统中电动机零序电流 保护的动作电流 lo.dz 的整定原则是：当本电动 28 机外部 (指机端电流互感器以外)电网中任一地 点单相接地时，本电动机的零序电流保护应可 靠地不动作，为此 (2-16) nl kkcodu i 3 d . z0 式中：u 本国电机所在电网的相电压(v)；cod：本 电动机每相对地电容 (f)； ：角频率；nl 本电动机机端电流互感器变化：kk 可靠系数，取 1.。25 再校验灵敏度。 本电动机定子绕组单相接地故障时，本电 动机零序电流保护应可靠地动作。 零序电流保 护的短延时 t 可整定为 0.。1-0.。5

41、s。 2.2.7 负序电流保护 电力系统在正常运行时负序电流分量很小 （接近于零），而在系统出现不对称故障时，就会 产生很大的负序分量电流，从而通过测量负序 电流的大小可以判别是否发生故障。设置负序 电流保护，作为电动机断相、逆相。定子绕组或 引出线不对称相间短路、定子绕组闸间短路、电 源电压严重不平衡等的保护。 29 本装置采用两段式定时限负序电流保护， 作为电动机断相、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。第一段具 有高定值，短延时 t1，第二段具有低定值，dzi 2 dzi . 2 长延时 t2。 （1） 第一段的整定 在系统最小运行方式下电动机机端两相短 路时，最

42、小的短路电流负序分量应使负序min . 2 )2( i 电流保护第一段可靠地动作，其灵敏 ki，至少 为 1.。25，按此原则得： (2-17)25 . 1 /min . 2 . 2 2 idzi 同时，还必须校验的值大于按公式计算的 值，以确保在电动机起动过程式中负序电流保 护第一段可靠地不动作。用户可根据上述算法 确定、本装置负序电流保护第一段的延dzi . 2 dzi . 2 时 t1 默认为 is，以短延时躲开断路器合闸及其 他暂态干扰所出现的短时间负序电流的影响。 （2） 第二段的整定 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 30 出现较长

43、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： (2-18) n idzi)4 . 03 . 0(2 按上式公式整定的躲不开断路器断路器dz . 2 i 跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较 大的负序电流 i2，但因为有 t2 长延时，则能保 证第二段不误跳，t2 由用户整定，一般可整定为 3s。 2.2.8 启动时间过长保护 正常启动过程结束后电动机的运行电流低 于额定值或者在额定值附近，而启动时间过长 则是在启动时间过后电动机的运行电流仍保持 较大值(一般为机械原因)。 启动时间过长保护是由启动时间和堵转时 间保护整定值来配合实现的。当正序电流大于 ，一般认为电动

44、机开始启动。经过启动时间后， n 1 . 0 i 电动机的电流如果仍然大于堵转电路的整定值， 则启动时间过长保护开始动作，发出跳闸命令： 若电动机运行电流小于堵转电流的整定值，则 认为电动机已加入正常运行状态。 31 启动时间过长保护可作电动机启动过程中短 路保护的后备保护。而且启动时间过长保护只 针对与电动机的启动过程加以保护，如果电动 机正常启动后，此保护应该自动退出，而且只要 电动机不停，此保护应一直不能进入保护。 2.2.9 欠压、过压保护 当电网电压降低或出现短时中断，一些不允 许或不需要自启动的电动机须从电网中断开， 因此需要配置低电压保护。保护原则是：当。 ab u bc u 有

45、一相低于保护定值时，低电压保护经延时后 动作发跳闸命令；当电动机从电网中断开，电网 电压恢复正常后，可使电动机随时重新启动。 2.3 本章小结 本章首先介绍了电动机的故障及起因，然 后详细阐述了电动机各种继电保护原理包括速 断保护、短路保护、两段式负序电流保护、断相、 逆相、电压不平衡、电流不平衡、定子绕组或引 出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路保护、 热过载保护、启动时间过长保护、堵转保护、接 地保护、低电压保护等保护原理，并给出电动机 32 故障与采取相应保护措施之间的关系图。提出 了电动机保护器装置的功能设计方案，为下一 步的电动机保护器软件与硬件设计奠定了基础。 33 3 硬件设计

46、微机保护最终得功能都事通过硬件执行来 实现得，因此硬件部分是整个控制系统的基础， 其性能的好坏对于系统的功能是否可以实现至 关重要。为了实现上一章提出得功能，同时解决 微机电动机保护器得不足，需要队硬件系统重 新设计，硬件系统主要包括 cpu 选型，数据输 入输出，工作电源等。其中 cpu 是最主要的，这 里采用 c8051ff020，其性能优越。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。 3.1 装置硬件系统结构设计 电动机综合保护器的整体结构如下，硬件 电路设计应包括

