单片机在电动机保护中应用-毕业论文.pdf

摘要电动机是自动化生产系统中的一个重要环节，对其进行可靠有效的保护 尤为关键。但是我国的电动机保护在理论研究和设备制造方面相对外国而言 还是比较落后，表现在保护装置功效低，可靠性差，经常出现误动作，电动 机损坏情况严重，造成的直接和间接的经济损失巨大。本文介绍了一种基于单片机的高压大型（异步）电动机保护装置。该保护 装置在电动机保护理论上，以检测过电流幅值、零序电流、负序电流等为判 据；在故障诊断上，实现了基于差动保护和电流保护的电动机故障诊断；在 硬件实现上，以ATmegal6L单片机为核心，将采集来的电压、电流及温度 等模拟量信号经过A/D转换器转换为数字量信号后送入单片机系统中进行 处理通过处理的结果来判断电动机是否有故障以及故障的类型并进行相应 的保护动作，同时通过外接点阵液晶显示器和键盘等外设，对其进行实时监 控。在软件部分，运用C语言编写软件程序，使之能够识别并处理从传感器 传来的电信号，并执行相应的保护程序，然后通过LCD显示出来。关键词：电动机保护单片机差动保护电流保护Motor protection based on SinglechipAbstractThe motor is the import portion in the auto manufacture system.Therefore,it is important to protect the motor reliably and effectively.However,Chinas motor protection in theoretical research and manufacturing facilities overseas in terms of relative performance is still relatively,Back ward in the protection of low-efficiency device reliability poor,often mistaken action,motor damage in serious condition,directly or indirectly caused by the enormous economic losses.An based on singlechip protection equipment for the high voltage large asynchronous motor is discussed in this article.The protection equipment is based on over-current value,zero-phase-sequence component,negative-phase-sequence component and other protection criterions;In Protection theory,it realizes the intelligent fault diagnosis based on the differential motion protection and the electric current protection;in hardware system,take the ATmegal6L MCU as the core of processor system.Use the gather simulation signal likes voltageelectric current,temperature and so on,to transform after ADC for the digital quantity,and then signal sends in the MCU system to process,will judge the transformer through the processing result whether will include the breakdown,the breakdown type,and making the appropriate action to protect.Simultaneously,the system clot matrix liquid crystal display through an external keyboard and peripherals,such as its real-time monitor and control.In system software,utilizes the C language