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1、目 录1 绪 论21.1 三相异步电动机保护发展现状21.2 电动机保护的发展趋势21.3 微机保护装置的特点31.3.1 性能优越31.3.2 可靠性高31.3.3 灵活性强31.3.4 调试维护工作量小31.3.5 经济性好41.3.6 多功能化和综合应用42 硬件总体设计及各部分说明52.1 方案论证52.2 电机保护原理52.1.1 电动机故障情况分析52.2.2电动机综合保护分析63 硬件设计73.1 装置硬件的总体结构73.2 硬件电路设计83.2.1 80C196MC单片机83.2.2 系统时钟的选择93.2.3 传统的反时限过负荷保护103.2.4 存储器的扩展103.2.5
2、数据采集103.3 硬件电路各模块的分析123.3.2通讯模块133.3.4负序反时限保护模块144 软件系统设计154.1 系统软件设计154.2 感应电动机微机保护方案164.2.1 起动时间过长保护164.2.2 堵转保护164.2.3 短路保护164.2.4 低电压保护164.3 采样数据的处理164.3.1 有效值的计算174.3.2 正序电流和负序电流的获取及计算174.4 参数设定模块194.5 程序代码214.6 系统软件抗干扰设计22结 论23结束语24参考文献25致 谢26附 录271 绪 论1.1 三相异步电动机保护发展现状随着我国电力工业迅猛发展，电动机的使用几乎渗透到
3、了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证。因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。由于电网、电动机本身质量及工作环境等多种因素，电动机会出现过压、欠压、电流不平衡、欠载及过流等故障，并由此带来了巨大的经济损失。因此,电动机保护装置的开发与研制势在必行。目前多数电动机保护装置仍在使用8/16位的单片机，由于此类单片机大部分缺少SPI接口、I2C总线及A/D转换口等功能模块。如果要进一步提高电动机保护装置的性能，则需要通过添加相应的芯片进行扩展。这无形中增加了系统制造成本，降低了系统的可靠性，同时产品的体积将随着芯片的增加而增加。与此相比，本文采用的ARM单片机由于采用了新型
4、的32 位ARM核处理器，使其在指令系统、总线结构、调试技术、功耗以及性价比等方面远远超过了传统的8/16位单片机。同时ARM单片机在芯片内部集成了大量的片内外设, 使其功能和可靠性大大提高。完善的电动机保护器是对电动机运行过程中的各种运行信息数据进行采集、运算、分析、监控、报警、控制的综合性装置。装置通过对故障报警，保护动（保护脱扣）以及利用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。本保护器还可以通过数据信息通讯，实现电动机运行状况的详细信息在上位机上进行实时监测，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
5、对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行和控制的有效性。当电动机运行参数达到预置的预警值时，保护装置仅进行预警，不触发脱扣；但当越限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，断开电源停止电动机运行。在电动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至计算机管理系统。1.2 电动机保护的发展趋势我国电动机保护的发展趋势大致有以下几点:1)研制在线监控系统;2)追寻理论上的突破，逐步由定性描述到定量分析;3)应具有较宽的连续可调整范围、方便、准
6、确;4)应有完善的保护特性和互换性;5)发展小型、质优价廉的保护装置;6)应具有高速的可靠性和稳定性;7)应具有很强的抗干扰能力、环境适应能力、电压使用能力和长时间连续工作 能力;1.3 微机保护装置的特点1.3.1 性能优越 微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力，微机保护是通过软件程序实现的，因而微机保护可以实现很复杂的保护功能，也可以实现许多传统保护无法实现的新功能。微机保护还具有故障参数记忆、故障录波等功能，可以自动打印记录故障前后各电气参数的数值、波形以及各种保护的动作情况等，供故障分析用。此外，微机保护的软件不受电源波动、周围环境温度变化及元件老化的影响，因此微机保护的性能比较稳定。
