三相电机智能保护器的设计

摘要电动机作为动力设备，被广泛地应用于发电厂和工矿企业。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛的应用于石油、化工、冶金等部门，因此研究设计性能良好的电动机保护装置就更有现实意义。本文首先介绍了电动机保护的意义、发展现状和存在的问题，描述了电动机运行中常见的故障现象，并针对各种故障特征建立了相应的判断流程图。因为传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。本装置通过测量电机运行时的零序和负序分量，应用对称分量法，能够对电动机进行短路保护、断相保护、三相不平衡保护、接地保护、堵转保护、欠电压保护、过载保护、过电压保护。系统采用模块化设计，主要包括：数据采集模块、单片机模块、显示通信模块、电源模块和控制模块。由于电机保护器的重要性以及对保护功能的精确性、全面性要求，本系统还有进一步完善的必要和潜力。关键词：电动机保护，89C51，对称分量法AbstractTheelectromotorasthepowerdeviceiswidelyusedinthepowerplantsandindustrialenterprises.Withthedevelopmentoftheeconomyinourcountry,theelectromotorwillcontinuetobeusedinthefieldofoil,chemicalindustryandmetallurgy,etc.So,itisveryimportanttoproduceelectromotorprotectorwithgoodcharacters.Themeaningoftheelectromotorprotection,presentdevelopmentandtheexistingproblemsareintroducedinthispaper,thegeneralfaultsoftheelectromotorrunningisdescribed.Accordingtothecharactersofthevariousfault,themathemodelisestablishedandthetheory.Thetraditionalover-currentprotectorCannoteffectivelyprotectmotorwhenthereisaimbalancedfault．Inthispaper,theSymmetricalcomponentsmethodisemployedasbasictheoryofmotorprotectiontofulfillthediagnosisofimbalancedfault．TheintelligentprotectorCandealwiththefollowingmotorfaultssuchasshort—circuit，lossofphase，imbalance，lockedrotor,overload，low—voltage，over-voltagebymeasuringnegativesequencecurrent，positivesequencecurrentandzerosequencecurrentandprocessingthecurrentdatawiththeSymmetricalcomponentsmethod．SystemUSESmodulardesign,including:thedataacquisitionmoduleandsingle-chipmicrocomputermodule,communicationmodule,thatpowersupplymoduleandcontrolmodule.Themotorprotectorshouldbemoreaccuracyandperfect，Sothedesignedsystemneedmorebetterments．KeyWords:Electromotorprotection，89C51，Symmetricalcomponentsmethod目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1研究意义 11.2电机保护器的历史及发展情况 21.2.1热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 21.2.2模拟电子式电机保护器 31.2.3微机式电机保护器 4第二章电机保护器原理 62.1电动机故障分析原因 62.2三相电机保护器状态及诊断 72.3采用方法 72.4保护器设计要求 132.4.1两相不对称短路保护 132.4.2断相保护 132.4.3三相电压不平衡运行 132.4.4欠压保护 132.4.5过压保护 142.4.6过载保护 142.4.7单相接地故障保护与两相接地故障保护 14第三章系统硬件总体设计 153.1系统硬件总体设计框图 153.2数据采集模块 163.2.1三相电压采集单元 163.2.2电流采集模块 213.2.3模拟多路转换器 233.2.4A/D转换电路 253.3单片机控制电路设计 293.3.1单片机的选择 293.3.2晶振电路 313.3.3复位电路 323.4监测模块 333.4.1通信电路 333.4.2LCD显示电路 343.5电源电路 353.6输入与输出电路 363.6.1键盘电路 363.6.2继电控制 37第四章系统软件设计 394.1总流程图 394.2故障判断流程图 43结论 54致谢 55参考文献： 56DirectoryTOC\o"1-3"\uAbstract(Chinese) IAbstract IChapter1Introduction 11.1Researchsignificance 11.2Motorprotectorthehistoryanddevelopment 11.2.1Thermalrelay,fuseandassolenoidstylecurrentrelay 11.2.2Analogelectronicmotorprotector 21.2.3Microcomputertypemotorprotectorpathogen 3Chapter2Motorprotectorprinciple 42.1Motorfailureanalysisreasons 52.2three-phaseprotectorstateanddiagnosis 52.3Themethod 62.4Protectorthedesignrequirements 102.4.1Twophaseasymmetricshortcircuitprotection 102.4.2Brokenphaseprotection 102.4.3Threephasevoltageunbalancedoperation 112.4.4Voltageprotection 112.4.5Over-voltageprotection 112.4.6Overloadprotection 112.4.7One-phasegroundfaultprotectionandtwoconnecttofaultprotection 