compilation software procedure,enables it to distinguish and to process the electrical signal which transmits from the sensor,and take the appropriate procedures to protect,then demonstrated through the LCD.Keywords：Motor protection,singlechip,differential motion protection,electrical current protection目录第一章绪论-11.1 论文的选题背景意义-11.2 国内外电动机保护发展现状-21.3 我国电动机保护的发展趋势-41.4 本论文的主要工作-4第二章电动机保护原理-52.1 电动机常见故障分析-52.2 电动机综合保护分析-52.3 电动机保护判据-6第三章电动机保护装置的硬件设计-213.1 硬件系统的总体设计-213.2 数据采集系统-213.3 开关量输入输出设计-293.4显示模块设计-31第四章 电动机保护装置的软件设计-324.1 软件描述-324.2 软件设计-35第五章提高系统可靠性措施-405.1 概述-405.2 提高抗干扰措施-41第六章总结-43参考文献-44致谢-45广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用第一章绪论本章介绍论文选题的背景意义、国内外电动机保护的发展现状、我国电 动机保护发展趋势，以及本课题所做的工作。1.1 论文的选题背景意义电动机是各种生产线上的重要设备，是其中的一个重要环节，其耗电量 占总发电量的70%以上。由于电动机的耗电量巨大，所以我国在电动机节能 方面做了许多工作。但是在电动机的保护装置研制方面，由于大部分的继电 保护公司将主要精力用于线路、变压器、发电机等电力系统中主要设备保护 装置的研制当中，电动机方面就显得相对薄弱。与先进国家相比，我国的电 动机保护装置存在有一定的差距。如果电动机发生故障，轻者影响生产的正常进行，重者烧毁电动机，使 整台甚至整套设备陷入瘫痪，给企业造成巨大的经济损失，更有甚者引起供 电系统故障的发生。另外，电动机在烧毁过程中消耗的电量也是很大的。据 有关部门统计，每年因电动机烧毁造成的耗电量高达数十亿kWh,因材料报 废所产生的间接损耗更是巨大。因此，无论是从减少经济损失还是从节约资 源来讲，做好电动机的保护工作都具有重大意义，必须引起足够重视。同时，由于现代电动机生产在提高其输出功率的同时，缩小了外形尺寸,采用高级绝缘材料和电磁材料减少损耗、提高效率，导致电动机内部的电流 密度显著增加；加之生产的自动化和各种顺序控制设备的出现，要求电动机 经常在频繁的启动、制动、正反转、间歇及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现故障的概率更加难以确定。因此，电动机保护装置的研制工作有 着重要的现实意义。1广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用1.2 国内外电动机保护发展现状1.2.1 国内电动机保护发展历程纵观电动机的保护发展经历以下4个阶段I：1.以热继电器为主的保护装置；以建国初期由苏联弓I进的JR系列热继电 器为代表，热继电器在电子工业尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选 产品，具有结构简单，安装方便等优点。但其存在整定精度不高、受环境影 响大、误差大以及功能单一等缺点。2.模拟电子式保护装置；上世纪80年代随着半导体器件的出现而涌现出 的电动机保护装置。这种装置体积小，安装方便；功能更为全面：可以保护 缺相、过载、欠流、相失衡、逆相、接地、短路、过电压、过电流等故障，还具有电流电压显示和声光报警等功能。但这类产品仍存在一些无法克服的 缺陷。如整定精度不高、采样精度不高无法实现具有多种保护功能于一体的 全保护、装置复杂，对电磁干扰敏感，对维护人员的要求很高等。3.温度保护继电器；其结构是在电动机绕组中预先埋设测温元件（一般为 PTC热敏电阻）配合控制设备，对电动机进行有效的温度保护。PTC热敏电 阻也称正温度系数热敏电阻，它的电阻值随着温度的升高而增大，属于非线 性变化，当温度达到某一数值时，电阻急剧增大，而发生突变。温度保护就 是利用了热敏电阻的这一特性，当电动机出现各种故障时，都将导致绕组温 度升高，达到规定值时，热敏电阻的阻值发生突变，呈很高的阻性，其保护 装置获得此信号进行处理后，通过控制设备使电动机停止工作，实现保护。