电动机综合保护器的设计

　　摘 要 交流电动机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作 用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失，因此在分析传统电动机 保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电动机保护装置己经成 为必要。 近年来，随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，各种类型的微控制器、 数字信号处理器、以及其它嵌入式处理器在电动机保护领域得到了广泛的应用。 本文围绕基于微控制器的电动机综合保护装置的研究这一任务而展开，开发了适 用于各种现场环境的交流电机测量、监控、保护一体化装置。本文的主要研究内 容概括如下。 1．分析了电动机运行的基本原理、电动机故障特征以及保护原理。 2．给出了电动机保护装置的实现方案。本装置可实现以下故障保护：短路保 护、堵转保护、过流保护、不平衡保护、断相保护、过压保护、欠压保护、漏电 保护以及过热保护等功能。 3．以STC90C58AD单片机为核心控制器设计了电动机保护硬件单元，并配以液 晶显示器等外围设备构成电动机保护系统。 4．在软件系统的设计上，根据STC90C58AD单片机的编程结构特点，采用模块 化编程思想，将系统功能分解成较小的功能模块，然后用子函数和中断处理函数 等实现了电动机保护功能。 最后，通过实验对电动机保护器的可靠性进行检验，实验表明，此电动机保 护器的测量精度，灵敏度以及保护性能均达到了设计要求。 关键词：电动机保护，单片机，故障诊断，数据采集。 1 目 录 第1章 绪论 ?????????????????????1 1.1 电机保护器研究的背景及意义??????????????????1 1.2 电机保护器的历史和现状 ????????????????????1 1.21 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式????????????1 1.22 普通电子式电动机保护器????????????????????2 1.23 智能型电动机保护器??????????????????????2 1.3 微处理器的发展特点??????????????????????3 1.4 电动机保护器设计的主要工作和论文的各章节安排?????????3 第2章 电动机保护原理???????????????????5 2.1 异步电动机的运行原理?????????????????????5 2.2 电动机故障分类????????????????????????5 2.3 电动机保护原理分析??????????????????????7 2.4 电动机故障特征分析及保护判据?????????????????7 2.41 短路故障特征分析及保护判据?????????????????7 2.42 堵转故障特征分析及保护判据?????????????????8 2.43 断相故障特征分析及保护判据?????????????????8 2.44 过载故障特征分析及保护判据?????????????????10 2.45 欠压和过压故障特征分析及保护判据??????????????13 2.5 本章小结???????????????????????????14 第3章 电动机保护器硬件电路设计??????????????16 3.1 概述?????????????????????????????16 3.11 电动机保护器硬件系统的技术要求????????????????16 3.12 保护装置硬件设计综述?????????????????????16 3.13 各模块研究??????????????????????????17 3.2 中央处理模块?????????????????????????17 3.21 STC90C58AD 单片机的主要特点??????????????????18 3.22 处理模块电路设计???????????????????????18 3.3 键盘、 显示模块?????????????????????????19 3.31 键盘设计???????????????????????????19 3.32 显示设计???????????????????????????20 3.4 电源模块???????????????????????????22 3.5 数据采集模块?????????????????????????24 3.6 报警和保护动作执行模块????????????????????24 3.7 通信模块???????????????????????????24 3.8 本章小结???????????????????????????25 第4章 电动机保护器系统软件设计??????????????26 4.1 程序设计语言选择???????????????????????26 4.2 保护器软件系统整体设计????????????????????27 4.3 保护器主程序设计???????????????????????27 4.4 键盘子程序设计????????????????????????30 4.5 显示子程序设计????????????????????????30 4.6 定时器及数据采集子程序设计??????????????????31 4.7 参数调整子程序设计??????????????????????32 4.8 故障处理子程序设计??????????????????????35 4.9 系统菜单式操作界面设计????????????????????36 第5章 电动机保护器实验及可靠性验证????????????37 5.1 电动机保护器测量精度测试实验?????????????????37 5.2 电动机保护器过流保护实验（分段保护）?????????????37 5.3 电动机保护器电压保护实验???????????????????38 5.4 电动机保护器轻载保护实验???????????????????38 5.5 电动机保护器实验总结?????????????????????39 第6章 总结及展望??????????????????????40 参考文献?????????????????????????????41 谢辞???????????????????????????????42 第一章 1.1 电动机保护器研究的背景及意义 绪论 在重要的工矿企业中，0.4kV交流电动机作为原动力和执行器，得到了广泛应 运。供电系统70％的电能是通过电动机消耗的。由于交流电机具有结构简单、制 造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用。电动机所带的负载种 类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而，电动机的安全、稳定运行具有 十分重要的意义。 在实际的生产环境中，由于电网波动，负载冲击以及外界环境高温、高湿、 粉尘等的影响，导致电动机的安全运行受到很大的威胁。电动机的故障或不正常 运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其它安全事故，引起重大的经济损失， 电动机保护器的研究就显得十分必要。据有关方面统计，全国每年电动机损毁数 量在300万台以上，仅电动机的维修费用就在百亿元以上，因电动机不正常工作所 造成的耗电量高达数十亿KWh，间接经济损失更是数目惊人。而且这一数字还在不 断增长。 另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越小，导 致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求电动机经常在 频繁的启动、制动、正反转以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，故障后导致的后果也更加严重。 