电气工程及其自动化专业成品论文

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三相异步电动机断相保护

(陇东学院 电气工程学院 甘肃 庆阳 74500)

摘 要：以单片机C8051F020及其外围器件作为硬件平台，对电动机微机保护进行了研究，主要针对大中型电动机的智能电动机保护器，具有过流保护、零序电流保护、负序电流保护、启动时间过长保护、欠电压保护、过电压保护等功能。

在电动机保护器的过程中，对电动机的各种故障进行了全面的论述。并根据需要确定了保护方案，论述了保护原理。

在硬件电路设计上，给出了以单片机C8051F020及其简单的外围电路为主体配置的电动机保护器系统。该电路硬件电路大为简化，除了实现了各种保护功能外，还可显示电动机运行时的电压、电流，同时设置了系统与上位机的连接,为系统功能的扩展创造了条件。作为一种智能化的解决方案，该系统具有可实现功能多，经济成本低，高的可靠性和稳定性等特点。

关键词： 三相异步电动机：C8051F020 断相保护 电动机故障

Three-phase Asynchronous Moto Phase Failure Protection

(Longdong University School of Electrical Engineering, Qingyang 74500)

Abstract:MCU C8051F020 and its peripheral devices as the hardware platform, the motor microcomputer

protection, mainly for large and medium-sized motor Intelligent Motor Protector with overcurrent protection and zero-sequence current protection, negative sequence current protection, start-up time is too long to protectunder-voltage protection, over voltage protection function.

In motor protection process, comprehensive exposition of the various failures of the motor. And in accordance with the need to determine the protection program, discusses the principle of protection. Hardware circuit design, given the configuration of the motor as the main MCU C8051F020 its simple peripheral circuit protection system. The circuit hardware circuit is very simple, in addition to various

protection functions, can also display the voltage, current, when the motor is running and set up the connection of the system with the host computer at the same time, create the conditions for the expansion of the system functionality. As an intelligent solution, the system having a multi-function, and low economic cost, high reliability and stability, and other characteristics can be realized.

Keywords: three-phase asynchronous motors: C8051F020-off phase motor protection fault

1引 言

1.1课题提出的依据和意义

随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高，电能的应用和发展越来越具有重要的位置。作为

电能转化为机械能的重要工具，电动机在人们日常生活中也越来越重要。三相交流电动机正朝着功率与体积之比越来越大的方向发展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的电动机陆续出现。为了安全可靠地运行这些电机，对电动机的保护系统提出了越来越高的要求。电动机保护系统必须正确无误地保护电动

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机，使电动机在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机损坏事故的发生。电动机和供电线路的短路必须能迅速检测出来，使得短路影响减小到最小。对于频繁起动的电动机，要能准确地模拟其发热和散热过程。在一些大型的自动控制系统中，还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。为了满足这些要求，本设计将开发一种新型的采用微处理器技术的电动机综合保护与监控装置。

本设计所开发的电动机综合保护与监控装置，可实现对电动机的保护与监控的自动化，是电动机保护系统的发展趋势。由于采用了微处理技术，保护参数可由用户根据电动机型号和环境条件设定，而且还可以提供数字电路接口，为大系统的智能控制提供了条件。它的制成可对电动机进行准确保护和监控，即可使电动机的过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧毁事故的发生，对国民经济的发展具有重要的意义。

1.2国内外的发展状况和动向

电动机保护系统大致可划分为三代。

第一代是电磁式继电保护系统，第二代是电子式电动机综合保护装置，第三代是以微处理器为核心元件的综合保护系统。

第一代的电磁式继电保护系统存在着很大的弊病。它的每一种功能都需要相应的继电器来实现。在正常情况下，热继电器每年需要校正一两次，给用户带来不便。由于热继电器是由双金属片构成其敏感元件，它是靠双金属片受热弯曲产生的力一发出动作，在动作值附近不能可靠分断。热继电器通过了大的短路电流或经受机械碰撞后，双金属片易产生永久性变形。而且，热继电器的时间常数比电动机小得多，对电动机上一次的过载历史没有记忆，对于频繁过载、特别是频繁起动的电动机，不能可靠地保护。热继电器的动作特性还受环境温度的影响。现在，老型号的热继电器己属淘汰型产品。新型的热继电器功能也在完善之中。

第二代的电子式电动机综合保护系统对第一代的电磁式继电保护系统有了很大的改进。它利用电阻电容的充放电来模拟电动机的发热与散热，对电动机的过载历史能有一定的记录，其动作时间也可以通过调节电阻电容的大小来调节，大天提高了对电动机的保护性能。但是，电子式电动机综合保护器的动作时间调节范围有限，精度也受电阻电容参数的影响，且没有监控、显示等功能。因而只能用于一些要求不高的场合。

把微处理器技术引入电动机保护系统，大大地提高了对电动机的保护特性，实现了对信息的采集、处理、显示全部自动化，性能稳定可靠，显示直观准确，各项保护参数可根据电动机性能由用户设定，动作前可预警显示，动作后可显示故障原因，实现了对电动机的可靠保护和监控。这是电动机保护系统的发展

