单片机在电动机保护中的应用本科毕业论文.doc

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)摘要在现代工业生产过程中，电动机作为拖动系统中的重要组成部分已得到广泛的应用，确保电动机可靠运行十分重要，但我国目前在这一领域与国外还有一定差距，因此对电动机保护的研究具有重要意义。本论文介绍了一种基于Atmega 系列单片机为核心的10kv 异步电动机保护装置。本文首先以检测过电流幅值、零序电流、负序电流等为依据，对异步电动机一些典型故障做了分析，并详细阐述了相应各种保护原理和应对措施，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ATmega16L 单片机为核心，将采集到的电压、电流及温度等模拟量信号经过AD 转换器转

2、换为数字量信号后送入单片机中处理，根据处理的结果对电动机是否存在故障以及故障的类型进行判定并执行相应的保护动作，同时通过外接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 语言编写程序，使之符合工程要求。最后对本论文进行了总结，并对论文后续工作方向做了展望，以期完善本课题的研究。关键词电动机保护AVR 单片机交流采样频率测量相位角1Single-chip in the motor protectionIn modern industrial production process, the motor drive system widely used as an important

3、part in the driving system，the reliable operation of electric motors is very important, but China in this field is behind of abroad, there is still a certain gap between the motor， therefore the protection of the motor research of great significance.An based on Atmega singlechip protection equipment

4、 for the 10kv of asynchronousmotor is discussedin this article. In this paper, first of all to detect over-current amplitude, zero-sequence current, negative sequence current as the basis for a typical induction motor fault done some analysis and described in detail the corresponding principle of pr

5、otection and response measures to achieve based on the differential protection current protection and fault diagnosis of electric motors; in order to ATmega16L single-chip microcomputer as the core, will be collected the voltage, current and temperature analog signal after A D converter into a digit

6、al signal into a single machine processing,the results based on the existenceof fault on the motor, as well as the type of fault to determine and implement appropriate action to protect through external peripherals such as monitors and keyboards, its real-time monitoring. Part in the software, using

7、 C programming language to meet engineering requirements.In the end,the main work of the paper is summarized,and the intending reserch work is prospected, so that the thesis research can be consummatted. KEY WORDS: motor protection; A VR microprocessor; microcomputer-based relay protection; alternat

8、ing current acquisition; frequency measurement;phase-differenc目录2第一章 绪论错误！未定义书签。1.1 研究该课题的目的及意义错误！未定义书签。1.2 国内电动机保护装置的发展错误！未定义书签。1.3 国外电动机保护装置的发展错误！未定义书签。1.4 本装置的设计特点错误！未定义书签。1.5 本论文的主要工作6第二章电动机故障及保护原理分析错误！未定义书签。2.1 电动机故障起因及分类82.2 电动机常见故障分析82.3 电动机各项保护原理及其整定计算问题92.4 电动机各项保护原理及其整定计62.5 本章小结错误！未定义书签。第

9、三章 电动机保护装置的硬件设计203.1 硬件系统的设计要求错误！未定义书签。3.2 整体的设计思路错误！未定义书签。3.3 信号调理模块错误！未定义书签。3.4 AD 数据转换模块错误！未定义书签。3.5 开关量输入输出模块错误！未定义书签。3.6 时钟模块错误！未定义书签。3.7 通讯模块错误！未定义书签。3.9 电源模块错误！未定义书签。3.10 本章小结错误！未定义书签。第四章 电动机保护装置的软件设计错误！未定义书签。4.1 软件描述错误！未定义书签。4.2 软件设计错误！未定义书签。第五章 提高系统可靠性措施错误！未定义书签。5.1 概述错误！未定义书签。5.2 提高抗干扰措施错误

10、！未定义书签。第六章 总结错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。3第一章绪论1.1 研究该课题的目的及意义在现代工业生产过程中，电动机作为拖动系统中的重要组成部分，已经是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要1 。在生产过程中， 由于各种原因会造成电动机处于不正常的工作状态，从而引起故障，严重时还会烧毁电动机，这样势必会造成巨大的经济损失，因此我们做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义2 。大型电动机一般应用与大型火电站，水电站等能源比较集中的地方，这些产业都会大批的使用电动机设

