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1、智能電機保護器電路設計摘要隨著中國社會的進步與發(fā)展，相應的電力系統(tǒng)方面也迅猛發(fā)展。其中，電力工業(yè)上中的電動機也得到了廣泛的使用與發(fā)展，這樣一來，確保電機在運行過程中的安全與故障的檢測也變得尤為重要。 本文以芯片PIC18F系列為主控核心芯片，進行電機保護裝置的設計。該芯片在指令系統(tǒng)，總線結構，功耗以性價比等方面大大超過了傳統(tǒng)的單片機。與此同時，該芯片內部集成了大量的片內外設置，使其功能和可靠性大大提高。文中介紹了電機故障的分類以及電機保護的發(fā)展歷程。文中還介紹了一些的關于電機故障分析時的公式與基本算法，著重對三相電流下的故障進行了電路設計。本文在學習protel99SE軟件的基礎上設計出電機保
2、護電路。文章中介紹了繼電器的保護原理以及RS-485芯片功能，然后采取過流保護，過壓保護，欠壓保護等的一些保護方案來應對電機運行過程中出現(xiàn)的故障。關鍵詞：故障分類；電路設計；電機保護Design of intelligent motor protector circuitABSTRACTWith the development and progress of Chinese society, the corresponding aspects of power system is also the rapid development of power industry, which in th
3、e motor has been used widely with the development, to ensure the safety and fault detection of the motor during operation becomes particularly important. The motor protection device based on IC18F26K2 chip in the command system, bus structure, power to cost-effective, considerably more than the trad
4、itional signlechip.At the same time, the chip integrates a large number of on-chip peripherals, the function and the reliability greatly.This paper introduces the classification of motor fault and the development of the motor protection. This paper also introduces some of the motor fault analysis fo
5、rmula and basic algorithms, focuses on the faults of three-phase current of the circuit design. This paper designs a motor protection circuit in learning based on protel99SE software. This paper introduces the principle of relay protection and RS-485 chip function, and then take the overcurrent prot
6、ection, overvoltage protection, fault protection under-voltage protection scheme to deal with the motor running in the process of.Keywords: Fault classification；Circuit design；Motor protection目錄1前言11.1電動機的作用與意義11.2我國電動機保護裝置的發(fā)展狀況11.2.1熱繼電器為主的組合保護裝置11.2.2模擬電子式保護裝置21.2.3微機型智能數(shù)字式的保護21.3智能電動機的保護電路的設計思想21
7、.4電機保護中的常用算法的簡介21.5本章小結32電動機故障42.1對稱分量法42.2電機的故障分類52.2.1短路故障52.2.2過載引起的故障52.2.3電動機的堵轉52.3欠壓保護62.4過壓保護62.5起動時間過長保護73Protel 99SE的介紹93.1Protel 99SE基本功能模塊93.2Protel99se的基本使用方法和操作步驟94電機智能保護的硬件設計124.1電機保護硬件的選擇124.2PIC18F芯片的介紹124.3芯片MAX485的介紹134.4電流采樣電路134.4.1單極性轉換電路134.4.2相電流檢測電路144.4.3交流電流采樣144.4.4LMV324