因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研究有着 深远的意义。 1.2 电动机保护器的历史和现状 1.2.1 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式 热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过载保护 器，是长期以来我国电动机保护器所采取的主要技术方法。 这种电动机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成，控制方式主 要分为以下四种：(1)熔断器一交流接触器一热继电器；(2)断路器一交流接触器 一热继电器；(3)熔断器一断路器：(4)熔断器一断路器一交流接触器一热继电器。 热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装置。热继电器在电子技术尚不 1 发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理： 双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量， 并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继 电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保 护基十单片机控制的电动机保护器设计的目的。 热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点；同时，它也有一定 的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和对轻微堵转、过载保 护欠佳的缺点。由于上述缺点电动机容易长期运行在轻微过载状态，使电动机绕 组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化，影响电动机使用寿命。另 外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定的分散性，动作曲线与电动机实际 保护曲线不协调，使电动机有效功率下降，严重时还会导致误动作。正因为如此， 这种传统的电动机保护方法正在被逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。 1.2.2 普通电子式电动机保护器 从上个世纪七八十年代开始，随着半导体技术、电子技术的发展及广泛应用， 一批的基于分立电子元件和中小规模集成电路的新型电动机保护产品应运而生。 此类保护器从保护取样方式上大致分为电压取样型和电流取样型。电压取样型电 动机保护器主要针对电动机工作电压进行相应的检测来对电动机进行保护；电流 取样型电动机保护器通过对电动机的线电流的变化检测来对电动机进行保护。我 国电子式保护器是由晶体管型发展至集成电路型，装置功能基本满足电动机保护 的要求。但是设计思路的限制导致这些电动机保护器仍有一些难以克服的缺陷， 这主要表现在： a. 精度不高。由于整个保护器是由众多分立元件集合而成，任何一个元件 的性能都回对整个系统产生很大影响。各个元器件之间连线繁杂，在复杂电磁环 境中极易受到干扰，对温度的敏感性也很高，这常常导致保护器不能正常工作。 b. 无法实现参数存储、通信等功能。受器件功能影响，在由分立元件构成的 电动机保护器上无法实现像参数记录，实时通信这样的高端功能，这也限制了这 类保护器的应用范围。 c. 另外，整个保护装置中的元件、节点众多，大大增加了系统的故障点，导 致保护器调试困难。 2 时间范围内，对故障信号做出响应，及时准确地实施保护。实时性是保护器 系统的关键性能，它决定了对电动机故障的检测灵敏度以及输出保护信号的准时 性，直接影响了电动机的安全运行。 随着微电子技术的深入发展，大规模乃至超大规模集成电路成果同新月异。 以微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等为代表的智能型控制器不断 进步，在国民经济的各个领域都取得了重大成果。基于智能型控制器的电动机保 护器与前两种保护方式相比具有先天的优势。这种智能化电动机保护装置具有处 理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各种非常复杂的算法和各种保护功能； 由于能够方便地实现自检测试功能从而减少了装置的维修工作量，避免了因装置 缺陷引起的保护不正确动作，提高了保护的可靠性。它可以同时对电动机进行断 相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有显示、 通信、故障记录等功能。智能型电动机保护器正以其优异的性能取得各大原始设 备生产商的青睐，它将是电动机保护器的主要发展方向。 1.3 微处理器的发展特点 自第一个微处理器问世以来，微处理器技术水平得到了十分迅速的提高，从 早期的四位机4004到七十年代末出现的8位机8051、MC6800再到现在32位机、16位 机、8位机多种处理器并举。现在，随着集成电路技术的不断进步，各种由大规模 集成电路芯片构成的微处理器不断涌现。当今微处理器市场上高端三十二位机与 低端的八位机在各自的应用领域大展身手。它们活跃在我们生活的各个领域，大 到大型设备、航空航天设备，小至手机、家电等等都可以找到它们的身影。 本论文所介绍的电动机保护器所采用的 STC90C58AD单片机是宏晶科技推出的 新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051单片机。 该单片机片上还有极其丰富的外设资源，这包括 4路外部中断，8路十位高速AD转 换器，集成MAX810专用复位电路，因此十分适合于电机监控等相关应用。 1.4 电动机保护器设计的主要工作和论文的各章节安排 本课题的主要目的是研制基于STC90C58MCU的电动机智能保护器，包括装置硬 件系统的设计、软件系统的开发调试。针对电动机保护装置的发展方向，结合课 题的具体任务，主要做了以下几个方面的工作： 根据研究工作的需要，各章节安排如下： 第一章综述课题的目的和意义，电动机保护装置的发展历史和现状，微处理 3 器的发展以及简单介绍了本论文的主要工作。 第二章主要介绍了电动机的基本运行原理，电动机各种故障的特征分析以及 相应的故障判断方法和保护措施。 第三章论述了电动机保护器的硬件系统设计。以微控制器模块为核心，分别 介绍了保护装置的各硬件模块电路设计。 第四章以硬件设计为基础，介绍了电动机保护器的软件设计。 第五章通过试验检测验证了本论文设计的电动机保护器的测量精度，灵敏度 以及保护性能达到了设计要求。 第六章对电动机保护器的设计进行总结以及对其未来发展的展望。 4 第2章 2.1 异步电动机的运行原理 电动机保护原理 交流电机分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机，即感应电机，由 于其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，是工农业生产交通运输等领域 的主要动力设备。本论文以异步电动机为例阐述电动机保护器的设计。 异步电动机的基本运行原理是：三相对称绕组通以三相对称电流就会产生圆 形旋转磁场，该圆形旋转磁场的转速为同步速，转向取决于通电相序。旋转磁场 在闭合的转子绕组中产生感应电流，转子即在电磁力的作用下做旋转运动，转速 小于同步速。 根据电路等效的原理，将电动机的转子侧折算到定子侧，并保持在折算前后 磁势保持不变，电磁功率及损耗保持不变。折算后的电动机等效电路原理图如图 2.1所示。 图 2.1 电动机等效电路原理图 其中：Ul是电动机定子侧线是电动机定子绕组电阻、电抗，Lm 为电动机的励磁电抗，r2，x2是电动机折算到定子侧的转子电阻、电抗。 