单片机在电动机保护中的应用论文

1、摘要在现代工业生产过程中，电机已被广泛用作驱动系统的重要组成部分，保证电机的可靠运行非常重要。但在这一领域，我国与国外仍有一定差距。因此，对电机保护的研究意义重大。介绍了一种以Atmega系列单片机为核心的10kv异步电动机保护装置。本文在对过电流幅值、零序电流、负序电流等检测编制依据上，首先分析了异步电动机的一些典型故障，并详细阐述了各种相应的保护原理和对策。电流保护电机故障诊断；在硬件实现方面，以ATmega16L单片机为核心，将采集到的电压、电流、温度等模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号后送至单片机进行处理。处理的结果是根据故障类型判断电机是否有故障，并进行相应的保护动作。在软件部分

2、，使用C语言编写程序，使其符合工程要求。最后对本文进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望，以期提高本课题的研究水平。关键词电机保护 AVR 单片机 交流采样频率测量 相角目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc200553018 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc200553018 h 1 HYPERLINK l _Toc200553019 1.1本研究课题的目的和意义 PAGEREF _Toc200553019 h 1 HYPERLINK l _Toc200553020 1.2我国电机保护装置的发展 PAGEREF _Toc200553020 h 2 H

3、YPERLINK l _Toc200553023 1.3国外电机保护装置的发展 PAGEREF _Toc200553023 h 4 HYPERLINK l _Toc200553024 1.4设备的设计特点 PAGEREF _Toc200553024 h 41.5本文的主要工作 PAGEREF _Toc227606459 h 5 HYPERLINK l _Toc200553025 第二章电机故障分析及保护原理 PAGEREF _Toc200553025 h 5 HYPERLINK l _Toc200553026 2.1电机故障原因及分类 PAGEREF _Toc200553026 h 52.2电

4、动机常见故障分析 PAGEREF _Toc200553026 h 5 HYPERLINK l _Toc200553027 2.3电动机的各种保护原理及其整定计算问题 PAGEREF _Toc200553027 h 52.4电动机的各种保护原理及其整定表 6 HYPERLINK l _Toc200553028 2. 5章节 PAGEREF _Toc200553028 h 总结 6 _ HYPERLINK l _Toc200553031 第三章电机保护装置硬件设计 PAGEREF _Toc200553031 h 213.1硬件系统的设计要求 PAGEREF _Toc227606485 h 203.

5、2整体设计思路 PAGEREF _Toc227606486 h 203.3信号调理模块 PAGEREF _Toc227606487 h 213.4 A/D数据转换模块 PAGEREF _Toc227606490 h 233.5开关量输入输出模块 PAGEREF _Toc227606491 h 243.6时钟模块 PAGEREF _Toc227606494 h 263.7通讯模块 PAGEREF _Toc227606495 h 263.9电源模块 PAGEREF _Toc227606496 h 273.10章节总结 PAGEREF _Toc227606497 h 28 HYPERLINK l _

6、Toc200553047 第四章 电机保护装置软件设计 PAGEREF _Toc200553047 h 32 HYPERLINK l _Toc200553049 4.1软件说明 PAGEREF _Toc200553049 h 32 HYPERLINK l _Toc200553050 4.2软件设计 PAGEREF _Toc200553050 h 35 HYPERLINK l _Toc200553051 第五章 提高系统可靠性的措施 PAGEREF _Toc200553051 h 40 HYPERLINK l _Toc200553052 5.1概述 PAGEREF _Toc200553052 h

7、 40 HYPERLINK l _Toc200553053 5.2完善抗干扰措施 PAGEREF _Toc200553053 h 41 HYPERLINK l _Toc200553057 第 6 章 总结 PAGEREF _Toc200553057 h 43 HYPERLINK l _Toc200553058 参考文献 PAGEREF _Toc200553058 h 44 HYPERLINK l _Toc200553059 到 PAGEREF _Toc200553059 h 45第一章介绍1.1研究目的和意义在现代工业生产过程中，电机作为驱动系统的重要组成部分，已成为当今生产活动和日常生活中最