8、為運放器的采樣電路154.5保護電路174.6電源電路184.7繼電器的欠壓，過流保護194.8基準電路設計204.9時間常數(shù)設置205總結22參考文獻23致謝24附錄251前言1.1電動機的作用與意義電動機基本上是生活中動力設備的主力軍，應用普及廣泛，它基本上涉及到了各行各業(yè)，它的地位無法用數(shù)字與語言來衡量，然而，就是這么重要的設備，在實際使用過程中，由于電網(wǎng)，電動機本身或線路等的一些列因素會導致電動機出現(xiàn)過壓，欠壓，電流不平衡以及過流等故障，這些故障輕者影響生產(chǎn)的正常進行，重者燒毀電機，造成整臺設備癱瘓甚至系統(tǒng)崩潰，進而造成難以估量的經(jīng)濟損失1。另外，電動機在燒毀過程中消耗的電量也很大，因
9、此，考慮到經(jīng)濟損失與節(jié)約資源，做好電動機的保護工作都有很大的意義，必須成為足夠重視的課題。同時，由于現(xiàn)代電動機縮小了外形尺寸，但是卻提高了自己的輸出功率，采用一系列的絕緣材料和電磁材料減少損耗，效率大大提高，這樣就使得電機內部的電流密度增加，而且，現(xiàn)在成產(chǎn)的流水線逐步增加，導致電動機的啟動，制動，正反轉等多種狀態(tài)下相互切換運行，電動機出現(xiàn)的故障幾率就大大增加與難以確定，因此，在保護電動機的同時提高工作效率與經(jīng)濟效益密切相關。1.2我國電動機保護裝置的發(fā)展狀況我國的電動機保護裝置大約經(jīng)歷了仿照蘇聯(lián)，自行設計，更新?lián)Q代，智能化發(fā)展等幾個階段2。隨著科技的進步，近年來的微處理器技術發(fā)展，這樣就使得電
10、機保護向智能化，多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，這樣電動機保護就進入飛速發(fā)展的階段。我國的電機保護主要經(jīng)歷了3個階段1.2.1熱繼電器為主的組合保護裝置最早使用的保護裝置是熔斷器，這也是最簡單的一種保護裝置。因此，它主要是用于電路故障或者嚴重的過載時保護供電電路，但是，它實際上并不是直接針對電動機的保護，熔體熔斷的同時，往往會造成電動機缺相運行而燒毀，造成燒毀事故，逐漸的熔斷器被淘汰使用。熱繼電器是上世紀中期從蘇聯(lián)引進的，在電子也不發(fā)達的時代是電動機過載保護的首先選擇的產(chǎn)品。它利用雙金屬片熱效應原理。雙金屬片由不同膨脹洗漱的兩片金屬鉚合而成，當電流通過時它產(chǎn)生熱量，向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，電流
11、的大小正比于彎曲程度，當電流超過整定電流的一定倍數(shù)時就會啟動脫扣裝置切斷主回路達到保護目的。熱繼電器具有反時限特性和結構簡單，使用方便等優(yōu)點。但是它也有很大的缺點，熱繼電器的參數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，并且熱繼電器安裝在殼外，一旦通風不順，堵轉等故障時，熱繼電器就失去保護功能，而且，熱繼電器本身也耗能，當它保護電機幾次后，由于自身的發(fā)熱而導致電阻絲和絕緣材料損壞，不能繼續(xù)使用，因此，也慢慢的被淘汰了。1.2.2模擬電子式保護裝置在上世紀中后期，隨著半導體模擬器件的興起，涌現(xiàn)了一批功能多樣化，性能比較可靠的電子式電動保護器。這種保護裝置體積更小了，對信號的檢測和判斷更靈敏與準確了，保護性能提高了，它
12、主要針對電機的缺相，過載，欠流，過壓，過電流，短路等故障來進行保護。它的原理包括兩方面：一方面通過檢測電流值來反映過載，短路等故障；另一方面通過檢測電動機的電流缺相與否來反映斷相故障。由于不對稱故障出現(xiàn)負序電流分量，導致電機過熱等一些列問題。所以，單純的以過流為目標構成保護器，難以實現(xiàn)全面保護。其中仿真電子式電機保護器都采用電位器進行額定電流整有以下缺點；（1）其整定精度不高。要使電位器的旋轉角度正比于其電阻值比較苦難，大批量生產(chǎn)中更難以辦到，而且，操作過程中的誤差是難以避免的，特別是對于那些沒有設定值顯示的產(chǎn)品。（2）采樣精度不高，模擬線路對電流互感器的非線性沒有一絲的應對能力，即使可以校正
13、也要在線路非常發(fā)雜的情況下進行，甚至無法實際使用，另外，采樣線路本身也存在非線性問題。這些技術上的困難，實現(xiàn)高精度采樣必然比較困難3。（3）實現(xiàn)多功能一體的全保護比較困難。社會的不斷進步，電機被要求實現(xiàn)的功能越來越高，希望電機的功能多樣化，結構簡單，性能可靠，而且體積小，這些要求純粹的模擬線路根本無法實現(xiàn)。 以上的問題使得模擬線路保護器整逐漸淡出人們的視線。1.2.3微機型智能數(shù)字式的保護計算機技術的發(fā)展是電機保護發(fā)生了突飛猛進的變化，出現(xiàn)了智能保護裝置，智能型保護裝置速度快，智能化程度高等優(yōu)點，它以單片機或者DSP作為控制器，實現(xiàn)智能保護?？梢詫﹄姍C斷相，過載，短路，欠壓，堵轉等進行保護，還
