畢業(yè)論文-三相同步電動機(jī)的保護(hù)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　三相同步電動機(jī)的保護(hù)</p><p>　　姓 名　 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　年 級 </p>

2、<p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　系?。ㄔ海?電氣工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2011年05月04日</p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

3、t;p>　　同步電動機(jī)因其轉(zhuǎn)速不變,功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地用于拖動大容量、恒定轉(zhuǎn)速的負(fù)載。在實(shí)際運(yùn)行中,由于電網(wǎng)波動、負(fù)載沖擊等的影響,電動機(jī)會出現(xiàn)故障。輕則使生產(chǎn)受損,重則造成設(shè)備損壞和其他嚴(yán)重事故,引起極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,研究同步電動機(jī)保護(hù)對保證同步電動機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的工程實(shí)際意義。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的同步電動機(jī)保護(hù)電路通過模擬的電路信號進(jìn)行調(diào)試,能準(zhǔn)確地對故障信

4、號做出正確的反應(yīng),起到良好的保護(hù)作用;能可靠的保護(hù)同步電動機(jī),達(dá)到了對同步電動機(jī)的保護(hù)要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：同步電動機(jī),失步保護(hù),單片機(jī)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The synchronous electromotor is used extensively for draggin

5、g the load of big capacity and Invariableness turn because of Its advantages of constant turning and adjustable power factor .In Its performance, the electromotor will breakdown because of Influence of power net fluctuat

6、ions and overload .these not only Influent product ,but also damage equipments .Therefore, the research of synchronous electro motor’s protecting facility Is very Important for protecting the safety and steady of synchro

7、</p><p>　　The protecting facility of synchronous electromotor can get a correct response to trouble signal by experiment. In fact, this protecting facility can protect synchronous electromotor reliably, reac

8、hing the requirement of protection to synchronous electromotor. The protector of synchronous electromotor can do correct response to deal with the faults signal and reach the protecting aim to synchronous electromotor.&l

9、t;/p><p>　　Key words: synchronous electromotor, protection of lose to trend, single chip computer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1．引 言1</b></p><p&g

10、t;　　l.1課題的目的和意義1</p><p>　　1.2同步電動機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3同步電動機(jī)保護(hù)常用方法對稱分量法簡介1</p><p>　　2．同步電動機(jī)保護(hù)模型的建立2</p><p>　　2.1對稱故障和不對稱故障保護(hù)2</p><p><b>　　2.2失步保護(hù)

11、4</b></p><p>　　3．同步電動機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1同步電動機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖6</p><p>　　3.2同步電動機(jī)保護(hù)裝置的主要配置6</p><p>　　4．同步電動機(jī)保護(hù)裝置的軟件編程方法及其原理分析9</p><p><b>　　4

12、.1主程序9</b></p><p>　　4.2顯示子程序10</p><p>　　4.3參數(shù)調(diào)整和設(shè)置子程序10</p><p>　　4.4失步判斷子程序10</p><p><b>　　5．總 結(jié)11</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)12</p>

13、<p><b>　　附 錄13</b></p><p><b>　　謝 辭18</b></p><p><b>　　1．引 言</b></p><p>　　l.1課題的目的和意義</p><p>　　電動機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用最廣泛的動力設(shè)備，也是所有動力設(shè)備的主力軍

14、，供電系統(tǒng)90%的電能是通過電動機(jī)消耗的。電勵磁同步電動機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，節(jié)約電能，因而被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)。同步電動機(jī)所帶負(fù)載種類繁多，而且往往屬于影響整個(gè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，因而，同步電動機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。</p><p>　　在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于電網(wǎng)波動、負(fù)載沖擊等的影響，電動機(jī)失步運(yùn)行時(shí)有發(fā)生，不僅使生產(chǎn)受損，重則造成設(shè)備損壞和其他嚴(yán)重事故，引起極大的經(jīng)濟(jì)損

15、失。因此，研究同步電動機(jī)的保護(hù)十分必要。</p><p>　　1.2同步電動機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀</p><p>　　電動機(jī)作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常進(jìn)行的重要保證，而在使用中造成電機(jī)燒毀甚至引發(fā)重大安全事故的事件屢見不鮮，因此做好電動機(jī)的保護(hù)具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)的重要