7、1.3.2 可靠性高 微机保护具有自诊断功能，能不断地对装置各部位进行自动检测，可以准确地发现装置故障部位，及时报警，以利处理。在抗干扰方面，微机保护除在硬件上采取电磁屏蔽、光电隔离、加退祸电容等一系列抗干扰措施外，还采取数据有效性分析，多次重复计算、自动校核等软件措施，使微机保护能自动纠错，即能自动地识别干扰和排除干扰，防止干扰引起微机保护误动作。此外，装置还采用多重化措施，进一步提高保护的可靠性。1.3.3 灵活性强 各种类型的微机保护所使用的硬件和外围设备可通用，不同原理、特性和功能的微机保护主要取决于软件。通常，可以在一套软件程序中设置不同的保护方案，用户根据需要来选择，也可以根据系统
8、运行的实际条件或故障情况随机变化，使保护具有自适应能力。当系统发展需要改变保护原理或性能时，则只需将程序加以修改，这种灵活性是传统保护不可比拟的。1.3.4 调试维护工作量小 传统的继电保护装置，如机电型、整流型、晶体管型继电保护装置，调试工作量都很大，尤其是一些复杂保护。而微机保护几乎不用调试。微机保护装置是由硬件和软件程序两个大部分组成，若硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计的一样，就会达到设计要求。再者，微机保护具有自诊断功能，能对硬件和软件进行自检，一旦发现异常就会发出报警。1.3.5 经济性好 经济性包括装置的投资费用和运行的维护费用。随着大规模集成电路技术的发展和微机的广泛应
9、用，微机硬件价格不断下降，而传统的继电器价格却在同期内上升。此外，由于微机保护具有自诊断功能，所以微机保护装置的维护费用较低，这样可以节省大量的人力物力，其经济效益是可观的。1.3.6 多功能化和综合应用 微机保护很容易实现保护以外的其他功能。像故障录波和各种数据的打印。微机保护还可以扩大数据的应用范围，如为中心调度所提供电压和功率等运行数据，也可以进一步将保护、控制和监视等功能统一设计、协调配合，实现整个电力系统监视、控制、保护的综合自动化，进一步实现电力系统计算机网络控制。2 硬件总体设计及各部分说明2.1 方案论证基于TMS320F2812的高压电机保护装置整体设计，基于TMS320F2
10、812的高压电机保护装置可实现启动保护、电流速断保护、过流保护、负序电流保护、热过载保护、零序过流保护和低电压保护等主要保护功能。装置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特点，是实现数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片，附带信号变换和调理电路，不需外扩外围功能芯片，这使得装置整体电路规模大大精简，不论是集成度还是可靠性都有质的提高采用单片机数字处理技术,通过采样5A（1A）电流，得到电测量的基本参量；保护功能可通过设定，有选择地关闭，可作为电流监控仪表使用。功能齐全，使用灵活，方法简单，几十种保护参数可由用户通过密码根据电机实际情况自行设定。参数设定按键操作，掉电后永久
11、保存，不需重新设定。四组、四位LED数码显示，第一组用于显示设定参数；第二、第三、第四组显示电动机三相运行电流。八个故障指示灯 ，提示故障原因，便于排除故障。具有短路、启动超时、定时限过负荷、堵转、缺相、三相电流不平衡、反时限过负荷、接地等各种故障保护功能。具有两组开关输出接口，用于切断故障电动机电源。具有远程复位开关量输入接口和面板按键复位功能。允许多种启动方式，如直接启动、降压启动、软启动、星/角启动等。综上所述本文采用以80C196MC单片机为主的数字处理技术,经济性好，性价比较TMS320F2812的高压电机保护装置高,测量精度高，故障分辨准确，保护控制可靠，抗干扰能力强。2.2 电机
12、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。本文采用的电动机保护算法是在抛弃了传统的以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上，采用以检测过流幅值、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。同时，将专家系统运用到电动机的故障诊断上，使保护装置更加智能化。2.1.1 电动机故障情况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。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