14、擁有顯示電流電壓，對故障的記憶的功能，同時，也可以對采樣信號進行軟件非線性校正，實現(xiàn)真實有效值的計算，實現(xiàn)高精度采樣提取。此類保護器節(jié)能，靈敏，精確保護功能全，重復性好。所以，隨著計算技術發(fā)展，智能模塊電機保護器成為發(fā)展的目標。1.3智能電動機的保護電路的設計思想工業(yè)現(xiàn)場通常采用多臺控制電機，實現(xiàn)對現(xiàn)場的各種控制，一旦一臺出現(xiàn)故障，將會產(chǎn)生很大的損失。因此，對電機的保護顯得非常重要。本論文在介紹電機保護原理的基礎上，通過對模擬電路教材的掌握，電力電子技術的學習，以及電路原理的熟悉，以分析電機中出現(xiàn)的基本故障為參考依據(jù)，巧妙的運用上面所述的三種大學教材來設計保護電機的電路。1.4電機保護中的常用
15、算法的簡介考慮到電動機的保護原理和保護過程中的算法問題，電動機的故障分為對稱故障和不對稱故障，一般采用的對稱分量方法為一種線性變換，把三相不對稱故障中的的正弦量分為獨立的正序分量，負序分量和零序分量。這種對稱分量方法是現(xiàn)在故障中最常用的算法 電機中出現(xiàn)的非正常狀態(tài)，電機保護主要是檢測三相電流，三相電壓，絕緣電阻，零序電流的基礎上實現(xiàn)。1.5本章小結本章介紹了課題的研究目的以及意義，國內外電機保護的發(fā)展狀況，并且引出了所研究的主要內容。242電動機故障電動機的綜合保護基本包括：過流保護，漏電保護，過壓和欠壓保護等。以前基本是以檢測三相電流得到電流幅值與限定值的比較而做出相應的處理?，F(xiàn)在電動機保護
16、裝置多采用過流保護，以電流幅值的增加作為判斷故障與否。這種方案的缺點在于不能對不對稱故障進行及時分析和保護。因此，為了彌補這個缺點，特此引入了對稱分量法作為不對稱故障的判據(jù)，根據(jù)對稱分量法，電機產(chǎn)生不對稱故障時，電流可分解為正序，負序和零序電流分量。電機正常時，三相基本對稱，負序和零序電流基本沒有。當電動機發(fā)生不對稱故障時，零序和負序電流就會體現(xiàn)出與正常運轉時相當大的差距來。因此，判斷負序和零序電流的變換可以作為不對稱故障的一個很好的依據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性。2.1對稱分量法對稱分量法，實際上是線性變換。這就為多相不對稱交流系統(tǒng)的研究提供了一個好辦法。任何一組三相不對稱的正弦量都可分為三組獨立平
17、衡的對稱分量，正序，負序，零序分量。電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，三相電路的電流和電壓的基頻分量都會變成不對稱的向量。以，表示三相電流，可以將分解為正序電流，負序電流，零序電流。同理，另外兩相也能分解成正序，負序和零序電流三組。正序成分相序依此為，大小相等，相位差為120度。負序成分也一樣，但是零序分量電流大小相等且相位無差別。定義算子為= (2-1)公式2.1以A相位代表，則，可以簡化為，。則公式可以化為= (2-2)公式2.2中的三相電流相加，得+=(1+)(+)+3 （2-3）而且，1+ =0，所以=（+）綜上所述= (2-4)三相電流不對稱時，會出現(xiàn)零序電流分量以及負序電流分量。2.2電機
18、的故障分類常見的引起電機過流的有短路，過載，堵轉這三種故障。過流又稱為過電流，即電氣設備的實際工作電流大于額定電流值。短路，過載，堵轉這三種故障屬于對稱故障。過電流保護主要是對對稱故障實施保護。2.2.1短路故障（1）對稱短路一般為三相短路，三相短路時，電機繞組的電流將快速增大，高出額定電流很多倍，電流急劇增大必然導致繞組的溫度升高，電機點動力當然也會增加，這是應采取的保護措施應為切斷電源。（2）電機發(fā)生不對稱短路故障時，電流也不再對稱，線電流間的相位差將偏離120度，不存在短路電流與起動電流間的固有關系。不對稱故障中，主要有負序電流與零序電流的變化，因此，一般根據(jù)負序電流的大小即可判據(jù)不對稱
19、故障。2.2.2過載引起的故障電機工作時發(fā)熱必然引起電機的磨損，電機長時過負載的運行，后果必然引起機器過熱，使得絕緣老化，這也是電機故障的一個原因6。當然，在工作中，難免會要電機過載運行，因此，低倍過負荷要允許一定的時間限制，當電機發(fā)生過載故障時，基本上為超過了一定的時間限制4。所以，當前，電機生產(chǎn)廠家基本會在出廠時提供電機的熱容限曲線或者一組過負荷能力的數(shù)字，在提供的說明中，必然會對過載引起的電機保護提供依據(jù)。過載時，流過電網(wǎng)的電流必然的大于系統(tǒng)要求的額定電流，因此，檢測電機是否超負荷運行，可以通過檢測電動機的工作電流的大小來實現(xiàn)。當電機過載時，我們采取的一種辦法就是用反時間限制動作原理，那
20、就是當電機工作中的實際電流與所要求的額定電流的比值越大時，那么過載動作時間越短。其中，所允許過載時間 t=1500 其中為過載倍數(shù) t為容許過負荷時間 電流的大小為過負荷保護的一個重要依據(jù)，其中，上面的公式為保護提供了一個準確的電流倍數(shù)與動作時間的關系。如果，電流超過預先整定的值，保護系統(tǒng)將會相應。2.2.3電動機的堵轉電動機的堵轉是當電機轉速為零時，電機仍然輸出扭矩。堵轉主要是由于電動機的機械，負載過大等的原因引起的。堵轉時，電機的電流最高可達到額定電流的7倍，如此高倍數(shù)的電流下，如果，堵轉時間過長，必然會把電機燒毀。堵轉也是對稱故障中的一種故障，但是，相比于其它對稱故障，它造成的損壞不如其
