電動機綜合保護器的設(shè)計.doc

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. 摘 要 交流電動機是一種應(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，但是其高故障率對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，因此在分析傳統(tǒng)電動機保護裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動機保護裝置己經(jīng)成為必要。 近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文圍繞基于微控制器的電動機綜合保護裝置的研究這一任務(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。本文的主要研究內(nèi)容概括如下。 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。本裝置可實現(xiàn)以下故障保護：短路保護、堵轉(zhuǎn)保護、過流保護、不平衡保護、斷相保護、過壓保護、欠壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。 3．以STC90C58AD單片機為核心控制器設(shè)計了電動機保護硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成電動機保護系統(tǒng)。 4．在軟件系統(tǒng)的設(shè)計上，根據(jù)STC90C58AD單片機的編程結(jié)構(gòu)特點，采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)功能分解成較小的功能模塊，然后用子函數(shù)和中斷處理函數(shù)等實現(xiàn)了電動機保護功能。 最后，通過實驗對電動機保護器的可靠性進行檢驗，實驗表明，此電動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能均達到了設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：電動機保護，單片機，故障診斷，數(shù)據(jù)采集。 目 錄 第1章 緒論 ………………………………………………………1 1.1電機保護器研究的背景及意義………………………………………………1 1.2電機保護器的歷史和現(xiàn)狀 ……………………………………………………1 1.21以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護方式………………………………1 1.22普通電子式電動機保護器……………………………………………………2 1.23智能型電動機保護器…………………………………………………………2 1.3微處理器的發(fā)展特點…………………………………………………………3 1.4電動機保護器設(shè)計的主要工作和論文的各章節(jié)安排………………………3 第2章 電動機保護原理…………………………………………………5 2.1異步電動機的運行原理………………………………………………………5 2.2電動機故障分類………………………………………………………………5 2.3電動機保護原理分析…………………………………………………………7 2.4電動機故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………………7 2.41短路故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………………7 2.42堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………………8 2.43斷相故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………………8 2.44過載故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………………10 2.45欠壓和過壓故障特征分析及保護判據(jù)……………………………………13 2.5本章小結(jié)………………………………………………………………………14 第3章 電動機保護器硬件電路設(shè)計……………………………………16 3.1概述……………………………………………………………………………16 3.11電動機保護器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求…………………………………………16 3.12保護裝置硬件設(shè)計綜述………………………………………………………16 3.13各模塊研究……………………………………………………………………17 3.2中央處理模塊…………………………………………………………………17 3.21 STC90C58AD單片機的主要特點………………………………………………18 3.22處理模塊電路設(shè)計……………………………………………………………18 3.3鍵盤、顯示模塊…………………………………………………………………19 3.31鍵盤設(shè)計………………………………………………………………………19 3.32顯示設(shè)計………………………………………………………………………20 3.4電源模塊………………………………………………………………………22 3.5數(shù)據(jù)采集模塊…………………………………………………………………24 3.6報警和保護動作執(zhí)行模塊……………………………………………………24 3.7通信模塊………………………………………………………………………24 3.8本章小結(jié)………………………………………………………………………25 第4章 電動機保護器系統(tǒng)軟件設(shè)計……………………………………26 4.1程序設(shè)計語言選擇……………………………………………………………26 4.2保護器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計……………………………………………………27 4.3保護器主程序設(shè)計……………………………………………………………27 4.4鍵盤子程序設(shè)計………………………………………………………………30 4.5顯示子程序設(shè)計………………………………………………………………30 4.6定時器及數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計………………………………………………31 4.7參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計…………………………………………………………32 4.8故障處理子程序設(shè)計…………………………………………………………35 4.9系統(tǒng)菜單式操作界面設(shè)計……………………………………………………36 第5章 電動機保護器實驗及可靠性驗證………………………………37 5.1電動機保護器測量精度測試實驗……………………………………………37 5.2電動機保護器過流保護實驗（分段保護）…………………………………37 5.3電動機保護器電壓保護實驗…………………………………………………38 5.4電動機保護器輕載保護實驗…………………………………………………38 5.5電動機保護器實驗總結(jié)………………………………………………………39 第6章 總結(jié)及展望…………………………………………………………40 參考文獻……………………………………………………………………………41 謝辭…………………………………………………………………………………42 精選word范本！ . 第一章 緒論 1.1 電動機保護器研究的背景及意義 在重要的工礦企業(yè)中，0.4kV交流電動機作為原動力和執(zhí)行器，得到了廣泛應(yīng)運。供電系統(tǒng)70％的電能是通過電動機消耗的。由于交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠以及價格低廉等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。電動機所帶的負載種類繁多，且往往是整個設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動機的安全、穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。 在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導(dǎo)致電動機的安全運行受到很大的威脅。電動機的故障或不正常運行輕則影響設(shè)備功能重則造成設(shè)備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟損失，電動機保護器的研究就顯得十分必要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，全國每年電動機損毀數(shù)量在300萬臺以上，僅電動機的維修費用就在百億元以上，因電動機不正常工作所造成的耗電量高達數(shù)十億KWh，間接經(jīng)濟損失更是數(shù)目驚人。而且這一數(shù)字還在不斷增長。 另外，由于現(xiàn)代電動機設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動機的體積越來越小，導(dǎo)致電機內(nèi)部電流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動機經(jīng)常在頻繁的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)以及變負荷等多種狀態(tài)下切換運行，電動機出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴重。 因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟的角度來看，電動機保護器的研究有著深遠的意義。 1.2 電動機保護器的歷史和現(xiàn)狀 1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護方式 熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進技術(shù)開發(fā)的金屬片機械式電動機過載保護器，是長期以來我國電動機保護器所采取的主要技術(shù)方法。 這種電動機保護器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為以下四種：(1)熔斷器一交流接觸器一熱繼電器；(2)斷路器一交流接觸器一熱繼電器；(3)熔斷器一斷路器：(4)熔斷器一斷路器一交流接觸器一熱繼電器。熱繼電器是用于保護電動機因過載引起過電流的裝置。熱繼電器在電子技術(shù)尚不 精選word范本！ 發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當電流超過熱繼電器整定電流的一定時間就會啟動其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達到保護基十單片機控制的電動機保護器設(shè)計的目的。 熱繼電器具有反時限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點；同時，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護時滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護欠佳的缺點。由于上述缺點電動機容易長期運行在輕微過載狀態(tài)，使電動機繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動機使用壽命。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動作曲線與電動機實際保護曲線不協(xié)調(diào)，使電動機有效功率下降，嚴重時還會導(dǎo)致誤動作。正因為如此，這種傳統(tǒng)的電動機保護方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。 1.2.2 普通電子式電動機保護器 從上個世紀七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批的基于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動機保護產(chǎn)品應(yīng)運而生。此類保護器從保護取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流取樣型。電壓取樣型電動機保護器主要針對電動機工作電壓進行相應(yīng)的檢測來對電動機進行保護；電流取樣型電動機保護器通過對電動機的線電流的變化檢測來對電動機進行保護。我國電子式保護器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動機保護的要求。但是設(shè)計思路的限制導(dǎo)致這些電動機保護器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在： a. 精度不高。由于整個保護器是由眾多分立元件集合而成，任何一個元件的性能都回對整個系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護器不能正常工作。 b. 無法實現(xiàn)參數(shù)存儲、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動機保護器上無法實現(xiàn)像參數(shù)記錄，實時通信這樣的高端功能，這也限制了這類保護器的應(yīng)用范圍。 c. 另外，整個保護裝置中的元件、節(jié)點眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點，導(dǎo)致保護器調(diào)試困難。 時間范圍內(nèi)，對故障信號做出響應(yīng)，及時準確地實施保護。實時性是保護器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對電動機故障的檢測靈敏度以及輸出保護信號的準時性，直接影響了電動機的安全運行。 隨著微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果同新月異。以微控制器、數(shù)字信號處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進步，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都取得了重大成果?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱訖C保護器與前兩種保護方式相比具有先天的優(yōu)勢。這種智能化電動機保護裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點，可以實施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護功能；由于能夠方便地實現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護不正確動作，提高了保護的可靠性。