智能電機(jī)保護(hù)器電路設(shè)計(jì)--畢業(yè)論文.doc

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1、智能電機(jī)保護(hù)器電路設(shè)計(jì)摘要隨著中國(guó)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，相應(yīng)的電力系統(tǒng)方面也迅猛發(fā)展。其中，電力工業(yè)上中的電動(dòng)機(jī)也得到了廣泛的使用與發(fā)展，這樣一來(lái)，確保電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的安全與故障的檢測(cè)也變得尤為重要。 本文以芯片PIC18F系列為主控核心芯片，進(jìn)行電機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。該芯片在指令系統(tǒng)，總線結(jié)構(gòu)，功耗以性價(jià)比等方面大大超過(guò)了傳統(tǒng)的單片機(jī)。與此同時(shí)，該芯片內(nèi)部集成了大量的片內(nèi)外設(shè)置，使其功能和可靠性大大提高。文中介紹了電機(jī)故障的分類以及電機(jī)保護(hù)的發(fā)展歷程。文中還介紹了一些的關(guān)于電機(jī)故障分析時(shí)的公式與基本算法，著重對(duì)三相電流下的故障進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。本文在學(xué)習(xí)protel99SE軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出電機(jī)保

2、護(hù)電路。文章中介紹了繼電器的保護(hù)原理以及RS-485芯片功能，然后采取過(guò)流保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，欠壓保護(hù)等的一些保護(hù)方案來(lái)應(yīng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障。關(guān)鍵詞：故障分類；電路設(shè)計(jì)；電機(jī)保護(hù)Design of intelligent motor protector circuitABSTRACTWith the development and progress of Chinese society, the corresponding aspects of power system is also the rapid development of power industry, which in th

3、e motor has been used widely with the development, to ensure the safety and fault detection of the motor during operation becomes particularly important. The motor protection device based on IC18F26K2 chip in the command system, bus structure, power to cost-effective, considerably more than the trad

4、itional signlechip.At the same time, the chip integrates a large number of on-chip peripherals, the function and the reliability greatly.This paper introduces the classification of motor fault and the development of the motor protection. This paper also introduces some of the motor fault analysis fo

5、rmula and basic algorithms, focuses on the faults of three-phase current of the circuit design. This paper designs a motor protection circuit in learning based on protel99SE software. This paper introduces the principle of relay protection and RS-485 chip function, and then take the overcurrent prot

6、ection, overvoltage protection, fault protection under-voltage protection scheme to deal with the motor running in the process of.Keywords: Fault classification；Circuit design；Motor protection目錄1前言11.1電動(dòng)機(jī)的作用與意義11.2我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展?fàn)顩r11.2.1熱繼電器為主的組合保護(hù)裝置11.2.2模擬電子式保護(hù)裝置21.2.3微機(jī)型智能數(shù)字式的保護(hù)21.3智能電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想21

7、.4電機(jī)保護(hù)中的常用算法的簡(jiǎn)介21.5本章小結(jié)32電動(dòng)機(jī)故障42.1對(duì)稱分量法42.2電機(jī)的故障分類52.2.1短路故障52.2.2過(guò)載引起的故障52.2.3電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)52.3欠壓保護(hù)62.4過(guò)壓保護(hù)62.5起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)73Protel 99SE的介紹93.1Protel 99SE基本功能模塊93.2Protel99se的基本使用方法和操作步驟94電機(jī)智能保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)124.1電機(jī)保護(hù)硬件的選擇124.2PIC18F芯片的介紹124.3芯片MAX485的介紹134.4電流采樣電路134.4.1單極性轉(zhuǎn)換電路134.4.2相電流檢測(cè)電路144.4.3交流電流采樣144.4.4LMV324

8、為運(yùn)放器的采樣電路154.5保護(hù)電路174.6電源電路184.7繼電器的欠壓，過(guò)流保護(hù)194.8基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)204.9時(shí)間常數(shù)設(shè)置205總結(jié)22參考文獻(xiàn)23致謝24附錄251前言1.1電動(dòng)機(jī)的作用與意義電動(dòng)機(jī)基本上是生活中動(dòng)力設(shè)備的主力軍，應(yīng)用普及廣泛，它基本上涉及到了各行各業(yè)，它的地位無(wú)法用數(shù)字與語(yǔ)言來(lái)衡量，然而，就是這么重要的設(shè)備，在實(shí)際使用過(guò)程中，由于電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)本身或線路等的一些列因素會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)壓，欠壓，電流不平衡以及過(guò)流等故障，這些故障輕者影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，重者燒毀電機(jī)，造成整臺(tái)設(shè)備癱瘓甚至系統(tǒng)崩潰，進(jìn)而造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失1。另外，電動(dòng)機(jī)在燒毀過(guò)程中消耗的電量也很大，因

9、此，考慮到經(jīng)濟(jì)損失與節(jié)約資源，做好電動(dòng)機(jī)的保護(hù)工作都有很大的意義，必須成為足夠重視的課題。同時(shí)，由于現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)縮小了外形尺寸，但是卻提高了自己的輸出功率，采用一系列的絕緣材料和電磁材料減少損耗，效率大大提高，這樣就使得電機(jī)內(nèi)部的電流密度增加，而且，現(xiàn)在成產(chǎn)的流水線逐步增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)等多種狀態(tài)下相互切換運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障幾率就大大增加與難以確定，因此，在保護(hù)電動(dòng)機(jī)的同時(shí)提高工作效率與經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。1.2我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置大約經(jīng)歷了仿照蘇聯(lián)，自行設(shè)計(jì)，更新?lián)Q代，智能化發(fā)展等幾個(gè)階段2。隨著科技的進(jìn)步，近年來(lái)的微處理器技術(shù)發(fā)展，這樣就使得電