这种直接监视温度来实现对电动机的保护，是一种相对可靠、准确的方式。然而对于非温度因素引起的一些故障该种保护却显得无能为力。4.微机型的电动机保护装置：采用微机处理器（如单片机，DSP）组成的 保护装置。目前的微机保护由32位单片机、数字信号处理器DSP、可编程逻 辑芯片、高速高精度的14至16位的A/D转换器构成。由于微机处理器的智能 和功能强大，可实现其他三种传统保护控制装置不能实现的保护控制功能。如能迅速处理采集的电机各种故障信号，并将结果同各种设定参数进行比 较，在进行保护动作，并可随时设定和显示各种参数，还能通过485通讯口 实现主机对多台从机的远程控制保护。基于以上的优点，该保护装置越来越 2广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用受到业内人士的青睐，更多的科技人员也正致力于研制出保护效果更好的微 机保护装置。本课题也正是基于此所做的研究。1.2.2 国外电动机保护装置现状在国外，早在1975年初，英国GEC公司将微机处理器应用于变电所的控 制和自动合闸的情况就已有报道。1979年,美国电气和电子工程师学会(IEEE)的教育委员会组织了第一次世界性的计算机保护研究班。之后，世界各大继 电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置，微机保护逐步趋于实 用。在电动机系统微机保护技术方面，德国、美国、日本、英国发展最快。从70年代后期开始，各国都在这个方面做了很多努力，使电动机微机保护技 术逐渐成熟起来。例如，德国西门子公司生产的3UB1智能过载继电器，这 种继电器能提供过载、断相和三相电流不平衡保护，还具有自我监测等特性。日本富士公司生产的QA型继电器由CT、A/D转换器和微处理器组成，提供 过载、断相和反向保护。韩国三和科技会社推出的3DD、3DI、3DM、FD数 显是式智能型保护器可实现断相、过载、欠载、三相不平衡、堵转、漏电、接地和短路等保护功能，并能实现于计算机的联网，可同时监测96台电动机,其他产品还有交流、直流电动机保护器(EOCT、S3、SE、ST、AR、SI、DSL、DDT、TIT、3ST、3E、4FO GE、EGR、DG、DZ、DGRSDDR、EECLH、DZG4、DZNG4、ECHL)、数显式智能型保护器(3DD、3DI、3DM、FD)、电压型保护器(VR、EOVR、EUVR)等型号系歹U，60余种规格。美国RockAB 公司生产Bulletin825型智能电动机控制器是一种可编程的电子过载保护器，其可通过PROFIBUS现场总线与PC机通信。美国的其它产品还有电子型保护 继电器(SMP、CFFI)、热敏电阻保护继电器(RT3)、电子型保护系统(CFT4)、智能控制器(SMC)等各种型号序列数十种规格0。归纳来说，国外保护装置的特点一般有：保护器自身温度补偿、检测负 荷率、提示报替、记忆故障原因和数据、通信、与计算机联网，能同时监测 多台电动机等。与世界先进国家相比我国的电动机保护控制技术水平，还有 一定差距，其技术含量较低。品种和功能少、参数精度低、生产工艺落后等 严重制约了我国在电机保护这方面的竞争力，因此研发出新型的智能保护装 置是当务之急。3广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用1.3 我国电动机保护的发展趋势我国电动机保护的发展趋势大致有以下几点：1.研制在线监控系统；2.追寻理论上的突破，逐步由定性描述到定量分析；3.应具有较宽的连续可调整范围、方便、准确；4.应有完善的保护特性和互换性；5.发展小型、质优价廉的保护装置；6.应具有高度的可靠性和稳定性；7.应具有很强的抗干扰能力、环境适应能力；电压使用能力和长时间连 续工作能力。1.4本论文的主要工作本论文研究的是基于单片机的电动机（异步电机）保护装置，主要应用 于大、中型企业的电动机保护。在本次课题设计中，首先分析了电动机的各种故障类型及故障产生的原 因，对电动机的各种保护原理做了大量分析，选择适合于大、中型电动机的 保护方案；然后在第三章以ATmegal6L单片机为硬件核心，设计出一套综 合保护装置，通过处理采集来的电压、电流、温度等信号来判断电动机是否 含有故障以及故障的类型，并发出相应动作保护电动机。接着，在第四章根 据保护原理和该装置的硬件平台使用C语言开发了一套针对各种保护功能 的软件模块，使之能够识别并处理从传感器传来的电信号，然后通过人机交 互界面显示出来，近而使人能够很轻易判断故障类型。本文仅在电动机保护上做了部分保护装置，有待更高的完善。