智能電機保護器的設(shè)計

1、摘 要電機是一種應(yīng)用最廣泛的動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用。由于不同產(chǎn)品的技術(shù)水平、制造質(zhì)量、設(shè)計選用水平特別是組成配電與控制系統(tǒng)后現(xiàn)場應(yīng)用中各種因素的影響 ,往往不能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機的有效保護 ,據(jù)統(tǒng)計資料表明 , 我國大中型企 業(yè)每年燒壞電動機數(shù)量超過20 萬臺次 ,直接損失達數(shù)十億元 ,間接損失達數(shù)百億元。因此，本文圍繞基于單片機控制的電機保護器的研究這一任務(wù)而展開，開發(fā)了適用于各種現(xiàn)場環(huán)境的交流電機測量、監(jiān)控、保護一體化裝置。本系統(tǒng)設(shè)計的基本原理是監(jiān)視電機運行時的電壓參數(shù)，通過對這個參數(shù)的分析，實時的為保護電機提供準確的參考信息，然后把這些信息發(fā)送到保護器里然后進行跳閘保護，做

2、到可以對電機進行過載、過壓、堵轉(zhuǎn)、欠壓、不平衡、啟動超時的保護。本設(shè)計也是為提高了產(chǎn)品性價比，避免了同時采用各單一功能產(chǎn)品所造的浪費，簡化和縮小了控制柜上面板尺寸，并且使得安裝、維護簡易，使用方便，如此諸多因素使電機的應(yīng)用成本大為下降。具有良好的實用價值和廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：電機保護；單片機；故障保護；可靠性，AbstractMotor is a kind of the most widely applied power equipment, plays an important role in national economic development. Due to the diffe

3、rent product technical level，Manufacturing quality，Design multi-back composed distribution and control level, especially in the on-site application system after the influence of various factors, Often cant realize the effective protection of motor. According to the statistical data show that large a

4、nd medium-sized enterprises in China every year, more than 20 million number of burnt motor measurements, cause direct economic loss of billions of dollars, indirect economic loss of tens of billions of dollars. Therefore, the thesis based on single chip microcomputer control motor protector of rese

5、arch on this task, development was suitable for various site environment of ac motor measure, monitor, and protection integration device. The basic principle of the system design is to monitor the motor running time of voltage and current parameters, through the analysis of these parameters, real-ti

6、me provide accurate reference information,then put these messages to protector and protect the trip on the motor, do can on the motor overload, over-voltage, plugging turn, undervoltage, imbalance, start overtime protection.This design is to enhance product performance, to avoid the adopted various

7、single function products made waste, Simplify and narrowed control cabinet panel size, and makes the installation, maintenance is simple, easy to use, so many factors make motor application cost greatly declined.There is good practical value and broad prospects for development.Keywords: motor protec

8、tion; SCM; Fault protection; reliability 目 錄1 緒論.11.1 引言.11.2 電動機的保護在國民經(jīng)濟的重要意義11.3 我國電機保護的歷史及其發(fā)展現(xiàn)狀11.3.1熱繼電器、熔斷器11.3.2模擬電子式電動機保護器.2數(shù)字電子式電動機保器.21.3.4電機保護的現(xiàn)狀及其趨勢.31.4本課題研究的主要內(nèi)容.32 電機保護器的原理及其故障分析.42.1 電動機保護原理.42.1.1對稱分量法.42.1.2負序、零序電流的檢測方法.52.2 各保護的原理與實現(xiàn)方法.62.2.1過載保護62.2.2堵轉(zhuǎn)路保護.62.2.3不平衡保護(含缺相) .72.2.4

9、欠壓保護.72.2.5過壓保護.72.2.6啟動超時保護.72.3 電動機故障特征分析.83 智能電機保護器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計103.1 概述.103.2用protel 99 se繪畫原理圖的過程.103.2.1系統(tǒng)PCB板得設(shè)計.113.2.2確定PCB的大小.,.113.2.3PCB的布局.113.2.4PCB布線113.3單片機最小系統(tǒng)123.4 A/D轉(zhuǎn)換器.143.4.1 AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和特點.143.4.2單片機對ADC0832的控制原理.153.5 數(shù)碼顯示電路.173.5.1數(shù)碼管的驅(qū)動方式.173.5.2數(shù)碼管的主要參數(shù).183.5.3數(shù)碼管的應(yīng)用.183.6 跳閘電路的設(shè)計.1