10、機(jī)保護(hù)向智能化，多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺(tái)，這樣電動(dòng)機(jī)保護(hù)就進(jìn)入飛速發(fā)展的階段。我國(guó)的電機(jī)保護(hù)主要經(jīng)歷了3個(gè)階段1.2.1熱繼電器為主的組合保護(hù)裝置最早使用的保護(hù)裝置是熔斷器，這也是最簡(jiǎn)單的一種保護(hù)裝置。因此，它主要是用于電路故障或者嚴(yán)重的過(guò)載時(shí)保護(hù)供電電路，但是，它實(shí)際上并不是直接針對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，熔體熔斷的同時(shí)，往往會(huì)造成電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行而燒毀，造成燒毀事故，逐漸的熔斷器被淘汰使用。熱繼電器是上世紀(jì)中期從蘇聯(lián)引進(jìn)的，在電子也不發(fā)達(dá)的時(shí)代是電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)的首先選擇的產(chǎn)品。它利用雙金屬片熱效應(yīng)原理。雙金屬片由不同膨脹洗漱的兩片金屬鉚合而成，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)它產(chǎn)生熱量，向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，電流

11、的大小正比于彎曲程度，當(dāng)電流超過(guò)整定電流的一定倍數(shù)時(shí)就會(huì)啟動(dòng)脫扣裝置切斷主回路達(dá)到保護(hù)目的。熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但是它也有很大的缺點(diǎn)，熱繼電器的參數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，并且熱繼電器安裝在殼外，一旦通風(fēng)不順，堵轉(zhuǎn)等故障時(shí)，熱繼電器就失去保護(hù)功能，而且，熱繼電器本身也耗能，當(dāng)它保護(hù)電機(jī)幾次后，由于自身的發(fā)熱而導(dǎo)致電阻絲和絕緣材料損壞，不能繼續(xù)使用，因此，也慢慢的被淘汰了。1.2.2模擬電子式保護(hù)裝置在上世紀(jì)中后期，隨著半導(dǎo)體模擬器件的興起，涌現(xiàn)了一批功能多樣化，性能比較可靠的電子式電動(dòng)保護(hù)器。這種保護(hù)裝置體積更小了，對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和判斷更靈敏與準(zhǔn)確了，保護(hù)性能提高了，它

12、主要針對(duì)電機(jī)的缺相，過(guò)載，欠流，過(guò)壓，過(guò)電流，短路等故障來(lái)進(jìn)行保護(hù)。它的原理包括兩方面：一方面通過(guò)檢測(cè)電流值來(lái)反映過(guò)載，短路等故障；另一方面通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流缺相與否來(lái)反映斷相故障。由于不對(duì)稱故障出現(xiàn)負(fù)序電流分量，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱等一些列問(wèn)題。所以，單純的以過(guò)流為目標(biāo)構(gòu)成保護(hù)器，難以實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)。其中仿真電子式電機(jī)保護(hù)器都采用電位器進(jìn)行額定電流整有以下缺點(diǎn)；（1）其整定精度不高。要使電位器的旋轉(zhuǎn)角度正比于其電阻值比較苦難，大批量生產(chǎn)中更難以辦到，而且，操作過(guò)程中的誤差是難以避免的，特別是對(duì)于那些沒(méi)有設(shè)定值顯示的產(chǎn)品。（2）采樣精度不高，模擬線路對(duì)電流互感器的非線性沒(méi)有一絲的應(yīng)對(duì)能力，即使可以校正

13、也要在線路非常發(fā)雜的情況下進(jìn)行，甚至無(wú)法實(shí)際使用，另外，采樣線路本身也存在非線性問(wèn)題。這些技術(shù)上的困難，實(shí)現(xiàn)高精度采樣必然比較困難3。（3）實(shí)現(xiàn)多功能一體的全保護(hù)比較困難。社會(huì)的不斷進(jìn)步，電機(jī)被要求實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越高，希望電機(jī)的功能多樣化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，而且體積小，這些要求純粹的模擬線路根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 以上的問(wèn)題使得模擬線路保護(hù)器整逐漸淡出人們的視線。1.2.3微機(jī)型智能數(shù)字式的保護(hù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是電機(jī)保護(hù)發(fā)生了突飛猛進(jìn)的變化，出現(xiàn)了智能保護(hù)裝置，智能型保護(hù)裝置速度快，智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，它以單片機(jī)或者DSP作為控制器，實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)?？梢詫?duì)電機(jī)斷相，過(guò)載，短路，欠壓，堵轉(zhuǎn)等進(jìn)行保護(hù)，還

14、擁有顯示電流電壓，對(duì)故障的記憶的功能，同時(shí)，也可以對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行軟件非線性校正，實(shí)現(xiàn)真實(shí)有效值的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高精度采樣提取。此類保護(hù)器節(jié)能，靈敏，精確保護(hù)功能全，重復(fù)性好。所以，隨著計(jì)算技術(shù)發(fā)展，智能模塊電機(jī)保護(hù)器成為發(fā)展的目標(biāo)。1.3智能電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用多臺(tái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種控制，一旦一臺(tái)出現(xiàn)故障，將會(huì)產(chǎn)生很大的損失。因此，對(duì)電機(jī)的保護(hù)顯得非常重要。本論文在介紹電機(jī)保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)模擬電路教材的掌握，電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，以及電路原理的熟悉，以分析電機(jī)中出現(xiàn)的基本故障為參考依據(jù)，巧妙的運(yùn)用上面所述的三種大學(xué)教材來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電機(jī)的電路。1.4電機(jī)保護(hù)中的常用

15、算法的簡(jiǎn)介考慮到電動(dòng)機(jī)的保護(hù)原理和保護(hù)過(guò)程中的算法問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)的故障分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障，一般采用的對(duì)稱分量方法為一種線性變換，把三相不對(duì)稱故障中的的正弦量分為獨(dú)立的正序分量，負(fù)序分量和零序分量。這種對(duì)稱分量方法是現(xiàn)在故障中最常用的算法 電機(jī)中出現(xiàn)的非正常狀態(tài)，電機(jī)保護(hù)主要是檢測(cè)三相電流，三相電壓，絕緣電阻，零序電流的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。1.5本章小結(jié)本章介紹了課題的研究目的以及意義，國(guó)內(nèi)外電機(jī)保護(hù)的發(fā)展?fàn)顩r，并且引出了所研究的主要內(nèi)容。242電動(dòng)機(jī)故障電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)基本包括：過(guò)流保護(hù)，漏電保護(hù)，過(guò)壓和欠壓保護(hù)等。以前基本是以檢測(cè)三相電流得到電流幅值與限定值的比較而做出相應(yīng)的處理。現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)