11Chapter3thesystemhardwareoveralldesign 123.1Systemhardwareoveralldesigndiagram 123.2Dataacquisitionmodule 133.2.1Threephasevoltageacquisitionunit 133.2.2Currentacquisitionmodule 173.2.3Simulationwaymoreconverter 193.2.4A/Dcircuit 213.3Single-chipmicrocomputercontrolcircuitdesign 253.3.1Microcontrollerchoice 253.3.2Crystalscircuit 263.3.3Resetcircuit 273.4Monitoringmodule 283.4.1Communicationcircuit 283.4.2LCDShowcircuit 293.5Powersupplycircuit 303.6Inputandoutputcircuit 303.6.1

Trackkeyboardcircuit 303.6.2Relaycontrol 31Chapter4systemsoftwaredesign 324.1Totalflowchart 334.2Faultjudgingflowchart 37Conclusion 47Thanks 48Reference： 49第一章绪论三相电机是机电行业中应用最为广泛的设备之一，其正常输出动力是其所驱动设备正常工作的前提。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛的应用于石油、化工、冶金等部门，因此抓好电动机保护的研究和推广工作，研制性能良好的电动机保护装置就更有现实意义。1.1研究意义三相电动机由于其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点，同时其机械特性能满足大多数生产作业的要求，因此被广泛应用于电气、机械、冶金、石油、化工、汽车、船舶等行业。据统计，电网的总负荷中约有60％以上是感应电机；以电力作为原动力的负荷中，有90％左右是感应电机。但多数电机的应用环境很恶劣，尤其是在火力发电厂、矿山、钢铁、冶金和石化等企业，电机长期工作在高温、高湿、多尘埃的工况条件下，很容易使电机出现断相、欠载、漏电、堵转及过载等故障。[1]实际使用过程当中，除了恶劣的运行环境还有超技术条件运行，也是导致各类电机故障产生的主要原因。三相电机由于电网、负载及电机本身的种种原因，也会经常发生电机损坏现象。电机故障或损坏带来的直接和间接损失是相当巨大的[2]。据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0．4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。[3]造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，导致现场经常放弃使用这类保护器。因此，保持电机的稳定运行就成了人们长期以来一直关注的问题。随着自动化大规模生产时代的到来，生产现场往往同时运转着上十台甚至数十台电动机，往往需要对这些电动机的运行参数进行集中监控，以便操作人员及时发现故障并进行处理。设计与使用能及时、准确地检测出故障的发生，并能通过对故障特征的分析来确定故障原因并进行保护的装置，对维持电机的正常运转，确保生产安全显得至关重要。1.2电机保护器的历史及发展情况电机保护装置的种类繁多，其发展经历了多个阶段。从双金属机械式热继电器到电子式继电器，发展到今天，已经进入了智能化电机保护器阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。热继电器、熔断器和电磁式电流继电器二十世纪五十年代以来，我国中小型电机的保护器常采用熔断器、接触器和热继电器的组合方式，可以实现过载、短路、欠载、断相等功能。熔断器与接触器是使用最早、最简单的保护方式，熔断器主要是用于短路或严重过载时保护电源设备和供电网络的，实际上它对电机不直接起保护作用。当熔体熔断时，又往往会导致电机因缺相运行而烧毁，许多人常错误的把熔断器的作用看作是保护电机，这是不全面的。一般的熔断器熔体标准选择是按电机额定电流1.5～2.5倍来选择，这是不符合实际情况的，电机启动时能受到5～7倍大电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上会存在随机缺陷，在电机起动时很容易发生部分相的首先熔断，而使电机处于缺相运行，最终造成电机烧毁[4]。我国的热继电器最早是从前苏联引进的技术，开发出双金属机械式热继电器作为电机过载保护装置，用于防止电机因过载而引起的过电流产生故障。在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会扁动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能，而当热继电器真正起到保护作用而动作过几次后，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，无法继续使用，必须全套更换。热继电器最主要的缺点是受环境温度影响较大，双金属片整定方法比较粗糙，使得整定值不准确，变化大，热继电器的动作曲线与电机允许发热特性曲线很难保持一致，此外热继电器安装在电机外部，把它串接在主电路中，与电机绕组温度无直接关系。一旦由于通风受阻、堵转、频繁启动、长时间轻微过载等情况使电机绕组产生热积累，热继电器就无法正常保护电机了。[5]模拟电子式电机保护器随着电子技术的迅速发展，二十世纪七十年代，电子式的电机保护装置得以发明并使用。电子式继电器仍然遵循反时限保护的特性，其主要由两大部分组成：一是监测部分，二是执行部分。监测部分通常采用电流互感器，利用其磁滞回线的直线部分来获取信号。执行部分全部采用电子元件来工作，其可以分为分立元件式、集成元件式和分立一集成混合式三种，一般由信号比较电路、过电流保护电路、延时电路、触发电路、执行元件及电源等部分组成。工作原理是通过电流互感器直接监测电机运行电流来进行保护。[6]但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方面：(1)整定精度不高，模拟电子式电机保护器均采用电位器进行额定电流的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难，特别是在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。(2)采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使可以校正也会使线路变得非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，行内人士知道用于电机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7倍，因为电机在堵转情况下会达到5~7倍的额定电流；另外，采样线路本身也存在非线性问题。