它可以同時對電動機進行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進行保護。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。智能型電動機保護器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動機保護器的主要發(fā)展方向。 1.3 微處理器的發(fā)展特點 自第一個微處理器問世以來，微處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，從早期的四位機4004到七十年代末出現(xiàn)的8位機8051、MC6800再到現(xiàn)在32位機、16位機、8位機多種處理器并舉。現(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。當今微處理器市場上高端三十二位機與低端的八位機在各自的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手。它們活躍在我們生活的各個領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機、家電等等都可以找到它們的身影。 本論文所介紹的電動機保護器所采用的STC90C58AD單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。該單片機片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括4路外部中斷，8路十位高速AD轉(zhuǎn)換器，集成MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。 1.4 電動機保護器設(shè)計的主要工作和論文的各章節(jié)安排 本課題的主要目的是研制基于STC90C58MCU的電動機智能保護器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。針對電動機保護裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務(wù)，主要做了以下幾個方面的工作： 根據(jù)研究工作的需要，各章節(jié)安排如下： 第一章綜述課題的目的和意義，電動機保護裝置的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，微處理器的發(fā)展以及簡單介紹了本論文的主要工作。 第二章主要介紹了電動機的基本運行原理，電動機各種故障的特征分析以及相應(yīng)的故障判斷方法和保護措施。 第三章論述了電動機保護器的硬件系統(tǒng)設(shè)計。以微控制器模塊為核心，分別介紹了保護裝置的各硬件模塊電路設(shè)計。 第四章以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了電動機保護器的軟件設(shè)計。 第五章通過試驗檢測驗證了本論文設(shè)計的電動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能達到了設(shè)計要求。 第六章對電動機保護器的設(shè)計進行總結(jié)以及對其未來發(fā)展的展望。 第2章 電動機保護原理 2.1 異步電動機的運行原理 交流電機分為異步電動機和同步電動機，其中異步電動機，即感應(yīng)電機，由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的主要動力設(shè)備。本論文以異步電動機為例闡述電動機保護器的設(shè)計。 異步電動機的基本運行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速小于同步速。 根據(jù)電路等效的原理，將電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢保持不變，電磁功率及損耗保持不變。折算后的電動機等效電路原理圖如圖2.1所示。 圖2.1 電動機等效電路原理圖 其中：Ul是電動機定子側(cè)線電壓，r1，x1是電動機定子繞組電阻、電抗，Lm為電動機的勵磁電抗，r2，x2是電動機折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻、電抗。 2.2 電動機故障分類 對電動機來說，其故障形式從機械角度可以分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。 造成繞組損壞的主要原因有： (1)在長時間的電、熱、機械和化學(xué)作用下，繞組的絕緣老化損壞，定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或是對地短路。 (2) 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、高次基于單片機控制的電動機保護器設(shè)計諧波嚴重或者電動機斷相運行。 (3) 電源電壓過低使得電動機啟動轉(zhuǎn)矩不夠，電動機不能順利啟動或者是在短時間內(nèi)重復(fù)啟動，電動機長時間承受過大的啟動電流導(dǎo)致電機過熱。 造成軸承損壞的原因有很多： (1)機械負荷太大 (2)潤滑劑不合適 (3)惡劣工作環(huán)境對軸承的損壞 由于本論文主要研究的是通過電氣測量手段來檢測電動機的運行狀況，并根據(jù)實時采集到保護器的數(shù)據(jù)適時做出保護動作，因此主要分析解決繞組故障。 從電氣角度分析，引起電動機繞組損壞的常見故障分為對稱故障和非對稱故障兩大類。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對稱過載等，這類故障對電動機的損壞主要是機械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問短路等，不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，但若不及時查找故障原因排除故障則可能造成嚴重后果。當發(fā)生對稱故障或嚴重的相間短路故障時，電動機的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機發(fā)熱嚴重特別容易燒毀電機。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障的嚴重程度基本反應(yīng)在過電流的程度上，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對稱故障的保護可通過常規(guī)的過流保護手段來實現(xiàn)對于嚴重的三相短路的保護應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護應(yīng)該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時限跳閘或反時限跳閘，反時限特性與電動機的溫升指數(shù)特性相配合。詳細情況如表1所示。 表2.1 電動機對稱故障 故障類型 零序 負序 過電流 其他特征 保護特性 對 稱 故 障 過載 無 無 （1.2～6）In 反時限 堵轉(zhuǎn) 無 無 （6～8）In 短時限 短路 無 無 （8～10）In 速斷 當電動機內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問短路，接地短路等，往往在初期并不會引 起顯著的電流增大、電機過熱，但若不及時處理就會導(dǎo)致事故擴大，進而引起電機過熱，轉(zhuǎn)自啟動力矩降低等一系列問題，嚴重時可能導(dǎo)致電動機嚴重損壞乃至報廢。因此，必須實時檢測電動機的運行狀況，保證及時發(fā)現(xiàn)電動機的運行異常，采取全面有效的保護措施保證電動機的可靠運行。 