16、裝置多采用過(guò)流保護(hù)，以電流幅值的增加作為判斷故障與否。這種方案的缺點(diǎn)在于不能對(duì)不對(duì)稱故障進(jìn)行及時(shí)分析和保護(hù)。因此，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，特此引入了對(duì)稱分量法作為不對(duì)稱故障的判據(jù)，根據(jù)對(duì)稱分量法，電機(jī)產(chǎn)生不對(duì)稱故障時(shí)，電流可分解為正序，負(fù)序和零序電流分量。電機(jī)正常時(shí)，三相基本對(duì)稱，負(fù)序和零序電流基本沒(méi)有。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，零序和負(fù)序電流就會(huì)體現(xiàn)出與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)大的差距來(lái)。因此，判斷負(fù)序和零序電流的變換可以作為不對(duì)稱故障的一個(gè)很好的依據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性。2.1對(duì)稱分量法對(duì)稱分量法，實(shí)際上是線性變換。這就為多相不對(duì)稱交流系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)好辦法。任何一組三相不對(duì)稱的正弦量都可分為三組獨(dú)立平

17、衡的對(duì)稱分量，正序，負(fù)序，零序分量。電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，三相電路的電流和電壓的基頻分量都會(huì)變成不對(duì)稱的向量。以，表示三相電流，可以將分解為正序電流，負(fù)序電流，零序電流。同理，另外兩相也能分解成正序，負(fù)序和零序電流三組。正序成分相序依此為，大小相等，相位差為120度。負(fù)序成分也一樣，但是零序分量電流大小相等且相位無(wú)差別。定義算子為= (2-1)公式2.1以A相位代表，則，可以簡(jiǎn)化為，。則公式可以化為= (2-2)公式2.2中的三相電流相加，得+=(1+)(+)+3 （2-3）而且，1+ =0，所以=（+）綜上所述= (2-4)三相電流不對(duì)稱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零序電流分量以及負(fù)序電流分量。2.2電機(jī)

18、的故障分類常見的引起電機(jī)過(guò)流的有短路，過(guò)載，堵轉(zhuǎn)這三種故障。過(guò)流又稱為過(guò)電流，即電氣設(shè)備的實(shí)際工作電流大于額定電流值。短路，過(guò)載，堵轉(zhuǎn)這三種故障屬于對(duì)稱故障。過(guò)電流保護(hù)主要是對(duì)對(duì)稱故障實(shí)施保護(hù)。2.2.1短路故障（1）對(duì)稱短路一般為三相短路，三相短路時(shí)，電機(jī)繞組的電流將快速增大，高出額定電流很多倍，電流急劇增大必然導(dǎo)致繞組的溫度升高，電機(jī)點(diǎn)動(dòng)力當(dāng)然也會(huì)增加，這是應(yīng)采取的保護(hù)措施應(yīng)為切斷電源。（2）電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，電流也不再對(duì)稱，線電流間的相位差將偏離120度，不存在短路電流與起動(dòng)電流間的固有關(guān)系。不對(duì)稱故障中，主要有負(fù)序電流與零序電流的變化，因此，一般根據(jù)負(fù)序電流的大小即可判據(jù)不對(duì)稱

19、故障。2.2.2過(guò)載引起的故障電機(jī)工作時(shí)發(fā)熱必然引起電機(jī)的磨損，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)過(guò)負(fù)載的運(yùn)行，后果必然引起機(jī)器過(guò)熱，使得絕緣老化，這也是電機(jī)故障的一個(gè)原因6。當(dāng)然，在工作中，難免會(huì)要電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，因此，低倍過(guò)負(fù)荷要允許一定的時(shí)間限制，當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)載故障時(shí)，基本上為超過(guò)了一定的時(shí)間限制4。所以，當(dāng)前，電機(jī)生產(chǎn)廠家基本會(huì)在出廠時(shí)提供電機(jī)的熱容限曲線或者一組過(guò)負(fù)荷能力的數(shù)字，在提供的說(shuō)明中，必然會(huì)對(duì)過(guò)載引起的電機(jī)保護(hù)提供依據(jù)。過(guò)載時(shí)，流過(guò)電網(wǎng)的電流必然的大于系統(tǒng)要求的額定電流，因此，檢測(cè)電機(jī)是否超負(fù)荷運(yùn)行，可以通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的工作電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)過(guò)載時(shí)，我們采取的一種辦法就是用反時(shí)間限制動(dòng)作原理，那

20、就是當(dāng)電機(jī)工作中的實(shí)際電流與所要求的額定電流的比值越大時(shí)，那么過(guò)載動(dòng)作時(shí)間越短。其中，所允許過(guò)載時(shí)間 t=1500 其中為過(guò)載倍數(shù) t為容許過(guò)負(fù)荷時(shí)間 電流的大小為過(guò)負(fù)荷保護(hù)的一個(gè)重要依據(jù)，其中，上面的公式為保護(hù)提供了一個(gè)準(zhǔn)確的電流倍數(shù)與動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系。如果，電流超過(guò)預(yù)先整定的值，保護(hù)系統(tǒng)將會(huì)相應(yīng)。2.2.3電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電機(jī)仍然輸出扭矩。堵轉(zhuǎn)主要是由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械，負(fù)載過(guò)大等的原因引起的。堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的電流最高可達(dá)到額定電流的7倍，如此高倍數(shù)的電流下，如果，堵轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，必然會(huì)把電機(jī)燒毀。堵轉(zhuǎn)也是對(duì)稱故障中的一種故障，但是，相比于其它對(duì)稱故障，它造成的損壞不如其

21、它對(duì)稱故障，但是，當(dāng)歸結(jié)于過(guò)載故障時(shí)，它卻是最嚴(yán)重的過(guò)載故障。堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可以取自于電動(dòng)機(jī)線電流，線電流超過(guò)堵轉(zhuǎn)電流整定值時(shí)，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。保護(hù)啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)（因?yàn)槭菃?dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的堵轉(zhuǎn)）這種可以由啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)提供保護(hù)。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電流也能達(dá)到額定電流的4到7倍，這樣就給保護(hù)系統(tǒng)造成一定的難度，因?yàn)?，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障時(shí)，電流也能達(dá)到額定電流的4到7倍，這就要求上文所說(shuō)的保護(hù)算法能分辨是不是堵轉(zhuǎn)故障。一般采用躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間（8至16秒）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí)，這樣就要求保護(hù)電路立即采取措施，切斷電路，以免短時(shí)間的電流突然增大造成的故障