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趋势。

我国的此类产品还很少，且功能欠缺，本设计研究的智能型电动机综合保护器将弥补以上产品的不足，开发出功能齐全，性能可靠，操作方便，价格合理的产品。 全的优化设计接地与回流接地典型方案进行系统集成和定量评估。

1.3本文主要的工作

本课题的主要任务是实现对电动机的综合保护和状态监控。对电动机的综合保护包括以下几项功能：过载保护、过压和欠压保护、漏电保护、堵转和起动超时保护、短路保护、缺相及相不平衡保护。 电动机的过载保护是通过设置电动机的热时间常数建立相应的数学模型模拟电动机的发热和散热过程来实现的。过压和欠压保护是用一位拨码开关来设置其动作值，当电网电压超出其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压和欠压保护动作。漏电保护是按照漏电电流与漏电保护动作时间的反时限关系设计的。堵转和起动超时保护是通过拨码开关设置起动电流和起动时间来实现的。而短路保护是电动机线电流达到短路保护动作值后采取瞬时动作来完成的。缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或线电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后切除电动机来实现的。 对电动机的状态监控主要实现以下功能： (1)电流显示，显示电动机当前线电流有效值； (2)电压显示，显示电动机当前的相电压有效值。

对电动机的状态监控的选择是通过一个中断按钮来实现的。本装置在起动运行时显示的是电动机的线电流有效值，按一次中断按钮就显示当前电网电压有效值，再按一次显示电动机绕组运行时温升的最高值，再按一次就又显示电动机的线电流有效值。这样，用户就可随意监控电动机的运行状态了。

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第2章 异步电动机的故障分析和解决方案

2.1 电动机故障分析

要做好异步电动机的保护，首先要分析保护对象会遇到的各种故障，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有：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是通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况，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、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平衡、单相接地或相间短路。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，由于散热条件差，电流大，特别容易损坏电机。其它不出现显著过流的不对称故障，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压欠压故障。 2.1.1电动机故障基本原理(工作原理分析)

为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。就要研究电机的数学模采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得： 1)忽略空间和时间谐波 2)忽略磁饱和 3)忽略铁损

异步电机的稳态等效电路如下图2一1所示型，对于电机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路

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的数学模型。

图2－1异步电机稳态等效电路

其中等效电路中元件为定子绕组的电阻，

r2'r1x1为定子绕组的漏电抗，

rmr2'为归算到定子方面的转子绕组

xm的电阻，为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。

..为定子铁心损耗所对应的等效电阻，

..为励磁电

抗。U1为定子电压向量，E1为定子感应电动势向量，I1为定子电流向量，Im为磁化电流向量。基于T等效电路的数学模型为：

.'1.'2EEImZmIm(rmjxm) (2-1)

...'2...I1IIm (2-2)

.'.'2E2I(..r2s'jx2) (2-3)

.'U1E1I1(r1jx1)

(2-4)

由等效电路可见，异步电机输入的电功率部分消耗在定子铁心上而变成铁耗为：

pemm1EIcos2mI'2'2'212p1一部分消耗在定子绕组的电阻而成为定子铜耗

pcu1；另一

pempfe。剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功率

pem。其中

r2s' (2-5)

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电磁转矩可表示为：

Tempmec(1s)pem(1s)1pem1 (2-6)

2n60；pem为机械功率。

12n1602f1p为同步角速度；转子机械角速度

其中，

由式（2－5）和式（2－6）得：

Tempem1m11I'22r2s' (2-7)

根据T型等效电路 可知：

I2(r1'U1r'2 (2-8)

'2s)(x1x2)f12将式（2－8）代入式（2－7），同时考虑1

m1p2f12p，于是有

U[(r1r'2221r2s'Tem (2-9)

'2s)(x1x2)]刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时起动转矩为：

Tstm1p'2U1r222''222f1[(r1r)(x1x)] (2-10)

同时根据上式（2－1）、式（2－2）、式（2－3）、式（2－4）可得：

r2..'I1U11srmjxmr1jx1(1r1jx1rmjxm)r2s'jx2' (2-11)

jx2'在异步电动机里，因为

r1rm<.I1ImU1(r1jx1)(1x1xm)(r2x' (2-12)

jx)

第 8页 2.1.2电动机的启动故障

异步电动机投入电网，从静止状态转动起来，升速并达到稳定转速的过程，称为启动过程。 刚起动

(1x1xm)时，转子n=0，转差率s=1，由于激磁电流相对较小

IstU1(r1r)(x1x)'22'22近似为1，则起动电流为：

(2-13)

启动时，把电源电压直接加到电动机的定子绕组，显然，这时启动电流会很大，可达额定电流的4～7倍，根据对国产电动机的实际测量，某些笼型异步电机甚至可达8～12倍对于经常启动的电动机，过大的启动电流将会造成电动机发热，影响电动机的寿命：同时电动机绕组在电动力的作用下，将会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机在启动过程中，电动机出现的故障，通常称为启动故障，一般是指启动时间过长故障。也就是说，在规定的时间内，如果启动电流仍旧维持在一个很大的值，而不是降到额定电流的附近，这就认为电动机发生了启动时间过长的故障。这种故障通常采用定时限保护。