4广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用第二章 电动机保护原理本章首先列出了电动机常见的故障及针对这些状况的各种保护方式，然 后详细介绍了电动机微机保护装置所用到的保护原理和实现保护的逻辑关 系图。2.1 电动机常见故障分析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。由于电动机的微机保护主要通过测量电量（电流、电压以及开关状态等）来监测电动机的运行状况，因此本论文探讨的主要是绕组故障。电动机常见的绕组故障可分为对称故障和不对称故障两大类：1.对称故障主要包括过载、堵转、启动时间过长和三相短路等。这类故障主要特征 是三相电流电压基本对称，但电流值远远大于额定电流，对电动机的损害主 要是热效应，使绕组发热甚至损坏，还会产生不良的机械应力可导致异步电 动机不同程度的受损；2.不对称故障不对称故障又分为接地故障和非接地故障。非接地故障有：断相、逆相、相间短路、匝间短路等；接地故障有：单相接地和两相接地。这类故障主要 特征是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，电动机定子出现负序电流和零序电流，对电动 机的损害不仅仅是引起发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动 机端部发热、转子振动及起动力矩降低等一系列问题，如果有过电流出现，还会使绕组发热，甚至严重损坏。2.2电动机综合保护分析针对上述故障类型，电动机应装设以下继电保护装置：5广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用1.纵差保护和电流速断保护电动机的短路故障是比较严重的一种故障，其主要发生在定子绕组，当 定子绕组出现短路时，不但使电动机严重损坏，酿成事故，而且可能导致电 网电压显著下降，影响其它用电设备的正常运行。因此，对额定容量在 2000kW以上，或小于2000kW但电流速断保护灵敏度不够的电动机应装设 纵联差动保护。对于2000kW以下的电动机，可装设电流速断保护。2.热过载保护由于电动机长时间处于过负荷状态会引起电动机绕组过热，最后导致绕 组间绝缘的损坏，所以电动机长时间过负荷运行是不允许的。因此，需装设 热过载保护。3.低电压保护当供电系出现短路故障，导致电压降低或电压消失时，电动机转矩急国J 下降。当电压恢复电动机自起动时，将有数倍于额定值的大电流流过，使电 网电压降低，同时电动机端电压也降低，造成电动机起动困难。另外，如果 供电电压恢复的较慢，则电动机长期处于起动状态，长时间的大电流会导致 绝缘过热甚至损坏。因此，应设置低电压保护。4.堵转保护电动机在运行中如果因机械故障、负荷过大、电压过低等原因而使转子 处于堵转状态，此时电动机散热条件极差，电流很大，特别容易烧坏，需设 置堵转保护。5.断相保护有调查表明，由缺相运行造成电动机绕组烧毁，占电动机绕组修理总数 的60%70%,缺相故障是一种严重的不对称故障，因此，应设置断相保护。6.接地故障保护在电动机绝缘被破坏时，将导致绕组对外壳短路，引起绕组对地短路故 障。在发生绕组接地故障时，不仅故障电流通过定子铁芯引起铁芯过热，性 能变坏，而且使电机外壳带电，严重威胁着操作人员的生命安全，所以要有 单相接地保护措施。另外，还应设置过热保护、启动时间过长和频繁起动保护。2.3电动机保护判据对于大型异步电动机保护装置而言，在电动机启动和运行过程出现故障 6广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用时，能迅速、准确的动作是非常重要的。目前国内外使用的各种异步电动机 保护装置对大型异步电动机启动或自启动过程中的继电保护，采用的是给保 护整定长延时或在启动过程中闭锁保护跳闸出口的方式，此时若电动机内部 存在故障隐患，或电动机启动或自启动过程中发生故障，会导致电动机损坏 甚至烧毁。所以本装置采用检测过电流、正序电流、零序电流和负序电流分 量为基础，作为电动机故障的判据。对于2000kW及以上的大容量电动机，或容量稍小些的重要电动机采用 双重保护措施。主保护以带比率特性的差动保护为主；后备保护以电流速断 保护、正序定时限保护、两段式负序和零序电流保护为主，另外还配有电压 保护、CT断线告警等。本文对电动机的主保护为电动机差动保护测控单元，后备保护为电动机 保护测控单元，两个保护单元相互独立。2.3.1纵联差动保护1.纵联差动保护的原理纵联差动保护的动作原理是基于比较被保护单元始端和末端电流的大 小和相位的原理构成的。它分为比率制动式纵差保护、不完全纵差保护、标 积制动式纵差保护等。