2.3 電動機保護原理分析 電動機保護原理的研究是保證電動機智能保護器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認真地研究和比對發(fā)現(xiàn)對“稱分量法”可以對電動機的三相電流進行詳細的描述，可以為故障的診斷提供準確的信息。 根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個不對稱的向量可以唯一分解成三組對稱的向量：正序分量，負序分量和零序分量。各序分量獨立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各個元件呈現(xiàn)出不同的特性。對稱分量的計算公式如下（以A相為例）。 (2.1) 式中， ，，分別是A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負序電流、零序電流；算子。 由式（2.1）可知，只有當三相電流之和不等于零時才有零序電流分量。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點不引出的星型接法，三相電流之和總為零，沒有零序電流分量。 根據(jù)前面對故障的分析，電動機在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時，電動機的三相電流都會發(fā)生變化。根據(jù)這一結(jié)論論文對發(fā)電機常見故障的保護措施進行了分析。 2.4 電動機故障特征分析及保護判據(jù) 2.4.1 短路故障特征分析及保護判據(jù) 電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，危害性很大．短路故障包括定予繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三 相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接．此時，負載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞． 電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進行速斷保護。短路保護的整定值應(yīng)大于電動機最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機額定電流的8～lO倍。在進行短路保護時，通過檢測電動機A，B，C三相線電流來實現(xiàn)，超過整定值后，直接進行斷電保護． 設(shè)為檢測到電動機三相電流的最大值，即 （2.2） 短路保護的原則是，當在很短的時限內(nèi)檢測到（k為短路過流倍數(shù)，一般取8～10，為電動機額定線電流）時，就認為電動機有短路故障，應(yīng)進行速斷保護。 2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護判據(jù) 電動機因機械原因、負荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運轉(zhuǎn)而進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。電動機堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達到電動機額定電流的4～7倍，這么高的故障電流極易把電動機燒損。因此在檢測到電動機處于堵轉(zhuǎn)故障時，保護系統(tǒng)應(yīng)及時動作，保證電動機不因堵轉(zhuǎn)而燒壞． 堵轉(zhuǎn)保護信號可取自于電動機線電流，當線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。堵轉(zhuǎn)保護的電流整定值一般可取電動機的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的4～7倍。 由于電動機起動電流也能達到額定電流的4～7倍，為區(qū)分電動機的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，一般采用躲過電動機起動時間(8～16秒)的方法來實現(xiàn)。從而可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。 2.4.3 斷相故障特征分析及保護判據(jù) 電動機斷相故障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。電動機對稱運行時，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，沒有振動。當電動機繞組斷相，啟動電動機時就會有嗡嗡聲而不能啟動。根據(jù)對稱分量法，電動機斷相運行時的三相不對稱電流可分解為正序、負序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負序電流產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機負擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動機燒損。 根據(jù)電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表2.2所示，其中： —電動機正常啟動電流；—電動機線電流； —電動機額定線電流；—電動機額定相電流； —電動機定予繞組相電流。 表2.2 電動機斷相故障電流表值 由表2.2分析可以看出，電動機斷相故障主要有三類情況：①當電動機繞組以Y形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對于△形連接的電動機，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時，電動機故障相的相電流為零，但線電流不為零。 根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。由于斷相故障類型不同，線電流表現(xiàn)也各異，因此保護判據(jù)也不一樣。通常有以下方法： (1)對于前兩種情況可以通過在一定時限內(nèi)檢測電動機線電流是否為零的方法來實現(xiàn)，即對某相電流一個周波內(nèi)連續(xù)采樣n點的瞬時值均為零，或通過計算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對于第③種斷相故障，可以通過檢測不對稱電流計算出正序、負序、零序電流。通過負序電流來反映斷相等不平衡故障。實際上對于第③類斷相故障可以通過計算得出A相的正、負序電流有如下關(guān)系： （2.3） （2.4）即，因此可以通過正、負序電流的這個比值來判斷電動機的第③類斷相故障。 2.4.4 過載故障特征分析及保護判據(jù) 電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行中因負荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點是電動機的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機長時間過載運行會引起電動機繞組過熱而燒損。電動機過載運行主要由以下幾種原因造成： (1)負荷增加：(2)機械設(shè)備故障或未安裝好；(3)電動機本身機械故障；(4)電動機容量選擇偏?。?5)電動機修理時繞組線徑選擇偏??；(6)雙機拖動負荷分配不均；(7)電動機端電壓過低等。 a．電動機溫升特性 電動機定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動機容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點。 