本文在分析了电动机运行状况的基础上，根据电动机常见的故障特征，如两相接地、定子绕组开路、过负荷、失压、堵转、过热等，提出了基于AT89C51系列单片机为核心的实用电动机保护方案，具有零序保护、负序电流保护、正序电流保护、过载保护、堵转保护、过热保护、失压保护等功能。最后对电动机微机保护装置提出了一些改进看法，并预测了微机电动机保护装置的发展趋势。阐述了微机保护的硬件结构原理和微机型电动机保护装置的相关情况，从而对微机型电动机保护装置有了较为深入的了解。对电动机速断、过负荷、低电压、堵转、负序过流保护在水厂的具体应用进行了分析计算。

本文应用集成电路设计以及单片机控制的各种知识，根据电动机的工作特性对三相电动机智能保护器进行了比较深入的研究。利用功能强大的单片机技术，完成智能保护器的硬件电路设计，并编制完整的电动机保护程序，最终实现过压、欠压、过载等多种保护功能，弥补了传统保护器的许多缺陷。

关键词：电动机微机保护

第1章绪论

1.1研究意义

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都大量的是使用着各种各样的电动机。根据资料统计现在有80%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着国民经济的日益发展, 作为电能转化为机械能的重要工具, 电动机在工业中的应用越来越广泛。为了使电动机安全可靠的运行, 就需要提供高性能的保护装置。电动机保护装置必须能准确无误地保护电动机, 使电动机在允许的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。传统的第一代产品电磁式保护装置以双金属片为敏感元件,双金属片受热或机械碰撞易产生永久变形, 造成保护精度不高, 调试困难, 分散性大; 第二代产品电子式综合保护装置有了很大改进, 它利用电阻电容的充放电模拟电动机的发热和散热, 但精度也不高, 且没有监控、显示功能。把单片机技术引入电动机保护装置, 大大提高了对电动机的保护特性, 保护范围广, 性能稳定可靠, 显示直观、正确、操作方便。

1.2 本课题的研究内容

电动机的内部故障可以分为对称故障和不对称故障两种。对称故障包括过载、堵转、短路等;不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障、三相不平衡等。根据称分量原理,当电动机发生对称故障时,会出现明显的过流。因此,可以利用过电流检测来实现对称故障的诊断与保护。当电动机发生不对称故障时,其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量,其中负序和零序电流在电动机正常运行时没有或很小,一旦出现必然表示出现了故障。因此利用电流中的负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性,再加之反应对称故障的检测电流幅值的方法,就可以构成能涵盖电动机在各种运行环境下所有类型的故障诊断与保护。

本课题主要研究电动机的漏电保护、断相闭锁保护、过载保护、负序电流保护、电压保护等。

第2章电动机故障类型及微机保护的特点

三相异步电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中电动机常常运行在环境恶劣的场合（如高温、高湿、尘埃、腐蚀等），导致电动机的过流、短路、断相、绝缘老化等事故频发，据调查全国约有20%的电机因故障被烧毁，近30%的电动机带缺陷运行，给日常生活和日常维护造成沉重负担，特别是高压电动机、大功率电动机，不仅造价高，更因为往往都是应用于大型工业设备的重要场合，一旦发生故障所造成的直接或见解经济损失更为惨重。因而对大型电动机的保护问题被人们广为高度重视。

2.1电动机故障类型分析

电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。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热效应，使绕组发热甚至损坏。此类故障明显特征是电流幅值的显著变化。

不对称故障有：断相、逆相、相间短路、匝间短路等。这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引起发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。此类故障明显特征是电机电流出现负序电流和零序电流。

电动机在发生不对称故障时，应用对称分量法可将三相电流分解为正序、负序和零序分量。电动机在正常运行时负序和零序分量没有或很小，一旦发生不对称故障则将会大幅值出现，因此通过检测过流幅值、负序和零序电流分量、电流不平衡率，母线电压为基础的故障判据具有很高的灵敏度和可靠性。

保护的影响。

2.2电动机的微机保护类型及特点

计算机保护主要是通过输入接口检测、分析计算电力系统及设备的有关电量和判定系统设备是否发生故障，决定是否发出跳闸信号并通过输出接口送至系统及设备。此外还有记录故障信息，方便的人机对话等。与传统的电磁型保护和晶体管保护相比较，微型计算机特别是单片微控制器以其方便、灵活、可靠、经济等独特的优点，为理论研究和实际应用提供了更先进的手段；与传统的保护装置相比，微机保护具有如下优点：