10、93.7單片機的系統(tǒng)的可靠性設(shè)計.203.8 晶振電路.203.9 硬件的調(diào)試.203.9.1檢測元器件213.9.2檢測各個引腳信號.214 系統(tǒng)軟件的設(shè)計.224.1 程序設(shè)計語言的選擇.224.2 軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計.234.2.1主程序的設(shè)計.234.3 ADC0832的程序框圖.254.4軟件開放環(huán)境.264.5 軟件的調(diào)試.274.5.1程序的初始化調(diào)試.274.5.2程序模塊的可行性調(diào)試.275 結(jié)論.29致謝.30參考文獻.31附 錄1系統(tǒng)設(shè)計原理.32附 錄2系統(tǒng)設(shè)計的PCB圖.33附 錄3程序.341 緒論1.1 引言隨著國民經(jīng)濟的日益發(fā)展, 作為電能轉(zhuǎn)化為機械能的重要工具

11、, 電動機在工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。因此保護器的可靠運行起著舉足輕重的作用。如何能有效的監(jiān)視電機的運行狀態(tài)，保護電機不被燒壞，提升其運行時間，減少電機故障，對工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防等領(lǐng)域的正常運行十分重要。 由于熱繼電器結(jié)構(gòu)比較簡單，在保護電動機過載方面既有反時性，所以在工業(yè)中用熱繼電是比較普遍的。但是其保護功能實非常的少，隨著微機器技術(shù)、電子技術(shù)的飛快發(fā)展，新型的功能強、體積小、可靠性高的電子式、智能化、可通訊電機保護器不斷出現(xiàn)，因此熱繼電器逐漸的被淘汰。新型的電機保護器不僅節(jié)能、動作靈敏、抗干擾能力強、功耗小而且保護功能非常的齊全，具有過負荷保護、斷相保護、堵轉(zhuǎn)保護、不

12、平衡過負荷保護、短路保護、低電壓、失壓、過電壓、接地保護等可靠性功能。運用此功能完善且可靠性高的電機保護器，必定會給配電控制系統(tǒng)帶來好處可以帶來巨大的社會效益，另一方面也能為產(chǎn)品的制造廠家?guī)砜捎^的經(jīng)濟效益。1.2 電動機保護在國民經(jīng)濟的重要意義電動機作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要。而當(dāng)人們在使用中電機時由于使用方

13、法不對而導(dǎo)致電機燒毀甚至引發(fā)重大安全事故的事件屢見不鮮，據(jù)不完全統(tǒng)計我國大中型企業(yè)每年燒壞電動機數(shù)量超過20 萬臺次 ,容量約0.4億千瓦，因維修所耗的電磁線約5000萬公斤，直接損失達數(shù)十億元 ,間接損失達數(shù)百億元。而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個無法估量的巨大數(shù)目。因此做好電動機的保護具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益及保證安全生產(chǎn)的重要意義。1.3 我國電機保護的歷史及其發(fā)展現(xiàn)狀我國的電動機保護裝置大約經(jīng)歷了全面仿蘇、自行設(shè)計、更新?lián)Q代、智能化發(fā)展等幾個階段。值得我們自豪的是由于近年來微處理器技術(shù)、電子技術(shù)、單片機技術(shù)、檢測技術(shù)、計算機控制技術(shù)等的不斷完善，為我國的電動機保護器向智能化

14、、多功能化方向發(fā)展提供了豐富的知識平臺，使得電機保護進入了一個飛速發(fā)展的階段。 熱繼電器、斷路器在建國初期，由于我國電機保護處在比較落后的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，因此我們就引進了蘇聯(lián)的JR系列熱繼電器，并且其在中國電機保護行業(yè)中使用很長的一段時間，直到1996年國家八部委聯(lián)合發(fā)文強制將其淘汰。由于當(dāng)時我國電子業(yè)很不發(fā)達，因此熱繼電器是我國電機過載保護的首選產(chǎn)品，熱繼電器是利用雙兩種膨脹系數(shù)不同的金屬扎制成雙金屬片，當(dāng)電流通過時便會產(chǎn)生熱量，受熱后就會發(fā)生彎曲，當(dāng)通過熱繼電器的電流超過其整定電流的一定倍數(shù)時雙金屬片就會彎曲，由彎曲產(chǎn)生的機械力便帶動觸點動作達到保護的目的。它在保護電動機過載方面具有反時限性能和