8、重要的动力和驱动装置，因此保证电机的正常运行非常重要。马达1 。在生产过程中，由于各种原因，电机会处于不正常的工作状态，导致故障，严重的还会烧毁电机，势必造成巨大的经济损失。因此，我们做好了电机的保护工作。对提高生产效率和经济效益，保障安全生产具有重要意义2 。大型电动机一般用在能源比较集中的地方，如大型火力发电站、水电站等。这些行业会大量使用电动机设备，相应的保护装置也应运而生。目前，随着微处理器运算速度和容量的提高，微处理器保护已成为电机继电保护的主流方向。1.2 我国电机保护装置的发展在我国，电动机继电保护装置主要有4种形式：1、基于热继电器的保护装置，以建国初期联和推出的JR系列热继电

9、器为代表。在电子工业还不发达的时代，热继电器是电机过载保护的首选。它结构简单，安装方便。但存在设定精度低、环境影响大、误差大、功能单一等缺点。2、模拟电子保护装置，1980年代随着半导体器件的出现而出现的一种电机保护装置。其主要功能包括：缺相、过载、欠流、相不平衡、相序、接地、短路、过压、电流显示、声光报警和变送输出等。但这些产品仍存在一些无法克服的缺陷。如果整定精度不高，采样精度不高，就不可能实现多重保护功能的全保护。在电机绕组中预埋有测温元件（通常为PTC热敏电阻）与控制设备配合，有效保护电机温度。 PTC热敏电阻也称为正温度系数热敏电阻。其电阻值随温度的升高而增大，呈非线性变化。当温度达

10、到一定值时，电阻急剧增加，发生突变。温度保护利用热敏电阻的这一特性。当电机发生各种故障时，绕组温度会升高。当达到规定值时，热敏电阻的阻值会发生突变，呈现高阻值。其保护装置得到该信号进行处理后，通过控制装置使电机停机，实现保护。这种直接监测温度来保护电机是一种相对可靠和准确的方式。但是，这种保护对于一些非温度因素引起的故障是无能为力的3 。4、微机式电机保护装置采用由微机处理器（如单片机、DSP）组成的保护装置。目前的微机保护由32位单片机、数字信号处理器DSP、可编程逻辑芯片、高速高精度14位到16位A/D转换器组成。由于微机处理器的智能化和强大的功能，可以实现其他三种传统保护和控制装置无法实

11、现的保护和控制功能。如果可以对采集到的电机故障信号进行快速处理，将结果与各种设定参数进行比较，进行保护动作，并随时设置和显示各种参数，还可以通过485通讯口实现主机对多远程从机的控制保护。基于以上优点，该保护装置越来越受到业内人士的青睐，越来越多的科技人员也在致力于开发一种保护效果更好的微机保护装置。本课题也是基于这项研究。1.3国外电机保护装置的发展在国外，早在1975年初就有报道称英国GEC公司将微处理器应用于变电站的控制和自动合闸。 1979年，电气和电子工程师协会（IEEE）教育委员会组织了第一次世界范围内的计算机保护研究班。此后，世界各大继电器制造商相继推出各种商用微机保护装置，微机

12、保护逐渐实用化。在电机系统的微机保护技术方面，德国、美国、日本和英国发展最快。 1970年代后期以来，各国在这方面做了很多努力，使电机微机保护技术逐渐成熟。如德国西门子公司生产的3UB1智能过载继电器，可提供过载、断相和三相电流不平衡保护，同时还具有自监测的特点。日本富士公司生产的QA型继电器由CT、A/D转换器和微处理器组成，提供过载、断相和反向保护。国三和科技俱乐部推出的3DD、3DI、3DM、FD数显智能保护器，可实现断相、过载、欠载、三相不平衡、堵转、漏电、接地、短路等保护功能。连接电脑，可同时监控96台电机。其他产品包括交直流电机保护器（ EOCT、S3、SE、ST、AR、SI、DS

13、L、DDT、TIT、3ST、3E、 4F.GE、EGR、DG、DZ、DGRSDDR、EECLH、DZG4、DZNG4、ECHL ） 、数显智能保护器（ 3DD、3DI、3DM、FD ）、电压保护器（ VR、EOVR、EUVR ）等型号系列，60多个规格3 。美国RockAB公司生产的Bulletin825智能电机控制器是可编程电子过载保护器，可通过PROFIBUS现场总线与PC机通讯。美国其他产品包括电子保护继电器（ SMP、CFFI ）、热敏保护继电器（ RT3 ）、电子保护系统（ CFT4 ）、智能控制器（ SMC ）等几十种规格4 。综上所述，国外保护装置的特点一般有：保护器本身的温度补