2.2 电动机故障分类 对电动机来说，其故障形式从机械角度可以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)在长时间的电、热、机械和化学作用下，绕组的绝缘老化损坏，定转子绕 组匝间短路或是对地短路。 (2) 电网供电质量差，电源电压三相不平衡、电压波动大、电网电压波形畸 5 变、高次基于单片机控制的电动机保护器设计谐波严重或者电动机断相运行。 (3) 电源电压过低使得电动机启动转矩不够，电动机不能顺利启动或者是在 短时间内重复启动，电动机长时间承受过大的启动电流导致电机过热。 造成轴承损坏的原因有很多： (1)机械负荷太大 (2)润滑剂不合适 (3)恶劣工作环境对轴承的损坏 由于本论文主要研究的是通过电气测量手段来检测电动机的运行状况，并根 据实时采集到保护器的数据适时做出保护动作，因此主要分析解决绕组故障。 从电气角度分析，引起电动机绕组损坏的常见故障分为对称故障和非对称故 障两大类。对称故障主要有：三相短路、堵转、对称过载等，这类故障对电动机 的损坏主要是机械应力和电流增大引起的热效应使绕组发热甚至烧毁。不对称故 障主要有断相、三相不平衡、单相接地、相问短路等，不对称故障在故障早期没 有特别明显的过电流或过热表现，但若不及时查找故障原因排除故障则可能造成 严重后果。当发生对称故障或严重的相间短路故障时，电动机的转子处于堵转状 态，绕组电流大，电机发热严重特别容易烧毁电机。这类故障的主要特征是三相 基本对称，但同时出现过电流，故障的严重程度基本反应在过电流的程度上，因 此检测过电流的程度可作为这类故障的判断依据。对称故障的保护可通过常规的 过流保护手段来实现对于严重的三相短路的保护应该采用快速跳闸；堵转故障的 保护应该采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸，反 时限特性与电动机的温升指数特性相配合。详细情况如表1所示。 表2.1 电动机对称故障 故障类型 对 称 故 障 过 载 堵 转 短 路 零 序 无 无 无 负 序 无 无 无 过电流 （1.2～6） In （6～8） In （8～10） In 其他特征 保护特 性 反时限 短时限 速断 Ia ? Ib ? IC Ia ? Ib ? IC Ia ? Ib ? IC 当电动机内部绕组发生故障如匝问短路，接地短路等，往往在初期并不会引 6 起显著的电流增大、电机过热，但若不及时处理就会导致事故扩大，进而引 起电机过热，转自启动力矩降低等一系列问题，严重时可能导致电动机严重损坏 乃至报废。因此，必须实时检测电动机的运行状况，保证及时发现电动机的运行 异常，采取全面有效的保护措施保证电动机的可靠运行。 2.3 电动机保护原理分析 电动机保护原理的研究是保证电动机智能保护器性能高低的关键，在参阅 了国内外大量文献的基础上，经过认真地研究和比对发现对“称分量法”可以对 电动机的三相电流进行详细的描述，可以为故障的诊断提供准确的信息。 根据三相对称分量法的理论，三个不对称的向量可以唯一分解成三组对称 的向量：正序分量，负序分量和零序分量。各序分量独立存在，在不同分量的作 用下， 系统的各个元件呈现出不同的特性。 对称分量的计算公式如下 （以A相为例） 。 (2.1) 式中， I A1 ， I A 2 ， I A0 分别是A相电流用对称分量法分解所得的正序电流、 负序电流、零序电流；算子 a ? e J120 。 由式（2.1）可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序电流分量。 如果系统采用三角形接法或是中性点不引出的星型接法，三相电流之和总为零， 没有零序电流分量。 根据前面对故障的分析，电动机在发生对称故障和不对称故障时，电动机 的三相电流都会发生变化。根据这一结论论文对发电机常见故障的保护措施进行 了分析。 2.4 电动机故障特征分析及保护判据 2.4.1 短路故障特征分析及保护判据 电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大．短路故障包括定予 绕组的相间短路和一相绕组匝间短路。定子绕组的相间短路是电动机最严重的故 障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，影响其它用 电设备的正常工作。一相匝间短路是较常见的短路故障，该故障初期仅表现为三 7 相电流不对称，使故障相的相电流增大，严重的情况会导致匝间线圈绝缘全 部烧毁，使电动机的一相绕组全部短接．此时，负载星形联接的非故障相将承受 线电压，负载三角形联接的将产生相间短路，这会使电动机遭受严重损坏． 电动机相间短路故障最明显的特征是三相供电线路的故障相会出现大电流， 危害性很大，应进行速断保护。短路保护的整定值应大于电动机最大稳定启动电 流，一般取电动机额定电流的8～lO倍。在进行短路保护时，通过检测电动机A，B， C三相线电流来实现，超过整定值后，直接进行断电保护． 设 I max 为检测到电动机三相电流 I a，I b，I c 的最大值，即 I max ? max（I a，I b，I C） （2.2） 短路保护的原则是，当在很短的时限内检测到 I max ? I ZD ? kI e （k为短路过流 倍数，一般取8～10， I e 为电动机额定线电流）时，就认为电动机有短路故障，应 进行速断保护。 2.4.2 堵转故障特征分析及保护判据 电动机因机械原因、负荷过大等转子被卡死或低速运转而进入堵转状态时， 会造成过热而烧坏。电动机堵转是最轻的对称短路故障，也是最严重的过载故障。 堵转电流一般可以达到电动机额定电流的4～7倍，这么高的故障电流极易把电动 机烧损。因此在检测到电动机处于堵转故障时，保护系统应及时动作，保证电动 机不因堵转而烧坏． 堵转保护信号可取自于电动机线电流，当线电流超过堵转电流整定值，并达 到整定时限时，立即进行断电保护。堵转保护的电流整定值一般可取电动机的稳 定启动电流，即额定电流的4～7倍。 由于电动机起动电流也能达到额定电流的 4～7倍，为区分电动机的堵转故障 与正常启动，保护算法上要能够判别电动机是起动时间内还是在起动时间后，一 般采用躲过电动机起动时间(8～16秒)的方法来实现。从而可有效地躲过电动机的 起动电流，以免误动作，使电动机无法正常启动。 2.4.3 断相故障特征分析及保护判据 电动机断相故障是最常见、最严重的一种不对称故障。电动机对称运行时， 其转轴所受到的转矩平稳，没有振动。当电动机绕组断相，启动电动机时就会有 嗡嗡声而不能启动。根据对称分量法，电动机断相运行时的三相不对称电流可分 解为正序、负序和零序电流。正序电流产生正向转矩，负序电流产生反向制动转 8 产生的反向制动转矩，因此电动机负担加重，电流剧增，引起损耗增加，导 致电动机烧损。 根据电动机定子绕组的不同接法， 断相故障电流表现也不同， 详见表2.2所示， 其中： I S —电动机正常启动电流； I A , I B , I C —电动机线电流； I e —电动机额定线电流； I e —电动机额定相电流； I A , I B , I C —电动机定予绕组相电流。 表 2.2 电动机断相故障电流表值 。 。 。 。 由表2.2分析可以看出，电动机断相故障主要有三类情况：①当电动机绕组以 Y形连接时，无论断相发生在线路上或者绕组内部，故障相的线电流均为零；②对 于△形连接的电动机，发生外部线路断相时，故障相的线电流为零；③若△形连 接的电动机发生绕组内部断相时，电动机故障相的相电流为零，但线电流不为零。 根据以上分析，断相故障出现后，电动机的线电流不平衡，因此可以通过检 测线电流来作为断相故障的信号源。由于断相故障类型不同，线电流表现也各异， 因此保护判据也不一样。通常有以下方法： (1)对于前两种情况可以通过在一定时限内检测电动机线电流是否为零的方 法来实现，即对某相电流一个周波内连续采样n点的瞬时值均为零，或通过计算某 相电流的有效值为零，则为断相故障； (2)对于第③种断相故障，可以通过检测不对称电流计算出正序、负序、零序 电流。