15、結(jié)構(gòu)簡單的特點。但是存在功能少，無斷相保護，對電機發(fā)生通風(fēng)不暢，掃膛、堵轉(zhuǎn)、長期過載；頻繁啟動等故障不起保護作用。這主要是因為熱繼電器動作曲線和電動機實際保護曲線不一致，失去了保護作用。且重復(fù)性能差，大電流過載或短路故障后不能再次使用，調(diào)整誤差大、易受環(huán)境溫度的影響誤動或拒動，功耗大、耗材多、性能指標(biāo)落后等缺陷。所以不能便不能適合現(xiàn)在越來越先進的技術(shù)，便會會被更加先進的保護器代替。很多人認為可以把熔斷器作為電機的過載保護。但是嚴格來說不能，熔斷器應(yīng)用來做短路保護如果配備了電氣的相關(guān)保護，熔斷器應(yīng)該作為保護據(jù)動且嚴重危及設(shè)備安全和電網(wǎng)穩(wěn)定時的保護。 相信誰也不想將熔斷器作為過載保護，那要是電機經(jīng)

16、常處于過載狀態(tài)，那還不得經(jīng)常更換熔斷器。如果熔斷器規(guī)格選得太大，則達不到過載保護的效果。 模擬電子式電動機保護器（電機保護器）隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，一批新型的可用性比較強、功能多樣化的電子模擬多功能保護應(yīng)運而生，給電機的運行提供了比較可靠的保障。其中以有自己品牌特色的以韓國三和技研株式會社的產(chǎn)品為例，由于其產(chǎn)品品種多樣，規(guī)格齊全，并且具有缺相，過載，欠流，相失衡，相序，接地，短路，過欠壓等保護功能，所以在當(dāng)時的國內(nèi)市場具有很大影響。但其也是存在整定精度不高、采樣精度不高、無法實現(xiàn)具有多種保護功能于一體的全保護等缺點，所以慢慢的就會被更為先進的產(chǎn)品淘汰。 數(shù)字電子式電動機保護器（電機保護器）這

17、類電動機保護器（電機保護器）是一款主要以單片機作為控制器，可實現(xiàn)電機的智能化綜合保護，有的還具有遠程通訊功能的智能型電動機綜合保護器，是傳統(tǒng)熱繼電器的升級換代產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用數(shù)字處理技術(shù)，液晶顯示，通過內(nèi)置的電流互感器檢測電動機的三相負載電流，可以顯示三相電流并根據(jù)電流判斷是否存在過載、缺相、三相電流不平衡等故障。當(dāng)發(fā)生上述故障時，內(nèi)部繼電器觸點斷開，切斷電動機電源。其具有的主要功能：（1）電流顯示：可顯示三相平均電流和A、B、C三相電流。（2）過載保護：當(dāng)發(fā)生過載時，切斷電動機電源，有定時限和反時限兩種動作方式，定時限時間可調(diào)，提供五條反時限曲線。（3）缺相保護：當(dāng)檢測到缺相時，切斷電動機電

18、源，動作時間可調(diào)。（4）三相不平衡保護：當(dāng)檢測到三相電流不平衡時，切斷電動機電源，不平衡度動作點和動作時間可調(diào)。（5）自動恢復(fù)功能：因故障切斷電動機電源后，可以自動恢復(fù)若干次，次數(shù)和間隔時間可設(shè)置。（6）故障電流鎖定功能：因故障切斷電動機電源后，鎖定顯示發(fā)生故障那一刻的電流，以便于分析故障原因。（7）時間繼電器功能：作為附加功能，內(nèi)部集成了一個時間繼電器?？傊且环N高精度，高可靠智能電動機保護器 。1.3.4電機保護的現(xiàn)狀及其趨勢隨著我國用戶對保護器的了解逐步加深，目前的電動機保護器（電機保護器）不再是單純的根據(jù)電流的大小來決定是否需要保護，而是考慮到環(huán)境因素對電機的影響。目前我們國內(nèi)也有很多

19、廠家生產(chǎn)出了與世界先進水平接近的產(chǎn)品，例如原南京愛通自動化研究所與寧波振華電器有限公司等，我們這些廠家還需要在產(chǎn)品的性能穩(wěn)定、抗干擾等方面盡快縮短與世界先進水平的距離，我們有信心相信在中國的市場上會涌現(xiàn)出越來越多的性能優(yōu)異的電機保護器產(chǎn)品。1.4 本文的主要研究內(nèi)容概括本課題所研制的電動機智能保護裝置，主要內(nèi)容包括以下幾個方面:（1）分析了電動機運行的基本原理、電動機故障特征以及保護原理。（2）給出了電動機保護裝置的實現(xiàn)方案。本裝置可用單片機控制實現(xiàn)以下故障保護：斷相保護、短路保護、不平衡保護、過壓保護、過流保護、欠壓保護、堵轉(zhuǎn)保護以及過熱保護等功能。（3）以AT89S51單片機為核心控制器針