14、偿、负载率的检测、及时更换、故障原因和数据的记忆、通讯、联网计算机，以及同时监控多个电机的能力。与世界先进国家相比，我国电机保护与控制技术水平还存在一定差距，技术含量较低。品种和功能少、参数精度低、生产技术落后，严重制约了我国电机保护的竞争力。因此，开发新型智能保护装置势在必行。1.4设备的设计特点整个系统设计具有以下特点：(1) 元器件为工业品采样，稳定性和可靠性高，可在高压开关柜等恶劣环境下工作。(2)可保护电机短路、堵转、过载、断相、过流、过压、欠压、过热、接地故障、起动时间长、PT断线等常见电气故障。(3)抗干扰能力设计，硬件设计采用各种隔离和屏蔽措施，软件设计采用数字滤波和良好的保护

15、算法和抗干扰措施。(4) 电机运行参数在线检测、显示和记忆功能。可对电机运行的电压、电流等参数进行在线检测和显示，并可动态存储电机在电机停转前一定时间段内的运行参数。(5) 通讯功能。设计中提供RS-485通讯接口，采用主从方式组网。主机为PC ，从机为保护设备，最多可连接247台从机；可实现电机的远程在线监控和数据处理。 （包括故障记录信息、历史运行参数等数据的浏览、存储和打印）。(6)采用液晶显示模块和六键键盘作为人机界面，实现全中文液晶显示和菜单设计，操作调试方便，用户界面友好。1.5 本文的主要工作本文的主要研究对象是基于Atmega16L的10kV电机微机保护装置，该装置的应用对象是

16、各个中小企业的电机驱动系统。本文结构安排如下：第一章介绍。本文主要介绍研究课题的目的和意义，以对比国外电机微机继电保护的发展现状和存在的问题，最后介绍装置的总体设计思路。第二章分析电机故障及保护原理。主要介绍电动机的常见故障和原因，以及相应的保护原理和保护措施。第三章是电动机微机保护装置的硬件电路设计。主要介绍了设备硬件电路的设计过程，包括整体设计思路和各功能模块的设计。第四章是电动机微机保护装置的软件电路设计。主要介绍了设备软件各功能模块的设计思路。包括交流采样、频率采集、相位角、时钟、液晶显示、人机界面等各模块的软件设计。第五章介绍了提高系统可靠性和稳定性的方法。第六章对论文的工作进行了总

17、结，提出了一些思路和进一步的工作展望。第二章电机故障分析及保护原理本章首先列出了电机的常见故障及相应的保护方法，然后详细介绍了电机微机保护装置使用的保护原理和整定计算问题。2.1 电机故障原因及分类概述电机故障一般分为机械故障和电气故障两大类，而机械故障往往可以从电气参数中推导出来。例如，定子绕组过热的原因一般是绕组电流过大引起的。通过测量定子绕组电流的大小，可以确定故障的原因，因此可以将机械故障纳入电气故障分析21 。电气故障分为对称故障和不对称故障两类；不对称故障可以用对称分量法来区分，它把电动机的电流分解成正序、负序和零序分量。电机正常运行时，三相对称，负序和零序电流基本为零。如果发生不

18、对称故障，负序和零序电流会发生变化。负序和零序电流的定量分析可以判断出什么样的不对称故障。对称故障的一般情况是正序电流与正常值相比有较大的变化。定量检测正序电流可以识别出什么样的故障4 5 。2.2 电动机常见故障分析设计保护装置，首先要分析保护对象会遇到的各类故障，分析其故障特征，提出切实可行的保护方案。对于异步电动机，故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两个方面。由于电机的微机保护主要通过测量电量（电流、电压和开关状态等）来监控电机的运行状态，所以本文的主要研究课题是绕组故障。电机常见的绕组故障可分为对称故障和不对称故障两大类：1.对称失效主要包括过载、堵转、启动时间过长和三相短路。这类故障