13、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)长期受电、热、机械或化学作用，使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是机械负荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境，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通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。 引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有三相短路、堵转和对
14、称过载等;不对称故障主要有断相、三相不平衡和单相接地或相间短路。发生对称故障和严重的相间短路故障时，例如因为各种原因，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，由于散热条件差，电流大，特别容易烧坏电机。由于这类故障可以由过流的程度得到反映，因此然以电流强度作为故障判据。对于严重的三相短路应该采用速断跳闸，堵转故障的保护应短时限跳闸，而对于对称过载应采用反时限跳闸。其它不出现显著过流的不对称故障，例如断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时动作。对于电动机的各类内部绕组故障，如匝间短路、接地短路等，往往是由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若
15、不及时处理会导致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子及起动力矩降低等一系列问题，并严重损坏电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低，破坏其它用电设备的正常工作。2.2.2 电动机综合保护分析根据对称分量法，发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序和零序分量。当电动机三相对称时，负序和零序电流为零，而发生不对称故障时则会显著增加。因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础，检测负序、零序电流的大小。这样，不但能更好地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的过流、负序和零序电流的分布情况如表2-1所示，表中单相故障设A相为故障相，二相
16、故障设B, C相为故障相，吞表示故障前相电流幅值。若以过流信息反映短路和堵转故障，以负序和零序电流反映各类不对称短路和接地等不对称故障，可以实施全面的电流保护。具体方案如下:(1)设置电流速断保护作为电动机的主保护，用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障。保证电动机在满载启动过程中短路保护可靠地不动作。 (2)设置堵转保护作为电动机运行过程中短路保护后备保护。3 硬件设计3.1 装置硬件的总体结构根据本文第2部分内容所提出的保护方案研制了数字化多功能电动机保护装置，以实现对电动机过负荷、断相、不对称、低电压、短路、堵转和起动时间过长等故障的保护。本系统的硬件实现如图3.1所示。图3
17、.1 系统的硬件框图本装置在控制系统硬件电路设计时，主要考虑了下列原则:硬件电路设计应结合软件设计一起考虑。一些由硬件实现的功能可以用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件实现相同的功能时，其响应时间一般比直接用硬件实现要长，而且还占用CPU时间，但用软件来实现相同的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低硬件电路的造价。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性、实时性的前提下将软件能够实现的功能尽可能地用软件来完成。可靠性及抗干扰设计时，根据可靠性设计理论，系统所用芯片数越少，则系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数较少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能
18、性也就越小。因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争所用芯片数量少，使电路板在空间、功耗、抗干扰以及系统成本上都得以改善。在控制系统硬件电路设计时，尽量考虑应用典型电路。本保护装置采用MCS-96系列中的80C 196KC单片机为核心部件，构成具有数据采集、处理、实时控制、自动保护及显示、报警等功能的计算机控制系统。3.2 硬件电路设计3.2.1 80C196MC单片机80C196MC是美国著名的Intel公司于1992年推出的最新一代单片机，是16位微控制器，它在MCS-%基础上结构和功能又有了重大的突破，是1%系列中功能最为卓著、最具典型意义的一种。由于它具有性能高、功能全和用