通过负序电流来反映断相等不平衡故障。实际上对于第③类断相故障可以 9 通过计算得出A相的正、负序电流有如下关系： 。 。 。 1 。 2 I A? ? （ I A ? ? I B ? ? 2 I C ） ? 3I e 3 3 。 。 。 1 。 1 I A? ? （ I A ? ? 2 I B ? ? I C ） ? 3I e 3 3 （2.3） （2.4）即 I A? / I A? ? 2 ，因此可以通过正、负序电流的这个比值来判断电动机的第③类断相 。 。 故障。 2.4.4 过载故障特征分析及保护判据 电动机过载也称过负荷，是指电动机正常运行中因负荷过大所引起的过热现 象。其突出特点是电动机的工作电流大于额定电流，温升高于额定值，如果电动 机长时间过载运行会引起电动机绕组过热而烧损。电动机过载运行主要由以下几 种原因造成： (1)负荷增加：(2)机械设备故障或未安装好；(3)电动机本身机械故障；(4) 电动机容量选择偏小；(5)电动机修理时绕组线)双机拖动负荷分 配不均；(7)电动机端电压过低等。 a．电动机温升特性 电动机定子绕组温度高出周围环境温度的值称为温升。电动机温升特性的数 学模型是推导电动机容许过载特性数学模型的基础性工作，是电动机反时限过载 保护的理论基础，有利于分析电动机定子绕组的发热特点。 电动机在运行过程中能量损耗主要有铜损、铁损和机械损耗，它们会转变为 热量，一部分通过机体散失到周围空气中，一部分积存在机体中加热电动机，使 其温度上升，最终超过环境温度。 电动机是由多种材料组成的非均质发热体，其发热情况比较复杂。但实际测 定表明，电动机的发热曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差别。为了便于 计算和分析，一般将电动机认为是一个均质发热体，且忽略电动机的铁损和机械 损耗，即电动机的温升主要取决于其铜损。因此，依据均质固体发热理论，异步 电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡微分方程为： Qdt ? （I 2 ? I e2）rdt ? CGd? ? ?S?dt 式中： 24 （2.5） ? C——定子物体材料的比热，即使lkg物体温度升高1 C 所需的热量 ? (J/Kg· C )； G——定子物体的质量(kg)； ? ——散热系数，即每平方米表面．每度温差、每秒时间内所散发的热量焦 ? 2 耳数(W／ m · C )； S——散热表面积( m )； 2 ? ——定子绕组温升( ? C )。 式(2.5)左边是在时间间隔dt中，定子绕组由于过负荷而发出的热量Qdt。右 边CGd ? 是电动机温度升高d ? 度所吸收的热量， ? S ? dt是dt时间内散失在周围介 质中的热量。式(2.5)为一阶线性微分方程，其通解为： ? t Q ?? ? Ae CG ?S ?S （2.6） 式中A——待定常数，由初始条件 ? t ?0 ?0 确定，即认为负荷不变化时，定子 绕组温度与周围介质的温度相等，初始温升为零。将初始条件代入式(2.6)得出待 定常数A为: A?? ( I 2 ? I e2 )r Q ?? ?S ?S 将A代入式（2.6）可得 ?? t ( I 2 ? I e2 )r （ 1 ? e CG ） ?S ?S （2.7） 这就是异步电动机的温升数学模型，其特性曲线电动机过负荷运行时温升特性 11 电动机的温升特性曲线可以用如下原理来解释：当时间t=O时，电动机的温度 与环境温度相同，两者之间不存在热传导，这时电动机产生的全部损耗都用来提 高电机的温度，所以电机温度上升很快。随着电动机温度上升的增加，它与周围 介质的温度差越来越大，散发到周围介质中的热量也逐渐增加，温升增加变慢， 直到散热量等于发热量时，电动机的温度就不再升高，它所产生的全部热量散发 到周围介质中，即达到稳定温升。 b．电动机反时限过载保护特性 ?S 对式(2.7)中的指数项进行泰勒级数展开，取前两项可得： t ?S e CG ? 1 ? t CG （2.8） 将式（2.8）代入式（2.7）并整理可得 T T t? ? 2 2 2 (I / I e ) ? 1 ? ? 1 (2.9) ? ? I / I e 称为电动机的过载倍数 式中： ?CG T? 2 I e r 为一常数，若电动机的最大容许温升为 ? max ，则式（2.9）为 ? CG 1 T t? 2 ? max2 · 2 ? ?1 Ie r ? ?1 （2.10） 式（2.10）反应了电动机过载倍数 ? 与电动机容许过载时间t的关系，即 t ? f ?? ? ，我们把这种关系称为电动机的容许过载特性，如图2.3曲线所示。从图 中可以看出，电动机过载倍数越大，其容许过载时间就越短，即呈现反时限特性。 图2.2电动机过载保护特性曲线——电动机容许过载特性；2——定时限过载保护特性； 3——阶段式定时限过载保护特性；4——反时限过载保护特性； 电动机在设计时往往留有一定余量，因此电动机可以容许有一定的短时过载 能力。其实在实际生产中，电动机负载往往会有一定的波动，这也要求电动机具 有一定短时过载能力，不会因短时过载而停机，影响正常生产。 电动机过载保护动作时问t与过载倍数 ? 的关系称为电动机过载保护特性。设 计过载保护特性时，要充分利用电动机本身的过载能力，不要因为电动机一过载 就立即进行保护，频繁的断电保护将影响正常生产，这样的保护也就失去意义了。 图2.2中可以看出，定时限过载保护和阶段式定时限过载保护都不能像反时限过载 保护特性那样充分利用电动机的过载能力，因此在设计过载保护特性时应具有优 良的反时限特性。 c．电动机反时限过载保护的实现 对于图2.4中曲线所表示的连续的反时限过载保护特性，可以通过取有限个 有代表性的特征点来实现，即对电动机过载区间划分为若干个子过载区间，对于 每一个子过载区间采用定时限的保护方法来实现，如表2.3所示。 表2.3 某电动机反时限过载保护的分段式实现 ? ? I / Ie 过 流 反 时 限 保 护 ? 1 .2 ? 1.31 动作时间t/s（具体可设定为某一列） 60 48 36 24 8 6 0.4 120 96 72 60 20 10 7 180 144 120 96 30 20 14 120 192 168 120 40 30 20 300 220 200 180 60 40 25 ? 1.38 ? 1.44 ? 1.50 ? 2 .0 ? 3 .0 2.4.5 欠压和过压故障特征分析及保护判据 根据三相异步电动机的电磁转矩公式： sR U 2 T ?K 2 2 1 2 R2 ? (sX 20 ) 式中:T——电磁转矩 K——常数 U 1 ——定子电压 R2，X 20 ——电动机转子电阻和启动感抗 13 s——转差率 电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的 电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流变化，从而影响到电动机正常运行。 a．欠压保护 在电动机负载和转子电阻一定的条件下，电网电压降低时，电磁转矩下降， 电动机转速下降，旋转磁场对转子的相对转速增大，磁通切割转子导条的速度增 大，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。和变压器的原 理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大乜”，温升增高。如果电动机长 时间在低电压工作会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。 电动机要不要装设欠压保护有一定原则。对电源电压短时降低或短时中断后 又恢复需要自动起动的重要电动机，不装设低压保护。下列电动机一般需装设欠 压保护：(1) 当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为保证重要电动机自 启动而需要断开的次要电动机；(2)电源电压短时降低或短时中断后，根据生产或 工艺的要求，不允许或不需要自启动的电动机；(3)需要自启动，但为保证人身和 设备的安全，在电源电压长时间消失后，需从电网中自动断开的电动机。 欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护 整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护． b．过压保护 过电压一般是由电网电压波动造成的，当然也可能是伴随其它故障的产生而 产生的，如对于负载星形连接且无中性线的电动机，如果定子绕组一相短路，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，进而缩短电动 机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。 过压保护的整定原则是：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。 2.5 本章小结 本章从异步电动机的模型入手，介绍异步电动机的基本运行原理。 15 第 3 章 电动机保护器硬件电路设计 本章将详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本论文的硬件系统以 STC90C58AD单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑到电动机智能保护器的应 用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了该保护器的 实际需要及抗干扰性能。 硬件电路的设计是整个系统设计的基础硬件，设计的好坏不仅直接影响硬件 系统本身功能的实现，而且对以后的软件系统设计与实现有很大的影响。所以硬 件电路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还要考虑到使系统软件设计实现 时更简单方便。 3.1 概述 3.1.1 电动机保护器硬件系统的技术要求 电动机智能保护器的工作环境中通常存在大量的机电设备，这些机电设备在 启动、运行、停止时都会产生大量的电磁干扰。这导致电动机智能保护器的工作 环境复杂，对抗干扰性能要求较高。而且在电动机产生故障时能够及时准确地发 出保护命令，这就对保护器的硬件电路设计提出如下的要求。 (1) 抗高温、低温能力强。保护器系统电路中元件的性能会随温度变化而变 化，在较高温度或较低温度时有可能产生误动作，故保护器系统所有的元器件都 应选用工业级器件。 (2) 抗强电磁干扰能力强。继电器的闭合与断开，电动机的运行等都会在空 间激发高频电磁场，产生大量的强电磁干扰，影响电子设备正常运行甚至导致设 备失效，因此在进行硬件电路设计时应该尽可能地提高硬件的抗干扰性能。 (3) 处理器运算速度快。由于装置需要进行大量的数据输入输出以及数据运 算，为保证保护器动作的快速性和准确性必须采用运算速度快的微处理器。 (4) 采样精度高。电动机保护器需要实时检测电动机的运行数据，表征电动 机状态的参量必须得到精确的测量。 3.1.2 保护装置硬件设计综述 电动机保护的功能最终是通过硬件来实现的，硬件系统性能的优劣直接影响 到保护器的性能指标。而实际的电动机保护器还不得不考虑成本因素，本文本着 低成本、高性能的原则，查阅了大量微控制器资料，通过认真论证比较最终决定 以国内宏晶科技推出的基于新一代增强型8051内核的STC90系列单片机作为核心 16 控制器。 电动机智能保护器的硬件系统以STC90C58单片机为核心控制器，采用模块化 设计方法，根据这一思想本装置主要分成六大模块：处理器模块，通信模块，电 源模块，键盘、显示模块，数据采集模块和开关量输出模块，系统硬件模块结构 图如图3．1所示： 键盘显示模块 数据采集模块 处理模块 通信模块 电源 报警和保护动作执行模块 图3.1 系统框图 3.1.3 各模块研究 (1)处理器模块。处理器模块使用STC90C58AD单片机，利用片上AD模块对三相 电压电流以及电动机温度进行检测，根据保护算法进行保护决策。 (2)键盘、显示模块。该模块是本保护器的人机交互接口，键盘主要用来设定 电动机的参数、额定值。显示器则用来显示电动机的运行状态和报警信息。 (3)电源模块。 给微处理器提供标准5V电源， 给其它模块提供合适电平的电源。 (4)数据采集模块。将电动机的运行参数经过信号处理和电平变换之右逡入处 理器的AD转换模块。 (5) 报警和保护动作执行模块。电动机智能保护器故障报警和保护动作的执 行通道，可以将微处理器的保护决策送至继电器、断路器等电气设备完成低电压 控制高电压的工作。 (6)通信模块。将电动机及电动机保护器的状态信息送到PC机上，便于技术人 员实时监控和进行历史数据分析。 17 3.2 中央处理模块 处理器模块采用STC90C58AD单片机。STC90C58AD单片机是宏晶科技生产的高 速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片 机，但速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速十位AD 转换器，针对电机控制，强干扰场合。 3.2.1 STC90C58AD 单片机的主要特点 （1）增强型8051内核，指令代码完全兼容传统8051； （2）工作电压范围：5.5V-3.3V(5V单片机)/3.6V-2.0V(3V单片机)； （3）工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率 可达48MHz； （4）片上集成256+4096字节RAM； （5）通用I/O(35/39个)，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉；P0口 是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电 阻； （6）ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专 用仿真器可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成； （7）内部集成MAX810专用复位电路，增强系统抗干扰性能； （8）共3个16位定时器/计数器. （9）8路10位A/D转换； ? ? （10）工作温度范围：-40～+85 C (工业级)/0～75 C （商业级）； 3.2.2 处理模块电路设计 根据前面的分析，控制器处理模块电路图设计如图3.2所示。 18 3.3 键盘、显示模块 人机接口是本电动机保护器的重要组成部分，通过它可以实现人机交互，进 行电动机参数设定，显示电动机运行状态以及报警等功能。 3.3.1 键盘设计 键盘是典型的输入设备，其功能是为了输入数据、命令以及查询系统的工作 状态，实现简单的人机通信。键盘由选择键和功能键组成。 本装置键盘采用2 x 3矩阵式非编码键盘，共6键，分别为： （1）1～2为左键（在定制输入确认键按下后作为数字的减小键)和右键(在定 制输入确认键按下后作为数字的增大键)； （2）3～4为上下选择键，用于选择菜单以及在输入设定数据时用于选择数据 位的位置； （3）5为功能选择（返回）键，6为确认键。 P2口的低3位作为输入口，P2.4，P2.5口作为输出口。 确定矩阵式键盘上何键被按下运用“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或 列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法， 1、判断键盘中有无键按下将全部行线置低电平，然后检测 列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键 位于低电平线个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘 中无键按下。 