19、的主要特点是三相电流电压基本对称，但电流值远大于额定电流。对电机的损坏主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，还会产生不良的机械应力，从而导致异步电动机不同程度的损坏。损坏的;2.不对称故障不对称故障又分为接地故障和非接地故障。非接地故障包括：断相、反相、相间短路、匝间短路等；接地故障包括：单相接地和两相接地。这类故障的主要特点是除了严重的短路会导致故障相电流显着增加外，大多数不对称故障一般没有明显的过流，电机定子有负序电流和零序电流。 ，从而损坏电机。不仅会产生热量，更重要的是不对称带来的负序效应会导致电机末端发热、转子振动、启动转矩降低等一系列问题。如果出现过电流，绕组会发热甚至严重损坏。 .2

20、.3 电机综合保护分析对于上述故障类型，电机应配备以下继电保护装置：1 、纵向差动保护和电流速断保护电机短路故障是比较严重的故障，主要发生在定子绕组。当定子绕组短路时，不仅会严重损坏电机，引发事故，还可能导致电网电压大幅下降，影响其他用电设备。普通手术。因此，额定容量在2000kW以上或2000kW以下但电流速断保护灵敏度不足的电动机，应安装纵向差动保护。 2000kW以下的电机，可加装电流速断保护。2.热过载保护由于电机长期过载，会导致电机绕组过热，最终损坏绕组间的绝缘，因此不允许电机长时间过载运行。因此，需要安装热过载保护。3.低压保护当供电系统发生短路故障，导致电压下降或消失时，电机转矩

21、急剧下降。当电压恢复到电机自启动时，会流过几倍于额定值的大电流，使电网电压降低，同时电机端电压也会降低，使电机难以启动。另外，如果电源电压恢复缓慢，电机会长时间处于启动状态，长时间大电流会导致绝缘过热甚至损坏。因此，应设置低压保护。4 、档位保护如果电机在运行过程中由于机械故障、负载过大、电压过低等原因导致转子处于堵转状态，电机的散热条件极差，电流大，特别容易烧毁出，并且需要锁定转子保护。5 、断相保护有调查显示，电机绕组因缺相运行而烧毁，占电机绕组维修总数的60%70%。缺相故障是一种严重的不对称故障。因此，应提供缺相保护。6.接地故障保护当电动机的绝缘被破坏时，会引起绕组对机壳短路，引起绕

22、组对地短路故障。发生绕组接地故障时，不仅故障电流通过定子铁芯，造成铁芯过热，性能下降，而且电机外壳也带电，严重威胁操作人员的安全，所以单相需要采取接地保护措施。此外，应设置过热保护、启动时间过长和频繁启动保护。2.4 电动机的各种保护原理及其整定计算问题从以上故障分析可以看出，故障后电机的症状可以通过检测短路和过流检测、低电压启动检测电压两个基本量的电流和电压的检测来分析。因此，设计电动机的保护措施可分为以下三类：从诊断电流：1.两级电流保护2.过流反时限保护3、负序电流保护4、零序电流保护5.过载保护6.过热保护7.启动时间过长从诊断电压：1.过压保护2.低压保护3、PT断线检测(3)从诊断

23、频率来看：1.低频保护2.4.1两级电流保护两级电流保护是针对短路故障的保护装置。过流二段保护整定值是根据起动电流的回避来设定的，时限可设置为速断或极短时限。当任一相达到设定值，且过流二级保护的投切控制字处于输入状态时，定时器启动，如果持续到设定的时限，立即跳闸43 。启动过程中过流阶段的整定值计算如下：(2-1)式中： 可靠度系数，取1.21.4；电机启动电流的倍数，一般为47；测量到CT二次侧的电机额定电流值；启动过程结束后，过流 I 级保护自动使能，其设定值可不考虑逃过启动的峰值电流：(2-2)式中： 取48个圆周；设置时限为（0100s），程序设计中步长为0.01s，可根据不同情况设置

24、。过流I段的保护原理如图1所示：图2-1 过流I、II级保护示意图图2-1 两段式过流保护示意图2.4.2过流反时限保护过流反时限保护是指保护装置的动作时间随着短路电流的增加而自动减少的一种保护方式。电机在运行过程中，除出现短路等特别严重的故障外，我们采用了限流限速保护。很多情况下，为了发挥保护元件的作用，防止保护装置误动作，会使用过电流反时限保护49 。根据国际电工委员会（IEC255）和英国标准（BS142），适用于电机保护的反时限特性公式为：(2-3)t动作时间；- 故障电流， - 工作电流整定值；- 时间常数设定范围：0.05s1.6s，步长0.01s。极反时限特性图：图2-2 极端反