16、意義。為對電動機(jī)進(jìn)行有效地保護(hù)，國內(nèi)外都已經(jīng)開展了針對同步電動機(jī)的保護(hù)裝置的研究，而且無論從理論還是實(shí)現(xiàn)手都在不斷發(fā)展。</p><p>　　我國的電動機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)歷機(jī)械式、模擬電子式和智能化發(fā)展等幾個(gè)階段。但微機(jī)的普及給電動機(jī)保護(hù)，尤其是同步電動機(jī)保護(hù)帶來了革新。微機(jī)保護(hù)與傳統(tǒng)模擬式保護(hù)最根本的區(qū)別是在于微機(jī)保護(hù)的數(shù)字化。高可靠性、靈活性、方便性、及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)幾乎都是微機(jī)型保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，所以微機(jī)保護(hù)肯定是目前

17、乃至今后同步電動機(jī)保護(hù)發(fā)展的主流方向。</p><p>　　1.3同步電動機(jī)保護(hù)常用方法對稱分量法簡介</p><p>　　根據(jù)對稱分量法、當(dāng)同步電動機(jī)以及外部供電系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，故障電流可以分解為正序、負(fù)序和零序電流分量。而當(dāng)同步電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其中的負(fù)序和零序分量都很小或者沒有，由此可以通過檢測負(fù)序和零序分量的存在來判別各類不對稱故障，這一判別方法有很高的靈敏度和可靠性，尤其是

18、利用對稱分量法和過流保護(hù)結(jié)合構(gòu)成的大型同步電動機(jī)綜合保護(hù)更顯優(yōu)越性。</p><p>　　目前，在應(yīng)用對稱分量法處理電動機(jī)外部嚴(yán)重故障的診斷和保護(hù)都較成熟。但是，實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中電動機(jī)啟動過程中外部供給的三相電壓多常是不平衡的，這給保護(hù)的整定帶來了一定困難。還有當(dāng)同步電動機(jī)輕微的內(nèi)部故障時(shí)，尤以繞組端部出現(xiàn)很小匝數(shù)的匝間短路，負(fù)序電流很小，負(fù)序電流的檢測也很困難。為了解決判斷內(nèi)部故障這一問題，國外有人提出利用負(fù)序阻抗

19、的概念作為故障判據(jù)，當(dāng)同步電動機(jī)發(fā)生不對稱故障時(shí)，利用疊加原理相當(dāng)于在故障點(diǎn)上接入一個(gè)附加故障分量電源，這一故障分量電源將產(chǎn)生故障分量負(fù)序電流，據(jù)此可以得到一種計(jì)算負(fù)序電流的等效電路圖，進(jìn)而可以計(jì)算負(fù)序阻抗和負(fù)序電流。這樣的故障判別方法靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間長、還受負(fù)荷的影響較大，實(shí)用性不強(qiáng)。更有進(jìn)一步研究，按照利用故障點(diǎn)上接入等效附加故障分量電源的方法，還可以利用負(fù)序功率的方向構(gòu)成電動機(jī)故障診斷和保護(hù)，對于內(nèi)部故障，各測量點(diǎn)上故障分量的負(fù)

20、序功率均從保護(hù)區(qū)內(nèi)流向保護(hù)區(qū)外，而外部故障時(shí)則不滿足這個(gè)條件。</p><p>　　在學(xué)習(xí)了有關(guān)同步電動機(jī)的故障類型和故障判別的若干方法之后，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的保護(hù)裝置。 </p><p>　　2．同步電動機(jī)保護(hù)模型的建立</p><p>　　在學(xué)習(xí)了同步電機(jī)自身所特有的失步特征基礎(chǔ)上，提出適合單片機(jī)控制技術(shù)用的失步保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法。該保護(hù)裝置采用檢測過電流、零序