21、它對稱故障，但是，當歸結于過載故障時，它卻是最嚴重的過載故障。堵轉保護信號可以取自于電動機線電流，線電流超過堵轉電流整定值時，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。保護啟動過程中出現(xiàn)的堵轉（因為是啟動時間過長造成的堵轉）這種可以由啟動時間過長保護提供保護。電機啟動過程中，電流也能達到額定電流的4到7倍，這樣就給保護系統(tǒng)造成一定的難度，因為，電機運行過程中出現(xiàn)的故障時，電流也能達到額定電流的4到7倍，這就要求上文所說的保護算法能分辨是不是堵轉故障。一般采用躲過電動機起動時間（8至16秒）的方法來實現(xiàn)。運行過程中出現(xiàn)堵轉時，這樣就要求保護電路立即采取措施，切斷電路，以免短時間的電流突然增大造成的故障
22、。速斷保護，堵轉以及過載保護的關系如下：圖2-1 三種保護的關系圖上圖中堵轉的保護時間范圍：1s-6s,速斷保護時間范圍小于40ms。2.3欠壓保護實際生產(chǎn)生活中，難免會由于電網(wǎng)系統(tǒng)等的不穩(wěn)定出現(xiàn)的電機低壓運行，由于低電壓運行，而電機的負載功率不變，這樣就會導致繞組電流增大，電機發(fā)熱，一旦時間過長，在電流一直高出額定電流的情況下，電機會由于繞組電流過大引起故障，所以，必須采取措施對電機進行欠壓保護。當被保護線路的電源電壓低于一定數(shù)值時，保護器切斷該線路；當電源電壓恢復到正常范圍時，保護器自動接通。2.4過壓保護過壓保護是的指當電網(wǎng)電壓升到額定電壓120%時，保護延遲動作，跟欠壓保護一樣，保護器
23、切斷該線路。當電源電壓過高時，危及供電線路與電機的絕緣，并且電機在額定負載下電流過高導致電機溫度升高，燒毀電機。電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高。過電壓屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電工設備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運行。電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過電壓的根本原因。過電壓分為外過電壓和內過電壓兩大類。外過電壓又稱為雷電過電壓，大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起的。分直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種。雷電過電壓的持續(xù)時間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過電壓
24、是雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電的導體 ，如架空輸電線路導線，稱為直接雷擊。在過壓保護設計了瞬態(tài)過電壓保護功能。一般的由于影響外電壓的因素很多，因此，不能準確計算出過壓倍數(shù)，需要實測。內過電壓電力系統(tǒng)內部運行方式發(fā)生改變而引起的過電壓。有暫態(tài)過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。暫態(tài)過電壓是由斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓 ，又稱工頻電壓升高。內電壓可以準確的測出結果，這樣就可以設置1.5倍的內過電壓倍數(shù)為基準，超過此倍數(shù)，瞬時跳閘。研究電力系統(tǒng)中各種過電壓的起因，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系
25、統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設備制造和電力系統(tǒng)運行都具有重要意義。2.5起動時間過長保護如上文所涉及到的堵轉故障中電機起動時間的問題，如果電機不能夠正常起動，持續(xù)的起動電流會導致繞組的損壞以及起動轉矩對軸承的損壞，所以設置電機起動時間過長保護。如果沒有故障，在電機不工作的狀態(tài)下，電流為零；一旦電機要起動，電流瞬間增大，這樣電機會急速升溫，沒有故障時，在所允許的起動時間內起動過程結束，然后電流降低到額定電流附近的值。電機正常運行。 圖2-2 電動機起動時電流變化曲線 上圖中曲線圖非常清楚的告訴了我們設定時間不同產(chǎn)生的不同的狀態(tài)，設置T1時。相應的會判斷為起動加時超速，動作跳閘。但是，如果時間稍微的
26、延長一些，將會呈現(xiàn)出完全不同的動作，從圖中可以觀察到，當設置時間為T2時，明顯的判斷為起動正常。我們一般規(guī)定電機起動時間范圍為1s6s。但是，規(guī)定的起動時間并不是唯一的，因為電動機的負載都不盡相同。曲線的斜率在某一段時間內變化很明顯，這說明，電流會在起動過程中存在突變。這就為電動機起動過程中的一些特性提供了判據(jù)。當檢測到： -這時電機發(fā)生了電流突變。其中i是當前電流采樣值；n是一周采樣點。是起動電流門檻。當然并不是每臺電機起動時的電流都會達到額定電流的47倍。那么特殊的電機在這一過程中的電流勢必達不到的值，那么我們可以提供對最大電流幅值大小定時檢測，來判斷電機是否正常運行。第一種方法中，當電流