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了一句空话。(3)无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们对电机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。鉴于以上原因，纯棒模拟线路的保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产晶所代替。[7]微机式电机保护器微机保护是在综合保护的基础上发展起来的。基于微处理器或其它数字电路构成的新型微机保护装置，其与传统的保护装置相比具有以下优点；(1)具有计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，可以连续地进行自检，受环境因素的影响小，可靠性高;采用软件编程，可用同一硬件实现不同的保护原理；(2)具有故障记录、故障分析、交换信息等辅助功能，方便了对事故分析和处理；(3)通过网络实现与其他设备间的数据交换，为建立综合自动化保护系统提供帮助；(4)调试维护方便，缩短维修时间，并且可在现场修改保护功能及参数。进入二十一世纪后，随着微处理芯片和大规模集成电路技术的发展，新开发的电机保护装置都是嵌入式的采用单片机，DSP，ARM等)。保护器可以对电机运行过程中的各种运行状况的详细信息进行采集跟踪，通过对故障报警、保护动作、以及动作延时时间的设定来实现及时准确的保护，保证生产的安全。它可以同时对电机断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有电流电压显示、故障记忆等功能。同时经过通信，可以使上位机获得电机运行状况的详细信息从而进行实时的监测，并经计算机数据处理提供管理信息。在设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免了不必要的停机而对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行的有效性。当电机运行参数达到预置的预警值时，保证装置仅进行预警，不发生脱扣；但当越线值达到预置的脱扣值时，保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内若设备恢复正常运行，则取消脱扣执行；而如果超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件动作。在电机控制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成并经通信接口上送到计算机管理系统。[8,9,10]现在的保护器已经成为一种集监测、保护、遥测、通讯、遥控为一体的电机保护装置。目前，国外已有专用微机化的多功能电动机保护装置投入市场。与传统产品相比，这类保护器有优异的保护特性，保护功能和工作可靠性大为提高。国外一些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心的智能化保护器，如西门子公司的可提供过载、断相和三相电流不平衡保护的过载继电器，富士公司的具有过载、断相和反相保护的继电器，以及韩国三和EOCR株式会社的能提供过载、起动电流、三相电流不平衡、断电保护和自我监控等功能的继电器。我国微机型电动机保护起步较晚，电动机保护水平整体较低。在微机线路保护已经开始普遍运用的时候，微机电动机保护尚处于萌芽状态，普遍是根据电流的大小来决定是否需要保护，这显然没有考虑到多种故障因素对电机的影响。电机是否需要保护其根本的判断依据应该是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温度，在平均电流相同的情况下，对于不同的工作电压、负序电流、零序电流，电机绕组发热程度并不一致，这就说明单纯通过电流的大小来判断电机是否需要保护并不十分科学，不能对电机在各种环境下全面保护。综上所述，虽然目前运行有多种微机型电动机保护装置，但实际运行效果并不好，用户反映一般，主要原因是装置存在可靠性较低，保护功能不完善，界面不友好等因素。因此，围绕电动机保护“可靠、快速、准确"的基本原则，结合当今信息时代的特点，有必要研制一种基于全新硬件平台的新型电动机综合保护装置，其性能稳定可靠，保护功能完善，抗干扰能力强，界面友好，电机运行信息完备并能实现远程监控，以满足用户需求。今后电机保护器技术将会沿着两个主要方向发展[11,12,13]：一方面推进新理论的研究，通过故障建模和仿真计算，并引入序分量、谐波分量、阻抗量、相位量等多种对电机故障敏感的检测量作判据，将小波分析、神经网络、支持向量机等算法引入电机保护控制领域，不但能大大提高保护控制装置性能，而且对电机故障和保护方面的理论研究也会有很大的促进。另一方面要着手新技术的应用与开发，利用各种传感器(包括红外线、电磁波、振动、电、热、机械、光、声等)对电机运行情况进行监测，然后根据传感器输出的信息经微处理器进行判断、分类，确定故障类型和严重程度，分别采取报警、显示、保护控制等动作，这样不但能实现以上各种电机保护功能，更重要的是能做到预测电机的前兆故障，进而达到提前防止电机故障发生。本章小结本章主要叙述了三相智能电机保护器的研究意义、历史及发展情况。第二章电机保护器原理保护原理是电机保护器的中枢神经，使保护系统性能最主要的决定因素之一。因此，对电机保护原理的研究至关重要。传统的电机保护一般采用热继电器型或电磁型的过流保护，其基本保护原理是以电流幅值的增加作为判断否发生故障的依据。所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称故障进行及时有效的保护。针对传统故障检测方法的不足，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。2.1电动机故障分析原因对于异步电动机来说，去故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏另个方面。造成绕组损坏的主要原因有：(1)由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。(2)长期受点、热、机械或化学作用，使得绕组绝缘老化和损坏，形成相间或对地短路。(3)因机械故障造成电动机转子堵转。(4)三相电源电压不平衡或者波动太大，或者电动机断相运行。(5)冷却系统故障或环境温度过高。造成电动机轴承损坏的原因主要有：机械负荷太大。润滑剂不合适。恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。由于电动机的微机保护主要是通过测量三相电流、三相电压来监测电动机的运行情况，从而判断是否电机是否产生故障，因此本次设计主要针对的是绕组故障。2.2三相电机保护器状态及诊断引起电动机绕组损坏的常见故障可分为两大类，对称故障和不对称故障。对称故障主要有：三相短路、堵转和对称性过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平衡、单相接地短路和相间短路。