21、電流和負(fù)序電流分量為基礎(chǔ)作為電動機(jī)故障的判據(jù)，從而取代了傳統(tǒng)的以檢測三相電流經(jīng)電流電壓變換后通過監(jiān)幅電路作為判據(jù)的方法。</p><p>　　2.1對稱故障和不對稱故障保護(hù)</p><p>　　2.1.1對稱故障和不對稱故障特點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)同步電動機(jī)故障類型劃分，可分為對稱故障和不對稱故障兩類。</p><p>　　對稱故障包括

22、同步電動機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)、啟動時(shí)間過長以及三相短路等，這類故障對同步電動機(jī)的損壞主要是導(dǎo)致同步電動機(jī)發(fā)熱過多使繞組發(fā)熱超過極限甚至燒毀，這類故障還會產(chǎn)生不良的機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致同步電動機(jī)不同程度的受損。對稱故障的主要特征是三相電流電壓基本對稱，但是電流大于額定電流，有時(shí)會超出額定電流幾倍甚至十幾倍，同步電動機(jī)對稱故障的嚴(yán)重程度基本是可以通過同步電動機(jī)過電流的程度來得到反映，因此這類故障仍然以同步電動機(jī)的過電流程度作為判據(jù)。并針對不同程度的故障類

23、型有不同的保護(hù)措施，針對嚴(yán)重的三相短路采用電流速斷，其中用突變量起動更增加動作的快速性，輔助啟動用來保證可靠性。熱過載的情況用累加定子電流來滿足反時(shí)限特性。其他對稱故障類型的保護(hù)可設(shè)定短時(shí)限跳閘延時(shí)，時(shí)限可由用戶整定。</p><p>　　不對稱故障還分為中性點(diǎn)直接接地故障和中性點(diǎn)不直接接地故障兩類，在實(shí)際的同步電動機(jī)運(yùn)行中，同步電動機(jī)的供電單元一般都是低電壓等級，很少有中性點(diǎn)直接接地的情況，而且我國的電動機(jī)也是

24、中性點(diǎn)不接地的，故許多同步電動機(jī)保護(hù)不用考慮接地故障的情況，但是由于我國電動機(jī)外殼要求必須安全接地，因此如果出現(xiàn)繞組刮殼、繞組絕緣損壞等都可能導(dǎo)致接地故障，尤其是當(dāng)同步電動機(jī)工作在塵埃重和特別潮濕等惡劣的環(huán)境中，接地故障的機(jī)率就更大了，鑒于此本論文所設(shè)計(jì)裝置的保護(hù)功能對接地與不接地故障類型均作了考慮，并且都能起到良好的保護(hù)作用。</p><p>　　不對稱故障類型主要包括斷相、相間短路、匝間短路以及不平衡運(yùn)行工況

25、等，這類故障會引起三相電流的不對稱，其中不對稱的三相電流分解出的負(fù)序電流產(chǎn)生的負(fù)序效應(yīng)對同步電動機(jī)的損壞最大，可能造成同步電動機(jī)端部發(fā)熱、振動、起動受阻甚至還會使繞組發(fā)熱等問題。不接地的情況下，定子電流只分解為正序電流和負(fù)序電流(零序電流為零)，當(dāng)同步電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)只有正序電流，負(fù)序電流基本沒有，故這種故障類型可以通過檢測負(fù)序電流分量是否越限作為判據(jù)。中性點(diǎn)不接地的不對稱故障時(shí)，雖然零序電流為零，但是零序電壓仍然存在，為了可靠的保護(hù)此

26、類故障，本論文設(shè)計(jì)保護(hù)裝置還有零序電壓保護(hù)。</p><p>　　接地性不對稱故障情況包括單相接地短路和兩相接地短路等，這些故障類型定子不對稱的三相電流可分解為正序電流、負(fù)序電流和零序電流，零序電流的出現(xiàn)是接地性不對稱故障與不接地性不對稱故障的根本區(qū)別，故這類故障用零序電流作為判據(jù)。</p><p>　　2.1.2 三相平衡的判斷依據(jù)——對稱分量法</p><p>

