第 !! 卷第 9 期 ! " " # 年 $ 月 %&’()*+ &, -&’./0() 1)-.1.’.0 &, 20.*++’(34 南方冶金学院学报 :;<7!!8);79 25678 !""# 用单片机实现对异步电动机的保护 刘 宏 # ! 刘 宇 ! （#7南 方 冶 金 学 院 自 动 化 系 ，江 西 赣 州 9=#"""；!7福 建 实 达 集 团 ，福 建 福 州 9$""""） 摘 要：介 绍 了 以 >"?$# 单 片 机 为 核 心 的 异 步 电 动 机 保 护 系 统 ，其 保 护 原 理 完 善 ， 实现了全数字化处理，具有抗干扰能力强，可靠性高特点7 关键词：单片机； 异步电动机 中图分类号：.29=9 文献标识码：* 文章编号：#""@A#!!B（!""#）"9A!"BA"9 " 前 言 异步电动机C以下简称电动机D的常见故障可分为两类：一类为对称故障；另一类为不对 称故障7对称故障主要有对称过载、机械堵转、三相短路和电压欠压等，前 9 种故障主要反映 为正序电流分量增大，致使电动机发热烧损7不对称故障有两种：一种为非接地性故障，如三 相电源严重不对称、断相、反相、局部匝间短路等，主要反映为有负序电流分量产生使电动机 集肤效应增强，发热加剧；另一种是接地性故障，如单相接地、转子刮壳等，主要反映为有零 序电流分量产生 E#F7常用的机电式和集成电路式电动机综合保护系统难以覆盖电动机各种故 障，随着计算机和微控制器技术的飞速发展，利用单片机强大的数据处理能力，实现对电动 机的新型故障保护系统成为可能7 # 硬件电路原理 该保护系统以 >"?$# 单片机为核心，其原理见图 #，其中 !"8!#8!"8$"#C!" 为零序电流，$"# 为 " 相、# 相线电 为线电压D分别由对应互感器二次 测 得 ，变 换 电 路 主 要 由 隔 离 变 压 器 、 流，!" 电流 G 电压变换电路、放大电路及低通滤波电路组成；单片机系统由 (*2、0H(&2、00H(*2 、!# !" !% !# 变 换 电 路 采 样 保 持 变 换 电 路 变 换 电 路 变 换 电 路 变 换 电 路 多 路 模 拟 开 关 * G I 转 换 单 片 机 系 统 跳 阐 回 路 声 光 报 警 整 定 G 显 示 电 路 图 # 单片机对异步电动机的保护系统原理图 收稿日期：!"""A##A!> 作者简介：刘 宏（#BJ>A ），男，讲师7 

南方冶金学院学报 !"# （存放整定值）等构成；整定 % 显示电路以键盘输入和数码显示& ! 软件设计及保护原理 !"# 保护模块设置 !##" 年 $ 月 根据电动机不同类型故障所具有的不同特征，电动机保护设置 $ 大模块分别为：启动时 间过长保护模块、过流保护模块、负序保护模块、零序保护模块、欠压保护模块& ’"(启动时间过长保护模块可模拟电动机的启动过程，并可根据不同类型电动机灵活 整 定启动时间，以防止启动时发生堵转等故障烧毁电动机& ’!(过 流 保 护 针 对 的 是 热 过 载 、堵 转 及 各 类 短 路 故 障&为 了 反 映 正 序 电 流 和 负 序 电 流 的 的 发 热 模 型 来 构 造 反 映 发 热 效 应 的 等 与 负 序 电 流 !! 不 同 发 热 效 应 ， 可 采 用 正 序 电 流 !" 效电流 !"# ： ! ! "# )!" ! *$ !! ! ! 式中：+!),-"# 为负序效应系数，对于模拟 .! 机灵活整定，一般可为 / 过流保护设为 , 段：第 " 段为速断（!"# % !" 0 1），针对各种短路故障；第 ! 段为反时限（1 0 !"# % !" 0 $），针对堵转故障；第 , 段为反时限（$ 0 !"# % !" 0 "&#$）针对过负荷&为充分发挥 电动机的过载能力，避免频繁停机，第 !、, 段的反时限动作特性（%-!"#）为： 的增强发热效应，可根据不同类型的电动 %) !" ’!"# % !" (!2"&#$! 式中：!")"$#-!!$#3 为热效应时间常数，可整定输入，以更好模拟电动机负荷曲线& ’,(负序保护针对的是三相电源严重不对称、断相、反相和局部匝间短路等故障，该模块 设 置 为 二 段 ，一 段 针 对 严 重 不 平 衡 故 障 （反 相 、断 相 等 ），为 防 止 事 故 扩 大 设 置 为 速 断 （!! 