小功率電機保護系統設計方案
2022/12/1 13:54:12 點擊：
電動機是一種應用最廣泛的動力設備，在國民經濟中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對工農業生產造成巨大的經濟損失，因此在分析傳統電動機保護裝置不盡完善的基礎上，研制功能完善、可靠性高的電動機保護裝置己經成為必要。 近年來，隨著微電子技術、計算機技術的飛速發展，各種類型的微控制器、數字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護領域得到了廣泛的應用。本文圍繞基于微控制器的電動機綜合保護裝置的研究這一任務而展開，開發了適用于各種現場環境的交流電機測量、監控、保護一體化裝置。本文的主要研究內容概括如下
1.分析了電動機運行的基本原理、電動機故障特征以及保護原理。
2.給出了電動機保護裝置的實現方案。本裝置可實現以下故障保護：短路保護、堵轉保護、過流保護、不平衡保護、斷相保護、過壓保護、欠壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。
3.以80C196KC單片機為核心控制器設計了電動機保護硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設備構成電動機保護系統。
1 保護方法
1.1 國內外研究的狀況
隨著微電子技術和單片機應用技術的發展，以微處理器為核心的智能型多功能電動機保護器應運而生。基于微處理器的電動機保護裝置具有優異的保護特性、完善的功能擴展和智能化的監測與控制。經過多年的發展，國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保護器。如：德國SIEMENS公司的3UBI系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器、英國GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制繼電器。國內也有許多單位在進行研制(如上海電器科學研究所，南京自動化研究所等)。各類產品除基本的保護功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(如故障值、故障類型等)的記憶、保護參數的整定等多種功能。進入20世紀90年代以來，由于微機通訊技術和網絡技術的發展，國外一些公司又提出了兼有監控、保護功能的智能化保護器。它能與中央控制系統進行雙向通訊，形成監控、保護信息網絡;也能監視電動機各種運行參數，不但能測量當前數據，并能對過去的運行參數及故障情況做出統計，幫助操作人員做出決策，以減少線路和設備的停機和維修時間，大大提高了整個系統的可靠
2 三相異步電動機常見故障及分析
2.1 短路故障特征分析及保護判據
電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，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機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網絡的電壓顯著下降，影響其它用電設備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接。此時，負載星形聯接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯接的將產生相間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞。
電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現大電流，危害性很大，應進行速斷保護。短路保護的整定值應大于電動機最大穩定啟動電流，一般取電動機額定電流的8～lO倍。在進行短路保護時，通過檢測電動機A，B，C三相線電流來實現，超過整定值后，直接進行斷電保護。短路保護的原則是，當在一定時限(當然很短)內檢測到三相最大電流超過電動機額定線電流K倍時(K為短路過流倍數，一般取8～10)，就認為電動機有短路故障，應進行速斷保護。
3 電機保護裝置框圖及硬件電路設計
3.1 電機保護裝置總體框圖
電動機保護器實現的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報警、故障脫扣、故障記憶、過載保護、短路保護、漏電保護、缺相保護、相失衡保護、相序保護、過欠壓保護等。用傳統的模擬線路要實現如此綜合的功能，其線路將會變得非常復雜，整個裝置的體積也會非常龐大。目前一些模擬電子式電動機保護器能實現的功能都比較單一，例如：過流保護器、缺相保護器、漏電保護器等，而單片機的出現，使得電動機保護器的發展有了質的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達到前所未有的水平。
用單片機系統實現電動機保護的功能，在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構成。
硬件系統基本工作原理是：由電流、電壓互感器實時檢測電動機的三相線電壓和線電流，并經信號調理電路轉換后輸入單片機A/D轉換器的模擬輸入通道，根據一定的算法，計算出信號的有效值，將計算出來的信號有效值與預先設定的相應整定值進行比較判斷，若在一定時限內，采樣到的信號有效值都在設定的故障范圍值之內，則認為有故障產生，并由單片機發出故障控制信號對電動機進行跳閘斷電和報警。若無故障產生，則循環采樣、顯示和存儲電壓、電流信號。
4 電動機保護裝置的軟件設計
4.1 系統初始化及主程序設計
主程序主要作用是對系統進行初始化以及主要部件的自檢，初始化主要完成80C196KC單片機多功能引腳的定義、堆棧(SP)地址設置、鍵盤作方式的設置以及液晶模塊顯示設置。自檢對象主要有外部擴展隨機存儲器(RAM)。主程序流程下圖所示。