2.1.3电动机的堵转故障

根据电机学得知识，电动机得机械特性曲线为下图：

图2-2异步电动机机械特性曲线

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是异步电动机可能产生的最大转矩，如果负载转矩Tz>

TmaxTn/。

TmaxTmax，电动机将因承担不了而停转。电

动机是用过载倍数Tt来表示它的过载能力的Tt=

就异步电机而言，堵转就意味着转子堵住不转，转差率S=1，即在T形等效电路图中的附加电阻为

r'2(1ss)0的状态。在这种情况下S=1，=0，即电动机电子电流将会出现一个很大的值，因此同样会烧

坏电机，如果在规定的时间内电流值，我们就认为出现了堵转故障。

2.1.4过载故障

过载是指电动机的负载很大，转子电流加大，使得电动机定子电流很大。过载过大了就形成堵转。其故障原理与堵转相同。

2.1.5三相不平衡及其危害

在三相供电系统中，如果三相的电压或电流幅值或有效值不等，或者三相的电压或电流相位相差不为120°时，则称三相电压或电流不平衡。

不平衡的三相电压或电流，按对称分量法，可分解为正序分量、负序分量、和零序分量。具体原理如下所述：

在计算电力系统不平衡情况下引用了对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为三个平衡的相量成分即正相序（UA1、UB1、UC1）、负相序（UA2、UB2、UC2）和零相序（UA0、UB0、UC0），即有：UA=UA1+UA2+UA0，UB=UB1

+UB2+UB0，UC=UC1+UC2+UC0，其正相序的相序（顺时方向）依次为UA1、UB1、UC1，大小相等，互隔120度；负相序的相序（逆时方向）依次为UA2、UB2、UC2，大小相等，互隔120度；零相序大小相等且同相，各相序都是按逆时针方向旋转。在对称分量法中引用算子a，其定义是单位相量依逆时针方向旋转120度，则有：

UA01/3(aUAaUBUC) UA11/3(UAaUBaUC) UA21/3(UAaUBaUC)

222注意以上都是以A相为基准，都是矢量计算。知道了UA0实际也知道了UB0和UC0，同样知道了UA1也就知道了UB1和UC1，知道了UA2也就知道了UB2和UC2而负序电压有没有线电压和相电

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压之分由于负序电压的存在，就使三相系统中的三相感应电动机(也就是三相异步电动机)在产生正向转矩的同时，还产生一个相反方向的转矩，从而降低电动机的输出转矩，并使电动机绕组电流增大，温度升高，缩短了电动机的实用寿命。

电动机的不对称故障主要有断相、逆向、不平衡负载运行、匝间短路、相间短路、接地短路等引起的除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外，大多数的不对称故障一般不会出现明显的过电流。最明显的特征是电动机中出现负序分量和零序分量电流。

2.1.6缺相及相不平衡故障分析

断相运行是造成电动机烧损的常见事故，当电动机负载不变而发生断相时，剩余两相绕组的电流将增大，造成电动机过热而损坏。因此必须对电动机进行断相及相不平衡保护。当电动机绕组以Y形连接时，断相可能发生在引线上或者绕组内部，电动机Y型连接时所断相的线电流都为零，此时以线电流为零的原则可以加以保护。

但当电动机以A形连接，其断相也可能发生在外部引线（a类）或绕组内部（b类），当发生( a)类断相时，所断相的线电流为零，以线电流为零的原则可以保护电动机。但当发生(b)类断相时，电动机的线电流都不为零，此时再以线电流为零的原则就不能保护电动机。在这种情况下，对电动机的断相保护应采用线电流不平衡的原则。

当电动机发生(b)类断相时，

Ic3IA3IB因此，若把相不平衡保护的动作值规定为线电流

最大值与最小值的比小于，3就能实现这种断相保护。考虑到电网电压波动引起的线电流不平衡，本装置以最大线电流不超过最小线电流的1.5倍为动作值，这样，无论电动机以何种方式连接，只要发生断相，在预定的时间内都会准确地动作，而且，对于其它的非断相的相不平衡故障，也能实施保护。由于本装置采用了单片机作为其核心元件，因此，不用附加任何电路即可实现断相保护。单片机把采样来的各相电流值进行比较判断，就能准确地发出动作信号。

2.1.7故障综合判定

综上所述电动机的保护可以分为对称故障和不对称故障。

对称故障包括过载、堵转、和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是机械力和电流增大引起的热效应，使得绕组发热甚至烧毁。其主要的特征是三相仍基本对称，但同时出现过电流，故障的严重程度反应在过电流的大小，因此可以以过电流的判断来作为此类故障的依据。下面列表（2-1）（2-2）说明。