20、對目前國內(nèi)電機保護裝置保護功能單一、人機界面不友好、通信功能不完善、集成度不高等缺點設(shè)計了電動機保護單元。（4）在軟件系統(tǒng)的設(shè)計上，根據(jù)單AT89S51片機的編程結(jié)構(gòu)特點采用模塊化的程序設(shè)計，模塊化編程使程序開發(fā)更有效，小塊程序更容易理解和調(diào)試以及實現(xiàn)功能。2 電機保護器的原理及其故障的分析2.1 電機保護原理保護算法是電機保護器的中樞神經(jīng)，使保護系統(tǒng)性能最主要的決定因素之一，因此，對電機保護原理的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電機保護一般采用熱繼電器型或電磁型的過流保護，其基本保護原理是以電流幅值的增加作為判斷否發(fā)生故障的依據(jù)。所以，這種過流保護的原理只能反映以電流增加為主要特征的對稱故障和短路故障，

21、如過載、堵轉(zhuǎn)、嚴重短路等，不能夠?qū)嘞?、接地、不平衡等不對稱故障進行及時有效的保護。傳統(tǒng)過流保護在電機發(fā)生不對稱故障時不能夠進行有效保護的主要原因是:（1）不對稱故障一般不會使電流顯著增加;（2）不對稱故障中出現(xiàn)的負序電流分量所引起的負序電流效應(yīng)會導(dǎo)致電機端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動、減小起動力矩等一系列問題;（3）起動電流瞬間值有時會高于電機的故障電流，要對起動電流和故障電流進行分辨，使過流繼電器的整定困難。針對傳統(tǒng)故障檢測方法的不足，本文引入了對稱分量法作為電機保護的基本理論以檢測電機運行中的不對稱故障。以下介紹對稱分量法和負序、零序電流的檢測方法。對稱分量法 對稱分量法是電工中分析對稱系統(tǒng)不對稱運

22、行狀態(tài)的一種基本方法。廣泛應(yīng)用三相交流系統(tǒng)參數(shù)對稱、運行工況不對稱的電氣量計算。對稱分量法 任何故障點的電流可以分為正序、負序、零序3個相序分量其如圖2.1Ic1Ia1Ib1Ib2Ia2Ic2Ia0Ib0Ic0（a）正序分量 （b）負序分量 （c）零序分量 圖2.1每一組的對稱分量都符合：大小相等，彼此之間的相位差也相等。正序分量的三電流大小相等，彼此之間的相位差為120，達到最大值的先后順序是A-B-C-A；負序分量的三相電流大小也是相等，彼此之間的相位差也為120，但達到最大值的先后順序是A-C-B-A,；零序分量的三相電流大小也相等，但是相位是相同的。對稱分量法的簡單計算入下：當(dāng)選擇A項

23、作為基準相時，三相向量和他對稱分量之間的電流關(guān)系是 IA=Ia1+Ia2+Ia0 （1）IB=Ib1+Ib2+Ib0= a2Ia1+aIa2+Ia0 （2）IC=Ic1+Ic2+Ic0 = aIa1+a2Ia2+Ia0 （3）對于正序分量：Ib1= a2Ia1 Ic1= aIa1對于負序分量：Ib2= aIa2 Ic2= a2Ia2對于零序分量：Ia0= Ib0= Ic0式中，a為運算子，a=1120，有a2=1240, a3=1, a+a2+1=0有各項電流求電流序分量：I1=Ia1=1/3(IA+aIB+a2IC)I2=Ia2=1/3(IA+a2IB+aIC)I0=Ia0=1/3(IA+I

24、B+IC)2.1.2負序、零序電流的檢測方法根據(jù)上面的所說的對稱分量法可知，當(dāng)電動發(fā)生不對稱故障時，其定子電流可以分為正序、負序、和零序電流。在電動機正常工作時零序、負序電流是不存在的，或者是非常的小。一旦電機發(fā)生不對稱故障，零序、負序電流就會有電流值。所以判斷電機運行中是否發(fā)生不對稱故障主要是針對負序、零序電流的監(jiān)測。對于負序電流的監(jiān)測我們采用了坐標(biāo)變換法來監(jiān)測。設(shè)電網(wǎng)電壓三相對稱，且只考慮基波情形，將三相不對稱負載電流分解為序分量表示為ia+=A+cos（t+）ib+=A+cos（t+-120）ic+=A+cos（t+-240） （1）ia-=A-cos（t+-）ib-=A-cos（t+-