27、　　圖2.1 對稱分量及其合成向量圖</p><p>　　對稱分量法的原理是把三組不對稱的三相電壓或電流看成三組同頻率的對稱的電壓或電流的疊加，后者成為前者的對稱分量。</p><p>　　在圖 2.l（a)中Ì、Ì、Ì依次滯后120°，稱為正序，在圖中標(biāo)有“1”字；在圖2.1（b)中，Ì、Ì、Ì依次超前120°

28、;，稱為負(fù)序，在圖中標(biāo)有“2”字；在圖2.1（c)中Ì=Ì=Ì，三相電流同相序，稱為零序。將正序、負(fù)序、零序不相關(guān)的對稱電流疊加起來，便得到一組不對稱的三相電流Ì、Ì、Ì，如圖2.1（d）。</p><p>　　運(yùn)用對稱分量法計(jì)算同步電機(jī)不對稱運(yùn)行時(shí)，各分量相互之間是沒有影響的。就是說，正序電流只會產(chǎn)生正序壓降，負(fù)序電流只會產(chǎn)生負(fù)序壓降，分量都是對稱的，

29、零序電流只會產(chǎn)生零序壓降，所以三個(gè)分量可以單獨(dú)計(jì)算。因?yàn)槊恳唤M分量都是對稱的，可以用前面所討論的分析一相的方法，這就是對稱分量法的優(yōu)點(diǎn)。最后再把三個(gè)相序的電壓或電流疊加起來，得到實(shí)際的三相各相的電壓和電流。</p><p><b>　　2.2失步保護(hù)</b></p><p>　　電機(jī)在失步狀態(tài)下運(yùn)行，將遭受強(qiáng)烈的脈振作用或大的電流的沖擊，這對電機(jī)來說是不可承受的，因此

30、必須對電機(jī)進(jìn)行有效的失步保護(hù)。由于電網(wǎng)故障瞬時(shí)斷電再自動重合閘或人為切換電源而造成的電動機(jī)失步則稱為瞬時(shí)斷電失步。定子旋轉(zhuǎn)磁場正常，轉(zhuǎn)子也帶有正?；蚪咏５闹绷鲃畲牛D(zhuǎn)子磁場和定子磁場又不同步，電機(jī)的這種帶勵異步運(yùn)行狀態(tài)，稱為帶勵失步。帶勵失步一般由相鄰出線端頭短路故障、附近大型機(jī)組或機(jī)組群起動或自起動引起母線電壓較長時(shí)間較大幅度的降低、電動機(jī)所帶負(fù)載的大幅度突增以及起動過程中勵磁系統(tǒng)過早投勵等原因所引起。同步電機(jī)的勵磁繞組失去勵磁

31、或嚴(yán)重欠勵磁，轉(zhuǎn)子磁場按指數(shù)規(guī)律消失，導(dǎo)致同步電動機(jī)反電勢E按同樣規(guī)律消失。同步電機(jī)經(jīng)過過渡過程后，滑出同步，轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒竭\(yùn)行，這種失步狀態(tài)稱為失磁失步。失磁失步是由于轉(zhuǎn)子勵磁回路某處斷路或接觸不良，勵磁繞組匝間短路，勵磁機(jī)或晶閘管勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障等原因，造成轉(zhuǎn)子失去直流勵磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場消失，從而導(dǎo)致同步電動機(jī)“失磁”。</p><p>　　2.2.1 帶勵失步和失磁失步</p><p>

32、;　　同步電動機(jī)帶勵失步和失磁失步的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：直流勵磁回路中出現(xiàn)具有滑差頻率的交流感應(yīng)電流分量。當(dāng)同步電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵磁回路中僅流過直流勵磁電流，沒有交流分量，如圖2.2（a)所示。當(dāng)同步電動機(jī)帶勵失步時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組和定子旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對運(yùn)動，電機(jī)勵磁回路中出現(xiàn)具有滑差頻率的交流感應(yīng)電流分量，如圖2.2（b)所示，它和原有的直流電流疊加，形成一個(gè)不衰減的脈動電流。當(dāng)同步電動機(jī)失磁失步時(shí)，勵磁回路中僅有交流感應(yīng)電流分量，如

