小功率電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘 要

電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在分析傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、以及其它嵌入式處理器在電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置的研究這一任務(wù)而展開(kāi)，開(kāi)發(fā)了適用于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的交流電機(jī)測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)一體化裝置。本文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下。

1.分析了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理、電動(dòng)機(jī)故障特征以及保護(hù)原理。

2.給出了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。本裝置可實(shí)現(xiàn)以下故障保護(hù)：短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等功能。

3.以80C196KC單片機(jī)為核心控制器設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

1 保護(hù)方法

1.1 國(guó)內(nèi)外研究的狀況

隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的智能型多功能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生。基于微處理器的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有優(yōu)異的保護(hù)特性、完善的功能擴(kuò)展和智能化的監(jiān)測(cè)與控制。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外一些著名的電器公司紛紛推出以微處理器為核心的智能化電機(jī)保護(hù)器。如：德國(guó)SIEMENS公司的3UBI系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國(guó)ABB公司的SPEM繼電器、英國(guó)GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制繼電器。國(guó)內(nèi)也有許多單位在進(jìn)行研制(如上海電器科學(xué)研究所，南京自動(dòng)化研究所等)。各類產(chǎn)品除基本的保護(hù)功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(shù)(如故障值、故障類型等)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于微機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些公司又提出了兼有監(jiān)控、保護(hù)功能的智能化保護(hù)器。它能與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò);也能監(jiān)視電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)，不但能測(cè)量當(dāng)前數(shù)據(jù)，并能對(duì)過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)及故障情況做出統(tǒng)計(jì)，幫助操作人員做出決策，以減少線路和設(shè)備的停機(jī)和維修時(shí)間，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障及分析

2.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)

電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大。短路故障包括定子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(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p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(jiàn)的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對(duì)稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接。此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞。

電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定啟動(dòng)電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的8～lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)A，B，C三相線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，超過(guò)整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)。短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在一定時(shí)限(當(dāng)然很短)內(nèi)檢測(cè)到三相最大電流超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定線電流K倍時(shí)(K為短路過(guò)流倍數(shù)，一般取8～10)，就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。

3 電機(jī)保護(hù)裝置框圖及硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)保護(hù)裝置總體框圖

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報(bào)警、故障脫扣、故障記憶、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、相失衡保護(hù)、相序保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)等。用傳統(tǒng)的模擬線路要實(shí)現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會(huì)變得非常復(fù)雜，整個(gè)裝置的體積也會(huì)非常龐大。目前一些模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一，例如：過(guò)流保護(hù)器、缺相保護(hù)器、漏電保護(hù)器等，而單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達(dá)到前所未有的水平。

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用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的功能，在硬件方面主要由三相電流信號(hào)采樣、漏電流采樣、電壓信號(hào)采樣、鍵盤(pán)接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成。

硬件系統(tǒng)基本工作原理是：由電流、電壓互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的三相線電壓和線電流，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道，根據(jù)一定的算法，計(jì)算出信號(hào)的有效值，將計(jì)算出來(lái)的信號(hào)有效值與預(yù)先設(shè)定的相應(yīng)整定值進(jìn)行比較判斷，若在一定時(shí)限內(nèi)，采樣到的信號(hào)有效值都在設(shè)定的故障范圍值之內(nèi)，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，并由單片機(jī)發(fā)出故障控制信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行跳閘斷電和報(bào)警。若無(wú)故障產(chǎn)生，則循環(huán)采樣、顯示和存儲(chǔ)電壓、電流信號(hào)。

4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)初始化及主程序設(shè)計(jì)

主程序主要作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化以及主要部件的自檢，初始化主要完成80C196KC單片機(jī)多功能引腳的定義、堆棧(SP)地址設(shè)置、鍵盤(pán)作方式的設(shè)置以及液晶模塊顯示設(shè)置。自檢對(duì)象主要有外部擴(kuò)展隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。主程序流程下圖所示。

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程序開(kāi)始執(zhí)行后，首先運(yùn)行初始化模塊，初始化的主要任務(wù)是完成80C196KC有關(guān)I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的設(shè)置、多功能引腳定義、串行口設(shè)置、堆棧地址設(shè)置、8255A工作方式設(shè)置、液晶顯示模塊設(shè)置以及保護(hù)裝置自身的一些系統(tǒng)變量初始化等功能。

自檢程序主要檢測(cè)RAM存儲(chǔ)器是否損壞，自檢方法是先向整個(gè)R枷地址區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后再一一讀出比較，若不一樣，則出錯(cuò)。出錯(cuò)后，由用戶自己決定處理，程序不進(jìn)行出錯(cuò)處理。

審核編輯：湯梓紅