11、备，因而相应的保护装置就应运而生。目前，伴随着微机处理器运算速度与容量的增大，微机保护已经成为电动机继电保护的主流方向，本课题及是对基于微处理器的 10kV中小型电动机保护装置所做的研究。1.2 国内电动机保护装置的发展在我国，电动机继电保护装置出现过4种主要的形式：1，以热继电器为主的保护装置，与建国初期由苏联引进的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。其主要功能包括:

12、 缺相、过载、欠流、相失衡、相序、接地、短路、过电压、电流显示、声光报警及变送输出等，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。43， 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

13、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3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 AD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

14、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。1.3 国外电动机保护装置的发展在国外，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

15、多努力，使电动机微机保护技术逐5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、AD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、4F。GE、 EGR、DG、

16、 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）等型号系列， 60余种规格 3 。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 4 。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、

17、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。1.4 本装置的设计特点整个系统设计如下功能特点:（1）元器件采样工业品，稳定性，可靠性高，可以在高压开关柜等恶劣的环境中工作。（2）能对电动机的短路、堵转、过负荷、断相、过流、过压、欠压、过热、6接地故障、启动时间过长、PT 断线等常见电气故障进行保护。（3）抗干扰能力设计，硬件设计采用多种隔离、屏蔽措施，软件设计采用数字滤

18、波和良好的保护算法及其抗干扰措施。(4) 电动机运行参数的在线检测、显示与记忆功能。能对电动机运行的电压、电流等参数进行在线检测并显示，能动态存储电动机故障停机前一定时间段内的运行参数。(5) 通信功能。设计中提供 R S485 通信接口，采取主从方式进行组网，主机为 pc 机，从机为保护装置，最多可连 247 个从机；可实现对电动机的远程在线监测及数据处理。 (包括故障记录信息、历史运行参数等数据的浏览、储存和打印 ) 。（6）采用液晶显示模块与六个按键键盘为人机接口，实现全汉化液晶示、菜单化设计，操作、调试方便具有友好的用户界面。1.5 本论文的主要工作本论文主要的研究对象是基于 Atme

19、ga16L的 10kV 电动机微机保护装置，装置的应用对象是各中小企业的电动机拖动系统。本论文的结构安排如下：第一章：绪论。主要介绍所研究课题的目的及意义，以及国内外电动机微机继电保护的发展状况和存在问题，最后对本装置整体设计思路做介绍。第二章 电动机故障及保护原理分析。 主要介绍了电动机常见故障及产生的原因以及相对应的保护原理、保护措施。第三章 电动机微机保护装置硬件电路设计。 主要介绍该装置硬件电路设计过程，包括整体的设计思路以及各功能模块的设计。第四章 电动机微机保护装置软件电路设计。 主要介绍装置软件各功能模块的设计思路。包括交流采样、频率采集、相位角、时钟、液晶显示、人机界面等各模块

20、的软件设计。7第五章介绍了提高系统可靠性以及稳定性的方法。第六章总结论文工作，并对进一步工作提出一些想法和展望。第二章电动机故障及保护原理分析本章首先列举了电动机常见的故障以及相应的保护方式，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整定计算问题。2.1 电动机故障起因及分类概述电动机的故障一般分为机械故障和电气故障两大类，而机械故障往往又能从电气参数中反应得出，如定子绕组过热原因一般是绕组电流过大而引起的，通过测量定子绕组电流大小及可判断出产生故障的原因，因而可将机械故障并入电气故障中分析 21 。电气故障又分成两大类：对称故障和不对称故障；不对称故障可通过对称分量法区分，将电动机的

21、电流分解为正序、负序和零序分量。当电动机正常运行时，三相对称，负序和零序电流基本为零，若发生不对称故障，负序和零序电流将会有变动，定量分析负序与零序的电流，即可判断出是何种不对称故障。对称故障一般情况是正序电流较正常值有大的变化，定量检测正序电流量可鉴别出何种故障 4 5 。2.2 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

22、绕组故障可分为对称故障和不对称故障两大类：81. 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

23、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。2.3 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：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

24、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。93. 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，电动机转矩急剧下降。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