25、时限特性图2-2极端反时限特性图2.4.3负序电流保护对电机断相、反相、相间短路、电源电压不平衡等不对称故障进行保护。电机出现负序电流的原因一般有两种：（1）电机本身参数不对称，最常见的一种是缺相。 (2)电源电压不对称，常见的三相电源相间短路。下面将对这两个进行分析(1) 缺相引起的负序电流图 2-3 电机 Y 接断相图2-3 Y接模型电机缺相示意图假设开相为C相，电机接法为Y型接法，如图3所示，电机三相电流关系如下：; (2-4); (2-5)用对称分量法将电流分为正序、负序和零序，有：零序是(2-6)代入(2-4)、(2-5)得=0；因此，将和分解为正负序可以得到： (2-7)因此，如图

26、 所示3 A，两相 B 形成的回路有：(2-8)其中： 正序相阻抗- 负序相阻抗- 定子绕组电阻- 转子绕组电阻- 滑差率- 定子电抗- 转子电抗有效值： (2-9)根据电机理论，对于不同的转差率，异步电动机的等效阻抗是不同的，在转差率s 0.5后，等效阻抗变化不大，尤其是转差率在12之间时，等效阻抗变化不大。阻抗差异很小。因为，因此，在一般工程计算中，异步电机的负序阻抗可以用s = 1 来计算。因此有以下推论：(2-10)电机正常运行时，A相电流为：(2-11)(2-12)(2-13)这里有两种情况如果启动时出现相位故障，则(2-14)如果在正常运行期间 C 相中断，则： 。 (2-15)由

27、以上推导可知，当系统中的负序电流大于额定电流的0.86倍时，可以启动负序电流保护。如果启动时负序电流为额定电流的3.46倍，也需要启动保护动作，根据电流大小可区分故障类型4154 。(2) 相间短路引起的负序电流图2-4 电机BC相间短路示意图2-4电机BC相短路示意图假设B、C两相短路发生在电机高压电源侧，如图2-4所示，有：(2-16)可以通过对称分量法得到： (2-17)(2-18)A相负序电压： (2-19)由于负序阻抗（用于电机启动阻抗）所以： （2-20）可以看出，如果电机电源侧发生相间短路，电机的负序电流为，当检测到电流时，负序保护动作，信号为发出41 。2.4.4零序电流保护当

28、电机发生接地故障时，零序中会有电流，这是区分任何接地故障的原因，其值反映了故障的程度。电机可以通过不对称接地故障期间出现的零序电流得到保护。我国10KV电网大多是变压器中性点不接地。采用单相接地故障零序电流保护时，动作电流整定原则为48 ：(2-21)电动机的额定相电压；- 电机每相对地电容；-角频率；n电机端变压器的变化；可靠性系数，取1.25；零序电流整定时间取值范围为0.1s 0.5s ，步长0.1s可调。图2-5 零序电流保护示意图2-5零序电流保护示意图2.4.5过载保护当电机过载时，最显着的特征之一是电机发热。如果电机长时间过载，会烧毁电机。但为了合理使用电机，允许在一定时间内过载

29、运行，所以一般过载保护时间整定应具有反时限特性，其动作时间与电流大小的协调关系为34 :(2-22)在哪里：电机的加热时间常数，一般为150250；=0.5（启动期间）， =1（启动后）；- 电机正序电流；- 电机的负序电流；电动机的额定电流；方程中的电机发热常数不宜设置过大。设置过大，会增加电机的负载运行时间，容易造成电机损坏；它不应该设置得太小。 ，运行中容易引起保护误动作。2.4.6电压保护电压保护分为两种情况，一种是过电压保护，过电压又分为外部过电压和局部过电压。外部过电压保护一般是通过避免雷击等外部因素来确定的，时间整定值应取最小值。过电压由电机部分或供电网络引起，随时间变化较大，因

