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1、智能电机保护器电路设计摘要随着中国社会的进步与发展，相应的电力系统方面也迅猛发展。其中，电力工业上中的电动机也得到了广泛的使用与发展，这样一来，确保电机在运行过程中的安全与故障的检测也变得尤为重要。 本文以芯片PIC18F系列为主控核心芯片，进行电机保护装置的设计。该芯片在指令系统，总线结构，功耗以性价比等方面大大超过了传统的单片机。与此同时，该芯片内部集成了大量的片内外设置，使其功能和可靠性大大提高。文中介绍了电机故障的分类以及电机保护的发展历程。文中还介绍了一些的关于电机故障分析时的公式与基本算法，着重对三相电流下的故障进行了电路设计。本文在学习protel99SE软件的基础上设计出电机保
2、护电路。文章中介绍了继电器的保护原理以及RS-485芯片功能，然后采取过流保护，过压保护，欠压保护等的一些保护方案来应对电机运行过程中出现的故障。关键词：故障分类；电路设计；电机保护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目录1前言11.1电动机的作用与意义11.2我国电动机保护装置的发展状况11.2.1热继电器为主的组合保护装置11.2.2模拟电子式保护装置21.2.3微机型智能数字式的保护21.3智能电动机的保护电路的设计思想21
7、.4电机保护中的常用算法的简介21.5本章小结32电动机故障42.1对称分量法42.2电机的故障分类52.2.1短路故障52.2.2过载引起的故障52.2.3电动机的堵转52.3欠压保护62.4过压保护62.5起动时间过长保护73Protel 99SE的介绍93.1Protel 99SE基本功能模块93.2Protel99se的基本使用方法和操作步骤94电机智能保护的硬件设计124.1电机保护硬件的选择124.2PIC18F芯片的介绍124.3芯片MAX485的介绍134.4电流采样电路134.4.1单极性转换电路134.4.2相电流检测电路144.4.3交流电流采样144.4.4LMV324
8、为运放器的采样电路154.5保护电路174.6电源电路184.7继电器的欠压，过流保护194.8基准电路设计204.9时间常数设置205总结22参考文献23致谢24附录251前言1.1电动机的作用与意义电动机基本上是生活中动力设备的主力军，应用普及广泛，它基本上涉及到了各行各业，它的地位无法用数字与语言来衡量，然而，就是这么重要的设备，在实际使用过程中，由于电网，电动机本身或线路等的一些列因素会导致电动机出现过压，欠压，电流不平衡以及过流等故障，这些故障轻者影响生产的正常进行，重者烧毁电机，造成整台设备瘫痪甚至系统崩溃，进而造成难以估量的经济损失1。另外，电动机在烧毁过程中消耗的电量也很大，因
9、此，考虑到经济损失与节约资源，做好电动机的保护工作都有很大的意义，必须成为足够重视的课题。同时，由于现代电动机缩小了外形尺寸，但是却提高了自己的输出功率，采用一系列的绝缘材料和电磁材料减少损耗，效率大大提高，这样就使得电机内部的电流密度增加，而且，现在成产的流水线逐步增加，导致电动机的启动，制动，正反转等多种状态下相互切换运行，电动机出现的故障几率就大大增加与难以确定，因此，在保护电动机的同时提高工作效率与经济效益密切相关。1.2我国电动机保护装置的发展状况我国的电动机保护装置大约经历了仿照苏联，自行设计，更新换代，智能化发展等几个阶段2。随着科技的进步，近年来的微处理器技术发展，这样就使得电
10、机保护向智能化，多功能化方向发展提供了硬件平台，这样电动机保护就进入飞速发展的阶段。我国的电机保护主要经历了3个阶段1.2.1热继电器为主的组合保护装置最早使用的保护装置是熔断器，这也是最简单的一种保护装置。因此，它主要是用于电路故障或者严重的过载时保护供电电路，但是，它实际上并不是直接针对电动机的保护，熔体熔断的同时，往往会造成电动机缺相运行而烧毁，造成烧毁事故，逐渐的熔断器被淘汰使用。热继电器是上世纪中期从苏联引进的，在电子也不发达的时代是电动机过载保护的首先选择的产品。它利用双金属片热效应原理。双金属片由不同膨胀洗漱的两片金属铆合而成，当电流通过时它产生热量，向膨胀系数小的一边弯曲，电流