2、判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过 程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为 高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某 列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。键盘的设 计电路如图 3.3 所示： 19 3.3.2 显示设计 本装置中人机接口的显示采用点阵式液晶显示模块，带中文字库图形液晶模 块 12864 控制器7920，带中文字库的图形点阵液晶模块克服了以往装置采用数码 管显示器存在的显示功能少，不美观和功耗高等缺点。 3.3.2.1 液晶显示原理 液晶显示器(LCD)是一种新型的低功耗显示器， 其基本原理是： 在正常情况下， 液晶对光具有旋光作用，使光的偏振方向旋转90。，当光线通过两个偏振片和液 晶盒后，能沿原路经反射极返回，此时液晶盒呈透明状态；当液晶盒的电极上加 一定的电压后，电极连接部分的液晶就失去旋光性，导致不能通过两个偏振片， 从而显示黑色。按不同需要组合液晶电极通电方式或把液晶电极做成各种需要的 形状，就能实现功能多样、形态各异的显示。 3.3.2.2 液晶显示器的特点 LCD作为电子信息产品的主要显示器件，相对于其它类型的显示部件来说，有 其自身的特点： （1）低电压微功耗：LCD的工作电压一般是3～5V，每平方厘米的液晶显示屏 的工作电流为微安级，所以液晶显示器件是要求低功耗设备的首选显示器件。 (2)平板型结构：LCD的基本结构就是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结 构具有使用方便，生产工艺简单等优点，特别是在生产上，适宜采用集成化生产 工艺，通过自动生产流水线可以快速大批量生产。 (3)使用寿命长：LCD器件本身几乎没有劣化问题。若注意器件防潮、防压、 防止划伤、防止紫外线照射、防静电等，同时注意使用温度，LCD可以使用很长一 段时间。 (4)被动显示：对LCD来说，环境光线越强显示内容越清楚。人眼所感受的外 部信息的90％以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示 更适合人的视觉习惯，更不容易引起疲劳。这在信息量大、显示密度高、观看时 间长的场合更显得重要。 (5)显示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD没有荫罩限制，像 素可以做的很小，这对于高清晰电视是一种理想的解决方案。同时，由于液晶易 于彩色化，因此方法也很多，特别是液晶电视的色彩可以做的十分逼线 电源模块 本系统需四路供电电源，即+5V的单片机主电源和模拟参考电压以及相关芯片 的电源电压、运算放大器+15V和-15V直流电源。本装置都是通过三端集成稳压器 获得各路直流电源，如图3.5所示： 图3.5电源电路 3.5 数据采集模块 本系统故障检测信号取自于电动机三相线电压和线电流，共六路模拟输入信 号，其中三路用于线电流检测，三路用于线AD单片机内 置A／D转换器的模拟输入通道要求输入信号为O～5V的单极性电压信号，因此压／ 电流传感器采样的交流信号必需转换为O～5V的单极性电压信号。图3.6为其中一 路电流采样及其调理电路图，其余两路相同。 图 3.6 电流采样及调理电路 图3.7中R1为采样电阻，其主要作用是将电流互感器CT2的感应交流电流转 换为交流电压。利用运放1的高输入阻抗，来抑制负载对采样精度的影响。电组R2、 R4、Rf和运放ARl组成加法器，电阻R7、Ro和运放AR2组成反向器，电阻R9和电容 26 Cl组成简单低通滤波器。VMF为STC90C58AD内置A／D转换器的模拟输入参考电压， V D 2 分别为Dl、 二级管D1和D2主要起嵌位作用， 可保证 VO 2 在- V D 2 ～(VMF+ V D1 )( V D1 、 D2的正向压降)之间波动。 Rf 根据运算放大器相关原理，可列出如下方程： VO1 V R ? ? O2 ? VO1 ? 1 V1 ? Vf R7 RO R2 R4 R f R4 Ra R7 Ro Rb V ? Ve ? V f V = = , = = ,则可得 O2 。若取 f =2.5V,当 Ve 在区 间-2.5V～＋2.5V取值时，则 VO 2 为0～5V的单极性电压信号，满足STC90C58AD单片 令 R2 = 机内置A/D转换器对模拟输入信号的要求。当单片机模拟输入通道输入电压 VO 2 为 0～5V时，A/D转换器的输出结果为： V ? ANGND ADO ? 1024? O 2 VREF ? ANGND 电压采样是通过电压互感器来实现的，其调理原理同电流信号调理原理，电 路图如图3.7所示。 图 3.7 电压采样及其调理电路 3.6 报警和保护动作执行模块 本装置为电动机故障提供蜂呜器发声报警，报警电路如图3.8所示。其工作原 理是：电动机处于正常运行状态时，置P3.7为低电平，三极管Q2基极无电流处于 截止状态，蜂鸣器也处于截止状态，报警失效；当电动机出现故障时，置P3.7为 高电平，由于三极管Q2的导通而导致蜂鸣器导通发声，从而实现保护装置的故障 自动报警功能。 当电动机发生故障时需要一个急停的保护动作，图3.9为保护装置的动作执行 保护电路。当电动机发生故障时，置P2．5为高电平，三极管Q1导通，继电器K5断 开，进而交流接触器K7断开，电动机失电停转，从而实现电动机故障自动掉电保 护。 24 图 图 3.9 3.8 3.7 通信模块 目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义 为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。典型的RS-232信号在正负 电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5~+15V，负电平在 -5~-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平 再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。RS-232是为点对点 （即只用一对收、 发设备） 通讯而设计的， 其驱动器负载为3kΩ ~7kΩ 。 所以RS-232 适合本地设备之间的通信。 3.8 本章小结 本章主要介绍了使用STC90C58AD单片机实现电动机智能保护器的硬件电路设 计方法，整个设计以宏晶科技推出的高性能基于8051内核的STC单片机为设计核 心。 论文首先从总体上介绍了保护装置的硬件设计，然后从系统的六大模块出发， 首先介绍了系统的核心MCU芯片STC90C58AD单片机，详细描述了该处理器的的基本 性能、编程结构，给出了该单片机系统的硬件原理图以及单片机程序下载电路； 然后介绍了人机接口模块，其中重点详细描述了液晶显示模块的结构、显示方法 以及显示命令等；介绍了保护装置的电源模块、通信模块的硬件设计；专门设计 了与片上AD模块相配合的信号处理电路来采集外部模拟信号量，设计了系统的报 警和保护动作电路。 24 第4章 电动机保护器系统软件设计 软件的功能是以硬件为基础完成各种保护算法及方案，并提供丰富灵活的手 段对装置进行整定、监视和维护，是整套装置的灵魂。电动机智能保护装置的软 件设计主要任务是： (1)提供准确、实时的保护算法。 (2)为用户提供简洁、方便、清晰的人机对线)提供简便快速的整定值设定方法，时间校准方法。 (4)及时、可靠地完成对各种故障的保护。 由于保护装置担负着保证电动机安全稳定运行的重大使命，它时刻处于工作 状态，且必须能够准确地完成保护动作，所以微机保护的软件可靠性是对软件开 发的最主要的要求。为保证整个系统的可靠性，在进行软件设计时应始终以以下 几个原则为基础： (1)确保A／D转换不受干扰，保证外部数据能够实时且准确地输入到处理器。 (2)确保处理各个中断处理程序的优先级，确保实时性要求高的中断能够得到 最快的处理；对临界代码段进行必要的保护，确保数据的J下确性。 (3)注重程序的模块化设计，提高整个程序的可靠性和可读性。 (4)正确处理慢速外设的数据传输问题。 (5)本保护装置的软件设计采用模块化程序设计方法，将整个应用程序以硬件 模块为基础划分为若干个独立的程序模块，各个模块单独设计、编写代码和调试， 然后将所有模块装配连接成一个整体进行综合调试，最终成为一个完成全部功能， 具有实用价值的程序。 4.1 程序设计语言选择 电动机智能保护器的软件是一种实时功能处理软件。软件是微机应用的关键， 是数据处理、运算、逻辑判断的具体实现。电动机智能保护装置与传统的保护方 式的主要区别是可通过软件编程去控制硬件执行来实现保护功能。电动机的保护 软件实现的功能较多、任务繁重，所以必须采用合理、高效的语言和方式编写。 使用C语言进行软件设计具有编程速度快、可靠性高、程序结构清晰、可读性 和可移植性好、调试与维护方便、开发周期短等优点。C语言主要特点如下：语言 简洁、紧凑、使用方便、灵活；运算符、数据结构丰富；具有结构化的控制语句； 允许直接访问物理地址，能进行位操作，可以直接对硬件进行操作。采用高级语 24 言C语言编程可使编程人员有更多的时间考虑功能的实现、软件结构的设计，而减 少编程本身花费的时间。但是，采用C语言编写的程序生成的指令代码会较长，因 24 此C语言编写的程序执行起来会较汇编程序花费的时间长。 汇编语言具有程序代码短小精悍，程序效率高等优点。但是，汇编语言与高 级语言相比存在诸多不利因素：工作量大、变量组织困难、地址安排复杂、容易 出错、调试困难、开发周期长、通用性差、可读性差，不利于软件的升级和保护 功能的改进。 为达到设计要求并充分利用单片机的资源和性能，课题的软件设计采用C语言 与汇编语言混合编程。对于大量的数据运算，例如数据采集、软件滤波、程序逻 辑判断等的实现采用C语言：对于设计硬件、端口操作以及其它实时性要求较高的 操作采用汇编语言编程；软件整体结构采用C语言编写，这样就兼顾了程序的效率 和可读性。 4.2 保护器软件系统整体设计 软件系统采用主循环加中断处理程序的模式。主程序循环完成键盘扫描和显 示刷新任务，响应用户输入的键盘命令并实时显示故障处理程序输出信息；中断 处理程序主要有定时器定时时间到中断、A／D转换完成中断、串行口接收发送完 成中断等。在主循环执行过程中一旦出现中断申请，系统在运行完临界代码后立 即暂停执行主循环程序，转而执行中断服务程序。中断执行完成后，回到主循环 程序的断点处继续执行主循环程序。系统程序根据中断处理任务的重要性，给中 断处理程序赋予不同的优先级，高优先级的中断可以暂停低优先级的中断处理程 序，使CPU转而执行高优先级的中断处理程序。 根据模块化的思想，软件系统按照功能可以划分为如下几个模块： (1)人机接口模块：包括液晶显示子模块和键盘检测子模块。液晶显示模块负 责电量显示、装置信息显示、整定值和控制值显示；键盘检测子程序主要检测按 键状态与键值处理子程序相配合完成系统运行参数的设置。 (2)通信子程序模块：通过串行口将电动机以及电动机保护装置本身的运行参 数传输到上位机PC中。 (3)数据采集程序模块：通过数据采集通道将外界的模拟量、开关量全部转换 成数字量送入单片机，然后利用软件滤波程序对采集到的数据进行软件滤波。 (4)数据处理、保护决策程序模块：对采集到的数据进行一定的运算，并根据 数据进行保护决策。 (5)系统抗干扰程序设计：包括数据滤波以及看门狗程序等。 27 4.3 保护器主程序设计 主程序的主要功能是对系统各个外设模块进行初始化、调用各个子程序完成 24 各项功能和开中断等。上电复位后，单片机将复位向量装载到程序地址寄存 器，然后CPU就从复位向量处开始执行程序。主程序先进行初始化，为各个子程序 的调用和系统各个模块的使用做好准备，然后查询按键，判断是否需要进行各种 控制参数的调整。如果需要调整参数则进入参数调整子程序，进行各种参数的设 置；最后程序进入主循环。 主程序的主体结构为一个无限循环，单片机不断重复调用电压、电流、温度 的判断程序，一旦出现故障便输出保护动作并报警。同时进行按键的扫描和显示 刷新。 主程序并不参与具体的工作，而是去管理各子程序，各种工作均由不同的子 程序分别完成。这种方式可以实现程序的模块化设计。使主程序和子程序的修改 及调试工作都变得十分方便。 主程序流程图如图4.1所示： 28 主程序 系统初始化 N 参数调整？ Y 调用参数调整子程 序 调用电压、电流以及温度保护 判断子程序 N 输出保护动作？ Y 调用保护动作子程序 扫描键盘、刷新显示 图4.1 主流程图 29 4.4 键盘子程序设计 键盘中断服务程序由外部中断输入引脚EXINT触发，当有按键按下时，CPU响 应EXINT外部中断，转入键盘中断服务程序。 键盘中断服务程序 关闭键盘中断 延时 10ms 去抖 读 P2 口， 确定是否有键按下 N 有键按下？ Y 逐行扫描进行按键识别，计算键值 根据键值和程序运行状态，调用相应键值处理程序 开键盘中断 中断返回 图4.2 键盘中断服务程序流程图 4.5 显示子程序设计 电动机智能保护器所带的液晶显示模块需要实时显示电动机和保护器的运行 信息。因此，需要在主循环内不断刷新显示。 显示子程序流程图如图4.3所示： 30 开始 选择字符显示方式 电动机智能保护器所 带的液晶显示模块需 要实时显示电动机和 设置字符显示区首地址 保护器的运行信息。 因此，需要在主循环 内不断刷新显示。 设置显示缓冲区首地址 取显示内容 输出控制信号 输出显示内容 N 完成显示？ Y 返回 图4.3 显示子程序流程图 4.6 定时器及数据采集子程序设计 STC90C58AD单片机有两个与8051相兼容的定时器：定时器0、定时器l。在本 装置中定时器0作为普通定时器，产生周期性定时中断以启动AD转换；定时器1作 为串行通信的波特率发生器使用。 模拟量的数据采集由AD模块完成，AD转换在定时器0的中断处理程序中启动， 采用中断方式，在AD转换完成后读取转换结果，然后对转换结果进行软件滤波。 开关量的数据采集直接从FO口读取逻辑电平值即可。 程序流程图如图4.4所示。 31 开始 清除中断标志 读取转换结果 软件滤波处理 读取开关量输入信号 结束 图4.4采集子程序流程图 4.7 参数调整子程序设计 本电动机智能保护器的保护功能面向的是交流电机，对于不同型号的交流电 机，各自的工作电压、电流、额定功率、额定温升都有不同，为使保护器能够适 用于各种不同的情况在程序设计时添加了参数调整子程序，在保护器投入使用之 前根据不同的电动机型号及类型进行必要的参数设置，这样就可以使保护器的使 用更加灵活，扩大了适用范围。 参数调整模块的子程序流程图如图4.5所示。 32 开始 参数切换 显示当前参数值 修改 确认 显示当前参数 Y 修改下一个？ N 结束 图4.5 参数调整子程序流程图 34 开始 从预订 RAM 中取最近采样的三个电流 有效值 求电流最大值 I max Y N 短路故障标 记为 1？ Y N 清短路故障标记 时限已到？ Y 短路故障计时器清零 置 P2.5=1，P3.7=1， 断电保护和报警 转下一保护模块 将本次运行参数、 时间信 息、故障类型存入 EEPROM 故障信息记录 区 将故障信息送液 晶显示器显示 置短路 故障标 记 I max ? 短路整定值？ N 关软件定时器中 断，停止采样 短路故 障启动 计时 返回 图4.6 故障处理子程序 34 保护参数设置 电机参数设置 短路倍数： 堵转倍数： 过压倍数： 欠压倍数： 参数设置菜单 参数设置 事件报告 产品信息 故障 1 故障 2 故障 3 故障 4 过流反时限保护 过载倍数： 动作时限： 增加数据点 保护参数设置界面 额定电压： 额定电流： 额定功率： 绕组接法： 电机参数设置界面 主菜单 Ia ? Ib ? Ic ? U ab ? U bc ? U ca ? 显示产品型号 显示软件版本号 显示制造商 显示出厂日期 产品信息显示界 面 图4.7 系统菜单式操作界面 故障 X 故障类型： 动作值： 监控信息显示界面 事件报告显示界面 4.8 故障处理子程序设计 故障处理子程序主要任务是根据最近采集到的数据按下列顺序依次进行故障 判断。