程序開始執行后，首先運行初始化模塊，初始化的主要任務是完成80C196KC有關I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的設置、多功能引腳定義、串行口設置、堆棧地址設置、8255A工作方式設置、液晶顯示模塊設置以及保護裝置自身的一些系統變量初始化等功能。
自檢程序主要檢測RAM存儲器是否損壞，自檢方法是先向整個R枷地址區寫入數據，然后再一一讀出比較，若不一樣，則出錯。出錯后，由用戶自己決定處理，程序不進行出錯處理。
1.分析了電動機運行的基本原理、電動機故障特征以及保護原理。
2.給出了電動機保護裝置的實現方案。本裝置可實現以下故障保護：短路保護、堵轉保護、過流保護、不平衡保護、斷相保護、過壓保護、欠壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。
3.以80C196KC單片機為核心控制器設計了電動機保護硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設備構成電動機保護系統。
1 保護方法
1.1 國內外研究的狀況
隨著微電子技術和單片機應用技術的發展，以微處理器為核心的智能型多功能電動機保護器應運而生。基于微處理器的電動機保護裝置具有優異的保護特性、完善的功能擴展和智能化的監測與控制。經過多年的發展，國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保護器。如：德國SIEMENS公司的3UBI系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器、英國GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制繼電器。國內也有許多單位在進行研制(如上海電器科學研究所，南京自動化研究所等)。各類產品除基本的保護功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(如故障值、故障類型等)的記憶、保護參數的整定等多種功能。進入20世紀90年代以來，由于微機通訊技術和網絡技術的發展，國外一些公司又提出了兼有監控、保護功能的智能化保護器。它能與中央控制系統進行雙向通訊，形成監控、保護信息網絡;也能監視電動機各種運行參數，不但能測量當前數據，并能對過去的運行參數及故障情況做出統計，幫助操作人員做出決策，以減少線路和設備的停機和維修時間，大大提高了整個系統的可靠
2 三相異步電動機常見故障及分析
2.1 短路故障特征分析及保護判據
電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，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機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網絡的電壓顯著下降，影響其它用電設備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接。此時，負載星形聯接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯接的將產生相間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞。
電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現大電流，危害性很大，應進行速斷保護。短路保護的整定值應大于電動機最大穩定啟動電流，一般取電動機額定電流的8～lO倍。在進行短路保護時，通過檢測電動機A，B，C三相線電流來實現，超過整定值后，直接進行斷電保護。短路保護的原則是，當在一定時限(當然很短)內檢測到三相最大電流超過電動機額定線電流K倍時(K為短路過流倍數，一般取8～10)，就認為電動機有短路故障，應進行速斷保護。
3 電機保護裝置框圖及硬件電路設計
3.1 電機保護裝置總體框圖
電動機保護器實現的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報警、故障脫扣、故障記憶、過載保護、短路保護、漏電保護、缺相保護、相失衡保護、相序保護、過欠壓保護等。用傳統的模擬線路要實現如此綜合的功能，其線路將會變得非常復雜，整個裝置的體積也會非常龐大。目前一些模擬電子式電動機保護器能實現的功能都比較單一，例如：過流保護器、缺相保護器、漏電保護器等，而單片機的出現，使得電動機保護器的發展有了質的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達到前所未有的水平。
用單片機系統實現電動機保護的功能，在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構成。
硬件系統基本工作原理是：由電流、電壓互感器實時檢測電動機的三相線電壓和線電流，并經信號調理電路轉換后輸入單片機A/D轉換器的模擬輸入通道，根據一定的算法，計算出信號的有效值，將計算出來的信號有效值與預先設定的相應整定值進行比較判斷，若在一定時限內，采樣到的信號有效值都在設定的故障范圍值之內，則認為有故障產生，并由單片機發出故障控制信號對電動機進行跳閘斷電和報警。若無故障產生，則循環采樣、顯示和存儲電壓、電流信號。
4 電動機保護裝置的軟件設計
4.1 系統初始化及主程序設計
主程序主要作用是對系統進行初始化以及主要部件的自檢，初始化主要完成80C196KC單片機多功能引腳的定義、堆棧(SP)地址設置、鍵盤作方式的設置以及液晶模塊顯示設置。自檢對象主要有外部擴展隨機存儲器(RAM)。主程序流程下圖所示。
程序開始執行后，首先運行初始化模塊，初始化的主要任務是完成80C196KC有關I/O控制寄存器(IOCO，IOCl，IOC3等)的設置、多功能引腳定義、串行口設置、堆棧地址設置、8255A工作方式設置、液晶顯示模塊設置以及保護裝置自身的一些系統變量初始化等功能。
自檢程序主要檢測RAM存儲器是否損壞，自檢方法是先向整個R枷地址區寫入數據，然后再一一讀出比較，若不一樣，則出錯。出錯后，由用戶自己決定處理，程序不進行出錯處理。
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