25、+120）ic-=A-cos（t+-+240） （2）ia0=i0b=ic0=（ia+ib+ic）3 （3）將ia、ib、ic經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換到dq坐標(biāo)系下有idia=coswt sinwt-sinwt coswtX1 -1/2 -1/20 -/2 - /2iaibic（4）（4）式中，t為同步旋轉(zhuǎn)角，經(jīng)由PLL電路捕獲，能實時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率的變化。這種變換的原理是將三相電流投影到與t同頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下，由于t實時跟蹤電網(wǎng)電壓基波正序分量頻率的變化，因而使得三相電流的基波正序分量在該坐標(biāo)系下保持相對靜止從而變?yōu)橹绷鞣至?；基波負序分量在該坐?biāo)系下變?yōu)?次負序諧波分量；0序分量變換為0，不起

26、作用，即其中電流基波正序分量經(jīng)dq變換后得到的直流分量；為基波負序分量經(jīng)dq變換后得到的2次諧波分量，如果考慮負載電流含有諧波的情況，則還包括各次諧波電流經(jīng)變換后所得的正弦分量。將id、iq通過一個低通濾波器濾除交流分量，然后采用dqabc反變換可以得到負載電流的基波正序分量，將總的負載電流減去基波正序電流就可得到基波負序電流。求零序分量：把三個向量相加求和。即A相不動，B相的原點平移到A相的頂端（箭頭處），注意B相只是平移，不能轉(zhuǎn)動。同方法把C相的平移到B相的頂端。此時作A相原點到C相頂端的向量（些時是箭頭對箭頭），這個向量就是三相向量之和。最后取此向量幅值的三分一，這就是零序分量的幅值，方

27、向與此向量是一樣的。22 各種保護的原理和實現(xiàn)方法過載保護過載就是負荷過大，超過了設(shè)備本身的額定負載，產(chǎn)生的現(xiàn)象是電流過大，用電設(shè)備發(fā)熱，線路長期過載會降低線路絕緣水平，甚至燒毀設(shè)備或線路；但是如果過載時間間隔很短，并且負荷量不是很大，而且很快散發(fā)出去，所有有時電動機暫時還可以承受的住，即低倍的過負荷又允許一定的時限，所以有時電動機的過負荷特性要呈現(xiàn)良好的反時限特性起（見圖2.2）。過載保護主要作用的就是熱繼電器FR。當(dāng)電動機發(fā)生過載時，它的發(fā)熱元件就會發(fā)熱從而促使其常閉觸頭斷開，因此接觸器線圈斷電，主觸頭斷開，電動機停轉(zhuǎn)。為了有效的保護電動機的運行，常常把兩個發(fā)熱元件分別串聯(lián)在任意兩相電源線

28、中。這樣可以做到即使三相電路中任意一相的熔斷器熔斷后(這種情況一般不會輕易覺察到，所以此時運行中的電動機按單相異步電動機運行，不僅還在轉(zhuǎn)動，而且電流也增大了) ，但是仍可以保證有一個或者兩個發(fā)熱元件還在起作用，電動機還可以得到有效的保護。圖2.2 反時限特性堵轉(zhuǎn)保護堵轉(zhuǎn)保護是電動機特有的一種保護，堵轉(zhuǎn)就是一般的電動機在其運行過程中，如果由于負荷過大或自身機械原因，造成電機軸被卡住從而不能運轉(zhuǎn)。如果電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電流就會變得很大 ,而且散熱條件差的話就會造成溫升急劇惡化 ，在這種情況下就會特別容易燒毀電動機。我們可以通過檢測電流的變化，當(dāng)電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值Id: 并且電流超過電動機的堵轉(zhuǎn)

29、時的最小電流時，電動機就保護開關(guān)就跳閘起到保護的作用。堵轉(zhuǎn)保護一般作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。不平衡保護電機損壞可以分為平衡故障和不平衡故障,不平衡故障又可以分為電壓不平衡和電流不平衡。如果三相電壓不平衡時，電機內(nèi)就有逆序電流和逆序磁場存在，因此，就會產(chǎn)生較大的逆序轉(zhuǎn)矩，從而造成電動機三相電流分配不平衡，就會使某相繞組電流逐漸增大。當(dāng)三相電壓不平衡度達5時，可以使電動機相電流超過正常值的20以上。三相電流的不平衡可能會導(dǎo)致電機的絕緣被擊穿，可以根據(jù)電機繞組中的電流的大小來判斷擊穿當(dāng)電機剛開始啟動的時候啟動沖擊電流是很大的，在這個時候發(fā)生擊穿的可能性是很大的。但是也不是絕對的，可以根