微处理器具有强大的运算能力、判断能力，能按要求快速准确的计算，并能进行逻辑判断。并可将自适应控制，随机控制及模糊控制等引入保护。

良好的记忆存贮能力，可方便的获取故障信息并在断电情况保存故障信息及整定值。信息不丢失。

可与其他微型机组网，实现远程监控、远程诊断及分布式控制、信息网控制。

可靠性高。微机保护通过系统自检，能及时发现软件和硬件故障。

通用性强。微机保护通过改变软件设计，可实现不同的微机保护，达到不同的特性，具有通用性。

体积小。与传统的电磁型和晶体管式保护相比，体积要小的多。

经济性好。随着大规模集成电路芯片的不断发展，微处理器价格不断下降，功能不断增强，使经济性不断提高。

更改整定值容易。微处理器通过外围设备，使人机对话更加方便容易，可方便的就地或通过集控室更改整定值。

通过上面的分析看到传统的保护装置是无法达到微机保护所具有的这些优势。然而，作为一种新技术，它同样也存在如下一些缺点。

对抗浪涌、干扰能力较弱。

硬件很快过时，更新、淘汰周期短。

尽管如此，微机保护的前景是光明的，它的发展趋势是不可动摇的。随着技术的发展，相信这些问题会逐渐得到解决。

第3章单片机的介绍及电动机监控系统的硬件电路的设计

3.1 8X196KX概述

本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD，它们是Intel公司继8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。Intel公司推出的MCS196系列单片机主要包括：HSI/O系列、Motor Control系列、EPA系列，本次设计主要应用HSI/ O系列；Intel80C 196KB是美国著名的Intel公司于九十年代推出的新一代单片机，是十六位微控制器。它在MCS-%基础上结构和功能又有了新的突破，是1%系列中功能较为卓著、应用较为广泛的一种。由于它性能好、功能全、价格低和用户使用方便等特点，尤其是高效的处理能力，使其特别适合于工控领域191。同时它采用CHMOS工艺，功耗低，具有节电的工作方式。

3.1.5 外部存储器的扩展

根据系统要求，主控制板扩展了两片27128作为程序存储器，两片6264作为数据存储器，存储采样的数据以及根据一定的算法计算的数据，存储器扩展电路如图3-3所示。其中ICI和IC2为程序存储器27128, IC3和IC4为数据存储器6264，扩展的程序存储器的地址范围是2000H-7FFFH，扩展的数据存储器的地址范围是8000H-BFFFH o与八位单片机不同的是，80C196KB可以按字或字节来访问外部存储器，但在读外存时，把16位数据同时取入存储器控制器，在控制器内部根据情况选取1个字节或1个字，把不用的部分舍弃。因此/RD信号同时选通高位字节和低位字节，且AO不与存储器相连。

3.2直流电源

本系统所使用的5V、15V的

直流电源都是由图3-1产生。

图3-1直流电源原理图

系统从电网直接取380V电压，经过整流、滤波、稳压装置处理得到本设计所需要的5V、15V电压。本装置采用三相全桥整流，稳压使用的是78系列的模块。

3.3系统硬件图

本系统软件采用模块化结构，由系统主程序和各功能应用子程序组成，相对独立的功能程序段均作为子程序来调用。下面分别对它们作介绍。系统硬件结构框图如图3-2所示

图3-2 系统硬件框图

3.4 两相短路保护及断相检测电路

3.4.1 两相短路保护

电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大，在进行短路保护时，即要避开启动电流，同时保护装置应是电流速断保护。

当电动机定子绕组短路时，由于短路而产生的短路电流不仅会使绕组的绝缘破坏，导致电动机损坏，而且会导致供电电网电压下降，从而影响其他用电设备的正常运行。因此必须要装配有短路保护装置。

本文相电流速断保护是装置通过检测电动机A、B、C三相工作电流的最大值，算法上能够自动判别电动机是起动时间内还是起动时间后，起动时间内和起动时间后的速断可分别整定，从而可有效的躲过电动机的起动电流，保护装置在判断电动机电流值大于速断保护的整定值后，立即动作，跳开电动机。