对于电动机来说，在其一相绕组输入端和输出端分别 安装特性和变比完全相同的电流互感器，如图2-1所示。且规定一次侧电流(以A相位例)乙和的正方向为由线路流向电动机，则二次测得电流为：4=-，=，1(2.1)n n式中：八、12电流互感器二次测电流；n电流互感器变比;id差动电流。7广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用当电动机正常运行或外部故障时，流入电动机一相绕组上的两个电流互 感器二次侧电流、相位均相同，此时差动保护不动作。在不考虑电流互感器 励磁电流影响时有：=。(2.2)当保护范围内部故障时，假设图2-1中A相绕组在d点发生短路故障，则在d点两侧均有电流流向短路点，此时，两电流互感器二次侧的电流幅值、相位均不相同，此时差动保护动作。于是有：4=1。(2.3)本设计采用的是比率制动式纵差保护，它对电动机内部短路有较高灵敏 度，而对外部短路则能可靠不误动。理想情况下差动保护动作判据为：。比率制动式纵差保护制动特性如图2-2所示：图22比率制动式纵差保护的制动特性图中，/应为差动电流，Ao为差动速断电流，一般取68倍的流入保护 装置的第二侧二次电流，为差动启动电流，一般为0.30.4倍的流入保 护装置的第二侧二次电流，/zDmin为最小制动电流，一般取额定电流，1ZD为 制动电流。保护判据如下：差动速断：IDZ ISD(2.4)8广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用比率差动:当 I ZD，Z)Z.min、当ZD-，ZDmin时，1DZ ZD UzD ZD.min)+DZ.min(2.5)式中Kz0为制动系数。2.CT断线闭锁功能为防止CT断线时保护装置误动，本装置采用了 CT断线闭锁差动保护 的方案。CT断线只闭锁比率制动差动保护，不闭锁差动速断保护CT断线判据：当至少检测到一相电流为零并且零序电流大于时，发 出断线告警并闭锁差动保护。只有在装置检测到高低压侧最大相电流在 O8zmn至6/以3之间才进行CT断线判定，否则不进行CT断线断定。3.纵联差动保护的逻辑框图图23比率制动式纵差保护逻辑框图图2-4为差动速断保护的逻辑框图。当任一相差动电流大于差动速断整 定值时瞬时动作于出口继电器。图24差动速断保护逻辑框图9广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用2.3.2以序分量为基础的电流保护根据对称分量法，发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序 和零序分量。当电动机三相对称时，负序和零序电流为零，而发生不对称故 障时则会显著增加。因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基 础，检测负序、零序电流的大小。这样，不仅能更好地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的过流、负序和零序电流的分布情况如表2-1所示，表中单相故障设A相为故障相，二相故障设B、C相为故障相，。表示故障前相电流幅值。表2-1电动机常见故障信息分布表故障类型过电流负序电流零序 电流其他故障特征设置保护 类型对称 故障三相短路(8-10)/无无4=4=L电流速断堵转(5-7)/,无无a=b=4正序 定时限过载(L2-叫无无【a=【b=4正序 反时限不对称性故障非接地断相百/2/0.57,无Ia=3=Tc负序 定时限逆相无Ip无a=1b=lc不平衡无有无/,相间短路有1/无接地单相接地有1/341/34iaib=ic零序 定时限二相接地有有（值的大小 取决于位置）ibic ia=iP从表2-1可知，若以过流信息反映短路和堵转故障，以负序和零序电流 反映各类不对称短路和接地短路等不对称故障，可以实施全面的电流保护。1.短路保护设置电流速断保护作为电动机的主保护，用于电动机内部定子绕组以及 10广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用进线所发生的相间短路故障。由于短路故障将导致很大的故障电流，所以只要检测到A、B、C三相 电流中任一相或一相以上的电流值大于速断的整定值，保护立即动作。根据 对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足系统稳 定和保证重要用户供电可靠性。在简单、可靠和保证选择的前提下，原则上 总是越快越好。设置速断保护电流定值时，要保证电动机在满载启动过程中 短路保护可靠地不动作，即躲过电动机最大启动电流。