電動機在運行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機械損耗，它們會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加熱電動機，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。 電動機是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實際測定表明，電動機的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動機定子繞組過負荷運行時的熱平衡微分方程為： （2.5） 式中： 精選word范本！ C——定子物體材料的比熱，即使lkg物體溫度升高1所需的熱量(J/Kg)； G——定子物體的質(zhì)量(kg)； ——散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、每秒時間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W／)； S——散熱表面積()； ——定子繞組溫升()。 式(2.5)左邊是在時間間隔dt中，定子繞組由于過負荷而發(fā)出的熱量Qdt。右邊CGd是電動機溫度升高d度所吸收的熱量，Sdt是dt時間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。式(2.5)為一階線性微分方程，其通解為： （2.6） 式中A——待定常數(shù)，由初始條件確定，即認為負荷不變化時，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式(2.6)得出待定常數(shù)A為: 將A代入式（2.6）可得 （2.7） 這就是異步電動機的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖2.2所示。 圖2.2電動機過負荷運行時溫升特性 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當時間t=O時，電動機的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時電動機產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。隨著電動機溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達到穩(wěn)定溫升。 b．電動機反時限過載保護特性 對式(2.7)中的指數(shù)項進行泰勒級數(shù)展開，取前兩項可得： （2.8） 將式（2.8）代入式（2.7）并整理可得 (2.9) 式中：稱為電動機的過載倍數(shù) 為一常數(shù)，若電動機的最大容許溫升為，則式（2.9）為 （2.10） 式（2.10）反應(yīng)了電動機過載倍數(shù)與電動機容許過載時間t的關(guān)系，即，我們把這種關(guān)系稱為電動機的容許過載特性，如圖2.3曲線1所示。從圖中可以看出，電動機過載倍數(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。 圖2.2電動機過載保護特性曲線 1——電動機容許過載特性；2——定時限過載保護特性； 3——階段式定時限過載保護特性；4——反時限過載保護特性； 電動機在設(shè)計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短時過載能力。其實在實際生產(chǎn)中，電動機負載往往會有一定的波動，這也要求電動機具有一定短時過載能力，不會因短時過載而停機，影響正常生產(chǎn)。 電動機過載保護動作時問t與過載倍數(shù)的關(guān)系稱為電動機過載保護特性。設(shè)計過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護也就失去意義了。圖2.2中可以看出，定時限過載保護和階段式定時限過載保護都不能像反時限過載保護特性那樣充分利用電動機的過載能力，因此在設(shè)計過載保護特性時應(yīng)具有優(yōu)良的反時限特性。 c．電動機反時限過載保護的實現(xiàn) 對于圖2.4中曲線4所表示的連續(xù)的反時限過載保護特性，可以通過取有限個有代表性的特征點來實現(xiàn)，即對電動機過載區(qū)間劃分為若干個子過載區(qū)間，對于每一個子過載區(qū)間采用定時限的保護方法來實現(xiàn)，如表2.3所示。 表2.3 某電動機反時限過載保護的分段式實現(xiàn) 過 流 反 時 限 保 護 動作時間t/s（具體可設(shè)定為某一列） 60 120 180 120 300 48 96 144 192 220 36 72 120 168 200 24 60 96 120 180 8 20 30 40 60 6 10 20 30 40 0.4 7 14 20 25 2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據(jù) 根據(jù)三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式： 式中:T——電磁轉(zhuǎn)矩 K——常數(shù) ——定子電壓 ——電動機轉(zhuǎn)子電阻和啟動感抗 s——轉(zhuǎn)差率 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進而影響到定子電流變化，從而影響到電動機正常運行。 a．欠壓保護 在電動機負載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)增大乜”，溫升增高。如果電動機長時間在低電壓工作會使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會使電動機起動轉(zhuǎn)矩下降，當電壓降低到能使起動轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電動機就無法啟動。 電動機要不要裝設(shè)欠壓保護有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)需要自動起動的重要電動機，不裝設(shè)低壓保護。下列電動機一般需裝設(shè)欠壓保護：(1) 當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)時，為保證重要電動機自啟動而需要斷開的次要電動機；(2)電源電壓短時降低或短時中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動機；(3)需要自啟動，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長時間消失后，需從電網(wǎng)中自動斷開的電動機。 欠壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進行斷電保護． b．過壓保護 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對于負載星形連接且無中性線的電動機，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負載的電壓增大。 電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，進而縮短電動機使用壽命，因此電動機應(yīng)裝設(shè)過電壓保護。 過壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進行斷電保護。 2.5 本章小結(jié) 本章從異步電動機的模型入手，介紹異步電動機的基本運行原理。 