摘 要

在第二次工业革命之后，随着工业和电力行业的发展，电机在不管什么领域的应用都越来越频繁，它是生产乃至生活中非常重要的动力源，同时，电机的质量也与我们在平时生活中所用到的电能的质量密切联系着。渐渐的，电能这一能量已经成为我们在生活中各个方面必不可少的资源，并且随着高科技以及生活质量的提高与发展，我们所需要的电能质量理所当然的应该提高。

但是，电机在发电或者运行的过程中总会有一定概率会出现故障，而且故障类型多样化，例如短路、堵转、过流、过压等，这是不可避免的，因此，电机保护装置变得越来越重要。本文会介绍不同电动机故障的保护方法原理，主要分析了电动机的过载保护，并基于单片机STM32设计了一个保护装置，旨在以上故障保护功能。

本文中设计的电动机保护系统，主要是以STM32作为核心的保护控制器，以ATT7022E这款芯片作为电动机的电能测量部分，对电机的各个参数进行测量，利用SPI通信对系统进行通信处理，外接必要的功能模块，使系统达到智能化处理效果。

关键词：电机保护 单片机 智能保护系统

Abstract

After the Second Industrial Revolution, with the development of industry and power industry, motor has been used more and more frequently in all fields. It is a very important power source in production and even in life. At the same time, the quality of motor will directly affect the quality of electric energy needed in our daily life. With electric energy becoming an indispensable energy resource, our demand for electric energy is also increasing, so improving the quality of electric energy is imperative for the national economy.

However, different types of faults will inevitably occur in the process of motor operation, such as short circuit, blockage, over current, over voltage, etc., which is inevitable. Therefore, motor protection devices are becoming more and more important. This paper will introduce the principle of protection methods for different motor faults, mainly analyze the overload protection of motor, and design the protection device based on single chip STM32 to realize the above fault protection function.

The motor protection system designed in this paper is mainly based on STM32 as the core protection controller and ATT7022E as the electric power measurement part of the motor.measures the parameters of the motor, uses SPI communication to process the communication of the system, and adds the necessary functional modules to make the system achieve the intelligent processing effect.

Key words: motor protection SCM intelligent protection syste

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 电动机运行原理 1

1.2 电机保护的意义 1

1.3 电机保护的发展史 2

1.3.1热继电器 2

1.3.2 温度继电器 3

1.3.3 电子式电机保护器 4

1.4 电机保护器的发展趋势 5

1.5 电机保护器的未来展望 5

第二章 电机保护原理 6

2.1 电动机常见故障特征及保护 6

2.1.1 短路故障 6

2.1.2 欠压故障 6

2.1.3 过载保护 7

2.2 电动机过载保护分析 7

2.3 整定计算 11

第三章 电机保护器主要硬件部分设计 13

3.1 原理框图 13

3.2 参数检测方法 13

3.2.1 ATT7022E芯片介绍 13

3.2.2 ATT7022E外围引脚介绍 14

3.2.3芯片的复位 15

3.3 SPI通信 16

3.3.1 SPI通信接口介绍 16

3.3.2 STM32中的SPI通信 16

3.4 通讯部分 18

3.5 核心处理器的选择 19

3.5.1 STM32系列单片机的特点 19

3.5.2 复位控制回路 19

3.5.3 独立看门狗 20

3.5.4 窗口看门狗 21

3.5.5 ADC 22

3.6输出回路 23

第四章 电机保护器软件部分设计 24

4.1 流程图 24

4.2 代码分块讲解 26

第五章 结束语 28

参考文献 29

附录1 30

附录2 31

附录3 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1 电动机运行原理

电机按照功能可以分为发电机和电动机，电动机（Motor）是一种将电能转化为机械能从而可以操纵其他设备的机器，例如生活中常常见到的起重机等；而发电机（Generator）正好与它相反，它主要是用来产生电能，像我们平时家里、办公室所用到的电力设备，都是由发电厂的发电机产生的电能驱动的，发电厂发出的电经过输电、配电等步骤后供应给家家户户使用。电机是一种具有可逆性的机器，使用条件不同时作用也就不同，发电机是电动机的另一种使用形态，用来起到发电的作用。从结构上来说，它分为定子和转子两个硬件部分，定子不能动，像机座、外壳等部分；而转子当然是可以扭转的那一部分，有滑环、转子绕组和转子铁芯等。