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表2-1对称故障特征

故障类型 过载 堵转 短路 零序 无 无 无 负序 无 无 无 表2-2不对称故障特征

故障类型 断相 零序 无 Ic/逆向 不平衡运行 相间短路 单相接地 无 无 无 负序 过电流 过电流 (1.2-5)In (5-7)In (7-10)In 3 3I0 无 无 有(其值取决与位置) 取决与位置 Ia 有 有(其值取决与位置) 有 I1/3 I1/3 俩相接地 有 取决与位置

附：单相故障时，以A相为故障相； 俩相故障时，设B、C相为故障相；

I0表示故障前电流幅值，In表示额定电流；

由以上表障又可进一步分为非接地和接地故障俩大类。非接地不对称故障，主要包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行等，这类故障由于我国电动机中性点不接地，故定子电流无零序分量，所以就可以采用检测负序分量为判断依据。

接地故障包括单相接地短路和俩相接地短路，发生接地性不对称故障时，会出现零序电流分量，这是区别其它任何形式故障的特征。

2.2 保护原理分析

根据以上特征分析，电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大，而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。根据这一结论，可将电动机的保护分解为过电流保护、断相保护、零序电流保护三个部分，由此可覆盖电动机所有常见故障类型。

2.2.1保护功能设置

根据以上队电动机故障得分析特设置电动机保护如下：

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A.投入电流速断保护，用于保护电动机内部定子绕组以及进线所发生的相短路故障 B.投入零序电流保护，用于队电动机产生接地故障时得保护 C.投入反时限过负荷保护

D.低电压保护则根据第 9.0.5条中“二、根据生产过程不允许或不需要自动的电动机，应装设低电压保护。”的规定投入

E.堵转保护用来作为转子堵转或者起动时间过长的保护，同时作为电动机流速断保护失灵的后备保护

F.负序过电流保护对电动机的断相、反相及局部匝间短路等各类非接地性不对称故障提供单独保护。

在这个配置方案中，电流速断作为相间短路的主保护在电机的运行过程中一直投入；堵转保护作为转子堵转或启动时间过长的主保护，同时作为电机相间短路的后备保护；过负荷保护是电动机定子绕组过流发热的主保护，同时又作为相间短路及转子堵转的后备保护。这样的配合还是很符合电动机过流的实际情况的，同时辅以低电压保护和负序保护，应该说很全面的覆盖了电动机的应有保护范围，也使得保护器的保护功能发挥的较为彻底。

2.2.2电流速断保护原理及其整定值

在过电流保护动作时间超过0.5~0.7时，应装设瞬动的电流速断保护装置。

2.2.3.1电流速断保护的组成及其速断保护的整定

电流速断保护是一种瞬时动作的过电流保护。其原理相当与定时限过电流保护中抽去时间继电器，即在启动用的电流继电器后面直接接信号继电器和中间继电器，最后由中间继电器触点接通。其工作逻辑原理图如下：

图2-7 电流速断保护逻辑原理图

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图中：S3— 电流速断保护软件投切开关，1；保护投入，0：保护退出； d3— 电流速断保护动作定值； t3— 时间继电器,0~50000可调。 2.2.3.2电流速断整定值计算 动作电流值

在传统电流速断保护整定计算时，动作电流值除了要满足躲过电动机的启动流的要求，还需要保证灵敏度大2，微机保护的特点决定了只要动作电流值于电机的启动电流就行了。电动机的最大启动电流基本上就相当于其堵转电流，也就是要求I，满足下式lop=kst *In保护装置中的动作电流值并非实际的电流值，另外还要考虑到接线系数及保证足够的可靠性等，我们的计算公式如下：

d3KrelKwKiIop (2-14)

式中，krel为可靠系数，对DL型电流继电器，取1.2～1.3，Kw为接线系数(俩相俩继电器)取1，ki为变流比。

对于动作时限，我们选择不设置动作时限。

2.2.3定时限堵转电流保护

定时限过电流保护也叫做堵转保护，电动机在正常运转中，由于各种原因使转子处于堵转状态，由于堵转则相当与转子开路，因此电流很大，容易烧毁电机。因此在检测到电动机处于堵转时，应及时动作，防止烧毁。电动机在启动完成后，如果因机械原因或负载过重致使转子被卡住，即电动机出现堵转故障，则正序电流将会增大，当正序电流大于堵转定值时，保护器经整定延时后动作。

2.2.4热过载反时限过电流保护

所谓的反时限电流保护的保护装置的动作时限原先是按照10倍的动作电流来整定，而实际的动作时间则与其电流呈反比关系变化，电流越大，动作时间越短。其保护动作方程如下：

tsIIn221.052 (2-15)

式中：In为电动机额定电流

S为电动机发热时间常数，表示电动机的过载能力

过载保护一般都采用反时限来计算保护时间，当电动机运行在电流超过整定值时，过载保护投入，开始利用反时限公式计算时间，一旦故障时间超过了计算时间t之后，则动作与出口，实现对电动机的