电动机启动时，保护判据为：IIsqzd=Krelqxlstmm(2.6)电动机运行时，保护判据为：IIsdzd=KrelxIxjd(2.7)其中/为电动机各相相电流；曲为电动机启动时可靠系数，一般取1.2；4 max为电动机最大启动电流，一般取9倍的额定电流几；/皿为电动机运行时相间短路电流；K*/为电动机运行时可靠系数，一般取0.8。其保护逻辑框图见图2-5。图2-5电流速断保护逻辑框图2.堵转保护设置正序定时限保护作为电动机堵转故障的主保护，过负荷运行的后背 保护。当保护装置在电机运行过程中检测到电流超过堵转电流整定值，并达到 整定时限时堵转保护动作，出口跳闸。堵转保护在电动机启动过程中闭锁，启动结束后自动投入。保护判据为：电动机启动时：，胸一(曲义却(2.8)TKzd11广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用电动机运行时，6 G-Krel X心(2.9)为电动机的正序电流；max为电动机最大启动电流；给期为电动机启 动时可靠系数，依据不同保护类型取不同值；九d为时间常数，依据不同保 护取不同值；心为电动机运行时正序电流整定值；K为电动机运行时可靠 系数。其逻辑框图如图2-6所示。图2-6正序电流保护逻辑图3.热过载保护设置热过载保护来防止电动机长时间过负荷运行，导致定子过热而引起 的损坏。过负荷保护实际上是通过电流幅值模拟电机的发热，电动机的热惯性 使它具有一种短暂的过载能力，此时短时间的过载仍属正常运行，只有到热 量积累温升达到损坏电动机的寿命程度时，才给予保护。引起电动机过负荷原因：(1)外界原因引起的堵转；(2)电动机本身机械故障；(3)由于供电系统电压畸变和电压不平衡，造成三相电流不完全对称，在 电流中含有一定的负序分量。因而产生电动机的制动力矩，造成电动机过热;(4)周围环境工况恶劣，通风不畅，环境温度过高5)频繁地起动制动等。反时限保护是有效地防止电动机过负荷的一种方法。这种方法是以电动 机发热不至于使电机烧坏为准，即电动机的绕组在电流越大时，发热量也越 大，此时电动机内的温度上升越快，达到使绕组被烧坏的温度时间越短，此 12广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用时需快速地切开电动机，反之，电动机的电流小，达到电动机绕组被烧坏的 温度的时间就越长，此时电动机还可继续工作一段时间。电动机反时限保护 特性曲线如图2-7所示。电动机发热理论研究表明，电动机持续运行的容许负荷，主要取决于定 子绕组的温升，即定子电流的大小为电动机过负荷的主要依据。因此，依据 均质固体发热理论，电动机定子绕组的温升特性可以采取如下形式的热平衡 微分方程描述：Qdt(I2-Irdt=CGdd+asddt(2.10)式中Q定子物体每秒钟内所产生的热量，单位为W；R定子绕组电阻(Q)；a散热系数(w/c)每平方米表面、每度温差，每秒时间所散发的热最焦耳数；S冷却表而积(m2)；e定子绕组温升(。)I过负荷时定子绕组流过电流(电动机运行中三相电流最大者)(A);/可整定的保护动作电流(A)；C定子物体材料比热(/依。)；G定子物体重量(kg)o13广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用而方程左边。力为在时间间隔力中，定子绕组由于过负荷而发出的热量，方程右边cGde为这一热量一部分使定子温度升高de度。而力为另一部分热最散失于冷却介质中。式2.10为一阶段性微分方程，其通解为：6=+Aet as由初始条件。/。=0)=0,代入(2-11)解出常数A为:(DrA-as as(2.H)再代入(2-11)得解为:9=-(1-e CG)as(2.12)由此得到电动机过负荷运行时的温升特性表达式O 其温升变化过程如图2-8所示。将温升特性式(2-12)中指数项进行泰勒级数展开，取其前两项，得:as=-t 带入(2-12)得CG累”/g毋14广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用AP=1铜损为常数。C,G也为常数，设允许温升为盘ax。则得出反时限过负荷动作特性为：t maxCG _ _ 丁AP/)2-1-(/)2-11:G 此T根据电机材料、定子重量、额定铜损，根据经验得到的允许温升计算 确定。上述过负荷保护是通过测量电动机定子绕组电流，根据电机发热模型而 计算出在给定的过负荷电流、给定的允许温度下，电动机所允许运行的时间，不能直接反应电机绕组温度，对冷却系统损坏、机械转子损耗增加、环境温 度过高等造成的过热不能检测。所以对埋有温度传感器的电动机，有必要对 温度传感器传来的信号进行测量，以实现电机过热保护，结合前面所述的热 过载保护，则更能有效地保护电动机。