在我们的生活中电流有两种形态，直流电和交流电，因此电动机按照驱动电源的不同又可以分为交流、直流电动机，它们的运行原理也是不同的。直流电动机的转子部分会接通电流，带电导体在定子电流形成的磁场中受到力的作用而运动，直流电动机会在定子和转子部分都接入直流电流。而交流电动机不同的是，定子部分接入的是三相电源，这样，产生的磁场不是定磁场而是一个旋转的磁场，如此一来，转子部分相对于旋转磁场来说是相互运动的，也会产生电磁力的作用，电路这就是交流电动机的运行原理。

电动机依照构造来分，又可分为同步电动机和异步电动机，电动机做的是旋转运动，因而旋转的快慢用转速n来表示。电动机还有另外一个转速的概念，同步转速，其中f指的是电源频率，在中国为50赫兹；P为电动机磁极对数，由于交流电机定子产生的是旋转磁场，同步转速即代表的是磁场的选旋转快慢，而同步电动机和异步电动机的区分就在于工作时的转速是否与同步转速相同。

1.2 电机保护的意义

什么是电机保护？就是在电机运行过程中，当电机发生一系列例如短路、断相等故障时，保护装置能够检测这些故障，并给予报警或保护。电动机一直都是在各个行业中最基本也是异常重要的动力源设备，和人们的生产、生活息息相关，在我国经济发展中占领着不可估量的重要地位。据了解，我国全国每年烧毁的电机高达数百万台，修理费用就超过数百亿，当电机未受到保护时，造成了停业停工损失巨大，还会使修理后的电机性能降低，寿命缩短，这对于国民经济和企业生产是极大的损失，于是在电机本身的发展过程中，也渐渐兴起了电机保护装置的发展。如今进入了一个智能化的时代，生活中的方方面面自动化程度极高，这说明对电机的要求也越来越高，常常需要电机进行不同模式下的运行，这也加快了电机的损坏和故障概率。

另一方面，电动机经常在一些恶劣环境下运用，例如高温、潮湿等环境，这更是加快了它们的工作寿命。正因为以上原因，电机保护器的发展越来越重要，对于提高国民经济和人民生活质量来说是必须的，而今当下，电机保护器已经走向智能化，功能越来越强大，作用越来越广泛。

1.3 电机保护的发展史

我国电机保护器的发展落后于电机本身的发展，而且也是经过一步一步慢慢改进、尝试，才能够到达今天的发展程度，这是多少科学家心血的结晶。当代的电机保护装置这一设备，已经变得越来越完善，功能越来越强大，智能化程度也愈来愈高。但总的来说，我国电机保护器经过了一下几个阶段。

1.3.1热继电器

在建国初期，我国引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰^[1]。热继电器是我们所知的的最早使用的保护器，结构原理都很简单，如下图1.1的结构图，绕组电流增大时，说明电动机正处于过载的情况中，这样也导致绕组温度升高。每一款电机都有固定的允许温升，可以通过这个值来判定电机的状态，当电机的绕组温度在这个值以内时，是允许的，这种情况下热继电器不需要工作。但是，若过载的时间长，这时绕组温度很有可能会超过电机允许温升，这个时候需要热继电器工作以保证电动机的安全。热继电器的工作原理是这样的：

发热元件是由两片金属片构成，并且这两块金属片的膨胀系数不同，导致了一旦电流过大，发热元件发热时，因为金属片的弯曲程度不一样，导致金属片变形程度不同从而脱离扣板，这样就达到了断开、保护的作用。通常，常闭触点总是关闭，加热元件金属片被切断的同时常闭触点随即也会被切断，通常在电动机的控制回路中安装这一原件，因此控制回路被切断，电机停止运行就达到了保护的作用。而发热元件由于需要反应电动机电流大小判断是否保护，所以是安装在定子绕组中。

图1.1 热继电器结构图

热继电器是人们曾经使用得最频繁的电机保护装置，它也是最早发明出的。很快就被广泛接受和应用，它价格低廉、结构简单等优点，使用也方便。但是灵敏度低是这种继电器最无法克服的的短板，因为据不完全统计，在热继电器需要工作断开时，它能真正产生保护作用的次数竟达不到三分之一。