27、超Iqd過時，因為有檢測公式，所以有比較理想的精度。第二種方法中，電機起動時電流達不到Iqd的值，對電機來說不會因大電流快速生熱。由于沒有公式的檢測，勢必得不到高精度。如果能合理的濾除上述兩種方法的弊端，設計無論電流是否超過Iqd的值都能有比較高的檢測精度，那必然會對電流分析提供很好的依據(jù)。下面的設計幫我們實現(xiàn)這種思路。圖2-3 起動時間過長保護邏輯圖Imax：電流最大值，：電流整定值，：起動時間整定值電動機無故障時，正常起動，那么起動時間過后，由于沒有故障，電流肯定在額定電流附近，那么起動時間過長保護將不動作。但是，如果超過起動整定時間，流過電機的電流還超過整定值，那么起動時間過長保護將會動
28、作，跳閘保護。3Protel 99SE的介紹3.1Protel 99SE基本功能模塊Protel軟件包是90年代初由澳大利亞protel Technology公司研制開發(fā)的，應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件設計，可以完成原理圖，印制板設計，可編程邏輯器件設計和電路仿真功能等，可設計32個信號層，16個電源和16個機工加層Protel 99SE中的主要功能模塊如下：（1） Advanced Schematic 99SE (原理圖設計系統(tǒng)）（2） 該模塊主要
29、用于電路原理圖設計，原理圖元件設計和各種原理圖報表生成等。（3） Advanced PCB 99SE (印刷電路板設計系統(tǒng)）該模塊提供了一個功能強大和交互友好的PCB設計環(huán)境，主要用于PCB設計，元件封裝設計，報表形成及PCB輸出。（4） Advanced Route 99SE（自動布線系統(tǒng)） 該模塊是一個集成的網(wǎng)絡自動布線系統(tǒng)，布線效率高（5） Advanced Integrity 99SE（PCB信號完整性分析）該模塊提供準確的板級物理信號分析，可以檢查出串擾，過沖，下沖，延時和阻抗等問題，并能自動給出具體解決方案。3.2 Protel99se的基本使用方法和操作步驟通常所說的pcd板，就
30、是指的是印制電路板5。印制電路板的制作，總體上要分為三個階段：原理圖的繪制，生成網(wǎng)絡表，由網(wǎng)絡表生成pcd圖并進行布線。原理圖的繪制，主要就是體現(xiàn)各個器件之間的邏輯關系，也就是怎么連線。原理圖對于我們來說是比較直觀，由原理圖生成的網(wǎng)絡表就是一種protel能夠識別和認識的表。對pcd板進行布線就是把相關的焊盤按照軟件提供的鏈接關系連接起來。具體的操作步驟：1）建立原理圖文件，建立原理圖庫文件，建立pcb圖，建立pcb庫文件，原理圖文件的目的就是繪制原理圖，體現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯關系。原理圖庫文件，是建立自己的在元件庫。需要自己建立的元件，往往在系統(tǒng)文件中是找不到的，建立自己的原理圖庫文件有兩種方法，一
31、種是自己繪制，打開原理圖庫文件后，可以使用浮動的工具箱進行編輯。另一種方法，就是在系統(tǒng)已經(jīng)給的元件的基礎上進行修改。Pcb圖是體現(xiàn)原理圖中所用元件的大小，焊盤尺寸的圖。Pcb庫文件，和原理圖庫文件時一樣的，都是用來建立系統(tǒng)之沒有提供的封裝。建立的方法和原理圖庫文件一樣，也有同樣的兩種方法。2）找出需要的元件并連線。對于系統(tǒng)比較復雜的系統(tǒng)，可以使用網(wǎng)絡標號。連線完畢以后，導入到pcb圖中時，往往有些元件之間沒有飛線（沒有邏輯連接關系），這可能是在原理圖繪制的時候，兩個元件之間沒有“連線”。檢查的時候，兩個元件之間，是連接的。問題就出在連線的時候，連在了引腳上。所以在連線的時候，一定要注意，在出現(xiàn)
32、黑點以后，再進行連接。3）對元件進行標注。實際工程中，元件的大小是固定的，所以，往往省去元件原理圖元件的part部分，也就是標注元件大小的部分。這樣做有兩個好處，一是可以是原理圖看的比較清楚，二是可以在PCB圖連線的時候，看起來比較清晰。4）元件的封裝，是很重要的一個步驟。我們可以使用系統(tǒng)提供的固定封裝，使用固定的封裝，要先在資料上查清楚之后，再進行使用。在沒有資料參考的情況下，建議自己動手畫封裝。畫封裝要注意幾個問題，一，根據(jù)自己畫的封裝要能體現(xiàn)元器件的實際大小，畫元器件的實際大小用矩形或者圓形，代表這個區(qū)域以后有元件要放，其余的部件不能占用。二，測量焊盤的大小，實際的元件，尤其是多引腳的焊
33、盤，封裝時一定注意焊盤之間的間距，往往焊盤的間距決定了制版的成功與否。三，對于比較大的焊盤，超過10mm的焊盤，往往在焊盤的周圍布一圈很小的過孔，這樣不僅可以增強焊盤的導電性，而且可以加強焊盤的牢固性，防止在板子過熱時引起俏皮，脫落，以影響板子的壽命。四，封裝中各個引腳的編號，名稱和序號要和原理圖中的各個引腳的編號要一致。五元件的不同，在封裝中也有差別。比如，電阻在焊接之前，兩個引腳有很長的導體，所以封裝的時候可以標寬松，多幾毫米沒有關系。對于電容，兩個引腳之間的距離已經(jīng)固定，要比較精確才能在焊接元器件的時候比較順利。5）在tool中進行ERC電器規(guī)則檢測。出現(xiàn)錯誤時，原理圖中會出現(xiàn)綠色的提示