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保护。

2.2.5 速断、堵转、过载保护之间的配合

速断保护、堵转保护和过载保护需要相互配合，以使保护装置的工作更符合电动机运行过程中的实际电流特性。三者之间的配合关系如下：

图2-8速断、堵转、过载保护之间的配合关系

2.2.6零序电流保护

零序电流保护，即接地保护，当I0大于保护的动作电流10时，经短延时t保护出口动作依据用户要求发出接地信号或跳闸。

(1)变压器中性点不接地系统中电动机的零序电流保护整定计算

我国3KV， 6KV， 10KV电网大多数是变压器中性点不接地或经消弧圈接地的系统，当单相接地故障时，接地点的电流小，不是短路电流，因此这种系统中电动机零序电流保护需发出接地信号，不跳闸。

变压器中性点不接地系统中电动机零序电流保护的动作电流lo.dz的整定原则是：当本电动机外部 (指机端电流互感器以外)电网中任一地点单相接地时，本电动机的零序电流保护应可靠地不动作，为此

I0.dz3UCodKknl (2-16)

式中：U本国电机所在电网的相电压(V)；Cod：本电动机每相对地电容 (F)；

：角频率；nL本电动机机端电流互感器变化Kk：可靠系数，取1.25再校验灵敏度。

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本电动机定子绕组单相接地故障时，本电动机零序电流保护应可靠地动作。 零序电流保护的短延时t可整定为0.1~0.5s

2.2.7 负序电流保护

电力系统在正常运行时负序电流分量很小（接近于零），而在系统出现不对称故障时，就会产生很大的负序分量电流，从而通过测量负序电流的大小可以判别是否发生故障。设置负序电流保护，作为电动机断相、逆相。定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组闸间短路、电源电压严重不平衡等的保护。

本装置采用两段式定时限负序电流保护，作为电动机断相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路的主保护。第一段具有高定值I2dz，短延时t1，第二段具有低定值I2.dz，长延时t2。

（1） 第一段的整定

在系统最小运行方式下电动机机端两相短路时，最小的短路电流负序分量I保护第一段可靠地动作，其灵敏KI=1.25，按此原则得：

I2.dzI2.min/1.25 (2-17)

'2(2)'''2.min应使负序电流

同时，还必须校验的值大于按公式计算的值，以确保在电动机起动过程式中负序电流保护第一段可靠地不动作。用户可根据上述算法确定I2.dz、I2.dz本装置负序电流保护第一段的延时t1默认为Is，以短延时躲开断路器合闸及其他暂态干扰所出现的短时间负序电流的影响。

（2） 第二段的整定

在电动机正常运行及起动过程中，允许三相电压之间有持续性的5%以内的误差，此时会出现较长时间的负序电流I2，应保证负序电流保护第二段可靠地不动作，为此：

I2dz(0.30.4)IN'''''' (2-18)

按上式公式整定的I2.dz躲不开断路器断路器跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较大的负序电流I2，但因为有t2长延时，则能保证第二段不误跳，t2由用户整定，一般可整定为3s。

2.2.8启动时间过长保护

正常启动过程结束后电动机的运行电流低于额定值或者在额定值附近，而启动时间过长则是在启动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值(一般为机械原因)。

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启动时间过长保护是由启动时间和堵转时间保护整定值来配合实现的。当正序电流大于0.1In，一般认为电动机开始启动。经过启动时间后，电动机的电流如果仍然大于堵转电路的整定值，则启动时间过长保护开始动作，发出跳闸命令：若电动机运行电流小于堵转电流的整定值，则认为电动机已加入正常运行状态。

启动时间过长保护可作电动机启动过程中短路保护的后备保护。而且启动时间过长保护只针对与电动机的启动过程加以保护，如果电动机正常启动后，此保护应该自动退出，而且只要电动机不停，此保护应一直不能进入保护。

2.2.9欠压、过压保护

当电网电压降低或出现短时中断，一些不允许或不需要自启动的电动机须从电网中断开，因此需要配置低电压保护。保护原则是：当

UabUbc。有一相低于保护定值时，低电压保护经延时后动作发跳闸

命令；当电动机从电网中断开，电网电压恢复正常后，可使电动机随时重新启动。

第3章 硬件设计

3.1装置硬件系统结构设计

电动机综合保护器的整体结构如下，硬件电路设计应包括几个方面的内容：单片机系统设计、测量电路设计、键盘与显示系统设计、电源设计和I/O控制设计等。

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I/O控制 三相电流输入 显示模块 漏电输入 滤波调理 CPU C8051F020 通讯模块 故障记录 电压输入 按键模块

图3-1硬件系统

(1)交流输入通道 本部分实现电流电压的输入调理 (2)显示部分

本部分采用LED数码管作为用户界面，单片机与LED数码管接口采用串行通讯方式，配接移位寄存器来驱动数码管工作。

(3)控制输出 I/O控制电路

控制输出部分采用机电式继电器，其价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单。 (4)通信模块

这部分采用RS-485接口，采用硬件自动控制收发电路，不用单片机进行控制以减轻负担。

3.2单片机系统设计

微处理器应根据所要完成的数据处理工作的复杂程度来选择。由于整个保护器需要的计算量和数据存储较大，加之，还要完成于上微机的通讯，因此对微处理器的要求较高。本设计采用美国CYGNAL公司生产的C8051F020作为数据处理的核心部分。该处理器内部资源丰富，仅需要少量的外部控制电路即可完成系统的各项功能。