1.3.2 温度继电器

热继电器使靠电流产生的热量为依据来进行保护的识别，而温度继电器使依据外界温度的大小来进行保护，它不需要进行电流的测量和热量的积累，只要外界温度到达一定范围继电器就工作。值得注意的是，热继电器在电动机绕组积累到一定热量时动作，但在电动机没有过载时，同样也会因为一些外部条件，误触发热继电器，比如周围环境升高等原因。这才出现了按照温度为原则动作的温度继电器。由于这种温度继电器对温度的变化很灵敏，所以一般需要安装在容易测量温度的地方，比如绕组端部。

温度继电器的优点有很多，例如体积小、精度高、通用性强、重量轻等，它不仅仅可以用来保护电动机，更是在人们生活中的方方面面起到了重要的作用。温度继电器的结构图入下图1.2所示。

图1.2 温度继电器结构图

1.3.3 电子式电机保护器

通过前面的介绍知道，热继电器的优点繁多，但它具有一个致命的缺点就是精度不准，灵敏性低，在人们现在所生活的时代，尤其是对于各类保护装置来说，灵敏性是度量装置的一个异常重要的标准，简单来说，它什么都好，就是性能可靠性低，正由于这个原因，经过研发人员的不懈努力，电机保护器上升到了一个新时代，电子式电机保护器应运而生。与传统热继电器相比，它的可靠性有了大大的提升。经研究发现，电机故障中60%是由于断相故障而引起的过热，这说明了电机保护器装有断相保护的必要性，断相通常引起的原因是三相不平衡^[2]。而对于灵敏性低的热继电器来说，一般不用它来做断相保护，由于它极有可能因为自己的温度过高引起断相，而研发的电子型的电机保护器就必须需要满足这些需要。作为电子式的电机保护器，不需要用金属片发热这种带有一定损坏的行为来作为保护的条件，它只需要进行参数的判断即可，而利用互感器测量参数，解决了发热的问题，这样做不仅弥补了传统继电器灵敏度低的缺点，还大大的提高了装置的稳定性。不仅如此，除了过载保护、断相保护外，还能进行电动机的欠一系列的其他常见故障的保护。

电子式保护器是由电子电路组合来完成的，易实施多功能化，具有更宽的反时限动态范围、功率消耗低、调节精度高、耐冲击振动等优势^[3]。现在一些功能比较强大的保护器，除了单纯的保障电机的运行外，还具有远程通讯和检测的作用，数据存储量也有了质的飞跃，真正意义上实现了智能化，电子式电机保护器的优点繁多，精度高、灵敏性好，也节能，很大概率代表了我国今后电动机保护装置的发展方向。

1.4 电机保护器的发展趋势

建国初期，保护器都是从国外引进，以热继电器为主。在当时用电量和电动机发展程度一般的时代，热继电器能很好的满足当时的需求。但是随着时代的繁荣，人们需要的用电量越来越大，这时我们需要的是更高标准的电能，从而对保护装置的要求也变高。苏联引进的热继电器随后就被国家委员会列入淘汰产品。

热继电器已经成为了过去式，随着我国经济、科学技术等各个方面的发展，电动机保护器也在随之发展着。在20世纪70年代，半导体元件急速发展，产生许多采用电力电子元件和中小规模集成电路组成的模拟电子式保护装置^[4]。模拟电子式电机保护器相比于热继电器来说，有了很大的提升，性能较好，灵敏度也高，体积小，应用广泛，但是，人们发现模拟式保护器仍具有一些缺点，例如精度不高，功能不够完善等。由于是用传统电子元件和集成电路构成，模拟式电机保护器的功能单一，不能够进行远程监测和通讯等，它也变得逐渐不能满足社会的需求。

至今，国内外的许多公司都推出过多款智能型电动机保护器，比如日本曾经推出的QA系列，美国ABB公司也在生产各种型号的继电器。智能型电机保护器以单片机为核心装置对电机进行的检测、通讯、保护等功能，由于它的先进性和一些列的优点，越来越被人们接受应用，并且具有良好的前景。

1.5 电机保护器的未来展望

电动机保护器在使能化的时代中也渐渐走向完善化，种类也越来越多，曾经有国外学者研究出基于声学的电动机故障诊断方法，基于热信号和声音信号的技术称为无创故障诊断技术^[5]。但智能化电机保护器仍是我国未来发展的方向，主要有以下几点：