由于感温元件埋在电机内部，可消除 各种环境温度对传感器的影响。在本文中，采用的是集成温度传感器AD590。4.断相保护针对电动机的各类非接地性不对称故障，设置负序过电流保护。负序电 流保护是作为电动机断相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝 间短路及三相电流不平衡的主保护。在电源电压不对称、逆相、断相等故障 时均会引起负序电流右，对这类故障，虽然过热保护己能提供保护，但在严重的不对称故障时引起的人很大，很有必要设置单独的快速保护。所以本文 采用两段式定时限负序过电流保护。I段针对严重不平衡故障，具有较高的 整定值，动作延时短(,却)；n段针对三相电源严重不对称，具有较低的整 定值，动作延时长黑)。电动机启动时：15广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用I段负序电流保护判据：V【2 12qzd(2.13)T t21dn段负序电流保护判据：v7 r(2.14)T 人为电动机负序电流值；/鼠d和/黑d分别为电动机启动时I段和II段负 序电流整定值；，册为I段负序电流保护时间整定值，为短延时；，黑为1I段 负序电流保护时间整定值，为长延时。电动机运行时：7 rI段负序电流保护判据：2产(2.15)丁&d/rn段负序电流保护判据：2厂(2.16)人为电动机负序电流值；/晨为电动机运行时I段负序电流整定值，大 小为0.21倍的额定电流；/黑为n段负序电流整定值，大小为0.20.6倍的 额定电流；，&为I段负序电流保护时间整定值，为短延时；，盘为II段负序 电流保护时间整定值，为长延时。在整定负序电流定值时，需要注意1%的电压不平衡会引起6%的电流不 平衡，而实际供电电源总存在一定的不对称，即使在正常运行时，电动机也 会有一定的负序电流，所以整定时必须躲过这一不平衡因素。16广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用负序电流保护投入大于I段整定值大于口段整定值t 2zd负序电流保护&图2-9负序电流保护逻辑图5.接地故障保护接地保护针对各类接地故障。为提高接地保护的灵敏度，采用零序电流 保护和零序电压保护。零序电流保护零序电流保护是作为电动机定子绕组及引出线接地故障的主保护，其电 流取自机端专用的零序电流互感器。本文采用两段式零序电流保护，I段零序电流保护用于跳闸，n段零序 电流保护用于告警。电动机启动时；I rI段零序电流保护判据：，(2.17)n段零序电流保护判据：|；心(2.18)为电动机零序电流值；/；胸和/腹分别为电动机启动时I段和n段零 序电流整值；方鼠为I段零序电流保护时间整定值，为短延时；唠为口段零 序电流保护时整定值，为长延时。电动机运行时：I段零序电流保护判：h(2.19)J /Ozd17广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用I r口段零序电流保护判据：，尸(2.20)I。为电动机零序电流值；/篙和C分别为电动机运行时I段和II段零序 电流整值；，为I段零序电流保护时间整定值，为短延时；唠汗为【I段零序 电流保护时整定值，为长延时。保护逻辑框图如图2-10所示。零序电压保护为了解决电动机定子绕组单相接地电流较小，零序电流保护灵敏度不能 满足要求情况，增加了零序电压保护作为电动机定子绕组及引出线接地故障 的后备保护。判据如下：卜0四(2.21)J QUzd式中：。为零序电压值；为零序电压动作整定值，按躲过正常运行 时的最大不平衡基波零序电压整定；。3为零序电压保护延时，按躲过高压 侧接地故障最长切除时间整定。保护逻辑框图如图2-11所示。零序电流保护投入大于速-断一tozd一整定值-大于定-时限整一t%zd定值-图2-10零序电流保护逻辑图18广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用图2-11零序电压保护逻辑图6.低压保护电动机低电压运行时转矩急居U下降，造成电动机严重过载。而当电动机 机端电压下降到60%,电动机的自启动将发生困难，针对这一现象，设置低 电压保护。低电压保护应当具备以下功能：保证重要电动机的自起动。当电压消失或降低时，电动机的转速将减 小，而当电压恢复时，电动机中就会流过超过其额定电流好几倍的过电流，造成电网电压降加大，增加了电动机起动时间，或者根本无法起动。所以可 以考虑切除一部分不重要的电动机，使电网电压迅速恢复，以保证重要电动 机的自起动；防止在电动机起动时，由于反抗力矩大于起动力矩而使电动机过热；切除在电压恢复时不允许自起动的电动机。