C8051F020系列单片机是完全集成的混合系统级芯片，具有MCS－51兼容的控制器内核，其指令于MCS-51完全兼容。除具有MCS-51数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟及数字外设功能部件。这些功能部件的高度集成为设计体积小，功耗低，可靠性高的应用系统提供了方便，业可使系统集成成本大大降低。

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采用TQFP-100封装形式的C8051F020内部结构如图所示。

图 3-2 8051F020内部结构图

a) 单片机主要特点 模拟外设

12位逐次逼近型（SAR）ADO，可编程转换速率，最大100ksps，输入电压信号范围：0～2。40V；8位ADC（ADC1），可编程转换速率，最大500ksps；

可编程放大增益：16，8，4，2，1，0.5； 数据相关窗口中断发生器； 片内JTAG调试和扫描；

片内调试提供全速、非侵入式的系统调试；

支持断点、单部、观察点、堆栈监视器、支持观察、修改存储器和寄存器； 完全符合IEEE11149.1边界扫描标准； 高速8051微控制器内核； 流水线指令结构；

百分之70指令的执行时间位1个或者2个系统时钟周期，速度可达25MIPS；

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22个矢量中断源； 存储器

4352BB内部数据RAM（4KB+256B）；

64KB FLASH存储器，可以在系统编程，每个扇区位512B； 外部64KB数据存储器接口； （5）数字外设

8个8位的端口I/O，所要口线均耐5V电压；

可同时使用硬件SMBus，SPI及俩个增强型UART串口；

可编程16位计数器/定时器阵列，有5个捕捉/比较模块，6种工作方式； 5个通用16位计数器/定时器； 时钟源

内部可编程振荡器：2～16MHz； 外部振荡器：晶体、RTC或外部时钟；

实时时钟（RTC）方式（用定时器3或者PCA）； b)单片机最小系统设计

该最小系统采用C8051F020为核心芯片；采用3.3V供电；采用22.1184M无源晶振；同时提供JTAG(Joint Test Action Group)标准测试接口，为在线调试与仿真提供很大的方便；通过4个20脚的插针引出2407A的所有功能引脚；最小系统所需的电源通过与之相边的底部插座提供。

该最小系统电路板上有3处跳线，分别是J301、J302、J303。尤其要注意跳线J303。应用仿真器进行硬件仿真的时候，跳线帽连接的是1脚与2脚；当程序下载到C8051F020，实际运行时，跳线帽连接的是2脚与3脚。

该最小系统主要包括时钟电路、复位电路、JTAG仿真电路、外部存储器等。 （1）时钟电路

图3-3 时钟电路

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（2）复位电路

图 3-4 复位电路

（3）JTAG仿真电路

图3-5 JTAG仿真电路

3.3模拟信号采集

模拟信号采集模块完成保护单元模拟信号的采集调理整形等功能。本装置有五路模拟量输

入，其中三相电流Ia，Ib，Ic输入，一相电压Ia输入，零序电流I0输入。装置通过对这3路模拟量进行一系列采样、滤波以及模数变换操作后，再对采样数据进行计算处理，从而获得各种保护动作判据。图3-3给出模拟量输入模块框图。

电流互感器/电滤波调理电路 单片机A/D口 压互感器

图 3-6 模 拟 量 输 入 模 块 框 图

3.3.1电压信号采集

电压信号采集采用了具有精密整流的全波整流式AC-DC转换电路，其电路图如下。采用平均值AC-DC转换器对交流电压进行有效值测量的方法是：先测出交流信号的平均值，然后再根据波形因数换算出对应的有效值。

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图 3-7 电压输入电路图

交流信号的平均值可用式（3-1）来表示 1U0=Ui=TT0Uidt （3-1）

从交流测量的角度看，平均值是指经过整流之后的平均值。否则，若被测交流信号为正弦波，则平均值为零。因此，要取到上式的平均值，必须先要对交流信号求绝对值，然后再取其平均值。绝对

值用全波线形整流器来实现，平均值可用滤波器来实现。

图3-7是一种以全波线形整流为基础的平均值AC-DC转换器。图中放大器A2及二极管VD1 VD2和R10构成了全波整流器，在输入电压的正半周VD1导通，VD2截止，B点的电压为0，电压通过电阻R10传在C点。在输入电压的负半周，VD1截至，VD2导通，其导通电流经R7在B点产生正极性电

压，由于R3＝R4，在B点处的电压波形的幅度于输入电压相等，但极性相反。

在半波整流器之前有一级高输入阻抗的阻抗放大器A1，它的作用是提高输入阻抗和扩大测量范围。在半波整流之后有一个放大器A3组成的有源滤波放大器，它的作用是实现平均值的计算。最后