第3章 電動機保護器硬件電路設(shè)計 本章將詳細討論電動機智能保護器的硬件電路設(shè)計，本論文的硬件系統(tǒng)以STC90C58AD單片機為核心，并配以外圍電路構(gòu)成?？紤]到電動機智能保護器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計和芯片選型方面充分考慮了該保護器的實際需要及抗干擾性能。 硬件電路的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)硬件，設(shè)計的好壞不僅直接影響硬件系統(tǒng)本身功能的實現(xiàn)，而且對以后的軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)有很大的影響。所以硬件電路的設(shè)計不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)時更簡單方便。 3.1 概述 3.1.1 電動機保護器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求 電動機智能保護器的工作環(huán)境中通常存在大量的機電設(shè)備，這些機電設(shè)備在啟動、運行、停止時都會產(chǎn)生大量的電磁干擾。這導(dǎo)致電動機智能保護器的工作環(huán)境復(fù)雜，對抗干擾性能要求較高。而且在電動機產(chǎn)生故障時能夠及時準確地發(fā)出保護命令，這就對保護器的硬件電路設(shè)計提出如下的要求。 (1) 抗高溫、低溫能力強。保護器系統(tǒng)電路中元件的性能會隨溫度變化而變化，在較高溫度或較低溫度時有可能產(chǎn)生誤動作，故保護器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)級器件。 (2) 抗強電磁干擾能力強。繼電器的閉合與斷開，電動機的運行等都會在空間激發(fā)高頻電磁場，產(chǎn)生大量的強電磁干擾，影響電子設(shè)備正常運行甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，因此在進行硬件電路設(shè)計時應(yīng)該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。 (3) 處理器運算速度快。由于裝置需要進行大量的數(shù)據(jù)輸入輸出以及數(shù)據(jù)運算，為保證保護器動作的快速性和準確性必須采用運算速度快的微處理器。 (4) 采樣精度高。電動機保護器需要實時檢測電動機的運行數(shù)據(jù)，表征電動機狀態(tài)的參量必須得到精確的測量。 3.1.2 保護裝置硬件設(shè)計綜述 電動機保護的功能最終是通過硬件來實現(xiàn)的，硬件系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到保護器的性能指標。而實際的電動機保護器還不得不考慮成本因素，本文本著低成本、高性能的原則，查閱了大量微控制器資料，通過認真論證比較最終決定以國內(nèi)宏晶科技推出的基于新一代增強型8051內(nèi)核的STC90系列單片機作為核心 控制器。 電動機智能保護器的硬件系統(tǒng)以STC90C58單片機為核心控制器，采用模塊化設(shè)計方法，根據(jù)這一思想本裝置主要分成六大模塊：處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤、顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和開關(guān)量輸出模塊，系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3．1所示： 處理模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 電源 報警和保護動作執(zhí)行模塊 通信模塊 鍵盤顯示模塊 圖3.1 系統(tǒng)框圖 3.1.3 各模塊研究 (1)處理器模塊。處理器模塊使用STC90C58AD單片機，利用片上AD模塊對三相電壓電流以及電動機溫度進行檢測，根據(jù)保護算法進行保護決策。 (2)鍵盤、顯示模塊。該模塊是本保護器的人機交互接口，鍵盤主要用來設(shè)定電動機的參數(shù)、額定值。顯示器則用來顯示電動機的運行狀態(tài)和報警信息。 (3)電源模塊。給微處理器提供標準5V電源，給其它模塊提供合適電平的電源。 (4)數(shù)據(jù)采集模塊。將電動機的運行參數(shù)經(jīng)過信號處理和電平變換之右逡入處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊。 (5) 報警和保護動作執(zhí)行模塊。電動機智能保護器故障報警和保護動作的執(zhí)行通道，可以將微處理器的保護決策送至繼電器、斷路器等電氣設(shè)備完成低電壓控制高電壓的工作。 (6)通信模塊。將電動機及電動機保護器的狀態(tài)信息送到PC機上，便于技術(shù)人員實時監(jiān)控和進行歷史數(shù)據(jù)分析。 3.2 中央處理模塊 處理器模塊采用STC90C58AD單片機。STC90C58AD單片機是宏晶科技生產(chǎn)的高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速十位AD轉(zhuǎn)換器，針對電機控制，強干擾場合。 3.2.1 STC90C58AD單片機的主要特點 （1）增強型8051內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051； （2）工作電壓范圍：5.5V-3.3V(5V單片機)/3.6V-2.0V(3V單片機)； （3）工作頻率范圍：0-40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz； （4）片上集成256+4096字節(jié)RAM； （5）通用I/O(35/39個)，復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉；P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻； （6）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成； （7）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，增強系統(tǒng)抗干擾性能； （8）共3個16位定時器/計數(shù)器. （9）8路10位A/D轉(zhuǎn)換； （10）工作溫度范圍：-40～+85(工業(yè)級)/0～75（商業(yè)級）； 3.2.2 處理模塊電路設(shè)計 根據(jù)前面的分析，控制器處理模塊電路圖設(shè)計如圖3.2所示。 3.3 鍵盤、顯示模塊 人機接口是本電動機保護器的重要組成部分，通過它可以實現(xiàn)人機交互，進行電動機參數(shù)設(shè)定，顯示電動機運行狀態(tài)以及報警等功能。 3.3.1 鍵盤設(shè)計 鍵盤是典型的輸入設(shè)備，其功能是為了輸入數(shù)據(jù)、命令以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤由選擇鍵和功能鍵組成。 本裝置鍵盤采用2 x 3矩陣式非編碼鍵盤，共6鍵，分別為： （1）1～2為左鍵（在定制輸入確認鍵按下后作為數(shù)字的減小鍵)和右鍵(在定制輸入確認鍵按下后作為數(shù)字的增大鍵)； （2）3～4為上下選擇鍵，用于選擇菜單以及在輸入設(shè)定數(shù)據(jù)時用于選擇數(shù)據(jù)位的位置； （3）5為功能選擇（返回）鍵，6為確認鍵。 P2口的低3位作為輸入口，P2.4，P2.5口作為輸出口。 