30、據(jù)電流的大小、絕緣等級來衡量。這種兩種情況下，我們也可以利用檢測電流的變化來進行判斷是不是不平衡，從而也根據(jù)這種電流檢測的方法來進行有效的保護。失壓/欠壓保護所謂失壓和欠壓保護就是當(dāng)電源停電或者由于某種原因電源電壓降低過多(欠壓)時，保護裝置能使電動機自動從電源上切除。因為當(dāng)失壓或欠壓時，接觸器線圈電流將消失或減小，失去電磁力或電磁力不足以吸住動鐵心，因而能斷開主觸頭 ，切斷電源。失壓保護的好處是，當(dāng)電源電壓恢復(fù)時，如不重新按下啟動按鈕，電動機就不會自行轉(zhuǎn)動(因自鎖觸頭也是斷開的) ，避免了發(fā)生事故。如果不是采用繼電接觸控制，而是直接用閘刀開關(guān)進行控制，由于在停電時往往忽視拉開電源開關(guān)，電源電

31、壓恢復(fù)時，電動機就會自行啟動，會發(fā)事故。欠壓保護的好處是，可以保證異步電動機不在電壓過低的情況下運行。過壓保護當(dāng)電機過電壓保護器原理應(yīng)用產(chǎn)生工頻過電壓的主要原因是：空載長線路的電容效應(yīng)，不對稱接地引起的正序、負序和零序電壓分量作用，系統(tǒng)突然甩負荷使發(fā)電機加速旋轉(zhuǎn)等。對電源模塊的輸出電壓進行檢測，當(dāng)輸出的電壓超過電機的整定電壓時就會產(chǎn)生過壓信號；將所述過壓信號反饋至保護器中，保護器就會斷開開關(guān)進行跳閘，不再輸出電壓了，電動機就會停止工作。啟動超時保護由于負載過重或供電電壓太低導(dǎo)致沒有在規(guī)定的時間內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速稱為電機啟動時間過長。正常的啟動啟動后電動機運行的電流會小于其額定的電流或者和其而定電流

32、是非常的接近，但是啟動時間超過規(guī)定的啟動時間時，那時的電機電流值還是非常的大。當(dāng)啟動時間超過規(guī)定的啟動時間，并且此時的電機的電流還大于電機的整定電流時，啟動超時保護器就會跳閘起到保護電機的作用。上面所說堵轉(zhuǎn)保護一般作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。而電動機的起動時間過長保護也可作為電動機起動過程中短路保護的后備保護，但是電動機和堵轉(zhuǎn)保護是有很大的區(qū)別的，起動時間過長保護只是針對于電動機的起動過程時并且啟動時間超過規(guī)定的啟動時間時才動作，如果電動機正常起動后，此保護就會自動退出，不再進行工作了。當(dāng)電動啟動超時時電流就會非常的大，很容易燒壞電動機，從而就會影響很多領(lǐng)域的正常運行。所以，正確的

33、判斷電動機是否處于起動狀態(tài)是一個很嚴肅的事情，不得有一點馬虎。為此，在電機的整定值中特意加了一個整定值幾。當(dāng)電動機的電流小于幾時，認為電動機處在正常停機狀態(tài)，而一旦電動機的電流由小于人過渡到大于人時，則認為電動機開始起動，將起動時間過長保護投入。2.3 電機故障分析 電氣方面故障有定子繞組缺相運行，定子繞組首尾反接，三相電流不平衡，繞組短路和接地，繞組過熱和轉(zhuǎn)子斷條、斷路等。（1）由于軸承損壞，軸彎曲等原因造成堵轉(zhuǎn)。（2）由于繞組端部較長或局部受到損傷與端蓋或其它附件相磨擦，導(dǎo)致繞組局部燒壞。（3）由于長時間過載或過熱運行，繞組絕緣老化加速，加之本身密封不良，環(huán)境跑冒滴漏，使電機內(nèi)部進水或進入

34、其它帶有腐蝕性液體或氣體，電機繞組絕緣受到浸蝕絕緣最薄弱點碳化引起匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪返痊F(xiàn)象使繞組局部燒毀。（4）電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電源電壓三相不平衡、電壓波動大、電網(wǎng)電壓波形畸變、高次諧波嚴重或者電動機斷相運行。（5）由于導(dǎo)線截面選擇不當(dāng)，實際負載已超過了導(dǎo)線的安全電流從而造成過載。三相電流不平衡的故障，常常由于電動機外部電源電壓不平衡所引起，其內(nèi)部原因主要是繞組匝間短路或在電動機重繞修理時線圈匝數(shù)錯誤或接線錯誤。電動機過熱溫升的原因，主要有這樣幾種情況，電動機自身內(nèi)在質(zhì)量問題，電動機長期處于超負荷工作運行狀態(tài)(械傳動機機構(gòu)故障引起電動機負荷大)，電動機散熱性能很差，電動機繞組局部短路