22、。速斷保護(hù)，堵轉(zhuǎn)以及過(guò)載保護(hù)的關(guān)系如下：圖2-1 三種保護(hù)的關(guān)系圖上圖中堵轉(zhuǎn)的保護(hù)時(shí)間范圍：1s-6s,速斷保護(hù)時(shí)間范圍小于40ms。2.3欠壓保護(hù)實(shí)際生產(chǎn)生活中，難免會(huì)由于電網(wǎng)系統(tǒng)等的不穩(wěn)定出現(xiàn)的電機(jī)低壓運(yùn)行，由于低電壓運(yùn)行，而電機(jī)的負(fù)載功率不變，這樣就會(huì)導(dǎo)致繞組電流增大，電機(jī)發(fā)熱，一旦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在電流一直高出額定電流的情況下，電機(jī)會(huì)由于繞組電流過(guò)大引起故障，所以，必須采取措施對(duì)電機(jī)進(jìn)行欠壓保護(hù)。當(dāng)被保護(hù)線路的電源電壓低于一定數(shù)值時(shí)，保護(hù)器切斷該線路；當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常范圍時(shí)，保護(hù)器自動(dòng)接通。2.4過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)是的指當(dāng)電網(wǎng)電壓升到額定電壓120%時(shí)，保護(hù)延遲動(dòng)作，跟欠壓保護(hù)一樣，保護(hù)器

23、切斷該線路。當(dāng)電源電壓過(guò)高時(shí)，危及供電線路與電機(jī)的絕緣，并且電機(jī)在額定負(fù)載下電流過(guò)高導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，燒毀電機(jī)。電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過(guò)工作電壓的異常電壓升高。過(guò)電壓屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動(dòng)現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長(zhǎng)期耐受著工作電壓，同時(shí)還必須能夠承受一定幅度的過(guò)電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因。過(guò)電壓分為外過(guò)電壓和內(nèi)過(guò)電壓兩大類。外過(guò)電壓又稱為雷電過(guò)電壓，大氣過(guò)電壓。由大氣中的雷云對(duì)地面放電而引起的。分直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種。雷電過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過(guò)電壓

24、是雷閃直接擊中電工設(shè)備導(dǎo)電部分時(shí)所出現(xiàn)的過(guò)電壓。雷閃擊中帶電的導(dǎo)體 ，如架空輸電線路導(dǎo)線，稱為直接雷擊。在過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)了瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)功能。一般的由于影響外電壓的因素很多，因此，不能準(zhǔn)確計(jì)算出過(guò)壓倍數(shù)，需要實(shí)測(cè)。內(nèi)過(guò)電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過(guò)電壓。有暫態(tài)過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。暫態(tài)過(guò)電壓是由斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過(guò)電壓 ，又稱工頻電壓升高。內(nèi)電壓可以準(zhǔn)確的測(cè)出結(jié)果，這樣就可以設(shè)置1.5倍的內(nèi)過(guò)電壓倍數(shù)為基準(zhǔn)，超過(guò)此倍數(shù)，瞬時(shí)跳閘。研究電力系統(tǒng)中各種過(guò)電壓的起因，預(yù)測(cè)其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系

25、統(tǒng)絕緣配合的前提，對(duì)于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。2.5起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)如上文所涉及到的堵轉(zhuǎn)故障中電機(jī)起動(dòng)時(shí)間的問(wèn)題，如果電機(jī)不能夠正常起動(dòng)，持續(xù)的起動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致繞組的損壞以及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)軸承的損壞，所以設(shè)置電機(jī)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)。如果沒(méi)有故障，在電機(jī)不工作的狀態(tài)下，電流為零；一旦電機(jī)要起動(dòng)，電流瞬間增大，這樣電機(jī)會(huì)急速升溫，沒(méi)有故障時(shí)，在所允許的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，然后電流降低到額定電流附近的值。電機(jī)正常運(yùn)行。 圖2-2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流變化曲線 上圖中曲線圖非常清楚的告訴了我們?cè)O(shè)定時(shí)間不同產(chǎn)生的不同的狀態(tài)，設(shè)置T1時(shí)。相應(yīng)的會(huì)判斷為起動(dòng)加時(shí)超速，動(dòng)作跳閘。但是，如果時(shí)間稍微的

26、延長(zhǎng)一些，將會(huì)呈現(xiàn)出完全不同的動(dòng)作，從圖中可以觀察到，當(dāng)設(shè)置時(shí)間為T2時(shí)，明顯的判斷為起動(dòng)正常。我們一般規(guī)定電機(jī)起動(dòng)時(shí)間范圍為1s6s。但是，規(guī)定的起動(dòng)時(shí)間并不是唯一的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的負(fù)載都不盡相同。曲線的斜率在某一段時(shí)間內(nèi)變化很明顯，這說(shuō)明，電流會(huì)在起動(dòng)過(guò)程中存在突變。這就為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的一些特性提供了判據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到： -這時(shí)電機(jī)發(fā)生了電流突變。其中i是當(dāng)前電流采樣值；n是一周采樣點(diǎn)。是起動(dòng)電流門檻。當(dāng)然并不是每臺(tái)電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流都會(huì)達(dá)到額定電流的47倍。那么特殊的電機(jī)在這一過(guò)程中的電流勢(shì)必達(dá)不到的值，那么我們可以提供對(duì)最大電流幅值大小定時(shí)檢測(cè)，來(lái)判斷電機(jī)是否正常運(yùn)行。第一種方法中，當(dāng)電流

27、超Iqd過(guò)時(shí)，因?yàn)橛袡z測(cè)公式，所以有比較理想的精度。第二種方法中，電機(jī)起動(dòng)時(shí)電流達(dá)不到Iqd的值，對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)不會(huì)因大電流快速生熱。由于沒(méi)有公式的檢測(cè)，勢(shì)必得不到高精度。如果能合理的濾除上述兩種方法的弊端，設(shè)計(jì)無(wú)論電流是否超過(guò)Iqd的值都能有比較高的檢測(cè)精度，那必然會(huì)對(duì)電流分析提供很好的依據(jù)。下面的設(shè)計(jì)幫我們實(shí)現(xiàn)這種思路。圖2-3 起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)邏輯圖Imax：電流最大值，：電流整定值，：起動(dòng)時(shí)間整定值電動(dòng)機(jī)無(wú)故障時(shí)，正常起動(dòng)，那么起動(dòng)時(shí)間過(guò)后，由于沒(méi)有故障，電流肯定在額定電流附近，那么起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)將不動(dòng)作。但是，如果超過(guò)起動(dòng)整定時(shí)間，流過(guò)電機(jī)的電流還超過(guò)整定值，那么起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)將會(huì)動(dòng)