当因为各种原因，如机械故障、负荷过大、电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时，由于散入条件差，电流大，特别容易损坏电机。其他不出现显著过流的不对称故障，如断相不平衡运动等，过流保护往往不能及时动作。对于电动机的各种内部绕组故障，如匝间短路、接地短路等，往往由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，如不及时处理会导致事故的扩大，进而引起电动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，严重损坏电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著波动，因此对电动机形成过欠压故障。（1）过载保护：超过电动机铭牌规定的额定负载的10%范围报警和动作。增补的反时限特性由（2）断相保护：当任意一相的电压低于断相保护设定值时，保护器应当在动作（延时）时间内动作或同时报警。（3）不平衡保护：根据最大相电流是否超过90%的额定电流，最小相电流是否低于10%的额定电流来判断是否起动短相保护。（4）漏电或接地保护：通过外接的零序互感器的测量，以零序电流大小来判断是否起动电动机的漏电后接地保护。（5）过电压、欠电压保护：跟据最大相电压与额定电压的比值来判断是否起动保护。（6）堵转保护：跟据最大相电流与额定电流的比值来判断是否起动保护。（7）起动超时保护：在设定的起动时间内电流未降到额定电流的110%，则认为起动超时，保护器在设定的时间内发出停车指令，并报警。2.3采用方法保护算法是电机保护器的中枢神经，使保护系统性能最主要的决定因素之一。因此，对电机保护原理的研究至关重要。本章主要是分析电机的故障特征和保护原理，从分析电动机的各类故障入手，找出各种故障的故障判据，进而推出相应的保护算法。传统的电子型保护装置都是通过三相电流的过流程度来反映电机的故障特征的，所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称故障进行及时有效的保护。而传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护的主要原因是：(1)不对称故障一般不会使电流显著增加。(2)不对称故障中出现的负序电流分量所引起的负序电流效应会导致电机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题。(3)起动电流瞬间值有时会高于电机的故障电流，要对起动电流和故障电流进行分辨，使过流继电器的整定困难。下面主要集中阐述对电机的保护，引起三相异步电动机的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。［14，15,16］对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，主要特征是发生故障时三相仍基本对称，只是电流幅值增大。这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，所引起的热效应在散热条件差的情况下特别容易烧坏电机。因此，对称故障可以由电流过流程度来反映，所以仍然以电流强度作为故障判据。不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等，故障之初并没有出现明显的电流增大，如果处理不及时会导致事故扩大，引发电动机机端过热、转子及起动力矩降低等问题，严重的损坏了电动机。不对称故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，如果有过电流出现，还会使绕组发热，此类故障明显特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。本文针对传统的保护装置存在的问题，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。传统的检测三相电流经电流电压变换送监幅电路作为判据方法的基础，即通过对各相电流的计算分解出负序电流分量和零序电流分量，采用过流幅值、零序电流和负序电流分量为基础的故障判据，并在这个基础上形成了各种保护的算法，用来作为发生对称故障和不对称故障判据，从而实现电动机全面的综合保护。对称分量法最早由Fortescue于1918年提出，又称对称成分法，为解决多相(三相)不对称交流系统的分析和计算提供了一个有效方法。对称分量法是用于线性系统的坐标变换法。任何一三相不平衡电流都可以分解为三个平衡的矢量成分，即正序分量、负序分量、零序分量。[17]三相异步电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大，只产生正序电流分量，而负序电流和零序电流为不平衡电流，数值较小；发生不对称故障时的主要特征是负序和零序电流分量会显著增加。因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础，通过检测负序电流、零序电流的大小来判断电动机是否出现不对称故障。这样，不但能更好的反应电动机的运行状况，还可以大大提高保护的灵敏度和可靠性。异步电动机常见故障特征分析情况如表2-1所示，表中单相故障设A相为故障相，两相设B、C为故障相，表示故障前相电流的幅值，。表2-1三相异步电动机常见故障特征故障类型负序零序故障特征过电流对称故障三相短路无无（8-10）·堵转无无（5-7）·过载无无（1.2-5）·不对称故障非接地断相无，逆相IP无无不平衡有无无相间短路与位置有关无与位置有关接地单相接地有与位置有关两相接地有与位置有关应用对称分量法，当电动机发生各类对称故障和不对称故障时，可以将故障电分解为正序、负序、零序电流。同时，通过以上对电机常见故障特征的分析可见，电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。采集来的三相电流通过计算分解为正序、负序和零序电流分量，根据是否出现负序、零序电流以及过流程度对所发生的故障类型作出诊断，根据诊断的结果对所发生的故障进行保护跳闸和故障显示。电动机正常运行时，三相电流基本对称，零序和负序电流为零；当电机发生不对称故障时，零序电流和负序电流会有相应的变化。根据这一对应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而实现了智能化的故障诊断。这种诊断不但灵敏、可靠，能够覆盖电动机所有常见故障，而且能够识别不同故障类型，实现故障自动诊断。应用对称分量法，当电动机发生各类对称故障和不对称故障时，可以将故障电分解为正序、负序、零序电流。同时，通过以上对电机常见故障特征的分析可见，电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。采集来的三相电流通过计算分解为正序、负序和零序电流分量，根据是否出现负序、零序电流以及过流程度对所发生的故障类型作出诊断，根据诊断的结果对所发生的故障进行保护跳闸和故障显示。