再将平均值按正弦信号的有效值测量。

平均值AC－DC转换器的电路简单，成本低，广泛应用于低精度的电压测量中，因此本设计采用

它来作为电压采样。

在电压互感器出来的是一个交流信号，图形如下图所示。

图 3-8 互感器出来的电压波形

经电路整形和处理，得到的是一个整流后的全波电压，其图形如下

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图 3-9 A/D口输入的电压波形

3.3.2电流信号采样

由于电流信号采样采用交流采样，故电流采集采用交流信号采集，将电流信号的幅值和相

位一起采集，可采集到电流的整个波形。电路图如下，由于三相的采集均一样，故现以一路电流输入回路为例做说明：

图 3-10 单相电流输入回路

在电流互感器出来的电流是一个交流信号，图形如下图所示，由于单片机A/D口只能输入单极

性的正电压，故正弦的电流信号就不能不能输入，这里采用加法放大电路将正弦的电流信号抬高到正值。电路图中后一个放大器A2的作用就是将其放大太高为正的。放大器A1的作用是形成一个电压跟随器，其作用是提高输入阻抗。为了保证加法电路得稳定性，加稳压二极管，对于滤波电路选取截止频率100HZ则选滤波时间常

第 23页

图 3-11电流互感器二次侧的电流波形

图 3-12 A/D口输入的电流波形

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数为10ms，1/RC=10ms，取R1=1M，则C=1PF。取俩个放大器同向输入端的输入电 阻相同，即R2=R3则可保证俩电压跟随器出来的电压值相同，取R2=10k，由于MCS-51单片机的输入电压最大为2.43V, 即电压的峰值为2.43V, 因此加法放大电路的电阻采用20K的电位器调试，获得峰值为2.43V的电压波形。

3.4开关量输出

本装置输出电路板上装有1个继电器-保护动作继电器。一般当保护装置判断出某种事件需要继电器动作时，CPU控制发出信号给继电器线圈通电，使继电器触点动作；当故障处理完毕以后，CPU控制发出信号使继电器复位。

本设计采用三极管9013驱动继电器工作，利用三极管的开关特性来达到无接触无火花的控制开启的目的，同时达到强电隔离的效果。在继电器的上面并联一个发光二极管，作为继电器动作的指示灯。为了防止继电器触点断开时产生的瞬间反向电压，在继电器回路中并联一个续流二极管。

图 3-13 继电输出电路

第 25页 3.5人机接口 3.5.1显示电路设计

显示电路主要是用来显示测量电压和测量电压。

显示电路一般可分为动态显示和静态显示。动态显示通过单片机对各数码管进行扫描来实现的。它的电路较简单，对系统资源的占用较多，可用于一些实时性要求不高，计算量不太大的场合。静态显示用硬件来代替部分软件功能，以增加硬件的开销来换取更多的系统资源。同时为了省去硬件的负担，采用以软件为主的接口方式，它是以软件查表代替硬件译码器，电路图如下。为了实现单片机的动态扫描，需要给数码管提供显示段码和位码控制，即通常所说得”段控”和”位控”本电路中P1口输出段控信号，而由P2.1、P2.2输出位控信号。俩个三极管9013是用来提供驱动电压。因为是共阳极LED，所以位驱动采用5V电压高位控制。

图 3-14 LED显示电路

3.5.2键盘电路

键盘电路是用来切换显示电压和电流，还可以实现对保护参数的设置，其电路图如下：

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图 3-15 键盘电路

3.6电源部分

目前广泛使用的单片机普遍没有配备不间断电源。因此在使用过程中，一旦发生断电等异常现象，信息就会丢失，使之无法继续进行。为了避免这种情况发生，有采用微电流对蓄电池充电或浮充的办法来防止微机断电的，但存在着充不满而使维持时间短的弱点。也有使用UPS交流不间断电源的，但成本太高。

本系统中的电源需求为：驱动电路中的光耦一路独立电源（＋15V），同时，控制电路也需要四组工作电源（＋15V，－15V，＋5V），单片机最小系统需要一路工作电源（＋5V），显示部分需要一路工作电源（＋5V），因此，辅助电源应该能提供至少五组相互独立的电源，直流电源的质量好坏与系统能否正常工作有很大的联系。因此电源设计为：两路（＋15V），两路（－15V），四路（＋5V）。

当交流供电正常时，市电经变压器变压，二极管整流，电容滤波后输出直流，再经稳压块稳压，电容滤波后输出稳定的直流供单片机和本设计中其它模块使用。

3.7通讯

由于单片机系统的数据存储能力和数据处理能力有限，以及现场实时性要求较高，故单片机现场只能暂时存储采集到的数据和对数据进行简单处理，至于大量的数据存储和后续复杂的数据处理可交给上位机完成，由于大型机具有RS-485标准串行口，所以通过MCS-51F020单片机TTL电平全双工串行口，附加RS-485电平转换电路MAX3232可与上位机实现数据通信。具体电路如图所示。