34、，進行修改，再次檢測，直到無誤。6）導出網(wǎng)絡表。在design菜單下實現(xiàn)。7）創(chuàng)建相關報表。在report菜單下實現(xiàn)8）進入PCB圖，導入網(wǎng)絡表。在導入網(wǎng)絡表中，可能出現(xiàn)問題，在導入網(wǎng)絡表中出現(xiàn)的問題，全部是由于封裝的問題?？赡艿膯栴}有：一，沒有加載自己創(chuàng)建的原理圖庫文件和PCB庫文件2原理圖中元件庫的引腳編號和PCB文件庫中的封裝編號布相同。9）對加載的元器件進行布局。往往按照先大后小的原則。比如在單片機控制的系統(tǒng)在，單片機是核心部件，體積也比較大，應當放在中心位置，其他比較小的元件按照接線最短的原則，依次分布在它的周圍。在連線的時候，地線之間可以不必連接，在最后正反面鋪銅的時候會自動連接。
35、在連線的時候的小技巧：a按照就近原則，所使用的線，在不用打孔，交叉的情況下，所用線的顏色要和最近的線的顏色相同，以防止以后有交叉的時候，反復變換布線層。b不同線不平行原則，這個在布線剛開始的時候，一定要特別注意。在系統(tǒng)布線的后期，這樣的情況通常也不可避免。目的就是防止在必須過線的時候沒有辦法打過孔布線。c先短后長原則，往往先布置兩個焊盤比較近的線，在短線布線完畢以后，再考慮長線。主要考慮，長線先布好的情況下，短線每次布線很容易和長線進行交叉，與其每個短線交叉，不如最后交叉，整體顯現(xiàn)的清楚。4為了避免在布線的后期，出現(xiàn)左右碰壁，沒有辦法走線的情況，可以在布線的初期，就有意識的進行垂直布線。比如紅
36、線（頂層線）有意識的在中間區(qū)域多走水平，那么就讓藍線（底層線），在中間區(qū)域盡量多走水平線。10）對板子進行連線，元器件的DRC設計規(guī)則檢測。在PCB界面下，選擇tool下菜單可實現(xiàn)。這里必須說明的是，設計規(guī)則檢測是對標準和實際值之間的一種檢測。這種標準是可以設定的，在design下的rule中可以設定。對規(guī)則的改變就可以實現(xiàn)檢查結果，而實際的狀況并沒有改變。就是說，實際制作的板子，功能,原理上沒有錯誤，但是檢查的結果可能是有錯誤的，這并不影響制板的進行。對于已經(jīng)有明確設計規(guī)則要求的PCB板子的制作，要先設定板子的制作規(guī)則，然后對板子進行檢測，檢測出結果，對PCB圖中的間距，大小等進行修改。4電
37、機智能保護的硬件設計4.1電機保護硬件的選擇硬件部分作為電機保護裝置的基礎，它的性能的好與對電機的保護，控制以及測量和檢測等的功能的實現(xiàn)有很大的關系。所以，再設計硬件時，一般把以下幾個因素作為參考對象：一般采用集成度非常高的元件完成功能，盡量少涉及到分立元件；通用元件多多益善，特殊元件基本上不要使用，功耗也是要考慮的問題，所以，使用小功耗的元件也是一個參考對象。另外，如果故障發(fā)生后，模塊化設計能幫助檢測出故障，并且完成修復?？紤]到以上的一些因素，智能電機保護電路系統(tǒng)中采用高性能數(shù)字處理器PIC18F為核心完成電路中的相關數(shù)據(jù)的采集，運算的處理，保護邏輯判斷等功能。 4.2PIC18F芯片的介紹
38、硬件系統(tǒng)的工作的效率的好壞主要取決于CPU。早期的電機微機智能保護的CPU主要是51系列的單品機，科技的不斷發(fā)展就要求單片機的性能也要相應的跟著發(fā)展與完善，由此一來，單片微機的弊端就被無形之中顯現(xiàn)出來，成為智能保護發(fā)展的障礙。鑒于此，本文采用了MICROCHIP生產(chǎn)的PIC18F芯片，PIC18F芯片的高速處理能力和外設結構決定了它運用到電機保護系統(tǒng)控制中。 圖4-1 PIC18F的引腳圖（1）采用高性能的靜態(tài)CMOS技術，主頻為64MHz，采用16位操作，有88位的乘法 累加器，使得其數(shù)據(jù)處理和控制能力增強。（2）采用哈佛結構。哈佛結構將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，由于是哈佛架構的器件
39、，數(shù)據(jù)和程序存儲器使用不同的總線，因而可同時訪問這兩種存儲空間。實際使用時，可將數(shù)據(jù)EEPROM 當作外設，因為它可以通過一組控制寄存器進行尋址和訪問。（3）內含看門狗電路（4）PIC18 單片機具有一個21 位程序計數(shù)器，可以對2 MB的程序存儲空間進行尋址。訪問物理實現(xiàn)存儲器的上邊界和這個2 MB 地址之間的存儲單元會返回全0。數(shù)據(jù)存儲器是用靜態(tài)RAM實現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)存儲器中，每個寄存器都有12位地址，允許數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)為最大4096個字節(jié)。存儲空間最多被分為16個存儲區(qū)，每個存儲區(qū)包含256個字節(jié)。（5）可用C,C+和匯編編譯和連接。4.3芯片MAX485的介紹圖4-2 芯片MAX485的介