电动机正常运行时，三相电流基本对称，零序和负序电流为零；当电机发生不对称故障时，零序电流和负序电流会有相应的变化。根据这一对应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而实现了智能化的故障诊断。这种诊断不但灵敏、可靠，能够覆盖电动机所有常见故障，而且能够识别不同故障类型，实现故障自动诊断。电力系统某处发生不对称短路，三相电路电流和电压的基频分量都会变成不对称的向量。以、、表示三相电流，可以将分解为正序、负序、零序三组成分，、、；同理可以分解为正序、负序、零序三组成分、、；可以分解为正序、负序、零序三组成分、、。其中，正相序成分的相序依次为、、，大小相等及互隔120。；负相序成分的相序依次为、、，大小相等及互隔120。；零相序电流则大小相等且同相。各组相序成分值大小相等，所以可以将其简化，用某一向量表示。定义算子“α”为向量沿逆时针方向旋转120º，其为一单位矢量，即：(2-1）（2-2）由此可以得出：（2-3）式中（2.3）中以A相为代表，三相电流相加，可以得出如下等式：（2-4）因为（2-5）故：（2-6）同理可以求出A相电流的正序分量和负序分量、。（2-7）（2-8）综上所述，可以得出：（2-9）由式2-6可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量出现。如果三相系统是三角形接法，或者是没有中性线的星型接法，三相线电流之和总为零，不可能有零序分量电流。只有在中性线的星型接法中才有可能存在零序电流。本次设计的三相电机保护器主要针对三相四线制的电力系统电动机，零序电流可作为故障判断的重要依据，另外，在一个三相对称的元件中（例如线路，变压器和电动机），如果流过三相正序电流，则在元件上的三相电压也是正序的，这一点从物理意义上很容易理解；同理，如果流过三相负序电流或者三相零序电流，则元件上的电压降也是负序的或零序的。这也就是说，对于三相对称的元件，个序分量也是独立的。图2.1电动机故障诊断及保护的原理框图2.4保护器设计要求2.4.1两相不对称短路保护三相异步电动机发生两相不对称短路时，供电线路中的负序电流不断相间增大，为了保证灵敏度，可以设定当负序电流时视为两相不对称短路，随后保护器在判断是那两项短路。本设计判断方法为：假如三相电流中有一相电流为0，则两外两相短路。2.4.2断相保护断相故障时一种严重的不对称性故障，是不平衡电压的极端情况。断相会使剩余绕组严重的过流且发热，更容易烧坏定子绕组和转子铁心。供电电源线直接即断开是电机断相运行中最常见的故障。本设计判断方法为：如果供电线路中有一相电流为0，负序电流达到0.83—2倍的额定电流时，则认为该相断相，电动机保护延时动作。2.4.3三相电压不平衡运行主要针对电网不平衡运行设定的。在实际运行中，供电电源总存在着某种程度的不对称，所以即使在三相异步电动机正常运行时，也会存在着一定的负序电流。由供电电压不对称引起的负序电流取决于电动机的复学阻抗与正序阻抗的比值，此比值大致是额定电流与启动电流之比。本设计判断方法为：取0.3—0.8倍的额定电流值作为比较值，一旦判断出故障，保护器延时动作。2.4.4欠压保护当电源电压由于某种原因降低到额定电压75％或长时间低于额定电压85％时，称为系统欠电压。电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，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。转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致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。如果电网电压暂时中断，随后又自行恢复，则电动机停机后又会自行起动，这对正在检查电动机故障的人员构成人身威胁；如果电动机的起动转矩较小，不能直接带负载自起动，则可能继续处于堵转或低速爬行状态，同样电动机将承受大起动电流的作用而过热甚至烧毁。因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。本设计判断方法为:若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保值，则认为有故障产生，应进行断电保护。2.4.5过压保护当电源电压由于某种原因超过额定电压15％时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则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，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。本设计判断方法为: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。2.4.6过载保护电动机正常运行中因负荷过大所引起过热现象的一种非正常状态，这种状态叫做过载。过载电流一般比额定电流大1—6倍。因为发生过载故障时电机电流比额定电流略高，所以其程度不会立即对电机在成伤害，但是任由其发展下去，长时间的累积效应，会使绝缘以及各部件的机械强度迅速降低，加速电机老化，缩短使用寿命。而其机械性能降低又会给其他的类型故障的发生提供可能性。本设计判断方法为:当电机的工作电流超过额定电流值，保护器启动反时限保护。2.4.7单相接地故障保护与两相接地故障保护在三相电机所有的故障中，只有两相短路接地和单相短路接地会在相间产生零序电流。所以当线路中检测到零序电流时，就代表发生了两相短路接地或者单相短路接地故障。所以判断出故障时两相短路接地或者单相短路接地后，在比较电机电流大小。单相接地短路保护本设计判断方法为：出现零序电流，且，则A相为单相接地的故障相。两相接地短路保护本设计判断方法为：出现零序电流，且，则B相C相为两相接地的故障相。本章小结本章主要叙述了三相智能电机保护器的原理。因为传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。第三章系统硬件总体设计本系统设计的基本原理就是监测电机运行时的三相电压和电流参数，获得电机的工作情况。通过对这些参数的分析，了解此时三相电机运行状况。该设计是基于交流电机的普遍应用和经常出现的故障为设计背景，提出以8951单片机控制核心的智能保护器。设计采用单片机和互感器构成的数据采集系统能够对电机的响应参数进行测量和监控，能够及时解决出现的基本故障，保证电机在良好的状态下进行工作。为做到提供准确电机的参考信息，本系统包括采集和设置电机参数的底层硬件设备以及进行显示、通信和保护部分。3.1系统硬件总体设计框图本论文的工作重点是及时的发现三相电机出现的故障，并及时的反映出来，在一定的时间内做出如果没有及时的排除故障，则三相电机断电停车。