电动机综合保护器的设计讲解

摘要

交流电动机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作

用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失，因此在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电动机保护装置己经成为必要。

近年来，随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，各种类型的微控制器、数字信号处理器、以及其它嵌入式处理器在电动机保护领域得到了广泛的应用。本文围绕基于微控制器的电动机综合保护装置的研究这一任务而展开，开发了适用于各种现场环境的交流电机测量、监控、保护一体化装置。本文的主要研究内容概括如下。

1．分析了电动机运行的基本原理、电动机故障特征以及保护原理。

2．给出了电动机保护装置的实现方案。本装置可实现以下故障保护：短路保护、堵转保护、过流保护、不平衡保护、断相保护、过压保护、欠压保护、漏电保护以及过热保护等功能。

3•以STC90C58A单片机为核心控制器设计了电动机保护硬件单元，并配以液晶显示器等外围设备构成电动机保护系统。

4 •在软件系统的设计上，根据STC90C58A单片机的编程结构特点，采用模块

化编程思想，将系统功能分解成较小的功能模块，然后用子函数和中断处理函数等实现了电动机保护功能。

最后，通过实验对电动机保护器的可靠性进行检验，实验表明，此电动机保护器的测量精度，灵敏度以及保护性能均达到了设计要求。

关键词：电动机保护，单片机，故障诊断，数据采集。

目录

第1章绪论 (1)

1.1电机保护器研究的背景及意义 (1)

1.2电机保护器的历史和现状 (1)

1.21以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式 (1)

1.22普通电子式电动机保护器 (2)

1.23智能型电动机保护器 (2)

1.3微处理器的发展特点 (3)

1.4电动机保护器设计的主要工作和论文的各章节安排 (3)

第2章电动机保护原理 (5)

2.1异步电动机的运行原理 (5)

2.2电动机故障分类 (5)

2.3电动机保护原理分析 (7)

2.4电动机故障特征分析及保护判据 (7)

2.41短路故障特征分析及保护判据 (7)

2.42堵转故障特征分析及保护判据 (8)

2.43断相故障特征分析及保护判据 (8)

2.44过载故障特征分析及保护判据 (10)

2.45欠压和过压故障特征分析及保护判据 (13)

2.5本章小结 (14)

第3章电动机保护器硬件电路设计 (16)

3.1概述 (16)

3.11电动机保护器硬件系统的技术要求 (16)

3.12保护装置硬件设计综述 (16)

3.13各模块研究 (17)

3.2中央处理模块 (17)

3.21 STC90C58A单片机的主要特点 (18)

3.22处理模块电路设计 (18)

3.3键盘、显示模块 (19)

3.31键盘设计 (19)

3.32显示设计 (20)

3.4电源模块 (22)

3.5数据采集模块 (24)

3.6报警和保护动作执行模块 (24)

3.7通信模块 (24)

3.8本章小结 (25)

第4章电动机保护器系统软件设计 (26)

4.1 程序设计语言选择 (26)

4.2保护器软件系统整体设计 (27)

4.3保护器主程序设计 (27)

4.4键盘子程序设计 (30)

4.5显示子程序设计 (30)

4.6定时器及数据采集子程序设计 (31)

4.7 参数调整子程序设计 (32)

4.8故障处理子程序设计 (35)

4.9系统菜单式操作界面设计 (36)

第5章电动机保护器实验及可靠性验证 (37)

5.1电动机保护器测量精度测试实验 (37)

5.2电动机保护器过流保护实验（分段保护） (37)

5.3电动机保护器电压保护实验 (38)

5.4电动机保护器轻载保护实验 (38)

5.5电动机保护器实验总结 (39)

第6章总结及展望 (40)

参考文献 (41)

谢辞 (42)

第一章绪论

1.1电动机保护器研究的背景及意义

在重要的工矿企业中，0.4kV交流电动机作为原动力和执行器，得到了广泛应运。供电系统70%的电能是通过电动机消耗的。由于交流电机具有结构简单、制造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用。电动机所带的负载种类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而，电动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。

在实际的生产环境中，由于电网波动，负载冲击以及外界环境高温、高湿、粉尘等的影响，导致电动机的安全运行受到很大的威胁。电动机的故障或不正常运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其它安全事故，引起重大的经济损失，电动机保护器的研究就显得十分必要。据有关方面统计，全国每年电动机损毁数量在300万台以上，仅电动机的维修费用就在百亿元以上，因电动机不正常工作所造成的耗电量高达数十亿KWh间接经济损失更是数目惊人。而且这一数字还在不断增长。

另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越小，导致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求电动机经常在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现故障的概率更加难以确定，故障后导致的后果也更加严重。

因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研究有着深远的意义。

1.2电动机保护器的历史和现状

1.2.1以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式

热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过载保护器，是长期以来我国电动机保护器所采取的主要技术方法。

这种电动机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成，控制方式主要分为以下四种：(1)熔断器一交流接触器一热继电器；(2)断路器一交流接触器一热继电器；(3)熔断器一断路器：(4)熔断器一断路器一交流接触器一热继电器。热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装置。热继电器在电子技术尚不

发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理：双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保护基十单片机控制的电动机保护器设计的目