40、紹MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300UA,采用半雙工通訊公式，它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。引腳圖如上圖所示。MAX485芯片結構和引腳都很簡單，內部含有一個驅動器和接受器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單品機連接時接口只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的是能端，當RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需要用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當
41、A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)位0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻即可。4.4電流采樣電路4.4.1單極性轉換電路設計采用的 DSP自帶A/D,其采樣要求輸入信號為0到3.3V, 因此接入其引腳的信號電壓也不能超過3.3V。所以必須對放大電路給出的雙極性信號做進一步處理。電路圖如下： 圖4-3 單極性轉換電路4.4.2相電流檢測電路相電流檢測電路采用了運算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在A/D入口前進行阻抗匹配。在A/D入口端采用二極管鉗位，防止
42、A/D輸入電壓越界。來自檢測通道的電流互感器的電流號經(jīng)過運算放大器轉化為電壓信號經(jīng)電壓平移后將交流量信號轉化為0到3.3V的單極性電壓信號接入DSP的A/D通道引腳。圖4-4 相電流檢測電路4.4.3交流電流采樣霍爾電流傳感器以100+100mA的交流電流作為輸出信號，TMS320F2812的A/D輸入信號范圍是03V。因此必須添加合適的調理電路以滿足A/D輸入的要求。交流電流調理電路見下圖，與交流電壓調理電路不同的是。第一部分是經(jīng)電容C4濾波后流經(jīng)精密采樣電阻尺，將電流信號變換成電壓信號。第二部分是由運放構成的反相器。第3部分為鉗位限幅電路，以保證輸出電壓信號在03V,滿足TMS320F24
43、07的A/D輸入信號范圍。 圖4-5 交流電流信號采樣電路上面介紹了3種常見的電流采樣電路圖。它們運放得到的電壓達不到PIC18F系列的芯片的電壓5V, 并且電路都不太簡單，所以，選擇下面的電路作為采樣電路。4.4.4LMV324為運放器的采樣電路 圖4-6 LMV324為運放器的采樣電路上圖中，三相電流在電阻上產(chǎn)生壓降。以A相電流為例，電阻產(chǎn)生的壓降UIA1經(jīng)過運放器的放大作用變?yōu)閁IA0，通過放大以后，關系變?yōu)椋? （4-1） 圖4-7 采集信號的處理上圖中，電流經(jīng)過處理后送入芯片PIC18F的引腳2 I/O接口中，其中的電路可以分塊來說明： 圖4-8 地址選擇器 電源為+5V,其中S1為
44、開關，通過2點與4點與大地相連。當右路開關閉合時，那么右路中RLYSET1的電壓將于2點的壓降一樣，即為大地電壓，這是芯片中引腳5 I/O口輸入為低電壓，可以置位為0，相應的左路開關未閉合，所以，左路中 RLYSET2的電壓將于3點的壓降一樣 ，為+5V,所以，芯片中引腳6的輸入電壓為高電壓。根據(jù)上述所言，可以根據(jù)開關的閉合與斷開，判斷輸入電壓的高低，并可以根據(jù)電壓高低相應的設置芯片引腳5與引腳6：即地址為00 01 11,10。 引腳11，12，13的I/O口中引出3個電阻以及3個發(fā)光二極管，分別為藍燈，黃燈和紅燈，這三個燈代表電機工作在不同的狀態(tài)，可以這么設置：當LED1接+5V電源，綠燈
45、亮，說明電機接入電源，綠燈處于一直亮的狀態(tài)；當黃燈亮時，說明電機處于警報狀態(tài)；當紅燈亮時，說明電機處于故障狀態(tài)。設計時，4個LED燈都采用低能耗，因此，在正常發(fā)光時，LED等所承受的最大電流不能超過0.002A，所以采取串聯(lián)阻值為2.2k的電阻限流。 圖4-9 過壓，欠壓保護4.5保護電路上圖中，+5V電源通過兩個上拉電阻與芯片的引腳1，2，3相連接。上拉電阻一部分功能可以限流，此電路圖中的上拉電阻防止干擾，增加了電路的穩(wěn)定性，另外上拉電阻在電源與節(jié)點之間，往往這個節(jié)點要求應用單片機或者其他控制器件來控制它為高或低電平（即這個節(jié)點與I/O口連接）選擇10k作為上拉電阻，降低了單片機所承受的電流
46、又保證電流不太小。R34為100K，與三極管的基級相連，這樣就避免了三極管基級懸空受到干擾的影響。圖中，與8點相連的+5V電壓與電容相連，也是為了濾波，濾除電路毛刺的干擾。當輸入到三極管的電壓為低電壓時，此時三極管不導通，引腳2與引腳3就相當于與大地直接相連，此時RE和DE都為邏輯0，器件處于接收狀態(tài)；當輸入到三極管的電壓為高電平時，此時R37起到了一個限流作用，保證電流不會太大。BAT54S是鉗位二極管，上圖中的鉗位二極管實際上起到限壓的作用，原理如下：J1，J2兩個接口把引腳6和引腳7連接起來。當經(jīng)引腳7流出的電壓沒有達到擊穿二極管的電壓值時，此時二極管就是起到鉗位作用。當達到二極管的擊穿