35、燒毀等一系列情況。電動機溫升異常最大的故障原因是繞阻匝間短路，匝間短路是由于繞組漆包線絕緣層性能差而損壞;，從而使相間導(dǎo)線直接碰及，形成了一個低阻抗的電流回路，使匝間電流增大而使線包發(fā)熱，久之使用使整個定子繞組產(chǎn)生過熱，最終因熱量劇升而擊毀繞組，所以此類故障應(yīng)拆開機殼，查繞組故障點。如果線包無燒毀問題，可將定子浸入專用絕緣漆內(nèi)重新進行浸漆絕緣處理，然后在烘箱內(nèi)烘烤干燥。若線包有局部燒毀現(xiàn)象，而短路點又在定子槽內(nèi)，那只有更換整個繞組線包。各類對稱情況詳細如表2.3.表2.3 電機對稱故障表故障類型零序負序過電流其他特征對稱故障過載 無 無(1.26)IPIA IB IC堵轉(zhuǎn) 無 無(68)IPI

36、A IB IC短路 無無(810) IPIA IB IC不對稱故障非 接 地 故 障斷相無1/IcIpIA =0, IB =-IC不平衡無有有IA IB IC相間短路無有（取決于位置）IA -IB IC單相接地單相接地1/3I有有（取決于位置）IB、IC IA =IP從表中可以知道，電動機常出現(xiàn)的故障可以分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障主要包括:短路、堵轉(zhuǎn)和對稱過載等;不對稱故障主要包括:三相不平衡、接地或相間短路。3 智能電機保護器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1 概述智能電機保護器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括通道和顯示機構(gòu)、實行機構(gòu)。也就是信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、顯示及跳閘電路等幾部分。而A/D轉(zhuǎn)換器

37、、顯示電路、通信電路是幾個關(guān)鍵性的部件，故主主要對這三個部分進行設(shè)計。從現(xiàn)場采集到的各種信號經(jīng)過處理后，轉(zhuǎn)成數(shù)字量送入單片機中，與標(biāo)準量進行比較，如果在允許的范圍之內(nèi)，則前向通道正常，否則出現(xiàn)故障。通知數(shù)碼管顯示的電流可以知道是什么類型的故障并跳閘保護電機。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1。AT89S51單片機系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器顯示電路復(fù)位電路晶振電路驅(qū)動電路圖3.1 保護器的結(jié)構(gòu)框圖3.2用protel 99 se繪畫原理圖的過程電路原理圖的設(shè)計主要是protel 99 se的原理圖設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Schematic）來繪制一張電路原理圖。在這一過程中，要充分利用protel 99 se所提供

38、的各種原理圖繪圖工具、各種編輯功能，來實現(xiàn)我們的目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。步驟如下：（1）建立原理圖。首先必須新建原理圖，禁屠原理圖編輯器，才能進行電路圖設(shè)計。（2）設(shè)置圖紙信息。設(shè)計原理圖之前，必須根據(jù)電路的復(fù)雜程度設(shè)置圖紙的大小，以及設(shè)置圖紙的方向、網(wǎng)格大小和標(biāo)題欄等信息。（3）載入元件。在設(shè)計過程中，根據(jù)詩句電路的需要，需從元件庫中調(diào)入所需的元件。這時可以通過加載元件庫的方法來實現(xiàn)元件的載入。（4）置元件。在加載的元件庫中取出所需的元件，并將元件放入工作面板中。根據(jù)元件之間的走線，在工作面板上需對元件進行位置的調(diào)整、屬性的設(shè)置等。 （5）進行原理圖布線。利用PROTEL 9

39、9提供的各種工具和指令進行布線，使用具有電氣意義的導(dǎo)線、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號、端口標(biāo)號和電器連接點將工作面板上的元件連接起來，構(gòu)成一個完整的電路原理圖。 （6）調(diào)整布線。經(jīng)過原理圖布線后，通過進一步的布線調(diào)整，對原理圖進行修改，使原理圖更加美觀和正確。該過程包裹元件的位置的重新調(diào)整，導(dǎo)線位置的刪除、移動，更改元件屬性和排列等。 （7）注解、修飾。在原理圖上增加一定的注解，使原理圖更易懂、更具有可讀性。 （8）檢查修改。利用PROTEL 99提供的各種校驗工具，對原理圖進行檢查，并對原理圖進行進一步的調(diào)整和修改，確保原理圖的準確無誤。3.2.1 系統(tǒng)PCB板的設(shè)計電路原理圖設(shè)計好以后，PCB板的設(shè)計也是一個