11、的大小正比于弯曲程度，当电流超过整定电流的一定倍数时就会启动脱扣装置切断主回路达到保护目的。热继电器具有反时限特性和结构简单，使用方便等优点。但是它也有很大的缺点，热继电器的参数受环境温度影响较大，并且热继电器安装在壳外，一旦通风不顺，堵转等故障时，热继电器就失去保护功能，而且，热继电器本身也耗能，当它保护电机几次后，由于自身的发热而导致电阻丝和绝缘材料损坏，不能继续使用，因此，也慢慢的被淘汰了。1.2.2模拟电子式保护装置在上世纪中后期，随着半导体模拟器件的兴起，涌现了一批功能多样化，性能比较可靠的电子式电动保护器。这种保护装置体积更小了，对信号的检测和判断更灵敏与准确了，保护性能提高了，它
12、主要针对电机的缺相，过载，欠流，过压，过电流，短路等故障来进行保护。它的原理包括两方面：一方面通过检测电流值来反映过载，短路等故障；另一方面通过检测电动机的电流缺相与否来反映断相故障。由于不对称故障出现负序电流分量，导致电机过热等一些列问题。所以，单纯的以过流为目标构成保护器，难以实现全面保护。其中仿真电子式电机保护器都采用电位器进行额定电流整有以下缺点；（1）其整定精度不高。要使电位器的旋转角度正比于其电阻值比较苦难，大批量生产中更难以办到，而且，操作过程中的误差是难以避免的，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没有一丝的应对能力，即使可以校正
13、也要在线路非常发杂的情况下进行，甚至无法实际使用，另外，采样线路本身也存在非线性问题。这些技术上的困难，实现高精度采样必然比较困难3。（3）实现多功能一体的全保护比较困难。社会的不断进步，电机被要求实现的功能越来越高，希望电机的功能多样化，结构简单，性能可靠，而且体积小，这些要求纯粹的模拟线路根本无法实现。 以上的问题使得模拟线路保护器整逐渐淡出人们的视线。1.2.3微机型智能数字式的保护计算机技术的发展是电机保护发生了突飞猛进的变化，出现了智能保护装置，智能型保护装置速度快，智能化程度高等优点，它以单片机或者DSP作为控制器，实现智能保护。可以对电机断相，过载，短路，欠压，堵转等进行保护，还
14、拥有显示电流电压，对故障的记忆的功能，同时，也可以对采样信号进行软件非线性校正，实现真实有效值的计算，实现高精度采样提取。此类保护器节能，灵敏，精确保护功能全，重复性好。所以，随着计算技术发展，智能模块电机保护器成为发展的目标。1.3智能电动机的保护电路的设计思想工业现场通常采用多台控制电机，实现对现场的各种控制，一旦一台出现故障，将会产生很大的损失。因此，对电机的保护显得非常重要。本论文在介绍电机保护原理的基础上，通过对模拟电路教材的掌握，电力电子技术的学习，以及电路原理的熟悉，以分析电机中出现的基本故障为参考依据，巧妙的运用上面所述的三种大学教材来设计保护电机的电路。1.4电机保护中的常用
15、算法的简介考虑到电动机的保护原理和保护过程中的算法问题，电动机的故障分为对称故障和不对称故障，一般采用的对称分量方法为一种线性变换，把三相不对称故障中的的正弦量分为独立的正序分量，负序分量和零序分量。这种对称分量方法是现在故障中最常用的算法 电机中出现的非正常状态，电机保护主要是检测三相电流，三相电压，绝缘电阻，零序电流的基础上实现。1.5本章小结本章介绍了课题的研究目的以及意义，国内外电机保护的发展状况，并且引出了所研究的主要内容。242电动机故障电动机的综合保护基本包括：过流保护，漏电保护，过压和欠压保护等。以前基本是以检测三相电流得到电流幅值与限定值的比较而做出相应的处理。现在电动机保护装置多采用过流保护，以电流幅值的增加作为判断故障与否。这种方案的缺点在于不能对不对称故障进行及时分析和保护。因此，为了弥补这个缺点，特此引入了对称分量法作为不对称故障的判据，根据对称分量法，电机产生不对称故障时，电流可分解为正序，负序和零序电流分量。电机正常时，三相基本对称，负序和零序电流基本没有。当电动机发生不对称故障时，零序和负序电流就会体现出与正常运转时相当大的差距来。因此，判