25、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。2.4 电动机各项保护原理及其整定计算问题有以上故障分析可知，电动机在发生故障后出现的症状，都可通过电流、电压两个基本量的检测而分析的出，如短路及检测过流，低压启动则检测电压等。因而设计

26、电动机的保护措施可分为以下三大类：（ 1） 诊断电流得出的：1，两段式电流保护102，过流反时限保护3，负序电流保护4，零序电流保护5，过负荷保护6，过热保护7，启动时间过长（ 2） 诊断电压得出的：1，过电压保护2，低电压保护3， PT断线检测（ 3）诊断频率得出的：1，低频保护2.4.1 两段式电流保护两段式电流保护是针对短路故障而设置的保护， 其中过流 II 段保护定值按躲过启动电流整定 , 时限可整定为速断或带极短的时限。 当任一相达到整定值，且过流 II 段保护的投退控制字处于投入状态，则定时器启动，若持续到整定时限，则立即跳闸 43 。过流 II 段在启动过程中的整定值计算如下：（

27、2-1 ）式中：可靠系数，取 1.21.4 ；电动机启动电流倍数，一般取 47；电动机额定电流测算至CT二次侧的值；启动过程结束后，过流 I 段保护自动投入，其整定值可不考虑躲过启动的峰值电流：（2-2 ）式中：取 48 范围；11整定时限取值范围为（ 0100s），在程序设计中步长应为0.01s ，便与根据不同情况而设定值。过流I 段的保护原理如图1 所示：图2-1过流 I 、 II段保护原理图Fig.2-1 The schematic diagram of two segment over-current protection2.4.2 过流反时限保护过流反时限保护是指保护装置的动作时间随

28、短路电流的增大而自动减小的一种保护方式。在电动机运行过程中除了短路等特别重大的故障我们采用电流定时限速断保护外，在很多情况下为了发挥保护元件的效益，以及防止保护装置的误动，都采用过流反时限保护49 。按照国际电工委员会（IEC255）和英国标准范（ BS142）的规定，适合电动机保护的反时限特性公式为：（2-3 ）t 动作时间；故障电流，动作电流整定值；时间常数整定范围： 0.05s1.6s, 步长 0.01s 。极端反时限特性图：12图 2-2 极端反时限特性图Fig.2-2 The characteristic diagram of extreme inverse-time2.4.3负序电

29、流保护该保护是针对电动机断相、逆相、相间短路、电源电压不平衡等不对称故障所设置的。电动机产生负序电流一般有两种原因：（1）电动机本身参数不对称，最为常见的就是断相。 （ 2）电源电压不对称，常见的是供电三相电出现相间短路。下面将对这两种给予分析（1） 断相引起的负序电流图 2-3 电动机 Y 型连接断相图Fig.2-3 The schematic diagram of phase failure in Y-connecting model motor假设断相的为 c 相且电动机接法为Y 型连接，如图 3 所示 , 则电动机三相电流关系有：；(2-4)；(2-5)在利用对称分量法将电流分为正序、

30、负序和零序，有：其中零序为(2-6)13将（ 2-4 ），（2-5 ）代入可得 = 0 ；因而将和分解成正负序可得：(2-7)所以如图 3A,B两相形成的环路中有：U ABUIr2Z Z2r1s22s其中： 正序相阻抗负序相阻抗定子绕组电阻转子绕组电阻转差率定子电抗转子电抗AB（2-8 ）j ( x1x2 )有效值： IU AB（2-9 ）r22 (r12 )2( x1x2 )22ss根据电机学理论，对于不同转差率，异步电动机的等值阻抗不同，而转差率 s>0.5后，等值阻抗变化不大，特别转差率在12 之间时，等值阻抗相差很小。由于 , 因此，在一般工程计算中，异步电动机负序阻抗可以用s=

31、1 计算。因而有如下推倒：IU ABU AB（ 2-10 ）r2r2 )22 (r1) 2( x1x2 ) 22 ( r1( x1x2 )2s(2s)s电动机正常运行时 A 相电流为：I A正常U A（2-11 ）r2 )2(r1( x1x2 ) 2s（2-12 ）（2-13 ）此处可分为两种情况若是启动时断相有，则14I（47）I eI e（ 2-14 ）0.866(3.464 6.062)若在正常运行中C 相断相，则：。（2-15 ）由以上推导可以知，当系统中负序电流出现大于 0.86 倍额定电流时候，可使负序电流保护动作。 若在启动中出现负序电流为 3.46 倍额定电流时候也41 54保