40、十分重要的環(huán)節(jié)。原理圖設(shè)計的合理，制成電路板后系統(tǒng)卻工作不正常的事情屢見不鮮，究其原因，多半是PCB板的設(shè)計存在問題，特別是頻率較高的電路和數(shù)字模擬混合電路的印刷線路板的設(shè)計。PCB 板的設(shè)計過程是一個復(fù)雜而又簡單的過程。在這次制作印刷板的過程中，在老師和同學(xué)們的指導(dǎo)下，完成了比較滿意的PCB板。由于自己親手制作了板子，我得到了很多的經(jīng)驗。以后我要想很好地掌握它，還需自己好好去體會。3.2.2確定PCB的大小首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路

41、的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。3.2.3 PCB布局第一次布局時，為了美觀，把電容、電阻排放在一起，沒有圍繞核心元件布局，沒有考慮實際的元件連接，因此連線復(fù)雜而且本來可以短線連接的變成長線連接。經(jīng)過調(diào)試之后和在同學(xué)的指導(dǎo)下，重新布局如下：（1）按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并且使信號盡可能保持一致的方向。（2）以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。（3）盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易。3.2.4PCB布線在PCB設(shè)計中，布線是完成硬件設(shè)計的

42、重要步驟，可以說前面的準備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設(shè)計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。PCB布線有單面布線、雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前，可以用交互式預(yù)先對要求比較嚴格的線進行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進的數(shù)目等。一般先進行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通，然后進行迷宮式布線，先把要布的連線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開

43、已布的線。并試著重新再布線，以改進總體效果。對目前高密度的PCB設(shè)計已感覺到貫通孔不太適應(yīng)了，它浪費了許多寶貴的布線通道，為解決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅完成了導(dǎo)通孔的作用，還省出許多布線通道使布線過程完成得更加方便，更加流暢，更為完善。一般PCB布線有以下規(guī)定：（1）輸入輸出端用的導(dǎo)線盡量避免相鄰平，以免產(chǎn)生反射干擾。（2）印制導(dǎo)線拐彎處取圓弧形，因直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。（3）電源和地線的處理。既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、 地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電、地線的布線要認真對待，把電、地

44、線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。采取的措施是在電源、地線之間加上去耦電容。 由于線寬有以下關(guān)系：地線電源線信號線，通常信號線寬為：0.20.3mm,最細寬度可達0.050.07mm,電源線為1.22.5 mm，所以，要使地線寬度比電源線寬。（4）數(shù)字電路與模擬電路的共地處理?，F(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路（數(shù)字或模擬電路），而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題，特別是地線上的噪音干擾。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結(jié)點，所以必須在P

45、CB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。數(shù)字地與模擬地有一點短接，只有一個連接點。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計來決定。在本設(shè)計的PCB布線中，本人按照以上的規(guī)定進行布線，前幾次布線，結(jié)果不盡人意，后來查閱了相關(guān)指導(dǎo)性的資料和在同學(xué)的幫助下，讓我終于完成較好的布線。通過這次布線，我提高了本人的動手能力，獲得不少的經(jīng)驗。本設(shè)計PCB圖見附錄。3.3 單片機最小系統(tǒng)AT89S51單片機的介紹是標(biāo)準的51單片機，其功能比早期的51單片機更加強大，支持ISP在系統(tǒng)編程技術(shù)，內(nèi)置硬件看門口等。（1）AT8

46、9S51單片機引腳介紹 AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三種封裝方式，其中最常見的就是用40Pin封裝的雙列接PDIP封裝，外形結(jié)構(gòu)如圖3.2。芯片共有40個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口（見圖3.3）左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為1、2、3、440，其中芯片的1腳頂上有個凹點。在單片機的40個引腳中，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，控制引腳4根以及4組8位可編程I/O引腳32根。圖3.2 AT89S51單片機結(jié)構(gòu)1、主電源引腳（2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線2、外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的

47、輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端3、控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。4、可編程輸入/輸出引腳（32根）AT89S51單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時就是利用這些

48、可編程引腳來實現(xiàn)我們想要的功能。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7 上面就是AT89S51單片機引腳的簡單介紹，其它51系列家族的單片機8031、8051、89C51等引腳和89S51兼容，只是個別引腳功能定義不同。（2）主要性能參數(shù)介紹AT89S51具有如下特點： 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）F

49、lash閃速存儲器1000次擦寫周期4.05.5V的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz三級程序加密鎖1288字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程IO口線2個16位定時計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）3.4 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)就是實現(xiàn)將現(xiàn)場采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的設(shè)備。在單片機的實時測控和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需將被檢測到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量才能輸入到單片微機中進行處理。本設(shè)計用到了ADC0

50、832的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機技術(shù)水平的提高。3.4.1AD轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和特點ADC0832的結(jié)構(gòu)如圖3.3圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功