（1）相电流速断保护整定原则

式中 ---速断动作电流高值（电动机启动过程中速断电流动作值）（A）

---电动机启动电流最大值；

---电动机额定电流；

---电动机速断电流；

为安全系数，一般在1.1~1.3范围内取值。

为过电流倍数，一般在2~9范围内取值。

（2）相电流速断保护动作判据

Imax=max(Ia,Ib,Ic)

即 Imax≥ 在电动机启动过程中

Imax≥ 在电动机启动结束后

t≥t1

式中，Imax:A、B、C相电流(Ia,Ib,Ic)最大值（A）

：速断动作电流高值（电动机启动过程中速断电流动作值）（A）

：速断动作电流低值（电动机启动结束后速断电流动作值）（A）

t1:整定的速断保护动作ms。

3.4.2断相保护

有调查表明，由缺相运行造成电动机绕组烧毁占电动机绕组修理总数的60%-70%，缺相故障是一种不对称故障，它是一种比较严重的故障，因此，三相异步电动机的断相保护是非常重要的。

其中供电电源线一线直接断开是电机断相运行中最为常见的故障。造成供电电源直接断开的原因是：一相熔丝熔断（或螺丝松动，熔断器接触不良相当于断线），自动开关、接触器、闸刀触点损坏，一相未通等。

通过分析我们得知不平衡（断相）对电机的危害很严重，而判定故障的方法有：

（1）通过检测不对称电流计算出正序、负序、零序电流，通过负序电流来反映断相，不平衡故障；

（2）对某相电流一个周波连续采样n点的瞬间值均为零，则为断相故障；

（3）通过计算某相电流的有效值是否为零，为零为断相。

由于电动机绕组接法有Y形和Δ两种，因此对电机断相不平衡的判别要根据负序电流及三相电流的不平衡率来综合判断。

根据资料表明，在不平衡电源上运行的电机产生的不平衡电流，其不平衡度是电源电压的不平衡度的6~7倍，所以不平衡（断相）保护的判据为：

（1） θ≥25%，保护动作（不平衡度可现场根据实际工况整定），级差1%；

（2）不平衡保护动作时间，整定范围0.01~9.99s,级差0.01s。

3-3断相电流特性分析

3.4.3　负序电流保护

本文采用两段式定时限负序电流保护, 作为电动机断相、不平衡运行、定子绕组或引出组不对称相间短路、定子绕组匝间短路的主保护; 第一段具有高定值I ′2dz, 短延时t1; 第二段具有低定值I ″2dz, 长延时t2。

　 (1)负序电流检测

图3-4 为负序电流滤序器的等效电路。为使滤序器的输出只与负序电流有关,电路的参数选择

如下:

R₁ = 2 R₂ , X_C= 3 R₂

则滤序器的输出电压为

U_SC= U₁ + U₂ = I_A ( R₂ - j X_C)+ I_C R₁= 2 I_C R₂ + 2I_A R₂e - j60° (1)

式中, I₊ 、I _-分别为正序、负序电流分量,将(2) 式

代入(1) 式整理得:

U_SC= 2 R₂ 3 I _- e - j90° (3)

(3) 式表明滤序器输出电压只与负序电流有关。当电动机正常运行,即只有正序电流时,滤序器的输出电压为零,即USC = 0。当电动机发生不对称故障时,滤序器输出电压USC ≠0 ,如(3) 式所示。因为只有在故障情况下才有负序分量,所以

整定值可以选得较小,从而使保护的灵敏度得到提高。

(2)第一段整定计算

在系统最小运行方式下电动机机端两相短路时, 最小的短中电流负序分量I_(2)2min应使负序电流保

护第一段可靠地动作, 其灵敏度K cm 至少为1. 25, 按

此原则得:

I ′_2dz =I _{(2)2m in} / K cm =I _{(2) 2m in} /1.25 （5）

按式5 计算之后, 还必须校验I ′式6 计算的I ″的值, 以确保在电动机起动过程中负序电流第一段可靠地不动作。本负序电流保护第一段的延时t1 固定为1 s, 以短延时躲开断路器跳合闸及其它暂态干扰所出现的短时间I 2 的影响。