故障判断顺序依次为短路、堵转、断相、过压、欠压、过载。 故障处理子程序流程图如图4.6所示： 35 4.9 系统菜单式操作界面设计 本系统的显示接口采用128X64点阵的液晶显示模块，满屏共可显示4X8个汉字 (16×16点阵)或4X16个ASCII字符(16X8)，为系统的设计菜单式操作界面提供了硬 件基础。 本系统菜单式操作界面设计如图4.7所示(图中仅列部分界面)。当系统开机稳 定后显示主菜单，当按下“确定”键后，系统进入监控保护状态，显示界面以“监 控信息显示界面”格式显示；当系统出现故障后以“事件报告显示界面”格式报 告故障。菜单项的识别主要是通过菜单页面标记以及该菜单的子菜单标记和扫描 到的键值这三个要素来确定。 36 第 5 章 电动机保护器实验及可靠性验证 电动机保护器整体设计制作完成之后，为验证其保护实际性能是否达到设计 要求，在实验室条件下对其进行了一系列的性能测试。 5.1 电动机保护器测量精度测试实验 试验通过标准电源给电动机保护装置输入不同的电压电流模拟电动机运行的 各种工况。 然后测试电动机保护装置的测量精度和灵敏度。 实验数据如表5.1所示。 表5.1电动机保护器测量精度测试实验数据 标准源设定参 量 实际测量值 A 0 . 2 0 . 8 0 . 8 0 . 2 5 误差 ? /% B 0 . 4 2 0 . 0 3 0 . 1 0 . 1 5 0 . 1 4 C 0 . 3 0 . 0 6 0 I A = I B = IC 00A =5.0 I A =5.010A， I B =5.021A， I C =5.015A I A = I B = IC 00A =3.0 I A =3.024A， I B =3.001A， I C =3.018A I A = I B = IC 00A =1.0 I A =1.008A， I B =1.001A， I C =1.000A U A =U B =UC = 220V UA =220.54V ， UB =220.32V ， U C =220.25V 5.2 电动机保护器过流保护实验（分段保护） 电动机保护器整定值与整定时间设定：I段定值：4.500A ，I段延时：5.00s； II段定值：2.500A，II段延时：10.00s，过流保护实验数据如表5.2所示。 37 表 5.2 电动机过流保护实验数据 设定参量 过流保 护 ON/OFF ON 延时时 间 5．00s 10.00s OFF ON 5．00s 10.00s 5．00s 10.00s OFF ON 5．00s 10.00s 5．00s 10.00s OFF 5．00s 10.00s 现象 I A = I B = I C =1A I 段，II 段保护都不 动作。 无动作。 I 段，II 段保护都不 动作。 II 段保护继电器动 作，显示并报警。 无动作。 I 段保护继电器动 作，显示并报警。 II 段保护继电器动 作，显示并报警。 无动作。 I A = I B = I C =3.000A I A = I B = I C =4.500A 5.3 电动机保护器电压保护实验 电动机保护器电压保护整定值，整定时间设定：欠压定值： ? 85%，过压定值： ? 110%； 电压延时：11.00s；额定电压：220V。 表 5.3 电动机保护器电压保护实验数据 设定参量 电 压 保 护 ON/OFF 延 时 时 间 现象 U A = U B = U C =220V U A = U B = U C =242V ON OFF ON OFF 11s 无动作。 过压显示报警，继电器 动作。 无动作。 欠压显示报警，继电器 动作 无动作。 U A = U B = U C =198V ON OFF 5.4 电动机保护器轻载保护实验 38 设定额定电流：5A；设定整定电流：I A / I B / I C ? 48%=2.4V。实验数据如表 5.4 所示。 表 5.4 电动机保护器轻载保护实验数据 设定参量 轻载保护 ON/OFF ON OFF ON OFF 10s 轻载显示报警，保护继 电器动作 无动作 动作 时间 现象 无动作 I A / I B / I C =2.5A I A / I B / I C =2.0A 5.5 电动机保护器实验总结 本实验是在实验室，通过标准电源给电动机保护装置输入不同的电压电流模 拟电动机运行的各种工况，对电动机保护器测量的精度，以及过流保护、电压保 护、轻载保护等性能进行检测。 由保护器精度测试实验可以看出保护器的测量精度比较高，误差范围非常小， 灵敏度比较高。由保护器保护性能测试实验可以看出保护器保护动作正确率达到 100%。本电动机保护器的实际效果达到了本论文设计的要求。 39 34 第 6 章 总结及展望 电动机在工农业生产中被广泛应用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大 的经济损失，因此在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、 可靠性高的电动机保护装置己经成为必要。 本论文以微控制器为核心的电动机智能保护器为研究对象，在查阅了大量数 据资料的基础上对电动机智能保护器的软件、硬件系统做了详细的设计，做了大 量的工作，主要取得以下成果： (1)查阅大量的文献、数据以及其它资料，在此基础上对国内外电动机智能保 护器的发展现状作出了合理的分析，提出了以 STC90C58AD单片机为核心处理器的 电动机智能保护器解决方案。 (2) 通过对电动机基本运行原理的深入分析，得到三相异步电动机的等效电 路，从等效电路入手分析了电动机的常见故障及其判断方法。 (3)结合STC90C58AD单片机的特点，对系统的采样方案及其实现方法进行了反 复的研究。 (4) 在以上成果的基础上，设计了以STC90C58AD单片机为控制核心的电动机 保护装置硬件电路。 (5)给出了基于STC90C58AD单片机的系统软件的完整实现方案。 本文所设计的电动机智能保护装置还有许多需要改进之处，以进一步提高性 能。具体有以下几个方面： (1)深入挖掘STC90C58AD单片机的性能，充分利用单片机的片上资源，提高数 据采集、处理速度，尽量缩短动作延迟。 (2)在现有保护器装置的基础上改进保护算法，使保护器能更加准确的判断出 电动机的故障。 (3)对电动机智能保护器的软硬件系统做进一步的改进，以期提高其抗干扰性 能。 当今社会已全面进入信息化时代，电动机智能保护器的设计将会伴随着电子 信息产业的飞速发展取得长足的进步。 40 参考文献 [1]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社,2011.6 [2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社 2006.5 [3]张建国，张素琴，杨春平，朱幼娟.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社 2007.6 [4]郭天祥，新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社2009.1 [5]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天出版社，2007 [6]张毅坤， 曹锰， 张亚玲等编著.C语言程序设计教程[M].陕西： 西安交通大学出版社， 2009.7 41 谢 辞 在老师们认真的指导下，我终于完成了专科阶段的学业，并按时完成了我的 论文。在此，我对那些曾经或正在帮助我，支持我的老师、同学和朋友表示衷心 的感谢! 感谢我的讲师贾文民老师，他以严谨的治学态度不厌其烦的对我的论文提出 很多宝贵意见，并针对我论文中的不足之处逐条做出点评，使我能够顺利完成毕 业论文。 感谢武清教学点的各位老师给予我的关心与帮助，感谢我的同学们在我遇到 困难时对我的支持。 在此我对老师和同学们表达我由衷的感激之情！ 42