三相电机保护器采用模块化设计，主要包括：（1）数据采集模块，对三相电机的电压数据和电流数据镜像采样，让后输送到单片机中，此模块包括三相电压采样单元、三相电流采样单元、模拟多路开关单元和A/D转换单元；（2）主体模块，为整个设计的核心单元，采集到的数据与设定值进行分析与判断是否产生故障，此模块是包括为键盘电路单元、晶振电路单元、复位电路单元；（3）监测模块，为了及时地了解三相电机的电压数据和电流数据，就需要与上位机连接，把数据通过通信单元输送到主控室，在调节故障电机时，需要知道此时的电机数据，这就需要LCD显示，所以此模块包括LCD显示单元和通信单元。(4)电源模块，8951单片机LM324等芯片都可以在5V电压系驱动，电源模块输出5V电压。通过对三相电流、电压监测，对电机的信息准确及时的了解，实现对电机的智能化监控。为电机提供完善的保护，热过载、堵转、断相、相不平衡、欠载、漏电短路等故障导致的生产事故，最大限度的保证设备运行的有效性和安全性。图3-1为电机保护器原理结构框图。图3-1电机保护器原理结构框图3.2数据采集模块通过互感器对三相电压数据和三相电流数据进行采集，采集到的众多数据首先送入到模拟多路开关中，分别把数据一一送出。送出的数据经过A/D转换单元，转换为单片机可读的信号，然后送入到单片机中。三相电压采集单元电压采集模块由两部分组成。前半部分为截止频率为100Hz的4阶伯特瓦兹低通滤波器，后半部分为电压信号采集保持电流与放大电路。器件选择LM324系列器件为是带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图3-2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-3。图3-2LM324运放引脚图图3-3LM324引脚图伯特瓦兹低通滤波器伯特瓦兹低通滤波器的特点：l、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的平坦度，阶数越高，平坦度越好。在截止频率处，所有的伯特瓦兹低通滤波器都有-3dB的增益衰减。2、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强。图3-4为截止频率为100Hz的4阶伯特瓦兹低通滤波器。图3-4伯特瓦兹低通滤波电路滤波器输入输出关系为：（3-1）是放大倍数，为伯特瓦兹多项式。伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式的幅值满足下式：（3-2）n为滤波器阶数，为截止频率，为信号频率。令截止频率，得到归一化的伯特瓦兹多项式。表3-1归一化的伯特瓦兹多项式n多项式的因子12345678滤波器为4阶，n=4，查表后，对第一级滤波器，得到其放大倍数为：（3-3）第二级滤波器，放大倍数为：（3-4）因此可得：，对于放大倍数，有下式成立：（3-5）(3-6）取：。可得：，。为满足频率要求，根据下式进行求解：（3-7）由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取：，则可以得到:。实际使用时，取:。即R=R3=R4=R5=R6。3.2.1.3电压采样保持放大电路图3-5为采样保持电路。图3-6为信号放大电路。因为由互感器采集到的模拟信号无法直接输送到单片机中，要经过首先经过A/D转换器把采集到的模拟信号转换为数字信号，再把经过A/D转换后的数字信号输送到单片机中，这个过程中是需要一定的时间，为了保持采集到的信号保持不变，所以需要由LM324的一组运算放大器构成一个采样保持电路，来确保在A/D转换的过程中信号保持不变。图3-5采样保持电路现在大多数所用到的电压互感器采集到的信号可能会很小，8951单片机无法读取。以众磊PT01-3型互感器为例，其输出电压（0-1000V低电压）为0.4V，这就需要把采集到的信号进行放大，由LM324两组运算放大器构成一个串联25倍放大电路，把信号放大后送到单片机中。三相电压采集的电路是完全一样，这里只画出其中一相。图3-6放大电路3.2.2电流采集模块图3-7为OP07与两个二极管组成的电流与电压转换的电路，把采集到的三相电流信号转换为电压信号。信号由图3-9的有源二阶滤波器过滤去杂波。电压信号由图3-10的差分放大电路放大后，送入模拟多路开关中，最后由A/D转换送入单片机中。图3-7电压转换电路图3-8二阶有源滤波电路在信号传输当中，一般都含有其他不同种类的波，这些杂质波往往会影响数据采集的精确性，所以信号采集系统在电路中连滤波电路来消除那些杂质波，使信号波更加纯正精确。本设计中采用的是有源二阶滤波电路。图3-8所示为滤波电路图。此采集电路经由LM324运放接口芯片组成的差分输入电路，采样保持电路后接入模/数转换接口，实现对三相电流的数据采集。本系统采用差分输入电路也有很大好处：1.A1和A2提高了差模信号和共模信号之比，提高了信噪比。2.在保证有关电阻严格对称的条件下，各电阻的阻值误差对该电路共模抑制比没有影响。3.电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近于零。从图中可知，A1和A2两个同相运放构成输入级，与差分放大器A3串连成三运放差分放大电路。图3-9差分放大电路因为，，根据欧姆定律可导出两级差模总增益：……（3-8）第一级增益放大了10倍，第二级增益1倍。3.2.3模拟多路转换器本设计所采用的模拟多路快关的型号为CD4051，图3-10为其引脚图。图3-10CD4051引脚图三相电机保护器所采集的数据较多，无法同时输送到单片机中。这就学要一个模拟多路转换器，把采集到的数据一个一个的通过A/D转换电路送到单片机中。CD4051引脚号符号与功能：输入/输出端：S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；地址端：A、B、C；公共输出/输入端：S；禁止端：；模拟信号接地端：VEE；数字信号接地端：GND。电源：（VCC）CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VCC＝+5V，GND＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当输入端＝“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。表3-2CD4051真值表CBA输出0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71XXX均不接通3.2.4A/D转换电路A/D转换电路如图3-11所示，图中74LS00为与非门，74LS373用于低8位地址锁存器，74LS14是反向输出施密特触发器，ADC574为A/D转换芯片。图3-11A/D转换电路器件选择74LS00为与非门。74LS373用于低8位地址锁存器，输出端Q0～Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。图3-12为74LS373引脚图。引脚号符号与功能：数据输入端：D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7三态允许控制端：OE（低电平有效）锁存允许端：LE；输出：Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7；电源：VCC；接地：GND。