30、此整定时间设置较长。一是低压保护。当供电网络电压降低时，为保证重要电机的可靠自启动，将部分不重要的电机切断，并提供低压保护。而且，如果电机没有设置低压保护，在低电压下，电机经常会反复自启动，启动电流远大于额定电流，大电流下必然会损坏电机。其设置原理如表1所示。表 2-1 保护装置电压整定原则表2-1 保护装置的电压整定原则工作电压U动作时间T（单位s）工作状态0.10.5低压保护动作跳闸15低压保护动作跳闸正常工作15过压保护跳闸0.10.5过压保护跳闸其中额定电压2.4.7 PT断线检测PT断线可分为不对称断线和对称断线两种情况。无论采用哪种断开方式，PT二次侧电压都会出现异常。系统谐振、

31、PT自身故障、电路短路、接触不良和断线、电压电路接地故障都是造成PT断线的原因。这种故障会使二次侧测量系统不能准确地测量系统参数值，从而使继电保护装置不能正确动作，造成严重后果45 。设备的PT断线判据如下：(1)三相线电压小于18v，某一相的相电流大于额定电流的0.04倍。(2)任意两条线电压之差大于18v。满足任一条件后，延时5s后发出报警信号。其中，判据（1）用于检测对称三相断线，并加入电流闭锁条件，以防止在调试过程中不加电压时保护装置误发出报警信号。判据（2）是判断PT何时不对称断开。检测原理如图2-7所示。图2-7 PT断线检测示意图图2-7 PT折线测试示意图2.4.8低频保护频率

32、是反映电力系统运行状态的重要参数。供电网络的电压频率直接影响用电设备的运行，因此继电保护装置应能实时监测系统的频率。当电机的供电频率低于额定频率时，其转速和性能会下降，长期低速运行会对电机造成损坏。因此，当通用电源频率下降到49.3Hz时，应将一些不太重要的电机卸载，以保证重要电机能够正常运行。时限设置范围0.22.0s，步长0.1s可调。如图2-8所示图2-8 低频保护示意图图2-8低频保护示意图2.4.9长启动时间保护电机长时间启动时，启动电流为额定电流的47倍。如此大的电流长时间作用在电机绕组上，会对电机造成损坏，因此该装置设有长启动时间保护。从无流无电流和电流突变的角度来看，检测任意相

33、电流时有53 ：(2-23)- 额定电流；当确定电机开始启动时，定时器同时开始计时。达到启动时间后，电机设置为正常运行，保护自动退出。若达到设定时间后，任一相电流仍大于额定电流的105%，则判定电机未启动成功，保护跳闸。反之则判断电机启动成功，启动过长保护自动退出。其中，器件的设定时间可调，步长0.1s可调。示意图如图 2-9 所示。图2-9 长启动时间保护示意图图2-9长启动时间保护示意图2.5 章节总结本章首先分析了电机的常见故障，然后针对每种故障详细阐述了应采取的保护措施，包括：二级过流保护、过流反时限保护、负序电流保护、零序电流保护、过载保护，有电压保护、启动时间长保护、低频保护、PT

34、断线检测等9种保护措施。第三章电机保护装置硬件设计3.1 硬件系统的总体设计从功能上看，微机保护装置可分为6个部分：数据采集系统、计算机主系统、开关量输入/输出接口、人机界面、通讯系统、电源系统。数据采集系统的功能是采集被保护设备的电流、电压互感器输入的模拟量信号，经过预处理后转换成需要的数字量；主计算机系统基于A T mega16L微处理器，处理速度可达16MIPS ，包括硬件乘法器，自带16K字节可编程Flash、512字节EEPROM、1K字节片上SRAM；数字输入/输出回路由并口、光电耦合电路和带触点的中间继电器组成。由出口跳闸、信号报警、外部输入等多种保护类型组成；人机界面部分主要包

35、括打印、显示、键盘、各种面板开关等。其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整、对计算机工作状态的干预等。 ;通讯系统能满足机间通讯和远动的要求；供电系统提供整机所需的直流稳压电源，保证整个系统的可靠供电。整体设计如图3-1所示：图 3-1 系统硬件结构3.2 数据采集系统三相电压和电流的交流参数来自被保护线路或设备的电压互感器和电流互感器的二次侧。 TV和TA转换后，形成模数转换电路可以测量的电压，再经过低通滤波器（ALF）、采样保持器（S/H）、模数转换芯片（ADC）转换成与初级功率线性相关的数字量。3.2.1低通滤波器设计电机启动、空载、轻载时，差动电流中的二次谐波分量可达基波分量的50%