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下運用“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法， 1、判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線key1，key2，key3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與3根行線相交叉的3個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤 中無鍵按下。 2、判斷閉合鍵所在的位置：在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。鍵盤的設(shè)計電路如圖3.3所示： 3.3.2 顯示設(shè)計 本裝置中人機接口的顯示采用點陣式液晶顯示模塊，帶中文字庫圖形液晶模塊 12864 控制器7920，帶中文字庫的圖形點陣液晶模塊克服了以往裝置采用數(shù)碼管顯示器存在的顯示功能少，不美觀和功耗高等缺點。 3.3.2.1 液晶顯示原理 液晶顯示器(LCD)是一種新型的低功耗顯示器，其基本原理是：在正常情況下，液晶對光具有旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。，當光線通過兩個偏振片和液晶盒后，能沿原路經(jīng)反射極返回，此時液晶盒呈透明狀態(tài)；當液晶盒的電極上加一定的電壓后，電極連接部分的液晶就失去旋光性，導(dǎo)致不能通過兩個偏振片，從而顯示黑色。按不同需要組合液晶電極通電方式或把液晶電極做成各種需要的形狀，就能實現(xiàn)功能多樣、形態(tài)各異的顯示。 3.3.2.2 液晶顯示器的特點 LCD作為電子信息產(chǎn)品的主要顯示器件，相對于其它類型的顯示部件來說，有其自身的特點： （1）低電壓微功耗：LCD的工作電壓一般是3～5V，每平方厘米的液晶顯示屏的工作電流為微安級，所以液晶顯示器件是要求低功耗設(shè)備的首選顯示器件。 (2)平板型結(jié)構(gòu)：LCD的基本結(jié)構(gòu)就是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。這種結(jié)構(gòu)具有使用方便，生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，特別是在生產(chǎn)上，適宜采用集成化生產(chǎn)工藝，通過自動生產(chǎn)流水線可以快速大批量生產(chǎn)。 (3)使用壽命長：LCD器件本身幾乎沒有劣化問題。若注意器件防潮、防壓、防止劃傷、防止紫外線照射、防靜電等，同時注意使用溫度，LCD可以使用很長一段時間。 (4)被動顯示：對LCD來說，環(huán)境光線越強顯示內(nèi)容越清楚。人眼所感受的外部信息的90％以上是外部物體對光的反射，而不是物體本身發(fā)光，所以被動顯示更適合人的視覺習(xí)慣，更不容易引起疲勞。這在信息量大、顯示密度高、觀看時間長的場合更顯得重要。 (5)顯示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD沒有蔭罩限制，像素可以做的很小，這對于高清晰電視是一種理想的解決方案。同時，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特別是液晶電視的色彩可以做的十分逼真。 3.4 電源模塊 本系統(tǒng)需四路供電電源，即+5V的單片機主電源和模擬參考電壓以及相關(guān)芯片的電源電壓、運算放大器+15V和-15V直流電源。本裝置都是通過三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖3.5所示： 圖3.5電源電路 3.5 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)故障檢測信號取自于電動機三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號，其中三路用于線電流檢測，三路用于線電壓檢測。由于STC90C58AD單片機內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道要求輸入信號為O～5V的單極性電壓信號，因此壓／電流傳感器采樣的交流信號必需轉(zhuǎn)換為O～5V的單極性電壓信號。圖3.6為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其余兩路相同。 圖3.6電流采樣及調(diào)理電路 圖3.7中R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器CT2的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。利用運放1的高輸入阻抗，來抑制負載對采樣精度的影響。電組R2、R4、Rf和運放ARl組成加法器，電阻R7、Ro和運放AR2組成反向器，電阻R9和電容Cl組成簡單低通濾波器。VMF為STC90C58AD內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷?，二級管D1和D2主要起嵌位作用，可保證在-～(VMF+)(、分別為Dl、D2的正向壓降)之間波動。 根據(jù)運算放大器相關(guān)原理，可列出如下方程： 令===,==,則可得。若取=2.5V,當在區(qū)間-2.5V～＋2.5V取值時，則為0～5V的單極性電壓信號，滿足STC90C58AD單片機內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器對模擬輸入信號的要求。當單片機模擬輸入通道輸入電壓為0～5V時，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為： 電壓采樣是通過電壓互感器來實現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號調(diào)理原理，電路圖如圖3.7所示。 圖3.7電壓采樣及其調(diào)理電路 3.6 報警和保護動作執(zhí)行模塊 本裝置為電動機故障提供蜂嗚器發(fā)聲報警，報警電路如圖3.8所示。其工作原理是：電動機處于正常運行狀態(tài)時，置P3.7為低電平，三極管Q2基極無電流處于截止狀態(tài)，蜂鳴器也處于截止狀態(tài)，報警失效；當電動機出現(xiàn)故障時，置P3.7為高電平，由于三極管Q2的導(dǎo)通而導(dǎo)致蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)聲，從而實現(xiàn)保護裝置的故障自動報警功能。 當電動機發(fā)生故障時需要一個急停的保護動作，圖3.9為保護裝置的動作執(zhí)行保護電路。當電動機發(fā)生故障時，置P2．5為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器K5斷開，進而交流接觸器K7斷開，電動機失電停轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電動機故障自動掉電保護。 圖3.8 圖3.9 3.7 通信模塊 目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5~+15V，負電平在-5~-15V電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3~+12V與-3~-12V。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為3kΩ~7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。 3.8 本章小結(jié) 本章主要介紹了使用STC90C58AD單片機實現(xiàn)電動機智能保護器的硬件電路設(shè)計方法，整個設(shè)計以宏晶科技推出的高性能基于8051內(nèi)核的STC單片機為設(shè)計核心。 