图3-1274LS373引脚图74LS14是反向输出施密特触发器。AD574的状态输出“STAT”经74LS14在接到8951的P3.0引脚，提高了抗干扰能力。当正在进行A/D转换时，STAT=1，当A/D转换以结束时，则STAT变为低电平。8951采用查询方式。启动A/D转换后便查询P3.0，若P3.0为低电平，表示已经转换完毕，否则继续等待。AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，片内有输出三态缓冲器，供电电源有+5V，+12V，转换时间为25μs，线性误差为±0.5LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。图3-13为AD574A引脚图图3-13AD574引脚图在CE=1、=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。表3-2AD574A控制端意义CEA0工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101+5VX12位并行输出有效1010V0高8位并行输出有效1010V1低4位并行输出有效3.3单片机控制电路设计单片机的选择89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。它即有传统微控制单元的功能，同时它又集成了许多外围模块。与传统的微控制单元相比，它采用程序和数据分开的哈佛结构，使取指和执行完全分开，提高了运行速度；并且程序存储器和数据存储器都是非易失性的，可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，有两个16位的可编程定时/计数器，实现定时或计数中断，内置一个全双工串行通信口，内置最高频率达12MHz的时钟电路。89C51单片机引脚号符号与功能：（1）电源引脚：电源端；Vcc；接地端：GND（Vss）（2）输入/输出引脚：P0.0～P0.7（P0口）：P0口是一个8位双向I/O，作为低8位地址/数据总线使用。P1.0～P1.7（P1口）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0～P2.7（P2口）：P2口是内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。P3.0～P3.7（P3口）：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。P3口也可作为一些特殊功能口，如下所示：P3.1TXD（串行输出口）；P3.2/INT0（外部中断0）；P3.3/INT1（外部中断1）；P3.4T0（记时器0外部输入）；P3.5T1（记时器1外部输入）；P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。图3-1489C51引脚图（3）控制引脚:复位/备用电源引脚。：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。：外部程序存储器读选通信号引脚。：外部程序存储器允许输入/编程电源输入引脚。（4）时钟引脚XTAL1、XTAL2：两个时钟引脚。分别接片内反相放大器的输入端、输出端。构成片内振荡器时，分别接外部晶振的两个引脚。3.3.2晶振电路DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。是复位/片选线，通过把输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。输入有两种功能：首先，接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。图3-15为系统晶振电路。图3-15晶振电路3.3.3复位电路一个可靠的复位电路对于应用系统来说是必不可少的。8951单片机为高电平复位，一般来说有两种复位电路设计方法：专用芯片和RC电路法。本设计中采用MAX708作为复位芯片，具备上电复位和手动复位两种功能，电路如图3-16所示。MAX708是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。复位信号可由VCC电压、手动复位输入、或由独立的比较器触发。独立的比较器可用于监视第二个电源信号、为处理器提供电压跌落的预警功能、这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报、或电源切换而考虑的。图3-16复位电路3.4监测模块3.4.1通信电路图3-17为单片机与上位机的通信接口电路。本装置利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器SN75176组合成简单的RS－485通讯网络。SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS－485总线驱动芯片，而RS－485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，所以工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输。图3-17通信电路3.4.2LCD显示电路图3-18LCD显示电路显示电路的作用是把采集到的电压数据和电流数据及时的显示出来，方便工作人员对电机的数据进行了解。图3-18为LCD显示电路。图中74HC573为八进制三态非反转透明锁存器，74LS08为二输入端四与门。LCD1602是具有串／并行接口、内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。LCD1602的液晶显示屏为128×32点阵，可显示2行，每行8个汉字；同时，为了便于英文和其它常用字符的显示，具有16KB半宽字型ROM(HCGROM)，提供128个16×8点阵的字母符号字型。LCD1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD接5V电源正极；第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；第6脚：E端为使能端；第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端；第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.5电源电路89C51是工作电压为5V，而LM324的工作电压为3V～32V。所以一个5V的供电电源即能满足系统的需要。图3-19电源电路3.6输入与输出电路3.6.1键盘电路本设计采用矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交上。与独立式按键键盘相比，矩阵式键盘节省了很多输入/输出口。它的工作原理是：按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉接到+5V上。