33、圖2.2(c)所示。當(dāng)同步電動機(jī)發(fā)生同步振蕩時(shí)，在直流勵磁電流上疊加的交流感應(yīng)電流分量具有迅速衰減的特點(diǎn)，如圖2.2(d)所示，且其振蕩頻率一般與電機(jī)的固有頻率相對應(yīng)。同步電動機(jī)同步振蕩時(shí)不需要跳閘停機(jī)。</p><p>　　圖2.2 勵磁電流波形圖</p><p>　　2.2.2 斷電失步</p><p>　　同步電動機(jī)在電流突然中斷后，將由電動機(jī)運(yùn)行變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)

34、行維持母線電壓，這一電壓的頻率隨同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸降低，同時(shí)，作為發(fā)電機(jī)則由原來吸收有功功率變?yōu)檩敵鲇泄β?。由斷電后的行為特征可以看出，斷電失步的主要?biāo)志為:</p><p>　?。?) 電動機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，功角δ由滯后變?yōu)槌埃姍C(jī)發(fā)送有功功率。</p><p>　?。?) 電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電壓頻率同步下降。</p><p>　　對于斷電失步，可以直接以

35、電源電壓來作為失步的監(jiān)測量。考慮到電機(jī)可能由于不足以引起失步的較小干擾是電機(jī)發(fā)生迅速衰減的同步震蕩，而侵入保護(hù)動作范圍；另外，同步震蕩在保護(hù)動作區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間不會大于同步震蕩的震蕩半周期，振蕩周期對于每臺同步電機(jī)來說是固定不變的，一般不大于0.2～0.4s。因此為防止保護(hù)誤動作，還要在保護(hù)中加入一段延時(shí)，只要該延時(shí)整定合理，就能避免誤動作。同時(shí)，這一延時(shí)也是必須的，因?yàn)殡娫粗袛嗟臅r(shí)間如果非常短，電機(jī)并不會脫落失步，故在電源恢復(fù)時(shí)就沒有必

36、要對電機(jī)進(jìn)行失步保護(hù)。 </p><p>　　綜上所述，對于帶勵失步和失磁失步，則以勵磁回路出現(xiàn)交變的電流來作為失步的判據(jù)，對于斷電失步，可以直接以電源電壓來作為失步的監(jiān)測量。監(jiān)測中都應(yīng)加入合適延遲，防止誤動作。在同步電動機(jī)異步起動時(shí)，失步保護(hù)裝置不動作，躲過異步起動過程。在同步電動機(jī)發(fā)生同步振蕩時(shí)，失步保護(hù)裝置也不會動作。在同步電動機(jī)由于各種故障失步運(yùn)行時(shí)，失步保護(hù)裝置應(yīng)能靈敏、迅速、可靠地動作于電

37、機(jī)的跳閘回路。</p><p>　　3．同步電動機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1同步電動機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　同步電動機(jī)保護(hù)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。</p><p>　　A、B 、C三相電流首先經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣餍盘?。由于是交流，不能直接用單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，于是通過電壓調(diào)理電路，

38、交流信號轉(zhuǎn)化成直流脈動信號后，就可以送入單片機(jī)直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而做出判斷，并使保護(hù)器會做出相應(yīng)的動作。</p><p>　　勵磁回路中電流為直流電，在負(fù)載變動或發(fā)生失步故障時(shí)才會產(chǎn)生波動。但由于頻率很低，不宜采用電流互感器，所以選用霍爾傳感器。經(jīng)霍爾傳感器變換后的信號直接送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　故障處理方面由斷路器KM和自整步電路組成，由單片機(jī)通過隔

39、離驅(qū)動電路驅(qū)動，根據(jù)不同的故障由單片機(jī)選擇動作。</p><p>　　3.2同步電動機(jī)保護(hù)裝置的主要配置</p><p>　　同步電動機(jī)保護(hù)裝置的主要配置有電壓互感器，電流互感器，PIC16F877單片機(jī)，電壓調(diào)整電路，霍爾元件，固態(tài)繼電器等。</p><p>　　3.2.1 PIC16F877單片機(jī)</p><p>　　PIC16F877