28、作，跳閘保護(hù)。3Protel 99SE的介紹3.1Protel 99SE基本功能模塊Protel軟件包是90年代初由澳大利亞protel Technology公司研制開發(fā)的，應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)，可以完成原理圖，印制板設(shè)計(jì)，可編程邏輯器件設(shè)計(jì)和電路仿真功能等，可設(shè)計(jì)32個(gè)信號(hào)層，16個(gè)電源和16個(gè)機(jī)工加層Protel 99SE中的主要功能模塊如下：（1） Advanced Schematic 99SE (原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)）（2） 該模塊主要

29、用于電路原理圖設(shè)計(jì)，原理圖元件設(shè)計(jì)和各種原理圖報(bào)表生成等。（3） Advanced PCB 99SE (印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)）該模塊提供了一個(gè)功能強(qiáng)大和交互友好的PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，主要用于PCB設(shè)計(jì)，元件封裝設(shè)計(jì)，報(bào)表形成及PCB輸出。（4） Advanced Route 99SE（自動(dòng)布線系統(tǒng)） 該模塊是一個(gè)集成的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)布線系統(tǒng)，布線效率高（5） Advanced Integrity 99SE（PCB信號(hào)完整性分析）該模塊提供準(zhǔn)確的板級(jí)物理信號(hào)分析，可以檢查出串?dāng)_，過(guò)沖，下沖，延時(shí)和阻抗等問(wèn)題，并能自動(dòng)給出具體解決方案。3.2 Protel99se的基本使用方法和操作步驟通常所說(shuō)的pcd板，就

30、是指的是印制電路板5。印制電路板的制作，總體上要分為三個(gè)階段：原理圖的繪制，生成網(wǎng)絡(luò)表，由網(wǎng)絡(luò)表生成pcd圖并進(jìn)行布線。原理圖的繪制，主要就是體現(xiàn)各個(gè)器件之間的邏輯關(guān)系，也就是怎么連線。原理圖對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是比較直觀，由原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表就是一種protel能夠識(shí)別和認(rèn)識(shí)的表。對(duì)pcd板進(jìn)行布線就是把相關(guān)的焊盤按照軟件提供的鏈接關(guān)系連接起來(lái)。具體的操作步驟：1）建立原理圖文件，建立原理圖庫(kù)文件，建立pcb圖，建立pcb庫(kù)文件，原理圖文件的目的就是繪制原理圖，體現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系。原理圖庫(kù)文件，是建立自己的在元件庫(kù)。需要自己建立的元件，往往在系統(tǒng)文件中是找不到的，建立自己的原理圖庫(kù)文件有兩種方法，一

31、種是自己繪制，打開原理圖庫(kù)文件后，可以使用浮動(dòng)的工具箱進(jìn)行編輯。另一種方法，就是在系統(tǒng)已經(jīng)給的元件的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。Pcb圖是體現(xiàn)原理圖中所用元件的大小，焊盤尺寸的圖。Pcb庫(kù)文件，和原理圖庫(kù)文件時(shí)一樣的，都是用來(lái)建立系統(tǒng)之沒(méi)有提供的封裝。建立的方法和原理圖庫(kù)文件一樣，也有同樣的兩種方法。2）找出需要的元件并連線。對(duì)于系統(tǒng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可以使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。連線完畢以后，導(dǎo)入到pcb圖中時(shí)，往往有些元件之間沒(méi)有飛線（沒(méi)有邏輯連接關(guān)系），這可能是在原理圖繪制的時(shí)候，兩個(gè)元件之間沒(méi)有“連線”。檢查的時(shí)候，兩個(gè)元件之間，是連接的。問(wèn)題就出在連線的時(shí)候，連在了引腳上。所以在連線的時(shí)候，一定要注意，在出現(xiàn)

32、黑點(diǎn)以后，再進(jìn)行連接。3）對(duì)元件進(jìn)行標(biāo)注。實(shí)際工程中，元件的大小是固定的，所以，往往省去元件原理圖元件的part部分，也就是標(biāo)注元件大小的部分。這樣做有兩個(gè)好處，一是可以是原理圖看的比較清楚，二是可以在PCB圖連線的時(shí)候，看起來(lái)比較清晰。4）元件的封裝，是很重要的一個(gè)步驟。我們可以使用系統(tǒng)提供的固定封裝，使用固定的封裝，要先在資料上查清楚之后，再進(jìn)行使用。在沒(méi)有資料參考的情況下，建議自己動(dòng)手畫封裝。畫封裝要注意幾個(gè)問(wèn)題，一，根據(jù)自己畫的封裝要能體現(xiàn)元器件的實(shí)際大小，畫元器件的實(shí)際大小用矩形或者圓形，代表這個(gè)區(qū)域以后有元件要放，其余的部件不能占用。二，測(cè)量焊盤的大小，實(shí)際的元件，尤其是多引腳的焊

33、盤，封裝時(shí)一定注意焊盤之間的間距，往往焊盤的間距決定了制版的成功與否。三，對(duì)于比較大的焊盤，超過(guò)10mm的焊盤，往往在焊盤的周圍布一圈很小的過(guò)孔，這樣不僅可以增強(qiáng)焊盤的導(dǎo)電性，而且可以加強(qiáng)焊盤的牢固性，防止在板子過(guò)熱時(shí)引起俏皮，脫落，以影響板子的壽命。四，封裝中各個(gè)引腳的編號(hào)，名稱和序號(hào)要和原理圖中的各個(gè)引腳的編號(hào)要一致。五元件的不同，在封裝中也有差別。比如，電阻在焊接之前，兩個(gè)引腳有很長(zhǎng)的導(dǎo)體，所以封裝的時(shí)候可以標(biāo)寬松，多幾毫米沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于電容，兩個(gè)引腳之間的距離已經(jīng)固定，要比較精確才能在焊接元器件的時(shí)候比較順利。5）在tool中進(jìn)行ERC電器規(guī)則檢測(cè)。出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，原理圖中會(huì)出現(xiàn)綠色的提示