（1）关于电动机保护器理论方面的知识，需要更加完善，这样才能使电动机保护判据更加精确，使电机保护装置更加精准。

（2）在完善理论知识的前提之下，更加重视实践步骤，拓展保护装置的保护功能，使保护装置不仅仅只能进行简单、基本的保护，但仍需要注意的是保护过程中可靠性和稳定性。

（3）在极简主义的今天，同样希望电机保护器也更够越来越便捷、方便，例如使用简单、功能齐全、安装维护方便等。

（4）仍需要进一步发展通信、远程监控、在线检测等方面的技术，让电机保护器向多功能化继续发展。

第二章 电机保护原理

2.1 电动机常见故障特征及保护

电机在现在人们的生活中已经变得随处可见，不管是家里，还是路边的变电箱中。很多人应该看到过这样的场景，家里停电时还能听见窗外嗡嗡嗡的发电机的声响，这说明电机这一设备对于我们平时的生活已经越来越重要，然而，由于它的重要性，工作的条件也反复多样，电机经常在暴雨、下雪等天气中运行，这也导致了它工作寿命的大大缩短，故障也会变得越来越容易发生。每当电机发生故障时，我们不能说换就换一台机器，一是成本太高，二是操作复杂还可能引起其他方面的损坏，因此需要电机保护装置来对电机进行保护，这样不仅可以大大降低成本，也降低了故障后各个方面的影响。

2.1.1 短路故障

短路故障是电机及其容易发生的一类故障，导致短路故障的原因有很多，比如电流过大导致电机短路，更容易发生的是，由于电流过大，导线外的绝缘层脱落，这样会导致导线与导线的直接相连，很容易发生匝间短路。当导线断开接地时，由于大地使导体，也会发生我们熟知的接地短路，由于接地相数的不同，可以被分为单相接地、两相接地或三相接地故障，当然，也可能由于其他一些原因而引起电机的短路故障。

对于短路故障的保护方法，常常使用熔断器实现，熔断器基本原理是利用电流突然增加的现象，为避开电动机的启动电流造成非正常断电，通常选定熔体的额定电流要大于2.5倍电动机额定电流^[6]。电动机在运行过程中，当三相电流都处于正常值运行时保护不工作，只要出现某一相电流突然增大到整定值以上时，熔断器断开回路进行保护。

2.1.2 欠压故障

每一台电机都有它自己的额定运行电压，当电动机运行时，电压时高时低，并不是一层不变的，只要在一定范围内波动，就不会影响的正常运行，但是如果电压过低到了一个临界值，就会引起电机的欠压故障。这不仅会影响电能的质量，还会发生影响电动机的严重后果。欠压保护指在电动机电压下降到一个临界值时，保护装置发起的保护，这个临界值是由自己设定的。

电机在发电或者送电时，导线两端的功率是基本不变的，除了一些损耗之外。我们在分析时假设没有损耗功率，由公式可知，电流与电压是成反比的关系，电压降低会引起电流增大，电机热量计算公式为，这时线路热量会成平方发关系增加，这当然是不能允许的。因此电动机保护必须能够有效的保护电动机的欠压故障，以免电动机过载而烧毁。

欠压保护的原理和短路保护一样，是利用继电器来完成保护，该继电器属于低压继电器，它不像短路保护继电器这样利用判断电流值达到保护目的，而是判断电机运行的实时电压，当电机电压低至临界值一下时，保护启动同样使继电器断开，如果母线电压再次恢复正常值那么电动机可以重新启动运行。一般来说，欠压保护分多次进行，欠压保护一般设置了两个整定值，第一次整定时首先切断一些不重要的负荷，这样做的好处是可以保证一些重要负荷的继续运行，若电动机仍然处于低压的状态，则电动机需要进行二次保护，此时断开剩下的负荷，当电动机电压回复正常值时又可以重新启动运行。

2.1.3 过载保护

电动机的过载现象指的是当电动机运行过程中得功率超过它额定功率的情况。引起电动机过载的原因有多种，例如电流过大，或者接入大功率负载时也会引起电动机的过载，当然也有一些其他原因的过载，比如电动机收到严重的腐蚀损坏，导致绝缘电阻下降，电动机绝缘性能变差；又或者呈现将“Y”型接线错接成“”型这种情况。

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