40、系為40腳，DIP包裝的單片微機(jī)，V為正電源接腳，V為地線接腳，至于電流則和微處理器所連接的外圍電路，以及和工作速率有關(guān)。它有電阻電容、石英、陶瓷振蕩，當(dāng)微處理器有適合的電源與CLOCK后，就會進(jìn)入工作狀態(tài)指能夠去程序內(nèi)存里面拿指令并且完成正確動作，使用者還得先將指令放進(jìn)微處理器。叫做燒錄立即能動作. 其核心區(qū)域:包括程序存儲器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧、指令寄存器、工作寄存器W、狀態(tài)寄存器STATUS、RAM數(shù)據(jù)存儲器、間接尋址寄存器FSR和

41、看門狗定時(shí)器WDT。</p><p>　　3.2.2 電壓調(diào)整電路</p><p>　　電流互感器輸出的是交流信號，所以不能直接供單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須經(jīng)過電路處理，變?yōu)橹绷餍盘?，才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這里采用提升電壓的方法，即在交流信號上加上一個(gè)基準(zhǔn)電壓，使其變成直流脈動信號，以供單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過軟件處理得到信號的真實(shí)信息。該電路主要由運(yùn)算放大器LM358和基準(zhǔn)電壓源TL

42、431組成。電壓調(diào)整電路的電路原理如圖3.2所示。</p><p>　　3.2.3 霍爾元件的原理和應(yīng)用</p><p>　　近年來，新一代功率半導(dǎo)體器件進(jìn)入電力電子領(lǐng)域后，交流變頻調(diào)速、逆變裝置、開關(guān)電源等日漸普及，原有的電流、電壓檢出元件，已不適應(yīng)中高頻、高出 di/dt電流波形的傳遞和檢測?；魻栯娏麟妷簜鞲衅髂K，是近十幾年發(fā)展起來的測量控制電流、電壓的新一代業(yè)用電量傳感器，使彌補(bǔ)這

43、一空白的高性能電檢測元件。</p><p>　　霍爾電流電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的，有兩種工作方式，即磁平衡式和直測式傳感器。由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級線圈和放大電路等組成，如圖3.3所示。本系統(tǒng)中選用的是磁平衡式霍爾電流傳感器。</p><p>　　磁平衡式的工作原理是磁場平衡，即主回路電流I在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場，通過一個(gè)次級線圈的電流產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件處于檢測零

44、磁通的工作狀態(tài)，具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時(shí)，在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集，感應(yīng)霍爾器件使之有一個(gè)信號輸出，這一信號驅(qū)動相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一補(bǔ)償電流I。</p><p>　　這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場與被檢測的電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小，當(dāng)I與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與I與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，I不再增加，霍爾器件起到指示零磁通的作用。此時(shí)可以通

45、過I來測試I。如變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件就有信號輸出，即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出，經(jīng)放大后 ，立即有相應(yīng)的電流流過次級繞組，對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡所需的時(shí)間不到1μs。這是一個(gè)動態(tài)平衡的過程。因此從宏觀上看，次級的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等即:N·I +N·I=0。其中，N為原邊匝數(shù)，I為原

46、邊電流，I為次級補(bǔ)償電流。N、N可從使用手冊中查到，測得I的大小即可得知被測電流的大小。</p><p>　　3.2.4 固態(tài)繼電器</p><p>　　固態(tài)繼電器(SOLIDSTATE RELAYS)，簡寫成“SSR”是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“

47、無觸點(diǎn)開關(guān)"，它問世于70 年代，由于它的無觸點(diǎn)工作特性，使其在許多領(lǐng)域的電控及計(jì)算機(jī)控制方面得到日益廣泛地應(yīng)用。</p><p>　　SSR按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，不能混用。</p><p>　　下面以交流型的SSR為例來說明它的工作原理，圖3.4是它的工作原理框圖，圖3-5中的部件1-4構(gòu)成交流SSR的主體，從整體上看，

48、SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光藕合器”，它動作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣（耐壓）等級高:由于輸入端的負(fù)載

49、是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”，的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路4工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號，交流電壓過零時(shí)，SSR即為通態(tài);而當(dāng)斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零<