34、，進(jìn)行修改，再次檢測(cè)，直到無(wú)誤。6）導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表。在design菜單下實(shí)現(xiàn)。7）創(chuàng)建相關(guān)報(bào)表。在report菜單下實(shí)現(xiàn)8）進(jìn)入PCB圖，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表中，可能出現(xiàn)問(wèn)題，在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表中出現(xiàn)的問(wèn)題，全部是由于封裝的問(wèn)題?？赡艿膯?wèn)題有：一，沒(méi)有加載自己創(chuàng)建的原理圖庫(kù)文件和PCB庫(kù)文件2原理圖中元件庫(kù)的引腳編號(hào)和PCB文件庫(kù)中的封裝編號(hào)布相同。9）對(duì)加載的元器件進(jìn)行布局。往往按照先大后小的原則。比如在單片機(jī)控制的系統(tǒng)在，單片機(jī)是核心部件，體積也比較大，應(yīng)當(dāng)放在中心位置，其他比較小的元件按照接線最短的原則，依次分布在它的周圍。在連線的時(shí)候，地線之間可以不必連接，在最后正反面鋪銅的時(shí)候會(huì)自動(dòng)連接。

35、在連線的時(shí)候的小技巧：a按照就近原則，所使用的線，在不用打孔，交叉的情況下，所用線的顏色要和最近的線的顏色相同，以防止以后有交叉的時(shí)候，反復(fù)變換布線層。b不同線不平行原則，這個(gè)在布線剛開始的時(shí)候，一定要特別注意。在系統(tǒng)布線的后期，這樣的情況通常也不可避免。目的就是防止在必須過(guò)線的時(shí)候沒(méi)有辦法打過(guò)孔布線。c先短后長(zhǎng)原則，往往先布置兩個(gè)焊盤比較近的線，在短線布線完畢以后，再考慮長(zhǎng)線。主要考慮，長(zhǎng)線先布好的情況下，短線每次布線很容易和長(zhǎng)線進(jìn)行交叉，與其每個(gè)短線交叉，不如最后交叉，整體顯現(xiàn)的清楚。4為了避免在布線的后期，出現(xiàn)左右碰壁，沒(méi)有辦法走線的情況，可以在布線的初期，就有意識(shí)的進(jìn)行垂直布線。比如紅

36、線（頂層線）有意識(shí)的在中間區(qū)域多走水平，那么就讓藍(lán)線（底層線），在中間區(qū)域盡量多走水平線。10）對(duì)板子進(jìn)行連線，元器件的DRC設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)。在PCB界面下，選擇tool下菜單可實(shí)現(xiàn)。這里必須說(shuō)明的是，設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際值之間的一種檢測(cè)。這種標(biāo)準(zhǔn)是可以設(shè)定的，在design下的rule中可以設(shè)定。對(duì)規(guī)則的改變就可以實(shí)現(xiàn)檢查結(jié)果，而實(shí)際的狀況并沒(méi)有改變。就是說(shuō)，實(shí)際制作的板子，功能,原理上沒(méi)有錯(cuò)誤，但是檢查的結(jié)果可能是有錯(cuò)誤的，這并不影響制板的進(jìn)行。對(duì)于已經(jīng)有明確設(shè)計(jì)規(guī)則要求的PCB板子的制作，要先設(shè)定板子的制作規(guī)則，然后對(duì)板子進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出結(jié)果，對(duì)PCB圖中的間距，大小等進(jìn)行修改。4電

37、機(jī)智能保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)4.1電機(jī)保護(hù)硬件的選擇硬件部分作為電機(jī)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)，它的性能的好與對(duì)電機(jī)的保護(hù)，控制以及測(cè)量和檢測(cè)等的功能的實(shí)現(xiàn)有很大的關(guān)系。所以，再設(shè)計(jì)硬件時(shí)，一般把以下幾個(gè)因素作為參考對(duì)象：一般采用集成度非常高的元件完成功能，盡量少涉及到分立元件；通用元件多多益善，特殊元件基本上不要使用，功耗也是要考慮的問(wèn)題，所以，使用小功耗的元件也是一個(gè)參考對(duì)象。另外，如果故障發(fā)生后，模塊化設(shè)計(jì)能幫助檢測(cè)出故障，并且完成修復(fù)?？紤]到以上的一些因素，智能電機(jī)保護(hù)電路系統(tǒng)中采用高性能數(shù)字處理器PIC18F為核心完成電路中的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)算的處理，保護(hù)邏輯判斷等功能。 4.2PIC18F芯片的介紹

38、硬件系統(tǒng)的工作的效率的好壞主要取決于CPU。早期的電機(jī)微機(jī)智能保護(hù)的CPU主要是51系列的單品機(jī)，科技的不斷發(fā)展就要求單片機(jī)的性能也要相應(yīng)的跟著發(fā)展與完善，由此一來(lái)，單片微機(jī)的弊端就被無(wú)形之中顯現(xiàn)出來(lái)，成為智能保護(hù)發(fā)展的障礙。鑒于此，本文采用了MICROCHIP生產(chǎn)的PIC18F芯片，PIC18F芯片的高速處理能力和外設(shè)結(jié)構(gòu)決定了它運(yùn)用到電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)控制中。 圖4-1 PIC18F的引腳圖（1）采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻為64MHz，采用16位操作，有88位的乘法 累加器，使得其數(shù)據(jù)處理和控制能力增強(qiáng)。（2）采用哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，由于是哈佛架構(gòu)的器件

39、，數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器使用不同的總線，因而可同時(shí)訪問(wèn)這兩種存儲(chǔ)空間。實(shí)際使用時(shí)，可將數(shù)據(jù)EEPROM 當(dāng)作外設(shè)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)一組控制寄存器進(jìn)行尋址和訪問(wèn)。（3）內(nèi)含看門狗電路（4）PIC18 單片機(jī)具有一個(gè)21 位程序計(jì)數(shù)器，可以對(duì)2 MB的程序存儲(chǔ)空間進(jìn)行尋址。訪問(wèn)物理實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的上邊界和這個(gè)2 MB 地址之間的存儲(chǔ)單元會(huì)返回全0。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用靜態(tài)RAM實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，每個(gè)寄存器都有12位地址，允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)為最大4096個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)空間最多被分為16個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)包含256個(gè)字節(jié)。（5）可用C,C+和匯編編譯和連接。4.3芯片MAX485的介紹圖4-2 芯片MAX485的介

