1、1 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
2、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
3、片机，故障诊断，数据采集 。 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
4、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
5、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
6、 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 1 第一章 绪论 1.1 电动机保护器研究的背景及意义 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
7、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，
8、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2 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
9、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
10、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
11、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。 3 时间范围内，对故障信号做 出响应，及
12、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
13、。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
14、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
15、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4 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
16、以及对其未来发展的展望。 5 第 2 章 电动机保护原理 2.1 异步电动机的运行原理 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
17、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是电动机定子侧线电压， r1， x1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6 变、高次基于单片机控制的电动机保护器设计谐波严重或
18、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
19、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
20、情况如表 1所示。 表 2.1 电动机对称故障 故障类型 零序 负序 过电流 其他 特征 保护特性 对 称 故 障 过载 无 无 （ 1.2 6）In CIII ba 反时限 堵转 无 无 （ 6 8） In CIII ba 短时限 短路 无 无 （ 8 10）In CIII ba 速断 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7 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
21、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， 1AI ， 2AI ， 0AI 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 J120e
22、a 。 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