19、户使用方便等特点，尤其是其高速的处理能力和对交流电的特殊效益，使其特别适合于电动机和反相器等高速控制领域，在美国工业界受到了普遍的重视和欢迎。同时，它是由CHMOS电路构成，功耗低，具有省电的工作方式。80C 196MC具有64K字节的地址空间。它的主要部分包括CPU、几种类型的存贮器、中断、7个I/O口和一些片内外设。其中的片内外设包含:1个A/D转换器、1个事件处理器阵列(EPA )、两个定时器(定时器1和定时器2)、1个三相波形发生器 0.061e，经过整定的允许起动时间，仍有电流(起动后允许的电流值，可以事先整定)，那么表明电动机起动时间过长，起动未成功，有严重发热的危险，保护动作跳闸
20、，并同时将电动机闭锁直到电动机充分散热后才能再起动。4.2.2 堵转保护 在电动机正常运转中假若发生堵转，那么电流增大，当电流为事先整定的允许堵转的电流)，则保护跳闸，跳闸后也同样将电动机闭锁直到电动机充分散热后才能重新起动。4.2.3 短路保护 在本保护装置中，短路故障所采用的电流速断保护能够自动改变整定值。当电动机处于起动过程时，使电流速断保护的整定值在起动过程中按照躲过起动电流来整定，起动电流小于速断保护整定值，保护装置不动作;而在起动结束后，速断保护的整定值自动减小一半，如果此时的定子电流仍超过新的整定值(即原整定值的一半)，则保护动作跳闸。从而使得在正常情况下的灵敏度提高一倍。4.2
21、.4 低电压保护 本装置是将采样所得线路上的电压信号，送入单片机，与额定电压值比较，当电压小于80%Ue时，延时跳闸，以实现低电压保护。4.3 采样数据的处理 从上面所的保护动作方案，可以看到本装置要进行保护判决，就要计算电压的有效值、电流的有效值和电流的正序、负序分量以及它们的有效值。本装置是作故障保护之用的，其计算任务的实时性要求较高，必须及时处理转换的结果，以免造成数据的堆积。采用的算法还须满足精度的要求。具备一定的抗干扰能力。下面就本装置对电压的有效值、电流的有效值和电流的正序、负序分量的数学处理方法加以阐述。4.3.1 有效值的计算 传统的有效值计算方法可以分为正弦模型算法和周期函数
22、模型算法。正弦模型算法是基于被采样的波形是纯正弦变化的，而实际在电动机发生故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减非周期分量和各种高频分量，因此提出了周期函数算法。周期函数算法不再假设输入电压电流是纯正弦量，而假设输入信号是周期函数，或者是可以近似地作为周期函数来处理。当信号是周期函数时，它可以被分解为一个函数序列之和，或者说是一个级数。这类算法是采用某一正交函数组作为样品函数，将这个样品函数组与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率分量的模值和相位。 4.3.2 正序电流和负序电流的获取及计算任何非对称的电流三相电
23、流都可分解为正序，负序和零序三相分量。其表达式为：.4.1 4.2 .4.3 .4.4 .4.5 .4.6 .4.7 .4.8 .4.9 .4.10式中：、电动机三线电流矢量： .4.11.4.12由于正序，负序分量三相是电流对称的，为简化计算，下列分析及单片机处理均对电流正序和负序中的一相进行。由于本保护装置只对线电流和进行采样。则在保护中的正序和负序电流为：.4.13.4.14.4.15.4.16为了用单片机对感应电动机线电流进行对称分量处理，可以采用下面所述的方法。在一个周期内每隔30度采样线电流，这样可以得到采样的线电流值。可以将一个电源周期中在第K个采样点的正序和负序电流瞬时值记为：
24、 .4.17 .4.18为了利用过去的采样值进行计算，可以将上式写为：.4.19.4.20按上式微机可以非常方便地计算出一个周期内各个采样点的正序和负序分量的采样电流值。从而可以计算出正序和负序的有效值。4.4 参数设定模块 在参数设定模块中，运行人员可通过“参数通道号”(键1),“+”(键2),“一”(键3)和“完成”(键4)四个按键方便地进行各个运行参数的设定、保护功能的选择和保护动作定值的整定，当参数设定完后，将参数写入EEPROM中保存起来。参数设定模块的程序流程框图如图4.2所示。图4.2参数设定模块的程序流程框图保护装置的抗干扰设计电动机保护装置护电动机以及电力系统安全、可靠运行的重要任务，因而对可靠性和稳定性的要求较高。解决可靠性和稳定性的措施是多方面的，而提高保护装置的抗干扰能力是其重要的一方面。对于微机控制系统，大量干扰的存在会导致系统硬件的损坏