40、紹MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300UA,采用半雙工通訊公式，它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。引腳圖如上圖所示。MAX485芯片結(jié)構(gòu)和引腳都很簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接受器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單品機(jī)連接時(shí)接口只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的是能端，當(dāng)RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需要用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)

41、A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)位0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻即可。4.4電流采樣電路4.4.1單極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)采用的 DSP自帶A/D,其采樣要求輸入信號(hào)為0到3.3V, 因此接入其引腳的信號(hào)電壓也不能超過(guò)3.3V。所以必須對(duì)放大電路給出的雙極性信號(hào)做進(jìn)一步處理。電路圖如下： 圖4-3 單極性轉(zhuǎn)換電路4.4.2相電流檢測(cè)電路相電流檢測(cè)電路采用了運(yùn)算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在A/D入口前進(jìn)行阻抗匹配。在A/D入口端采用二極管鉗位，防止

42、A/D輸入電壓越界。來(lái)自檢測(cè)通道的電流互感器的電流號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)經(jīng)電壓平移后將交流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為0到3.3V的單極性電壓信號(hào)接入DSP的A/D通道引腳。圖4-4 相電流檢測(cè)電路4.4.3交流電流采樣霍爾電流傳感器以100+100mA的交流電流作為輸出信號(hào)，TMS320F2812的A/D輸入信號(hào)范圍是03V。因此必須添加合適的調(diào)理電路以滿足A/D輸入的要求。交流電流調(diào)理電路見下圖，與交流電壓調(diào)理電路不同的是。第一部分是經(jīng)電容C4濾波后流經(jīng)精密采樣電阻尺，將電流信號(hào)變換成電壓信號(hào)。第二部分是由運(yùn)放構(gòu)成的反相器。第3部分為鉗位限幅電路，以保證輸出電壓信號(hào)在03V,滿足TMS320F24

43、07的A/D輸入信號(hào)范圍。 圖4-5 交流電流信號(hào)采樣電路上面介紹了3種常見的電流采樣電路圖。它們運(yùn)放得到的電壓達(dá)不到PIC18F系列的芯片的電壓5V, 并且電路都不太簡(jiǎn)單，所以，選擇下面的電路作為采樣電路。4.4.4LMV324為運(yùn)放器的采樣電路 圖4-6 LMV324為運(yùn)放器的采樣電路上圖中，三相電流在電阻上產(chǎn)生壓降。以A相電流為例，電阻產(chǎn)生的壓降UIA1經(jīng)過(guò)運(yùn)放器的放大作用變?yōu)閁IA0，通過(guò)放大以后，關(guān)系變?yōu)椋? （4-1） 圖4-7 采集信號(hào)的處理上圖中，電流經(jīng)過(guò)處理后送入芯片PIC18F的引腳2 I/O接口中，其中的電路可以分塊來(lái)說(shuō)明： 圖4-8 地址選擇器 電源為+5V,其中S1為

44、開關(guān)，通過(guò)2點(diǎn)與4點(diǎn)與大地相連。當(dāng)右路開關(guān)閉合時(shí)，那么右路中RLYSET1的電壓將于2點(diǎn)的壓降一樣，即為大地電壓，這是芯片中引腳5 I/O口輸入為低電壓，可以置位為0，相應(yīng)的左路開關(guān)未閉合，所以，左路中 RLYSET2的電壓將于3點(diǎn)的壓降一樣 ，為+5V,所以，芯片中引腳6的輸入電壓為高電壓。根據(jù)上述所言，可以根據(jù)開關(guān)的閉合與斷開，判斷輸入電壓的高低，并可以根據(jù)電壓高低相應(yīng)的設(shè)置芯片引腳5與引腳6：即地址為00 01 11,10。 引腳11，12，13的I/O口中引出3個(gè)電阻以及3個(gè)發(fā)光二極管，分別為藍(lán)燈，黃燈和紅燈，這三個(gè)燈代表電機(jī)工作在不同的狀態(tài)，可以這么設(shè)置：當(dāng)LED1接+5V電源，綠燈

45、亮，說(shuō)明電機(jī)接入電源，綠燈處于一直亮的狀態(tài)；當(dāng)黃燈亮?xí)r，說(shuō)明電機(jī)處于警報(bào)狀態(tài)；當(dāng)紅燈亮?xí)r，說(shuō)明電機(jī)處于故障狀態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)，4個(gè)LED燈都采用低能耗，因此，在正常發(fā)光時(shí)，LED等所承受的最大電流不能超過(guò)0.002A，所以采取串聯(lián)阻值為2.2k的電阻限流。 圖4-9 過(guò)壓，欠壓保護(hù)4.5保護(hù)電路上圖中，+5V電源通過(guò)兩個(gè)上拉電阻與芯片的引腳1，2，3相連接。上拉電阻一部分功能可以限流，此電路圖中的上拉電阻防止干擾，增加了電路的穩(wěn)定性，另外上拉電阻在電源與節(jié)點(diǎn)之間，往往這個(gè)節(jié)點(diǎn)要求應(yīng)用單片機(jī)或者其他控制器件來(lái)控制它為高或低電平（即這個(gè)節(jié)點(diǎn)與I/O口連接）選擇10k作為上拉電阻，降低了單片機(jī)所承受的電流

46、又保證電流不太小。R34為100K，與三極管的基級(jí)相連，這樣就避免了三極管基級(jí)懸空受到干擾的影響。圖中，與8點(diǎn)相連的+5V電壓與電容相連，也是為了濾波，濾除電路毛刺的干擾。當(dāng)輸入到三極管的電壓為低電壓時(shí)，此時(shí)三極管不導(dǎo)通，引腳2與引腳3就相當(dāng)于與大地直接相連，此時(shí)RE和DE都為邏輯0，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)輸入到三極管的電壓為高電平時(shí)，此時(shí)R37起到了一個(gè)限流作用，保證電流不會(huì)太大。BAT54S是鉗位二極管，上圖中的鉗位二極管實(shí)際上起到限壓的作用，原理如下：J1，J2兩個(gè)接口把引腳6和引腳7連接起來(lái)。當(dāng)經(jīng)引腳7流出的電壓沒(méi)有達(dá)到擊穿二極管的電壓值時(shí)，此時(shí)二極管就是起到鉗位作用。當(dāng)達(dá)到二極管的擊穿