36、以上，会导致差动保护误动作，但电机实际发生故障时的二次谐波分量但很小。微机继电保护一般只使用低次谐波，对CPU的要求很高。因此，采集到的模拟信号应通过低通滤波器滤除高次谐波。浪潮，降低了对计算机硬件系统的高要求。该保护装置采用三阶低通滤波器12 ，其截止频率为250Hz，响应曲线的不均匀度为1db。如图3-2所示。图 3-2三阶低通滤波器电路3.2.2采样保持电路在对高速变化的模拟信号进行采样时，必须在输入模拟信号和A/D转换器之间增加一个采样保持电路，以保证A/D转换的可靠性和准确性。在该保护系统中，应采集各相电流、电压等电气参数。为此，选择了多通道模拟开关和采样保持器件一起工作。开启，使得

37、一个A/D转换器可以完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销。集成采样保持LF 2 98以其低廉的价格和优越的性能被广泛应用于工业领域。其优越的性能主要表现在：工作电源宽，可在5V18V的电源电压下工作；电压跟踪时间短（10 s ），下降率低；输出电压零点可调：高精度直流误差（0时， U o =KU i (K0)，当U i 0时， U o =0 。如果使用反相求和电路将-KU i和U i的负半周波形相加，则可以实现全波整流。分析： A 2组成的反相求和运算电路显示输出电压为：( 3.2 )那时，那时， ；所以( 3.3 )经过整流电路后，调整后的交流电压和电流成为ADC可以接受的单向脉动功率，幅值

38、为正。 U i和U o的波形如图3-5所示。电压波形转换3.2.4采集电流和电压信号1.当前获取三个电流传感器用于测量三相电流。系统采用GCT-211B电流互感器，是一种输入量程为0 -100A，输出为0的保护型互感器。该-5A部分带有隔离和屏蔽电路，使电流测量信号不受强电干扰。输出的交流信号经精密整流电路、低通滤波、采样保持、运算放大器整流后，通过CPU的一个ADC送到单片机。程序运行后，可以得到当前值。其工作原理如图 3-6 所示。图3-6 电流采集工作原理图2.电压采集三相电压由三个交流电压互感器测量，然后送到A/D转换器进行采样。单片机对交流信号进行采样，计算出电压的有效值。(1)系统

39、采用TV1013-1型微型精密交流电压互感器。 TV1013-1是一种电流型电压互感器，具有体积小、精度高、外形美观、耐机械和耐环境性能好、电压隔离能力强等特点。典型应用如图3-6(a)和图3-7(b) 所示。性能参数见表3-1 。图（一）图(b)图3-7 TV1013-1电压互感器典型应用电路表3-1 TV1013-1性能参数指示输入电压输出电压相移非线性直线周长额定电流绝缘耐压图（一）方法1000Vac0.5Vac300.2%1.5倍额定2mA/2mA2000V1000Vac1/2倍Ic电源电压50.1%2倍额定2mA/2mA2000V(2)系统电压测量电路下图，采集到的交流电经过桥式整流

40、后转换成直流电，再经电位器调节后送入A/D口进行模数转换。图 3-7 系统电压处理系统数据采集示意图如图3-8所示。图3-8 系统数据采集示意图3.2.5温度信号的收集1、系统拟使用AD590进行温度信号采集(1) AD590是美国Analog Devices公司生产的单片集成两端温度传感电流源。流过器件的电流（mA）等于器件所在环境的热力学温度（Kelvin）度4 ，即：( 3.4 )式中： I T 流过器件（AD590）的电流，单位为 A ；T热力学温度，单位为K。其主要特点如下： AD590的测温范围为-55 +150 。 AD590的供电电压范围为4V30V。电源电压从4V变为6V，电流I T变化1A，相当于温度变化1K。 AD590可承受44V同相电压和20V反相电压，因此不会因反接损坏器件。输出电阻为710M。高精度。 AD590有I、J、K、L、M五个等级，其中M级精度最高，范围从-55到+150 ，非线性误差为0.3 。(2) AD590的基本应用电路：图3-8显示了 AD590 的封装形式和用于测量热力学温度的 AD590 的基本应用电路。图 3-8 AD590 封装及基本应用电路因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，如果两个电阻R1和R2之和为1k ，则输出电压VO随温度的变化为1mV / K 。但由于AD590增益的偏差和电阻的误差