(3)第二段的整定计算

由于负序保护能反映象局部匝间短路之类的轻微故障, 对于电动机故障的早期诊断具有很大优势。然而由于实际供电电源总存在一定的不对称, 即使在正常运行时, 电动机也会有一定的负序电流存在,负序保护整定时必须躲过这一不平衡电流。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I 2, 应保证负序电流保护第二段可靠地不动作, 为此:

I ″_2dz = (0.3 - 0. 4) I_e (6)

式中I e 的意义同前。

按式6 整定的I 2dz 躲不开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I 2, 但因为有I 2 长时限, 则能保证第二段不误跳。t2 由用户整定,

一般可整定为3 s。

图3-4　负序电流滤序器等效电路

3.5过载保护　

　电动机过载工作电流增加，发热量增加，导致电动机的最终温升超过电动机的允许温升。而到达允许温升这一段时间就称为电动机的允许过载时间。允许过载时间与电动机过载倍数的关系称之为允许过载特性。它达到允许温升时间的公式如下（假设电动机一直处于工作状态）：

过流保护所针对的故障是各类短路故障及热过载, 保护特性分别为短路速断和过载反时限。本文过流保护依据式(1) 的等效电流I d。

(1)

式中K 2 为负序电流发热等效系数, 取值在K 2 = (3～ 6) 之间; I 1 为正序电流, I 2 为负序电流。过流保护分为3 段: I da ˆI db > 5 为… 段, 保护特性为速断, 针对的是短路故障; I da ˆI db 在3～ 5 之间为段, 保护特性为定时速断, 针对的是机械堵转故障(转子停滞保护) ; I da ˆI db 在1. 15～ 3 之间为À段, 保护特性为反时限过流或定时限过流, 前者针对的是热过载故障, 后者针对的起动时间过长保护;I da 为电动机运行中, 三相电流中的最大者,A; I db 为为保护动作电流, A , 可整定。

为了确保异步电动机的正常启动、运行及对其进行有效的保护，必须考虑异步电动机正常运行与过流过载保护装置的协调配合。

3-5过流检测电路

(1).过载保护在电动机起动时不应动作。由电动机启动特性可知，电动机全压

启动电流一般为电动机额定电流的3-7倍，此时单片机检测的电流大大超过正

常预置值，但这是保护不应动作，确保其正常启动;但电动机启动时间又不能太

长(例如重负载启动时)，为了确保电动机不被烧毁，必须限制电动机的启动时

间，使能起到过载保护作用。

(2).过载保护瞬时检测电流应比电动机最大冲击电流略大一点。当电动机运行

于轻载时，突加负载时其冲击电流较大，此时单片机应累计大电流时间，时间超

出预置值时，必须加以保护，否则认为运行正常，保证电动机正常运行。

(3).电路一旦在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的短路保护装置(如

熔断器等)来切断电路。若故障过电流较小，属于过载范围，则应由过载保护装

置切断电路。故过载和短路的之间在控制策略上应有区别性。

依据《低压开关设备和控制设备。低压机电式接角器和电动机起动器》作出的规定对过流过载的电流保护标准:

当电动机启动时，电动机输入电流达额定电流的4-7倍，此时电流检测的

比较阀值设置为额定电流的8倍，20秒后其过流阀值为额定电流的1.2倍。当

正常运行时，负载突增至过载时，线电流也会发生过流现象，此时三相同时超过

额定值，但小于断相闭值，当超过额定值50%时，立即停止发送触发脉冲，发

出报警信号;当小于20%时，可以继续监测，正常运行，但是发出报警信号;

当电流大于20%又小于50%时，发出报警信号，等待人工干预，如果30秒钟无

人响应，则停止发送触发脉冲，停机等候人工干预。

3.6接地保护

在电动机绝缘被破坏时，将导致绕组对外壳短路，引起绕组对地短路故障。

在发生绕组接地故障时，不仅故障电流通过定子铁芯引起铁芯过热，性能变坏，而且使电机外壳带电，严重威胁着操作人员的生命安全，.所以要有单相接地保护措施。

接地保护原则

电动机接地保护故障取决于供电系统的中性点接地方式。在直接接地或中性点经电阻接地系统中，此时发生单相接地短路故障，就如多相短路一样，接地短路故障电流将是很大数值，因此需要装置接地保护装置，对于大电流接地系统在满足足够的灵敏度的条件下，可由三相电流互感器的电流之和来取得零序电流或装设专用的零序电流互感器，此时保护装置应速断保护，断开电动机。而对变压器的中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中故障电流仅为几安培接地故障的动作时间可整定。