47、電壓時(shí)，鉗位二極管被正向擊穿，此時(shí)電壓過(guò)大，流經(jīng)電路的電流也會(huì)增大，這時(shí)自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲RT1和RT2就會(huì)由于電流過(guò)大而起作用；當(dāng)流經(jīng)引腳7的電壓過(guò)小時(shí)，電路將會(huì)通過(guò)另一個(gè)鉗位二極管給予一定的補(bǔ)償電壓，這樣就保證電壓流經(jīng)鉗位二極管的電壓不至于過(guò)低，實(shí)際上該電路基本上實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓，欠壓與過(guò)流的保護(hù)。過(guò)壓時(shí)，二極管被正向擊穿，引起自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲RT1與RT2由于電流過(guò)大而迅速動(dòng)作，保證了流經(jīng)電機(jī)的電壓不至于過(guò)大，電流也不會(huì)太高，避免了電機(jī)因電壓過(guò)大或者電流過(guò)大而發(fā)熱；當(dāng)流經(jīng)引腳7的電壓過(guò)小時(shí)，即欠壓時(shí)，鉗位二極管不導(dǎo)通，電路會(huì)自動(dòng)的為二極管補(bǔ)償電壓。TL9014 三極管的介紹 圖4-10 9014管腳

48、圖1. Emitter 發(fā)射極 2. Base 基級(jí)3. Collector 集電極4.6電源電路在電子電路中，電機(jī)智能保護(hù)電路中也不例外，一般需要穩(wěn)定的直流電源供電，最簡(jiǎn)便的方法就是將交流變?yōu)橹绷?。直流穩(wěn)壓電源是實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的電子設(shè)備。圖4-11 電源電路圖中的交流電要變成直流需經(jīng)過(guò)單相半波整流電路，將流經(jīng)火線與零線的交流電變成直流電。圖中的電阻R36是為了消除影響交流電穩(wěn)定的干擾，從而得到更穩(wěn)定的交流電源，這樣經(jīng)過(guò)單相半波整流電路得到的直流電也會(huì)更穩(wěn)定。圖中還有一個(gè)三端固定式集成穩(wěn)壓電路7805，這個(gè)固定集成穩(wěn)壓器7805輸入端接+12V電壓，輸出電壓接+5V電源，中間接地，即電壓為0。穩(wěn)

49、壓器7805的介紹圖4-12 7805 管腳圖1 Input 接高電位2 GND 接地3 Output 輸出端與12V相連的電容用于減小輸入電壓的脈動(dòng)并且能夠防止過(guò)電壓，起動(dòng)過(guò)壓保護(hù)一個(gè)功能與端點(diǎn)3相連的電容用于削弱電路中的高頻干擾。4.7繼電器的欠壓，過(guò)流保護(hù) 圖4-13 脫鉤保護(hù) 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的

50、作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)。正常情況下，繼電器工作在不動(dòng)作狀態(tài)下。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到流經(jīng)電機(jī)的電流不正常時(shí)，這時(shí)，軟件系統(tǒng)會(huì)通過(guò)單片機(jī)發(fā)出高電平或者低電平的指令。如果傳送給脫控一端的信號(hào)為低電平時(shí)，這是，9013三極管將不會(huì)導(dǎo)通，相應(yīng)的繼電器

51、會(huì)動(dòng)作，原來(lái)與電路相連的掛鉤處將會(huì)脫鉤，實(shí)現(xiàn)脫鉤保護(hù)。同理，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)為高電平指示時(shí)，這是，三極管肯定導(dǎo)通，繼電器會(huì)因?yàn)殡娏魍蝗辉龃蠖鴦?dòng)作，使電路斷開，實(shí)現(xiàn)脫鉤保護(hù)。二極管4148是為了保護(hù)繼電器不會(huì)因電流過(guò)大而損壞。4.8基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)圖4-14 穩(wěn)壓電路圖TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，其輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。TL431A可以等效為一個(gè)穩(wěn)壓二極管，在電路中，起穩(wěn)壓作用，電容起到濾波的作用。4.9時(shí)間常數(shù)設(shè)置圖4-15 時(shí)間常數(shù)電路電機(jī)啟動(dòng)有一定的時(shí)間，上文已經(jīng)闡述了起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)，這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)相

52、應(yīng)的保護(hù)電路。通過(guò)改變壓降來(lái)設(shè)置時(shí)間，我們可以根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間說(shuō)明書來(lái)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，變阻器上的壓降為0V，我們?cè)O(shè)置一個(gè)時(shí)間常t1數(shù)。變阻器的壓降為5V時(shí)，再設(shè)置另一時(shí)間常數(shù)t2，這樣根據(jù)線性變化，通過(guò)檢測(cè)變阻器上壓降的不同判斷電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間。 5 總結(jié)本文在查閱了大量文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)大學(xué)期間對(duì)模擬電路，電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，了解電路的基本原理。通過(guò)對(duì)電機(jī)故障理論上的了解以及對(duì)本文中所用到的芯片的熟悉并且對(duì)Protel 99SE軟件的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上用Protel 99SE軟件基于電機(jī)保護(hù)理論繪制了一張電機(jī)保護(hù)的電路圖，理論上進(jìn)行了在欠壓，過(guò)流，過(guò)壓，起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等情況下的保護(hù)。參考文獻(xiàn)1童

53、世柏，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第4版 ，20062王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，第4版，20073李璇華，黃益莊，唐曉泉等.電動(dòng)機(jī)故障分析和綜合保護(hù)裝置.20014王麗萍.三相不對(duì)稱電路的對(duì)稱分量發(fā).銅陵財(cái)經(jīng)?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002（2）：77-795秦國(guó)嶺.電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置及其發(fā)展趨勢(shì).電氣時(shí)代，2000（9）：30-316陳生貴.電力系繼電保護(hù).重慶大學(xué)出版社，20047孟慶茂.電機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì).上海電力學(xué)院成教院本科論文， 20098高扳.大型電動(dòng)機(jī)操作過(guò)壓分析.四川大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.49http:/ VARATHARASAL. Identifying three-phase induction motor faults using artificial neural 11http:/