論文首先從總體上介紹了保護裝置的硬件設(shè)計，然后從系統(tǒng)的六大模塊出發(fā)，首先介紹了系統(tǒng)的核心MCU芯片STC90C58AD單片機，詳細描述了該處理器的的基本性能、編程結(jié)構(gòu)，給出了該單片機系統(tǒng)的硬件原理圖以及單片機程序下載電路；然后介紹了人機接口模塊，其中重點詳細描述了液晶顯示模塊的結(jié)構(gòu)、顯示方法以及顯示命令等；介紹了保護裝置的電源模塊、通信模塊的硬件設(shè)計；專門設(shè)計了與片上AD模塊相配合的信號處理電路來采集外部模擬信號量，設(shè)計了系統(tǒng)的報警和保護動作電路。 第4章 電動機保護器系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件的功能是以硬件為基礎(chǔ)完成各種保護算法及方案，并提供豐富靈活的手段對裝置進行整定、監(jiān)視和維護，是整套裝置的靈魂。電動機智能保護裝置的軟件設(shè)計主要任務(wù)是： (1)提供準確、實時的保護算法。 (2)為用戶提供簡潔、方便、清晰的人機對話界面。 (3)提供簡便快速的整定值設(shè)定方法，時間校準方法。 (4)及時、可靠地完成對各種故障的保護。 由于保護裝置擔(dān)負著保證電動機安全穩(wěn)定運行的重大使命，它時刻處于工作狀態(tài)，且必須能夠準確地完成保護動作，所以微機保護的軟件可靠性是對軟件開發(fā)的最主要的要求。為保證整個系統(tǒng)的可靠性，在進行軟件設(shè)計時應(yīng)始終以以下幾個原則為基礎(chǔ)： (1)確保A／D轉(zhuǎn)換不受干擾，保證外部數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r且準確地輸入到處理器。 (2)確保處理各個中斷處理程序的優(yōu)先級，確保實時性要求高的中斷能夠得到最快的處理；對臨界代碼段進行必要的保護，確保數(shù)據(jù)的J下確性。 (3)注重程序的模塊化設(shè)計，提高整個程序的可靠性和可讀性。 (4)正確處理慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸問題。 (5)本保護裝置的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方法，將整個應(yīng)用程序以硬件模塊為基礎(chǔ)劃分為若干個獨立的程序模塊，各個模塊單獨設(shè)計、編寫代碼和調(diào)試，然后將所有模塊裝配連接成一個整體進行綜合調(diào)試，最終成為一個完成全部功能，具有實用價值的程序。 4.1 程序設(shè)計語言選擇 電動機智能保護器的軟件是一種實時功能處理軟件。軟件是微機應(yīng)用的關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)處理、運算、邏輯判斷的具體實現(xiàn)。電動機智能保護裝置與傳統(tǒng)的保護方式的主要區(qū)別是可通過軟件編程去控制硬件執(zhí)行來實現(xiàn)保護功能。電動機的保護軟件實現(xiàn)的功能較多、任務(wù)繁重，所以必須采用合理、高效的語言和方式編寫。 使用C語言進行軟件設(shè)計具有編程速度快、可靠性高、程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性和可移植性好、調(diào)試與維護方便、開發(fā)周期短等優(yōu)點。C語言主要特點如下：語言簡潔、緊湊、使用方便、靈活；運算符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富；具有結(jié)構(gòu)化的控制語句；允許直接訪問物理地址，能進行位操作，可以直接對硬件進行操作。采用高級語言C語言編程可使編程人員有更多的時間考慮功能的實現(xiàn)、軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而減少編程本身花費的時間。但是，采用C語言編寫的程序生成的指令代碼會較長，因 此C語言編寫的程序執(zhí)行起來會較匯編程序花費的時間長。 匯編語言具有程序代碼短小精悍，程序效率高等優(yōu)點。但是，匯編語言與高級語言相比存在諸多不利因素：工作量大、變量組織困難、地址安排復(fù)雜、容易出錯、調(diào)試困難、開發(fā)周期長、通用性差、可讀性差，不利于軟件的升級和保護功能的改進。 為達到設(shè)計要求并充分利用單片機的資源和性能，課題的軟件設(shè)計采用C語言與匯編語言混合編程。對于大量的數(shù)據(jù)運算，例如數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、程序邏輯判斷等的實現(xiàn)采用C語言：對于設(shè)計硬件、端口操作以及其它實時性要求較高的操作采用匯編語言編程；軟件整體結(jié)構(gòu)采用C語言編寫，這樣就兼顧了程序的效率和可讀性。 4.2 保護器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計 軟件系統(tǒng)采用主循環(huán)加中斷處理程序的模式。主程序循環(huán)完成鍵盤掃描和顯示刷新任務(wù)，響應(yīng)用戶輸入的鍵盤命令并實時顯示故障處理程序輸出信息；中斷處理程序主要有定時器定時時間到中斷、A／D轉(zhuǎn)換完成中斷、串行口接收發(fā)送完成中斷等。在主循環(huán)執(zhí)行過程中一旦出現(xiàn)中斷申請，系統(tǒng)在運行完臨界代碼后立即暫停執(zhí)行主循環(huán)程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷執(zhí)行完成后，回到主循環(huán)程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序。系統(tǒng)程序根據(jù)中斷處理任務(wù)的重要性，給中斷處理程序賦予不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的中斷可以暫停低優(yōu)先級的中斷處理程序，使CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行高優(yōu)先級的中斷處理程序。 根據(jù)模塊化的思想，軟件系統(tǒng)按照功能可以劃分為如下幾個模塊： (1)人機接口模塊：包括液晶顯示子模塊和鍵盤檢測子模塊。液晶顯示模塊負責(zé)電量顯示、裝置信息顯示、整定值和控制值顯示；鍵盤檢測子程序主要檢測按鍵狀態(tài)與鍵值處理子程序相配合完成系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)置。 (2)通信子程序模塊：通過串行口將電動機以及電動機保護裝置本身的運行參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰CPC中。 (3)數(shù)據(jù)采集程序模塊：通過數(shù)據(jù)采集通道將外界的模擬量、開關(guān)量全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機，然后利用軟件濾波程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行軟件濾波。 (4)數(shù)據(jù)處理、保護決策程序模塊：對采集到的數(shù)據(jù)進行一定的運算，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行保護決策。 (5)系統(tǒng)抗干擾程序設(shè)計：包括數(shù)據(jù)濾波以及看門狗程序等。 4.3 保護器主程序設(shè)計 主程序的主要功能是對系統(tǒng)各個外設(shè)模塊進行初始化、調(diào)用各個子程序完成 各項