32、护动作也需投入，并可根据电流大小区分故障类型。图 2-4 电动机 BC相间短路示意图Fig.2-4 The schematic diagram of short circuit between B.C phase in the motor假设电动机高压供电侧上发生B、C 两相短路如图 2-4 所示则有：（2-16 ）由对称分量法可得：（ 2-17 ）（2-18 ）A 相负序电压： U121（ 2-19 ）（U A+U B+ UC）=-U A32由于负序阻抗（为电动机启动阻抗）所以：U=U A0.5(2 3.5)I e（2-20 ）I2ZqdI qdZ由此可见若电动机供电侧发生相间短路，电动机负

33、序电流为，当检测到该电流时候，负序保护动作且信号送出 41 。2.4.4零序电流保护当电动机发生接地故障时，零序将出现电流，这是区别任何接地故障的原因，其值的大小反应故障的程度。可以利用不对称接地故障时出现的零序15电流来对电机进行保护。我国10KV电网大多数是变压器中性点不接地，当单相接地故障零序电流保护的动作电流的整定原则为48 ：（ 2-21 ）电机额定相电压；电动机每相对地电容；角频率；n电动机机端互感器变化；可靠系数，取1.25 ；零序电流的整定时间可取 0.1 s0.5s 之间数值，步长为0.1 s 可调。图 2-5零序电流保护原理图Fig.2-5 The schematic di

34、agram of zero-sequence current protection2.4.5过负荷保护当电动机过负荷运行时，一个最显著的特征就是电动机发热，如果长时间处于过负荷运行会烧毁电动机，然而为了合理利用电机，一定范围和一定时间内的过负荷运行是允许的，所以一般过负荷保护时间整定应具备反时限34特性，其动作时限和电流大小配合关系为：式中：电机发热时间常数，一般取150250；=0.5（启动过程中）， =1（启动结束后）；电动机正序电流；电动机负序电流；电动机额定电流；方程中电机发热常数不应取得太大，取太大就增加了电机负荷运行的时间，容易对电机造成损害；也不能取太小，整定太小电机启动时极易跳

35、闸，使电机不能正常启动，运行时候也容易造成保护误动。162.4.6电压保护电压保护分成两种情况，一种为过压保护，过电压又分为外部过电压及内部过电压，外部过电压保护一般是避过雷击等外部因数而定，时间整定值应取最小值。内部过电压是电动机内部或供电网络引起的，随时间的变化幅度较大，所以整定时间设定较长。一种为低压保护，当供电网络电压降低时，为了保证重要电动机的可靠自启动成功，切除部分不重要的电机而设有低压保护。而且若电机不设低压保护，在低电压下，电机往往会反复的自启动，而启动电流远大于额定电流，在大电流下必然会损毁电动机。其整定原则如表1 所示。表 2-1 保护装置电压整定原则Tab2-1 The

36、voltage setting priciple of the protection device工作电压 U动作时间 T( 单位 s)工作状态0.10.5低压保护动作跳闸15低压保护动作跳闸正常工作15过电压保护动作跳闸0.10.5过电压保护动作跳闸其中 额定电压2.4.7 PT断线检测PT 断线可分为两种情况不对称断线和对称断线，无论哪种断线方式都会使 PT二次侧的电压异常。 系统谐振、 PT 自身故障、回路短路、接触不良断线，电压回路有接地故障等都是造成 PT断线的原因。 这种故障会使二次侧测量系统无法正确测量到系统参数值，从而使继电保护装置不能正确动作，造成严重后果 45 。本装置对

37、PT 断线的判据如下：（ 1）三相的线电压均小于 18v，且某一相相电流大于 0.04 倍额定电流。（ 2）有任意两线电压之差大于 18v。满足任一条件后，延时 5s 发报警信号。其中判据（ 1）用与检测对称三相断线，同时加上电流闭锁条件是用来防止保护装置在调试过程中未加任何17电压量时误发告警信号。判据（2）是对 PT 发生不对称断线时进行的判断。其检测原理如图2-7 。图 2-7 PT断线检测原理图Fig.2-7 The testing schematic diagram of PT broken line2.4.8低频保护频率是反映电力系统运行状态的重要参数，供电网络的电压频率直接影响到