平时无按键动作时，行线位于高电平状态，而当有按键按下时，行线电态将由与此行线相连的列显电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于矩盘中行、列行为多键公用，各按键均影响该键所在行和列的电平。因此各按键彼此将发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位。根据设计需要，要设置4个按键，分别为“确认”键、“返回”键、“上翻”键、“下翻”键。图3-20为键盘电路。图3-20键盘电路3.6.2继电控制当系统判断出故障类型后，会发出故障信号，在设定的时间内没有排除故障，系统会自动跳闸。这部分不属于系统的结构，而是属于系统与电机保护装置的外接部分。图3-21为继电控制电路。89C51的P3.5引脚控制继电器儿，从而控制电机主回路接触器K1。此驱动电路的优点如下：(1)三极管Q1基极和发射极之间接电阻R=10K，在没有正向偏置电压的情况下，保证基极的电压为零，防止三极管的受外部的干扰而误导通，提高了继电器动作的可靠性。(2)继电器串联RC电路。当电路闭合时，继电器线圈由于自感现象会产生电动势阻碍线圈中电流的增大，从而导致吸合时间延长，而电容C两端电压不能突变可视为短路，这样就将比继电器线圈额定工作电压高的电源电压加到线圈上，从而加快了线圈中电流增大的速度，使继电器迅速吸合。图3-21保护器电路本章小结本章主要叙述了三相智能电机保护器的硬件设计。实现电机三相电流、电压监测，对电机的信息准确及时的了解，实现对电机的智能化监控。为电机提供完善的保护，热过载、堵转、断相、相不平衡、欠载、漏电短路等故障导致的生产事故，最大限度的保证设备运行的有效性和安全性。第四章系统软件设计本设计的总体程序设计采用模块化结构，由系统主程序和各功能应用子程序组成，相对独立的功能程序段均作为子程序来调用。目前通常的保护程序流程的设计是采用集中控制处理的模式，即故障启动后，通过改变中断和指针，强行执行故障处理程序的模式。模块化编程设计思想指的是按照功能、系统状态等条件对保护程序进行模块化设计。各保护模块子程序的执行采用由主程序调用的方式，提高了程序运行的可靠性。并且这种多任务模块结构有利于程序的调试、维护、修改和升级。例如要增加某一项保护功能，仅需要在故障处理程序中并上一个功能模块子程序即可。采用模块化结构设计的基本原则：（1）各模块间应保持相对的独立和封闭。模块内部所用的特有变量不能由模块外部的其它程序对其进行操作。（2）每个模块自有独立的输入和输出，各模块之间没有交叉互联，信息传递尽量通过全局变量或各模块的返回值来完成。所有的模块只有一个入口和出口，即：不允许模块外程序直接跳转到本模块程序中的非入口部分，也不允许模块中间直接跳至其它模块，而是统一走向本模块的出口。（3）每个大模块可以根据对象作用的时间、功能、作用条件、工作原理等，将该模块分成多个最基本的单元模块。4.1总流程图保护器程序的总体结构如图4-1所示。上电复位后，从程序入口执行，首先是封闭出口，防止保护误操作，然后执行初始化程序。保护器初始化包括：89C51单片机芯片I／O控制寄存器的设置、多功能引脚定义、串口通信设置、堆栈地址设置、工作方式设置等，还有液晶屏、键盘、通信等的初始化，以及保护装置自身的一些系统变量的初始化。当完成初始化后电机保护器就可以进入工作阶段，进行实时的数据采集，采集来的数据经过处理后用于电机故障监测。电机正常运行期间，用户可在保护器液晶屏观看各种实时数据也能在中央控制室中看到电机的实时信息，包括检测到的数据和计算出的数据，并且可以通过键盘对保护器的参数等内容进行修改。一旦电机出现故障，则保护器迅速关停电机，并根据检测到的数据参照故障参数，判断出故障原因，在液晶屏上显示出来。保护器和还可以上位机实时通信，实现数据或命令等的传输。图4-1保护器程序的总体结构首先要初始化程序主要执行单片机和外设的初始化，其流程如图4-2所示：（1）上电复位后，先执行数据采集和单片机的初始化；（2）初始化液晶显示器，显示系统当前基本信息；（3）对采样定时器进行初始化，设定采样频率为，即使电流电压为每周采样；（4）比较数据初始化，即开始采样。图4-2初始化流程图初始化完成后，就要对电机故障参数进行设置。电机每种故障都是分析电机的电流值和电压值来进行判断，并且每种故障判断依据都不相同，这样一来就能准确的判断出电机产生那个的故障时何种故障，能够及时的进行处理。本设计没有设计报警电路，而是在判断出电机产生的故障后，直接送入到中央控制室的上位机中，由中央控制室派分派子控制室去处理电机产生的故障。每种电机的故障设定的延时时间都不一样，在延时时间内电机没有恢复到正常的工作的电压值和电流值，保护器判定电机强制停车。初始化故障判断设定值和延时时间流程图如图4-3所示。图4-3初始化故障判断设定值和延时时间流程图本系统设计的基本原理就是监测电机运行时的三相电压和电流参数，获得电机的工作情况。通过对这些参数的分析，了解此时三相电机运行状况。在初始化结束后，便对电机的三相电压和电流进行采样，把采样的数据送入单片机中。由单片机分析采样的电流电压数据，并开始与录入的设定值进行比较判断。监控保护程序模块的功能是以软件为基础，完成各种保护算法及方案，对电机运行情况进行监控和保护。由于电机保护器对电机安全稳定运行的重大作用，它要时刻处于工作状态，一方面不能在该动的时候拒动，另一方面又不能在不该动的时候误动，所以电机保护器软件的可靠性是对其软件开发的最主要的要求。软件可靠性内容包括：保护原理的正确性；逻辑结构的严密性；计算方法的准确性和平稳性。4.2故障判断流程图起动超时判断电机启动时电流较大，若电机长时间没有成功启动，则会导致电机过热损，所以必须对电机启动时间进行监控。启动超时是根据规定的启动时间结束后线电流和设定值的比较来判断。启动超时监控程序流程如图4-4所示。在设定的起动时间内，电流没有降到额定电流的110%，则认为起动超时，保护器在设定的延时时间内发出停车指令。图4-4为超时起动保护流程图。图4-4超时起动保护流程图过载保护判断电动机正常运行中因负荷过大所引起过热现象的一种非正常状态，这种状态叫做过载。过载电流一般比额定电流大1—6倍。因为发生过载故障时电机电流比额定电流略高，所以其程度不会立即对电机在成伤害，当电机的工作电流超过额定电流值，保护器启动反时限保护。图4-5为过载保护保护流程图。图4-5过载保护保护流程图（3）断相保护判断断相故障时一种严重的不对称性故障，是不平衡电压的极端情况。当任意一相断电或任意一相的电压低于断相保护设定值时，保护器在动作延时设定时间内动作。图4-6为断相保护流程图。图4-6断相保护流程图（4）欠压保护判断当电源电压由于某种原因降低到额定电压75％或长时间低于额定电压85％时，称为欠电压。若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保值，则认为有故障产生，应进行断电保护。图4-7为欠压保护流程图图4-7欠压保护流程图（5）过电压保护当电源电压由于某种原因超过额定电压15％时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则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