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图 3-17 RS-485与上位机连接图

3.8硬件抗干扰

由于工业环境有强大的干扰源存在，若单片机系统没有采取要的抗干扰措施，很难正常地工作，

因此，必须对单片机系统行抗干扰设计。

干扰信号可以沿各种线路侵入系统，也可以以电磁波的形式侵入单片机系统。干扰信号对单片机系统的作用可分为三个部位，第一个部位是输入系统，它使模拟信号失真，数字信号出错，单片机系统根据这种输入信息作出的反应必然是错误的。第二个部位是输出系统，使各输出信号混乱，不能真实地反应单片机系统的输出，从而导致接触器或断路器的误动作以及显示内容的错误。第三个部位是单片机系统的内核，它使单片机三总线上的数字信号错乱，从而引发一系列错误结果。单片机系统受到干扰后，一方面可能造成执行机构的误动作，另一方面可能进入死循环，造成系统“死机”。为了提高系统工作的稳定性和可靠性，本设计特设计硬件抗干扰措施。硬件抗干扰具有效率高的优点，因此硬件抗干扰措施是非常重要的。

本装置的硬件抗干扰主要采用了以下措施：

信号滤波

在电压信号输入和电流信号输入中加入了前置的模拟低通滤波器，从而可以减少信号中叠加的高频分量的干扰。从抗干扰的角度考虑，RC滤波器较LC滤波器好，因RC滤波器是耗散式滤波器，它将躁声能量变成了热能耗散掉了，而LC滤波器则会产生附加的磁场干扰，所以电感要加屏蔽罩。本系统采用的是RC滤波器。同时，在电流输入回路中，为了得到恒定的电流波形的提升，特加入3V的稳压二极管。 开关量输出隔离

继电器本身已有隔离作用，为了防止继电器动作时有教强的反压，设置了续流二极管。 电路板布线

在电路板布线的时候，将单片机最小系统，信号采集回路，显示回路，输出回路应用不同的电路

第 28页 板。

第4章 软件设计 第5章 结 论

通过我们的努力，这部以C8051F020单片机为控制核心，完成了对电流电压的采集，并初步实现了应有的结果。

本次设计由于采用阻性负载电灯泡来模拟三相电动机。本设计首先对装置的硬件和软件进行了设计和调试，在调试完成后成后进行了大量的实验验证。

由于电流互感器能把电动机的线电流变为小电流，再通过一个电阻转化为电压信号，其输入电流与输出电压成正比，这已经在设计电流互感器时验证了。因此，本实验通过改变输入电压来模拟电动机(用灯泡代替)电流的变化。

当改变本实验的输入电压与电流，与软件的整定值的配合下可以实现各种保护。 由于用单相代替三相，因此无法测到漏电电流的值，因此没有得到漏电保护的实验。

由于电动机电流较大，当采用灯泡替代的时候，电流较小，在互感器选型的时候没有考虑到，使得互感器过来的电流较小，因此在硬件调试的时候的电流检测回路进行了多次修改。

在电路板焊接的时候，布线没有考虑抗干扰，也没有在电源部分加EMC，且各级输入的去耦设计也不好，因此系统抗干扰能力较差。

电压与电流检测回路，12位ADC0采用的是单片机内部基准电压，存在波动，在2.40V～2.43V之间变化。220V市电经测量在230V波动。使得有效值检测有一定误差。 改进意见：

用电机的等效电路来搭建一个三相交流电动机模型； 采用稳定的供电电源；

在电源部分加EMC，在各级输入去耦电容； 论文小结

在电路设计和调试的过程中，大大提高了在电路设计上的知识，对单片机和电路调试有了更进一步的认识，同时也使我认识到我知识的欠缺，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，很多东西需要我更加一步的学习。

原来的学习也只是在书本中的知识，没有运用到实践中，因此，在本次设计中走了很多弯路，通过本次设计，使我学习到了任何把课堂里和书本上学到的东西如何灵活运用到实践中，同时也学会了设计的

第 29页

基本思想方法以及工作的流程。以后一定在学习知识的时候积极主动的把它运用到实践中，在实践中再学习在运用。

致 谢

四年的本科生活转瞬即逝，很快就要离开母校了。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从

开始进入课题到论文的顺利完成，有很多可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。

首先衷心的感谢我的导师关老师。本文的全部工作得到了关老师的悉心指导和亲切关怀。导师一丝不苟的工作精神、严谨的治学态度和求真务实的精神以及他那渊博的知识、丰富的实践经验、勇于开拓的科学精神和平易近人的态度，使我终身难忘，并将深深的影响我以后的工作和学习。

岁月如流水，转眼之间近四年的大学生活即将结束。回首往昔，难忘老师们的谆谆教导和同学们的热心帮助，点点滴滴都令我终生铭记在心。感谢我的同学和室友，他们在我的学习和生活中给予了我很大的帮助和支持。

感谢我的父母，养育之恩，重莫大也。大恩不敢言谢，只祝你们永远健康快乐。 感谢陇东学院对我的培养和教育。

最后，衷心地感谢在百忙之中抽出时间对论文评审的各位老师。 参考文献

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