50、/p><p>　　以上對單片機(jī)控制同步電動機(jī)保護(hù)器的硬件電路原理，并對保護(hù)器硬件電路中的幾個(gè)重要組成部分進(jìn)行了分析。在電流的采集中，加入了由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路，將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號，以便單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在勵磁電流的采集中應(yīng)用了霍爾傳感器，增加了信號的準(zhǔn)確度。因?yàn)榛魻杺鞲衅饔袃?yōu)越的電性能，是一種先進(jìn)的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，該檢測元件既可以檢測交流也可以檢測直流甚至檢測瞬態(tài)峰值，

51、是代替互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。在故障處理電路中應(yīng)用了固態(tài)繼電器作為隔離驅(qū)動元件，起到了隔離干擾的作用。</p><p>　　4．同步電動機(jī)保護(hù)裝置的軟件編程方法及其原理分析</p><p><b>　　4.1主程序</b></p><p>　　主程序流程圖見附錄圖4.1。</p><p>　　主程序的主要功能是初始化

52、、調(diào)用各個(gè)子程序完成各項(xiàng)功能和控制顯示器的顯示內(nèi)容。上電復(fù)位時(shí)，主程序先進(jìn)行初始化，為各個(gè)子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各個(gè)模塊的使用做好準(zhǔn)備，然后查詢按鍵，判斷是否需要進(jìn)行各種控制參數(shù)的調(diào)整。如需要調(diào)整參數(shù)，則調(diào)用參數(shù)調(diào)整子程序，進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置；否則，保護(hù)器直接進(jìn)入同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視工作。</p><p><b>　　4.2顯示子程序</b></p><p>　　顯示子

53、程序流程圖見附錄圖4.2。</p><p>　　該程序?yàn)閯討B(tài)顯示程序，與普通的動態(tài)顯示程序基本相同。將該程序合理地插入主程序和子程序的合適位置，既可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的顯示輸出。</p><p>　　在被參數(shù)設(shè)置子程序調(diào)用時(shí)，顯示程序需實(shí)現(xiàn)設(shè)定位的閃爍功能；而被其他子程序調(diào)用時(shí)，顯示程序則不需有閃爍功能。為了兼顧以上兩種情況，設(shè)置了顯示模式指示位，通過設(shè)定該位的值，就可以方便地控制顯示模式，增強(qiáng)了程

54、序的通用性。</p><p>　　4.3參數(shù)調(diào)整和設(shè)置子程序</p><p>　　參數(shù)調(diào)整子程序的流程見附錄圖4.3。</p><p>　　該子程序負(fù)責(zé)密碼的讀取、核對，調(diào)用參數(shù)設(shè)置子程序來進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置以及對數(shù)據(jù)的存儲工作。首先程序讀取EEPROM 中的密碼信息，并調(diào)用參數(shù)設(shè)置子程序，讓用戶設(shè)置密碼。只有當(dāng)用戶輸入的密碼正確時(shí)，有權(quán)修改系統(tǒng)的參數(shù)。這種設(shè)置增加了系

55、統(tǒng)的安全性，有效的防止了錯(cuò)誤的修改對系統(tǒng)造成的損壞，帶來不必要的損失。</p><p>　　參數(shù)設(shè)置子程序的流程見附錄圖4.4。</p><p>　　該子程序的功能就是使用戶可以通過按鍵方便的設(shè)定參數(shù)的數(shù)值，確定后將新設(shè)定的值送到寫EEPROM的子程序中儲存。</p><p>　　4.4失步判斷子程序</p><p>　　失步判斷子程序的流程

56、圖見附錄圖4-5。</p><p>　　該子程序的作用是進(jìn)行失步故障的判斷和處理。程序先將霍爾傳感器送來的信號直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過比例關(guān)系計(jì)算出勵磁電流的瞬時(shí)值。將此值拿去與用戶的設(shè)定值相比較，進(jìn)而進(jìn)行失步的判斷。如果發(fā)生失步故障，單片機(jī)會發(fā)出指令驅(qū)動隔離驅(qū)動電路，進(jìn)行重整步。該子程序主要負(fù)責(zé)對帶勵失步和失磁失步的判斷，因?yàn)閮烧叨紩?dǎo)致勵磁繞組電流的強(qiáng)烈脈動。而斷電失步由三相電壓判斷子程序來負(fù)責(zé)。<