零序电流保护

对小电流接地系统应装设专用的零序电流互感器来取得零序电流，在本文的设计中使用专用的零序电流互感器，动作电流倍数和动作时间可整定。

零序保护即接地保护, 当3IO大于保护的动作电流I ′Odz 时, 经短延时t 保护出口动作, 发出接地信号或跳闸〔3〕。对我国3 kV ,6 kV , 10 kV 电网中的大多数变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统, 保护通常只需发地信号, 不跳闸。零序电流保护的短延时可整定为0. 1～ 0. 5 s。对3 kV ,6 kV , 10 kV 电网中的少数变压器中性点经高阻接地的电网, 保护动作于跳闸, 其动作电流I ′2dz 应躲过电动机在起动过程中由于三相电流以不完全对称而出现的三倍不平衡零序电流, 延时整定为0. 5s, 以此延时来躲过相间短路对零序电流保护的影响。

（1）零序电流检测

当电动机发生单相接地短路、绝缘击穿等不对称故障时,各相电流中会出现零序电流分量,利用这个原理就可以实现对发生上述故障的保护。检测装置采用零序电流滤序器,其电气原理如图3-6所示。它由3 台具有相同型号和相同变比的电流互感器构成。电动机正常运行时,三相电流是对称的,只有正序电流,则零序电流滤序器的输出电流为0 ;当电动机发生故障时,三相电流中包含有正序、负序和零序电流分量,由于正序、负序三相电流分量之和分别等于零,故只有零序电流分量

流过,即

I_J = I_a + I_b + I_c =3 I₀/ N_LH (4)

式中, NLH为零序电流滤序器的匝数比

零序保护即接地保护, 当3IO大于保护的动作电流I ′Odz 时, 经短延时t 保护出口动作, 发出接地信号或跳闸〔3〕。对我国3 kV ,6 kV , 10 kV 电网中的大多数变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统, 保护通常只需发接地信号, 不跳闸。零序电流保护的短延时可整定为0. 1～ 0. 5 s。对3 kV ,6 kV , 10 kV 电网中的少数变压器中性点经高阻接地的电网, 保护动作于跳闸, 其动作电流I′2dz 应躲过电动机在起动过程中由于三相电流以不完全对称而出现的三倍不平衡零序电流, 延时整定为0. 5s, 以此延时来躲过相间短路对零序电流

（2）零序电流保护的整定计算

接地保护与系统中性点的接地方式有关，当系统中性点接地方式为不接地或高阻接地时，零序二次额定电流定为I_0e=0.02A，当中性点接地方式为直接接地或小电阻接地时，零序二次额定电流为I_0e=0.2A。接地保护动作电流倍数是以I_0e为基准的标么值。图3-6 为零序电流滤序器的等效电路

图3-6 　零序电流滤序器等效电路

3.7 开关信号输入回路

本系统单片机及其外围扩展芯片工作于+5V直流电源，为了防止控制板外较高电压进入单片机系统内而造成单片机及接口损坏，以及阻止由外部长输送线带来的干扰信号进入单片机，需要对采集来的输入信号进行电气隔离。对输入开关量采用光电隔离，如图3-7所示。

图3-7　开关量输入回路

来自各位置开关的开关信号，经光电隔离转换成单片机可以接受的开关信号，送入单片机的I/O口，由单片机进行检测。

采用光电隔离有如下优点：输入输出间绝缘电阻高，可达109Ω，耐压最高可达10KV；输入阻抗低，对抑制干扰信号有益；响应速度快，动态性能好，并且有较好的稳压性能；容易实现不同电平的转换。