47、電壓時，鉗位二極管被正向擊穿，此時電壓過大，流經(jīng)電路的電流也會增大，這時自動恢復保險絲RT1和RT2就會由于電流過大而起作用；當流經(jīng)引腳7的電壓過小時，電路將會通過另一個鉗位二極管給予一定的補償電壓，這樣就保證電壓流經(jīng)鉗位二極管的電壓不至于過低，實際上該電路基本上實現(xiàn)了過壓，欠壓與過流的保護。過壓時，二極管被正向擊穿，引起自動恢復保險絲RT1與RT2由于電流過大而迅速動作，保證了流經(jīng)電機的電壓不至于過大，電流也不會太高，避免了電機因電壓過大或者電流過大而發(fā)熱；當流經(jīng)引腳7的電壓過小時，即欠壓時，鉗位二極管不導通，電路會自動的為二極管補償電壓。TL9014 三極管的介紹 圖4-10 9014管腳
48、圖1. Emitter 發(fā)射極 2. Base 基級3. Collector 集電極4.6電源電路在電子電路中，電機智能保護電路中也不例外，一般需要穩(wěn)定的直流電源供電，最簡便的方法就是將交流變?yōu)橹绷?。直流穩(wěn)壓電源是實現(xiàn)這種轉換的電子設備。圖4-11 電源電路圖中的交流電要變成直流需經(jīng)過單相半波整流電路，將流經(jīng)火線與零線的交流電變成直流電。圖中的電阻R36是為了消除影響交流電穩(wěn)定的干擾，從而得到更穩(wěn)定的交流電源，這樣經(jīng)過單相半波整流電路得到的直流電也會更穩(wěn)定。圖中還有一個三端固定式集成穩(wěn)壓電路7805，這個固定集成穩(wěn)壓器7805輸入端接+12V電壓，輸出電壓接+5V電源，中間接地，即電壓為0。穩(wěn)
49、壓器7805的介紹圖4-12 7805 管腳圖1 Input 接高電位2 GND 接地3 Output 輸出端與12V相連的電容用于減小輸入電壓的脈動并且能夠防止過電壓，起動過壓保護一個功能與端點3相連的電容用于削弱電路中的高頻干擾。4.7繼電器的欠壓，過流保護 圖4-13 脫鉤保護 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的
50、作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點。正常情況下，繼電器工作在不動作狀態(tài)下。當系統(tǒng)檢測到流經(jīng)電機的電流不正常時，這時，軟件系統(tǒng)會通過單片機發(fā)出高電平或者低電平的指令。如果傳送給脫控一端的信號為低電平時，這是，9013三極管將不會導通，相應的繼電器
51、會動作，原來與電路相連的掛鉤處將會脫鉤，實現(xiàn)脫鉤保護。同理，當單片機發(fā)出的信號為高電平指示時，這是，三極管肯定導通，繼電器會因為電流突然增大而動作，使電路斷開，實現(xiàn)脫鉤保護。二極管4148是為了保護繼電器不會因電流過大而損壞。4.8基準電路設計圖4-14 穩(wěn)壓電路圖TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源，其輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內的任何值。TL431A可以等效為一個穩(wěn)壓二極管，在電路中，起穩(wěn)壓作用，電容起到濾波的作用。4.9時間常數(shù)設置圖4-15 時間常數(shù)電路電機啟動有一定的時間，上文已經(jīng)闡述了起動時間過長保護，這就要求我們設計相
52、應的保護電路。通過改變壓降來設置時間，我們可以根據(jù)電機的啟動時間說明書來設置相應的參數(shù)，變阻器上的壓降為0V，我們設置一個時間常t1數(shù)。變阻器的壓降為5V時，再設置另一時間常數(shù)t2，這樣根據(jù)線性變化，通過檢測變阻器上壓降的不同判斷電機的起動時間。 5 總結本文在查閱了大量文獻和資料的基礎上，通過大學期間對模擬電路，電力電子技術的學習，了解電路的基本原理。通過對電機故障理論上的了解以及對本文中所用到的芯片的熟悉并且對Protel 99SE軟件的學習基礎上用Protel 99SE軟件基于電機保護理論繪制了一張電機保護的電路圖，理論上進行了在欠壓，過流，過壓，起動時間過長等情況下的保護。參考文獻1童
53、世柏，華成英.模擬電子技術基礎.第4版 ，20062王兆安，黃俊.電力電子技術.機械工業(yè)出版社，第4版，20073李璇華，黃益莊，唐曉泉等.電動機故障分析和綜合保護裝置.20014王麗萍.三相不對稱電路的對稱分量發(fā).銅陵財經(jīng)專科學校學報，2002（2）：77-795秦國嶺.電動機保護裝置及其發(fā)展趨勢.電氣時代，2000（9）：30-316陳生貴.電力系繼電保護.重慶大學出版社，20047孟慶茂.電機智能保護器的設計.上海電力學院成教院本科論文， 20098高扳.大型電動機操作過壓分析.四川大學碩士學位論文，2004.49http:/ VARATHARASAL. Identifying three-phase induction motor faults using artificial neural 11http:/
智能電機保護器電路設計--畢業(yè)論文.doc