38、用电设备的运行情况，所以继电保护装置应能实时的监测系统的频率。电机供电频率低于额定频率时其转速、性能都将下降，长时间在低转速下运行时会对电动机造成损害。所以一般供电频率降到49.3Hz 时，就应减载掉一些不太重要的电机，以保证重要的电动机能正常运转。时限设定范围为 0.22.0s ，步长为 0.1 秒可调。如图 2-8 所示图 2-8 低频保护原理图Fig.2-8 The schematic diagram of low frequency protection182.4.9启动时间过长保护电动机在长时间启动状态下时，启动电流是额定电流的47 倍，如此大的电流长期作用与电机绕组上，会对电机造成

39、损害，所以装置设有启动时间过长保护。 从无流变有流， 及电流突变的角度考虑， 当检测任一相电流有 53 ：|i (k ) i (k N ) | | i( k N ) i (k 2N ) | 0.1I e（2-23 ）额定电流；及认定电动机开始启动，同时计时器开始计数，达到启动时间后，置电动机正常运行，该保护自动退出。若到整定时间到达后，任意一相电流仍大于额定电流 105%时，即即认定电机未启动成功，保护跳闸。反之认定电机启动成功，启动过长保护自动退出。其中装置设整定时间，步长为0.1s 可调，原理图如图 2-9 所示。图 2-9启动时间过长保护原理图Fig.2-9 The schematic

40、diagram of long start time protection2.5本章小结本章首先对电动机的常见故障进行分析，然后根据各个故障详细阐述应采取的保护措施包括：两段式过流保护、过流反时限保护、负序电流保护、零序电流保护、过负荷保护、电压保护、启动时间过长保护、低频保护和PT19断线检测 9 种保护措施。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

41、主系统以 ATmega16L微处理器为核心，处理速度可达 16MIPS，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，其主要功能用于人机对话，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：电压低通采样键盘接口形成滤波保持模TV

42、、TA数LCD界面显示二次电流,转电压输入低通采样换电压LED报警信号形成滤波保持ATmega16L光电隔离电路开关量输入温度检测模数转换光电隔离电路开关量输出通信接口时钟模块图 3-1系统硬件结构203.2 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，然后经低通滤波器（ ALF）、采样保持器（ SH）、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

43、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 12 ，其截止频率为250Hz，响应曲线的不均匀度为1db。如图 3-2所示。39k59k2.21k11k11k-ein741eout+0.62uF0.62uF0.62uF图 3-2三阶低通滤波电路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 AD变换器之间加上采样保持电路，才能保证 AD变换的可靠性与准确性。在本保护系统中要采

44、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AD转换器接通，使一个 AD转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销。21NSC公司（美国国家半导体公司）生产的集成采样保持器 LF298，因其价格低廉，性能优越，为工业所广泛应用。其优越性能主要表现为：工作电源范围宽，可在供电电压± 5V±18V 下工作； 电压跟随时间短 (<10s) ，下降率低； 输出电压零点可调：高精度的直流误差(<0.01%) ；低功耗 ( 约为500mW)；使用温度范围大（25 85）等。本系统采用了两片LF298 集成芯片

45、构成采样保持电路，其工作电路图如图3-3所示。当 V1 为高电平时，采样保持器工作于采样方式；当V1 为低电平时，采样保持器工作于保持方式。为了同步锁存两路模拟信号，两个保持器共用一个逻辑控制信号4 。+15V-15V+15V-15VR1R0R1R0VSS2VSS21414InputILF2985 outputIInputULF2985 outputU采样3366CH保持877CHV 18VSSVSS图 3-3采样保持电路3.2.3 AD 转换微机保护装置必须对同一时刻的电量进行模数转换，以保证各路信号间的相对关系。在 ATmega16L单片机中，有一个 10 位的逐次逼近型 ADC，对电机保护装置而言使用 ATmega16L片内 AD转换器能够满足要