0 较小，为避免影响工作，设 置为短时限，按 "&#!" 躲过供电电源允许存在的不对称整定，根据供电质量要求可取为 !"0 !! 0#&#$!"& ）；另一段针对三相电源严重不对称，此时 !! ’4( 零序保护模块针对的是各类接地故障，采用零序电源互感器测量零序电流 !# ，!# 按 躲过电动机支路的对地电容电流整定& ’$( 欠压保护模块可根据电动机的特性、负载情况及生产工况，按不同的电压值和时限 来 整 定 保 护 电 源 电 压 稳 定 ， 利 于 母 线 电 压 恢 复 及 重 要 电 动 机 的 自 启 动 ， 此 模 块 可 根 据 用户需要选用或屏蔽5,6& !"! 软件算法 ’"(该系统对 &’ 、&( 两相电流交流采样，利用滤波算法得到正序、负序电流分量，实现了全 数字化处理&当采样频率 )*)/##78 时，其离散滤波算法模型为： &"’’+()5&’’+(*&’’+*!(*&(’+*!(*&(’+*4(6 % , &!’’+()5&’’+(2&’’+*4(2&(’+*4(2&(’+*!(6 % , 式中：&"’ 9 &!’ 分别表示第+ 个正序电流、负序电流离散点，+ 表 示 当 前 采 样 次 数 ，其 数 窗宽度为’$ % "!(:,（, 为工频周期） ’!(正 序 电 流 、负 序 电 流 、线 电 压 的 有 效 值 ，采 用 傅 里 叶 级 数 算 法 计 算 ，当 采 样 频 率 )*) 

第 !! 卷第 " 期 $%%&’，每工频周期有 #! 个离散点，其离散算法模型为： 刘宏等：用单片机实现对异步电动机的保护 !## #!!"(!)##!*#$+,)#!*#-*#.,##%+,")##*#/*#0,###+ #!!# (!)#"*#1+,)##*#/*###,#0+,")#!*#-*##%,#.+ ! ! ! ! (!" , !# 为实部，!# 式中：!" )"+对于零序电流有效值的计算，采用两点乘积算法，其算法模型为： 为虚部，! 为有效值2 ! % ()# ! # ,# ! ! ! + 3 ! 式中：## 为提高计算精度，减小截断误差都采用浮点算法，充分发挥了单片机较强的数据处理能 为任意两个相隔为 1%4的采样点，!% 为零序电流有效值2 和 #! 力2 ! 抗干扰措施 抗干扰措施分为硬件抗干扰和软件抗干扰2硬件抗干扰措施主要有隔离变压器、低通滤 波、光电隔离、配置去耦电容和旁路电 容 、印 刷 板 地 线 构 成 闭 环 路 、数 字 地 与 模 拟 地 一 点 相 连，软件系统采用数字滤波算法2 " 小 结 本电动机保护系统实现了采集量的纯数字化处理，各保护程序实现了模块化设计，便 于扩充2具有整定值输入直观方便、易于操作、抗干扰能力强等优点2 参考文献： 5#6 秦 曾 煌2 电 工 学5762 北 京 ：高 等 教 育 出 版 社 ，#11%，"#$*"$"2 5!6 潘 新 民 ，王 燕 芳2 单 片 机 微 型 计 算 机 实 用 系 统 设 计5762 北 京 ：人 民 邮 电 出 版 社 ，#11.，"-#*./"2 5"6 魏 庆 福2 89: 总 线 工 业 控 制 机 的 设 计 与 应 用5762 北 京 ：科 学 出 版 社 ，#11!，""!*."12 #$%&’ ()%* +%,-.,./*012- 1. 3,)%242 5-.12,1%.& .6 3$7&,)-.&.0$ +.1.- 89# :.&’; < 89# =0> )#2:;<2 => ?@A=BCAD=EF 8=@AG;HE IEJA2 => 7;ACKK@HLM2 NCEOG=@ ".#%%%FPGDECQ !28GDRC N<2S=2TAR2 => U@VDCE WH=X2 FU@OG=@ "0%%%%FPGDEC+ 3?$1-@,1A!YJDEL -%P0# PGD< 7DSH=S=B<@A;H FAG; CJMESGH=E=@J B=A=HJ DJ DEAH=R@S;R DE AG; ;SA2 U@KK RDLDADOCAD=E ;H;ES;*H;JDJACES; CER H;KDCZDKDAM DJ LH;CA2 B27 C.-D$A CJMESGH=E=@J B=A=H Q SGD< BDSH=S=B<@A;H