MAX(U)U低压保护判据：7；(2.22)、断路器为合位为低压保护整定值，对于不允许或不需要自起动的电动机其取值为60%70%/(S为额定电压)，对于需要自启动的电动机其取值为50%-；(zd为低压延时定值。19广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用Ux为线电压；。奶zd为失压保护整定值；1汝d为失压延时定值；为maxWx）Usm失压保护判据：，shzd zq 02、断路器为合位各相相电流；&zd为最小电流整定值。7.起动保护电动机在长时间起动状态下，起动电流可使电动机绕组温升超过容许 值，另外频繁地启停电动机也会导致电动机过热。所以本文装置设有起动时 间过长保护和频繁起动保护。(1)起动时间过长保护起动时间过长保护是由电流速断保护来实现的。正常的起动完成后电动 机的运行电流将在额定值附近，而起动时间超过整定的起动时间后，电动机 的运行电流仍保持较大的数值，则装置保护动作，跳开电动机，说明起动时 间过长，起动不成功。在起动期间如最大起动电流超出整定值，电流速断保护也动作。起动时间过长保护整定：起动保护速断电流整定值范围：260A,级差0.01A；起动保护速断动作时间整定范围：0.019.99s,级差0.01s；电动机起动时间整定范围：199.9s,级差0.1s。(2)起动时间间隔保护电动机运行规程中不允许频繁地启动，由于每次起动都会有较大的起动 电流而如果起动间隔较短，就能引起电动机过热，所以特别设置了启动时间 间隔保护。在规定的起动间隔保护时间内，电动机不会被起动。散热时间间隔整定范围：199min,级差Imin。如上所述，本章在详细分析了异步电动机的各种故障特征，产生原因及 对电动机的影响，并阐述了相应的保护原理、动作判据及实现方法。20广西大学毕业生论文单片机在电动机保护中的应用第三章电动机保护装置的硬件设计3.1硬件系统的总体设计从功能上来划分，微机保护装置可以分为6个部分：数据采集系统、计 算机主系统、开关量输入/输出接口、人机接口、通信系统、电源系统。数据采集系统的功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模 拟信号，经过预处理后转化为所需数字量；计算机主系统以ATmegal6L微 处理器为核心，处理速度可达16MlpS,内部含硬件乘法器，并自带16K字 节可编程Flash、512字节EEPROM、1K字节片内SRAM；开关量输入/输出 回路由并行口、光电耦合电路及有接触点的中间继电器等组成，以完成各种 保护的出口跳闸、信号报警及外部输入等工作；人机接口部分主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能川于人机对话，如调试、定值调 整、对微机工作状态的干预等；通信系统可以完成机间通信及远动的要求；电源系统提供了整个装置所需的直流稳压电源，保证整个系统的可靠供电。总体设计如图3-1所示：温度检测TV、TA 二次电流 电压输入电压 形成模数转换ATmega 16L电压 低通 采样 形成滤波保持通信接口模数转换键盘接口 LCD界面显示LED报警信号时钟模块开关量输入开关量输出图3-1系统硬件结构3.2数据采集系统三相电压电流的交流参数来自被保护线路或设备的电压互感器、电流互 感器二次侧，通过TV、TA变换后形成模数转换电路可以测量的电压，然后 21广西大学毕业生论文 单片机在电动机保护中的应用经低通滤波器（ALF）、采样保持器（S/H）、模数转换芯片（ADC）转变成 与一次电量成线性关系的数字量。3.2.1低通滤波器设计电动机启动、空载和负荷很轻的时候差动电流中二次谐波分量可达基波 分量的50%以上，其会引起差动保护误动作，但是电动机真正内部故障时二 次谐波分量却很小。而在微机继电保护中用到的一般只是其中的低次谐波，这就给CPU提出了过高的要求，因此，应将采集来的模拟信号经过低通滤 波器滤除掉高次谐波，降低对微机硬件系统的过高要求。本保护装置采用了 三阶低通滤波器IM,其截止频率为250Hz,响应曲线的不均匀度为Idb。如 图3-2所示。3.2.2采样保持电路在对高速变化的模拟信号进行采样时，必须在输入模拟信号和A/D变换 器之间加上采样保持电路，才能保证A/D变换的可靠性与准确性。在本保护 系统中要采集每一相的电流、电压等电量参数，为此选用了多路模拟开关和 采样保持器配合工作：利用多路开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接 通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