57、/p><p>　　該子程序采取了一種新穎的失步判斷方法：靠一定時(shí)間內(nèi)勵磁繞組電流超載的次數(shù)來判斷是否失步，但對與高于勵磁繞組額定電流2倍的超載電流，則直接判定為失步，防止在失步判定時(shí)間內(nèi)對同步電動機(jī)繞組造成損傷。這種失步判定方式也是從實(shí)質(zhì)上進(jìn)行判定的方式，過載電流對同步電動機(jī)的損傷主要為過載發(fā)熱使線圈燒毀和過流帶來的強(qiáng)烈電磁力使部件損壞。而對于過載發(fā)熱，需要一定時(shí)間才會產(chǎn)生可造成同步電動機(jī)損壞的溫升，在溫度還未達(dá)到同

58、步電動機(jī)承受能力前，保護(hù)器以判定完成并動作。而對于可以使同步電動機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁力而損壞的強(qiáng)烈超載電流，保護(hù)器則會瞬間動作，減少其對同步電動機(jī)造成的損害。對于負(fù)載變動引起的勵磁繞組的電流波動，由于其時(shí)間較短，不足以達(dá)到失步判定的過載次數(shù)，也不會引起失步保護(hù)電路的動作。從而可靠的實(shí)現(xiàn)了對同步電動機(jī)的失步保護(hù)。</p><p>　　這里僅簡單的介紹了本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的程序的編程方法，但單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心，其程序的編寫

59、是尤為重要。</p><p><b>　　5．總 結(jié)</b></p><p>　　在學(xué)習(xí)了有關(guān)同步電動機(jī)的故障類型和故障判別的方法之后，在學(xué)習(xí)和運(yùn)用單片機(jī)保護(hù)硬件平臺資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了能滿足現(xiàn)階段同步電動機(jī)保護(hù)需求的，以單片機(jī)為核心的同步電動機(jī)保護(hù)裝置。</p><p>　　通過檢測負(fù)序和零序分量的存在來判別各類不對稱故障，這一判別方法有很高

60、的靈敏度和可靠性，尤其是利用對稱分量法和過流保護(hù)結(jié)合構(gòu)成的同步電動機(jī)綜合保護(hù)更顯優(yōu)越。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，會逐步實(shí)現(xiàn)同步電動機(jī)在運(yùn)行過程中在線檢測、預(yù)防控制、缺陷報(bào)警、故障診斷、故障定位、故障保護(hù)、事故分析的綜合保護(hù)。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 黃席越，鄧仁明,鄭文軍. 同步電動機(jī)失步保護(hù)與重整步技術(shù)[J].

61、 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，vol.18，No.1.</p><p>　　[2] 楊喜越. 同步電動機(jī)的穩(wěn)定界限和低電壓保護(hù)裝置.[J] 冶金動力. 1994 ,（2）:1～6.</p><p>　　[3] 張連斌，蔡澤祥.微機(jī)型異步電動機(jī)綜合保護(hù)裝置的研制[J],繼電器,1996，42～46. </p><p>　　[4]王瑞明. 大型同步電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的研究[

62、D] . 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文.2003.</p><p>　　[5] Kohler J S，Sottile J，Trutt F C. Alternatives for assessing the electrical integrity of induction motors [J]，IEEE Transactions on Industory Applications. 1992，28(5)：1101～1

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68、4-5失步判斷子程序的流程圖</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　感謝我的指導(dǎo)教師xx老師在教學(xué)中治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，對學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格要求，在論文的編寫過程中，xx老師不辭辛苦的地幫助查找論文資料，講解論文的寫作要求，認(rèn)真負(fù)責(zé)審閱修改論文，致以崇高的敬意和良好的祝愿。</p><p>　　感謝學(xué)校提供優(yōu)越的學(xué)習(xí)資源和良好的