47、几个方面的内容：单片机系统设 计、测量电路设计、键盘与显示系统设计、电源 设计和 i/o 控制设计等。 34 三相电流输入 漏电输入 电压输入 滤波调理 显示模块 通讯模块 故障记录 i/o 控制 按键模块 cpu c8051f020 图 3-1 硬件系统 (1)交流输入通道 本部分实现电流电压的 输入调理 (2)显示部分 本部分采用 led 数码管作为用户界面，单 片机与 led 数码管接口采用串行通讯方式，配 接移位寄存器来驱动数码管工作。 (3)控制输出 i/o 控制电路 控制输出部分采用机电式继电器，其价格 便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单。 (4)通信模块 这部分采用 rs-4

48、85 接口，采用硬件自动控 35 制收发电路，不用单片机进行控制以减轻负担。 3.2 单片机系统设计 微处理器应根据所要完成的数据处理工作 的复杂程度来选择。由于整个保护器需要的计 算量和数据存储较大，加之，还要完成于上微机 的通讯，因此对微处理器的要求较高。本设计采 用美国 cygnal 公司生产的 c8051f020 作为 数据处理的核心部分。该处理器内部资源丰富， 仅需要少量的外部控制电路即可完成系统的各 项功能。 c8051f020 系列单片机是完全集成的混合 系统级芯片，具有 mcs51 兼容的控制器内核， 其指令于 mcs-51 完全兼容。除具有 mcs-51 数 字外设部件外，片

49、内还集成了数据采集和控制 系统中常用的模拟及数字外设功能部件。这些 功能部件的高度集成为设计体积小，功耗低，可 靠性高的应用系统提供了方便，业可使系统集 成成本大大降低。 采用 tqfp-100 封装形式的 c8051f020 内部结 构如图所示。 36 图 3-2 8051f020 内部结构图 a) 单片机主要特点 1模拟外设 12 位逐次逼近型（sar）ado，可编程转换速 率，最大 100ksps，输入电压信号范围： 02。40v；8 位 adc（adc1），可编程转换 速率，最大 500ksps； 可编程放大增益：16，8，4，2，1，0.。5； 数据相关窗口中断发生器； 37 2片内

50、 jtag 调试和扫描； 片内调试提供全速、非侵入式的系统调试； 支持断点、单部、观察点、堆栈监视器、支持 观察、修改存储器和寄存器； 完全符合 ieee11149.。1 边界扫描标准； 3高速 8051 微控制器内核； 流水线指令结构； 百分之 70 指令的执行时间位 1 个或者 2 个 系统时钟周期，速度可达 25mips； 22 个矢量中断源； 4存储器 4352bb 内部数据 ram（4kb+256b）； 64kb flash 存储器，可以在系统编程，每 个扇区位 512b； 外部 64kb 数据存储器接口； （5）数字外设 8 个 8 位的端口 i/o，所要口线均耐 5v 电压； 可

51、同时使用硬件 smbus，spi 及俩个增强型 uart 串口； 38 可编程 16 位计数器/定时器阵列，有 5 个捕 捉/比较模块，6 种工作方式； 5 个通用 16 位计数器/定时器； 5时钟源 内部可编程振荡器：216mhz； 外部振荡器：晶体、rtc 或外部时钟； 实时时钟（rtc）方式（用定时器 3 或者 pca）； b)单片机最小系统设计 该最小系统采用 c8051f020 为核心芯片； 采用 3.。3v 供电；采用 22.。1184m 无源晶振；同 时提供 jtag(joint test action group)标准测试 接口，为在线调试与仿真提供很大的方便；通过 4 个 2

52、0 脚的插针引出 2407a 的所有功能引脚； 最小系统所需的电源通过与之相边的底部插座 提供。 该最小系统电路板上有 3 处跳线，分别是 j301、j302、j303。尤其要注意跳线 j303。应用仿 真器进行硬件仿真的时候，跳线帽连接的是 1 39 脚与 2 脚；当程序下载到 c8051f020，实际运行 时，跳线帽连接的是 2 脚与 3 脚。 该最小系统主要包括时钟电路、复位电路、 jtag 仿真电路、外部存储器等。 （1）时钟电路 jz1 24/22.1184m x t a l 1 x t a l 2 10m r 5 r es2 30 c 17 30 c 18 图 3-3 时钟电路 （

53、2）复位电路 m cu -sw 1 sw -pb 10k r3 res2 0.1uf c2 cap 1uf c3 cap 1k r4 res2 rst +3v d 2 图 3-4 复位电路 （3）jtag 仿真电路 t ck t d i t d ot m s +3v d 2 +3v d 2 4.75k r1 res2 12 34 56 78 910 jt a g 40 图 3-5 jtag 仿真电路 3.3 模拟信号采集 模拟信号采集模块完成保护单元模拟信号的采 集调理整形等功能。本装置有五路模拟量输入， 其中三相电流ia，ib，ic输入，一相电压ia输入， 零序电流i0输入。装置通过对这3路