3.8开关信号输出回路

在本次设计中，单片机输出的开关量有控制合分闸的合分闸信号、故障显示和报警信号。由于单片机的负载能力有限，跳闸和合闸驱动继电器工作于+12V直流电源。单片机及其外围扩展芯片工作于+5V直流电源，为了防止控制板外较高电压进入单片机系统内而造成单片机及接口损坏，以及阻止由外部长输送线带来的干扰信号进入单片机，需要对采集来的输入信号进行电气隔离。对输入开关量采用光电隔合分闸的光耦驱动电路如图3-8所示。

图3-8开关量输出回路

3.9 发光二极管报警电路

当电动机发生故障时，单片机控制系统不但接通调闸回路，而且要发出报警及指示以提醒工作人员解除故障。为使报警较可靠的引起工作人员的注意，本设计采用发光报警。报警电路如图3-9所示：

图3-9发光二极管报警电路

3.10合闸和跳闸电路

本系统采用96系列单片机控制和保护高压电动机，为了使系统更加完善，本次设计主要采用单片机控制电动机的开合闸，由单片机指令通过键盘设置来完成对电动机开合闸线圈的控制。合闸和跳闸电路如图3-10所示

图3-10合闸和跳闸电路

3.11欠压保护

过低的运行电压，会给工业生产带来不便，并且容易造成电动机的不正常运行。在对电压要求较高的异步电动机上可装设欠电压保护。对于轻度的欠电压可动作于信号，对于严重的欠压，动作于跳闸。

本设计是将采样所得线路上的电压信号，送入单片机，与额定电压值进行比较，当供电电压低于电动机额定电压的0.8倍时，瞬时动作于跳闸，以实现欠压保护。其检测电路如图3-11所示

3-11欠压保护原理图

3.12键盘电路

本系统所设计的键盘电路如图3-12所示,这六个键的功能分别是:合闸、跳闸、增加、减少、设置、显示。键盘由一组常开的按键开关组成，每个按键都被赋予一个代码，称为键码。键盘系统的主要工作是及时发现有键闭合并求闭合键的键码。键盘可以分为两种，即编码键盘和非编码键盘。编码键盘是通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可作为CPU的中断请求信号，以通知CPU以中断方式接收所按按键的键码。这种键盘使用方便，所需程序简单，但硬件电路复杂，常不被微型计算机采用。非编码键盘是通过软件来识别键码。但是非编码键盘的硬件电路简单，用户可以方便的增加键的数量，因此在单片机系统中应用广泛。

按键电路和消除抖动

键盘中的按键的开关状态，通过一定的电路转换为高、低电平状态，按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放都要经过一定的过程才能达到稳定。这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采取措施消除抖动。消除抖动的方法有两种，一种是采用硬件电路来实现，如用滤波电路、双稳太电路等。另一种是利用软件来实现，即当发现有键按下时，延时10-20ms再查询是否有键按下，若没有键按下，说明上次查询结果为干扰或抖动；若仍有键按下，则说明闭合键稳定，即可判断其键码。

非编码键盘的结构

由于本设计所需要的键盘数量不是太多，所以设计采用了独立式按键，不需采用行列式键盘。故在这里只多独立式按键进行简单的介绍。

独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键站用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生相互的影响。图3-12所示为80C196KC一种独立式按键电路，当图中的某一个键闭合时，相应的I/O口线变为低电平。当程序查询到为低电平I/O口线时，就可以确定处于闭合状态的键。独立式按键电路的结构和处理程序简单，扩展方便。但是其缺点是占用I/O口线相对行列式键盘较多，不能用在按键数量较多的场合

3.13 对称性短路保护

电动机的短路故障主要发生在定子绕组，当定子绕组出现短路时，电流会达到额定电流的10倍以上，不但使电动机严重损坏，酿成事故，而且可能导致电网电压显著下降，影响其它用电设备的正常运行。因此，应装设防止短路的保护装置，短路保护装置应该是瞬时动作，即瞬时断开发生故障的电动机，把事故限制在最小范围。

电动机短路时相当于纯电阻负载，这时它的功率因数角在0.9-1之间，但是电动机启动时相当于有感性负载连入电路，这时它的功率因数角在0.35-0.4之间。通过功率因数角的不同就可以判断出电动机是否真的发生短路故障。它的具体实现电路图如图3-13所示在图3-14相位角θ计算原理图中：A相电流互感器输入到运放的电压矢量与电流矢量方向相同，输出电压为U2；而由A、B相电压互感器输出电压矢量经过电容C的移相作用，使之与电压矢量的方向相同，它输入到运放后得到电压U1；U1和U2经过异或门最终得到和的相位角θ的时间脉冲，单片机通过P口捕捉输入线得到这个相位角θ时间脉冲的时间，然后由单片机换算后得到相位角θ的大小，从而判断出电动机是否发生短路故障。