54、模拟量进行 一系列采样、滤波以及模数变换操作后，再对采 样数据进行计算处理，从而获得各种保护动作 判据。图3-3给出模拟量输入模块框图。 电流互感器/电 压互感器 滤波调理电路单片机 a/d 口 图 3-6 模 拟 量 输 入 模 块 框 图 3.3.1 电压信号采集 电压信号采集采用了具有精密整流的全波 整流式 ac-dc 转换电路，其电路图如下。采用 平均值 ac-dc 转换器对交流电压进行有效值测 量的方法是：先测出交流信号的平均值，然后再 根据波形因数换算出对应的有效值。 41 t2 trans 100k r20 1k r22 1k 2 3 6 47 1 8 5 ar1 op amp

55、2 3 6 47 1 8 5 ar2 op amp 2 3 6 47 1 8 5 ar3 op amp d4 d5 1k r15 1k r16 4.7k r19 1k r23 4.7k r17 4.7k r14 9k r21 9k r24 1k r25 18kr18 18kr26 0.01ufc22 an0.1 图 3-7 电压输入电路图 交流信号的平均值可用式（3-1）来表示 u0= = uidtui t t 0 1 （3-1） 从交流测量的角度看，平均值是指经过整流 之后的平均值。否则，若被测交流信号为正弦波， 则平均值为零。因此，要取到上式的平均值，必 须先要对交流信号求绝对值，然后再取

56、其平均 值。绝对值用全波线形整流器来实现，平均值可 用滤波器来实现。 图 3-7 是一种以全波线形整流为基础的平均 值 ac-dc 转换器。图中放大器 a2 及二极管 vd1 vd2 和 r10 构成了全波整流器，在输入电 压的正半周 vd1 导通，vd2 截止，b 点的电压 为 0，电压通过电阻 r10 传在 c 点。在输入电压 42 的负半周，vd1 截至，vd2 导通，其导通电流 经 r7 在 b 点产生正极性电压，由于 r3r4， 在 b 点处的电压波形的幅度于输入电压相等， 但极性相反。 在半波整流器之前有一级高输入阻抗的阻抗 放大器 a1，它的作用是提高输入阻抗和扩大测 量范围。在

57、半波整流之后有一个放大器 a3 组成 的有源滤波放大器，它的作用是实现平均值的 计算。最后再将平均值按正弦信号的有效值测 量。 平均值 acdc 转换器的电路简单，成本低， 广泛应用于低精度的电压测量中，因此本设计 采用它来作为电压采样。 在电压互感器出来的是一个交流信号，图 形如下图所示。 图 3-8 互感器出来的电压波形 43 经电路整形和处理，得到的是一个整流后 的全波电压，其图形如下 图 3-9 a/d 口输入的电压波形 3.3.2 电流信号采样 由于电流信号采样采用交流采样，故电流采集 采用交流信号采集，将电流信号的幅值和相位 一起采集，可采集到电流的整个波形。电路图如 下，由于三相

58、的采集均一样，故现以一路电流输 入回路为例做说明： 1k r? 1k r? 2 3 1 84 a u?a 2 3 1 84 a u?a 1k r? 0.01uf c? 1k r? 1k r? 1k r? 1k r? 1k r? d? +3 d? ain0.3 图 3-10 单相电流输入回路 在电流互感器出来的电流是一个交流信号，图 44 形如下图所示，由于单片机 a/d 口只能输入单 极性的正电压，故正弦的电流信号就不能不能 输入，这里采用加法放大电路将正弦的电流信 号抬高到正值。电路图中后一个放大器 a2 的作 用就是将其放大太高为正的。放大器 a1 的作用 是形成一个电压跟随器，其作用是提

59、高输入阻 抗。为了保证加法电路得稳定性，加稳压二极管， 对于滤波电路选取截止频率 100hz 则选滤波时 间常 图 3-11 电流互感器二次侧的电流波形 45 图 3-12 a/d 口输入的电流波形 数为 10ms，1/rc=10ms，取 r1=1m，则 c=1pf。 取俩个放大器同向输入端的输入电阻相同，即 r2=r3 则可保证俩电压跟随器出来的电压值相 同，取 r2=10k 。 。由于 mcs-51 单片机的输入电 压最大为 2.。43v，即电压的峰值为 2.。43v，因 此加法放大电路的电阻采用 20k 的电位器调试， 获得峰值为 2.。43v 的电压波形。 3.4 开关量输出 本装置输

60、出电路板上装有1个继电器-保护 动作继电器。一般当保护装置判断出某种事件 需要继电器动作时，cpu控制发出信号给继电器 线圈通电，使继电器触点动作；当故障处理完毕 46 以后，cpu控制发出信号使继电器复位。 本设计采用三极管 9013 驱动继电器工作，利用 三极管的开关特性来达到无接触无火花的控制 开启的目的，同时达到强电隔离的效果。在继电 器的上面并联一个发光二极管，作为继电器动 作的指示灯。为了防止继电器触点断开时产生 的瞬间反向电压，在继电器回路中并联一个续 流二极管。 4.7k r1.2 4.7k r1.0 10k r1.1 led1 d1 1n4007 k1 relay-spst