图3-13对称性短路保护的采集电路

图3-14 相位角θ计算原理图

第4章软件设计

微机保护的软件是一种实时功能处理软件。软件是微机应用的关键，是数据处理、运算、逻辑判断的具体表现。电动机微机保护装置与传统的保护方式的主要区别是可通过软件编程去控制硬件执行来实现保护功能。

4.1主程序设计

这部分程序主要用于完成装置的各项保护功能，系统主程序软件框图如图4-1所示。，本系统为综合保护系统，所以对采集数据运算处理，在故障时动作于保护，并产生报警信号。主循环过程为：单片机接收经A/D转换器转换成数字信号的电动机电流及电压信号，对其进行逻辑运算处理，同时将电压或电流显示在LCD上。如果满足故障条件，单片机输出跳闸信号驱动跳闸，并显示故障类型产生报警信号。单片机同时接受外部开关量信号及键盘产生的中断信号，对外界的状态及设定做出相应的判断和处理。

在开始时首先对单片机初始化，包括T0 、T1、T2、显示缓冲、中断等，再对外围器件初始化，包括LCM1233221等。在主程序中初始化以后，首先调用数据采集，然后调用显示程序用于显示系统的电流或电压参数，再调用各种保护子程序，顺序检测是否有短路，过流，短路、不平衡等故障。若满足任何一种故障条件，则调用相应保护子程序。否则继续调用下一种保护。

图4-1主程序流程图

4.1.1不平衡（断相）保护

缺相运行故障是电动机的一种比较严重的故障，系统主程序在作了短路判断后，接着进行不平衡（断相）判断，它的故障特性在前面第二章已经讲述过了，当有不平衡（断相）故障发生时，就进入不平衡（断相）故障处理模块，在到达整定的时间时，输出跳闸信号并显示故障信息、时间、日期。

4.1.2欠压保护

电动机在低电压状态下运转时，转矩急剧下降，导致电动机发热、过载故障。

本系统可通过整定决定是否投运欠压保护功能，如果整定时设置欠压保护功能，在系统开始上电，电机还未运行时就监测供电电压，判断电压是否低于整定值U_欠，如果U<U_欠则进入欠压处理子程序，禁止电动机起动。

在电动机正常运转时，主程序通过检测供电电压，当U<U_欠时，系统转入欠压故障处理子程序，输出跳闸信号并显示故障信息、时间、日期。

4.1.3 接地故障保护

从如图5.1流程图可看出，主程序在作了上述各故障的判断后，进入接地故障判断模块，主程序首先判断是否投运接地故障保护功能，如在整定时，设置投运了接地故障保护功能，则进入此功能模块。

系统采用专用的零序电流互感器来获取零序电流信号，此信号经I/V变换后，遇到运放送到多路转换开关。接地故障保护与系统中性点的接地方式有关。对于变压器中性点不接地或高阻接地系统，接地故障电流较小，而对直接接地或小电阻接地系统，接地故障电流较大，系统输出报警和跳闸信号，用户可根据实际需求决定接入报警回路或跳闸回路，接地保护的动作时间，零序电流的动作倍数可视情况整定。在判断有接地故障后，系统在输出跳闸信号的同时，显示故障信息、时间、日期。

4.1.4过负荷保护

在电动机发生过载时，系统主程序将采样、处理后的电流值与额定电流值相比较，系统根据检测的电机过载倍数，按照反时限保护的动作方程特性，自动设置保护动作时间，在时间到达时，进行跳闸保护。它的反时限动作特性方程为：

由反时限动作特性方程可以看出，在时间常数T和环境温度相同的情况下，电流过载倍数越大，过负荷保护动作时间越短，两者呈反时限关系。在环境温度一样的情况下，电动机时间常数T越大，其过载保护动作时间越长，与T呈反比。

4.2. 键处理功能软件设计

装置面板上共设有五个功能键，每个键相当于一个按钮，把所按的键转为相应的命令是通过键输入与译码子程序实现的。

在前面硬件设计中，已经介绍过键输入程序首先是检查是否有键闭和，程序按行输出扫描键盘，同时检查列值输入，当检测到有某一键闭合时，转至键盘译码程序，由行值与列值的组合，从键码表中找到该键对应的键码值，并记下位置，在键处理散转比较时，当键码相等时，进入该功能键处理子程序，执行相应的命令处理程序。键处理子程序流程图如图4-3所示，

（1） 键盘功能及使用

在整定方式时，按数据+、–键，可增加或减少在光标相应处的参数值

“合闸”、“跳闸”键分别控制电机的合闸、跳闸线圈以完成对电机的保护。

“设置”键用来设置单片机内部的关于电动机的各项参数。

Dcb 0bfh,0dfh,0efh,0beh,0deh,0eeh

Dcb 0bdh,0ddh,0edh,7fh,7eh

……

4.3系统故障保护子程序

图4-4系统故障保护子程序

4.4相敏保护子程序

相敏保护原理见前面所述。功率因数角φ的范围为0～90˚，功率因数值的转换采用查表法（见表4.1所示），在表格中共放有250个功率因数值，从0～90˚每间隔0.36˚即可查到一个功率因数值，对应定时器的计时值间隔为10。故可将测量结果除以10取整其运算结果作为查表偏移量地址。通过执行查表指令MOVC A，@A＋DPTR，可查得对应的功率因数值。表格中的功率因数值为4位BCD码，一位是整数，三位是小数部分，共占用二个字节地址单元。

图4-9，图4-10和图4-11分别给出了T₂中断服务子程序流程图和功率因数转换子程序流程图。

表4.1功率因数转换表

测量结果

表格数据地址

存放功率因数

•

100

•

2480

2490

2500

TAB+0

TAB+2

TAB+3

•

TAB+20

•

TAB+496

TAB+498

TAB+500

1.000

0.999

•

0.992

•

0.012

0.006

取出T2值储存到缓冲区62H并减去60H值

60H~63H 清零,置HSI0上升沿捕捉

图4-5 T₂下降沿触发中断服务子程序

图4-7 T₂上升沿触发中断服务子程序

图4-6功率因数转换子程序

4.5 A/D转换子程序

4-8 A/D转换流程图

4.6液晶显示原理

LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。与传统的阴极射线管（CRT）相比，LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。不足：与同大小的CRT相比，价格更加昂贵。

液晶显示器选用LCM12232ZK显示模块,该模块内部具有显示驱动电路，并自带汉字库及各种字符显示码。它可以显示两行汉字，可以有串行和并行两种工作方式。由于对显示时间的要求并不高，所以本系统中采用串行方式，这样可以省去一些I/O口以及连接线。该模块在串行工作方式下的的引脚说明见表5.1

液晶显示器选用串行工作方式，其中数据线7引脚接单片机的P4.0,时钟线8引脚接单片机的P4.1。单片机向显示器写命令和数据时都要由程序来提供同步时钟脉冲。每一位的数据都要对应一个时钟脉冲。

表5.1 LCM12232ZK引脚说明

引脚	名称	说明
1	V0	LCD亮度调整
2	VR	LCD亮度调整
3	GND	地
4	VCC	3V/5V
5	NC	未用
6	CS	片选（串行） 0：禁止 1：允许
7	SID	输入串行数据
8	SCLK	输入串行脉冲
9	D0	并行数据线0
10	D1	并行数据线1
11	D2	并行数据线2
12	D3	并行数据线3
13	D4	并行数据线4
14	D5	并行数据线5
15	D6	并行数据线6
16	D7	并行数据线7
17	PSB	控制界面 0：串行 1：并行
18	/RST	复位信号低有效
19	LK	背光源正极
20	LA	背光源负极

本设计所采用的液晶显示电路如图4-9所示

LCM12232ZK

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

5kΩ

V_CC

GND

+5V

Vss

P4.5

P4.4

P4.3

10μF

RST

P4.0

P4.1

87c552

4-9液晶显示电路

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第2章 电动机故障类型及微机保护的特点

第3章 单片机的介绍及电动机监控系统的硬件电路的设计