1——电动机容许过载特性；2——定时限过载保护特性； 3——阶段式定时限过载保护特性；4——反时限过载保护特性；
电动机在设计时往往留有一定余量，因此电动机可以容许有一定的短时过载能力。其实在实际生产中，电动机负载往往会有一定的波动，这也要求电动机具有一定短时过载能力，不会因短时过载而停机，影响正常生产。
电动机过载保护动作时问t与过载倍数?的关系称为电动机过载保护特性。设计过载保护特性时，要充分利用电动机本身的过载能力，不要因为电动机一过载就立即进行保护，频繁的断电保护将影响正常生产，这样的保护也就失去意义了。图2.2中可以看出，定时限过载保护和阶段式定时限过载保护都不能像反时限过载保护特性那样充分利用电动机的过载能力，因此在设计过载保护特性时应具有优良的反时限特性。
c．电动机反时限过载保护的实现
对于图2.4中曲线4所表示的连续的反时限过载保护特性，可以通过取有限个有代表性的特征点来实现，即对电动机过载区间划分为若干个子过载区间，对于每一个子过载区间采用定时限的保护方法来实现，如表2.3所示。
表2.3 某电动机反时限过载保护的分段式实现 过 流 反 时 限 保 护 ??I/Ie ?1.2 ?1.31 动作时间t/s（具体可设定为某一列） 60 48 36 24 8 6 0.4 120 96 72 60 20 10 7 180 144 120 96 30 20 14 120 192 168 120 40 30 20 300 220 200 180 60 40 25 ?1.38 ?1.44 ?1.50 ?2.0 ?3.0 2.4.5 欠压和过压故障特征分析及保护判据
根据三相异步电动机的电磁转矩公式： sR2U12T?K2R2?(sX20)2 式中:T——电磁转矩
K——常数 U1——定子电压
R2，X20——电动机转子电阻和启动感抗
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s——转差率
电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流变化，从而影响到电动机正常运行。
a．欠压保护
在电动机负载和转子电阻一定的条件下，电网电压降低时，电磁转矩下降，电动机转速下降，旋转磁场对转子的相对转速增大，磁通切割转子导条的速度增大，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大乜”，温升增高。如果电动机长时间在低电压工作会使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。低电压也会使电动机起动转矩下降，当电压降低到能使起动转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。
电动机要不要装设欠压保护有一定原则。对电源电压短时降低或短时中断后又恢复需要自动起动的重要电动机，不装设低压保护。下列电动机一般需装设欠压保护：(1) 当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为保证重要电动机自启动而需要断开的次要电动机；(2)电源电压短时降低或短时中断后，根据生产或工艺的要求，不允许或不需要自启动的电动机；(3)需要自启动，但为保证人身和设备的安全，在电源电压长时间消失后，需从电网中自动断开的电动机。
欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护．
b．过压保护
过电压一般是由电网电压波动造成的，当然也可能是伴随其它故障的产生而产生的，如对于负载星形连接且无中性线的电动机，如果定子绕组一相短路，会造成其它两相负载的电压增大。
电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，进而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。
过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。
2.5 本章小结
本章从异步电动机的模型入手，介绍异步电动机的基本运行原理。
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第3章 电动机保护器硬件电路设计
本章将详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本论文的硬件系统以STC90C58AD单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑到电动机智能保护器的应用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了该保护器的实际需要及抗干扰性能。
硬件电路的设计是整个系统设计的基础硬件，设计的好坏不仅直接影响硬件系统本身功能的实现，而且对以后的软件系统设计与实现有很大的影响。所以硬件电路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还要考虑到使系统软件设计实现时更简单方便。
3.1 概述
3.1.1 电动机保护器硬件系统的技术要求
电动机智能保护器的工作环境中通常存在大量的机电设备，这些机电设备在启动、运行、停止时都会产生大量的电磁干扰。这导致电动机智能保护器的工作环境复杂，对抗干扰性能要求较高。而且在电动机产生故障时能够及时准确地发出保护命令，这就对保护器的硬件电路设计提出如下的要求。
(1) 抗高温、低温能力强。保护器系统电路中元件的性能会随温度变化而变化，在较高温度或较低温度时有可能产生误动作，故保护器系统所有的元器件都应选用工业级器件。
(2) 抗强电磁干扰能力强。继电器的闭合与断开，电动机的运行等都会在空间激发高频电磁场，产生大量的强电磁干扰，影响电子设备正常运行甚至导致设备失效，因此在进行硬件电路设计时应该尽可能地提高硬件的抗干扰性能。
(3) 处理器运算速度快。由于装置需要进行大量的数据输入输出以及数据运算，为保证保护器动作的快速性和准确性必须采用运算速度快的微处理器。
(4) 采样精度高。电动机保护器需要实时检测电动机的运行数据，表征电动机状态的参量必须得到精确的测量。
3.1.2 保护装置硬件设计综述
电动机保护的功能最终是通过硬件来实现的，硬件系统性能的优劣直接影响到保护器的性能指标。而实际的电动机保护器还不得不考虑成本因素，本文本着低成本、高性能的原则，查阅了大量微控制器资料，通过认真论证比较最终决定以国内宏晶科技推出的基于新一代增强型8051内核的STC90系列单片机作为核心
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控制器。
电动机智能保护器的硬件系统以STC90C58单片机为核心控制器，采用模块化设计方法，根据这一思想本装置主要分成六大模块：处理器模块，通信模块，电源模块，键盘、显示模块，数据采集模块和开关量输出模块，系统硬件模块结构图如图3．1所示：
键盘显示模块 数据采集模块 处理模块 通信模块 电源
报警和保护动作执行模块
图3.1 系统框图
3.1.3 各模块研究
(1)处理器模块。处理器模块使用STC90C58AD单片机，利用片上AD模块对三相电压电流以及电动机温度进行检测，根据保护算法进行保护决策。
(2)键盘、显示模块。该模块是本保护器的人机交互接口，键盘主要用来设定电动机的参数、额定值。显示器则用来显示电动机的运行状态和报警信息。
(3)电源模块。给微处理器提供标准5V电源，给其它模块提供合适电平的电源。 (4)数据采集模块。将电动机的运行参数经过信号处理和电平变换之右逡入处理器的AD转换模块。
(5) 报警和保护动作执行模块。电动机智能保护器故障报警和保护动作的执行通道，可以将微处理器的保护决策送至继电器、断路器等电气设备完成低电压控制高电压的工作。
(6)通信模块。将电动机及电动机保护器的状态信息送到PC机上，便于技术人员实时监控和进行历史数据分析。
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3.2 中央处理模块
处理器模块采用STC90C58AD单片机。STC90C58AD单片机是宏晶科技生产的高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速十位AD转换器，针对电机控制，强干扰场合。
3.2.1 STC90C58AD单片机的主要特点
（1）增强型8051内核，指令代码完全兼容传统8051；
（2）工作电压范围：5.5V-3.3V(5V单片机)/3.6V-2.0V(3V单片机)； （3）工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
（4）片上集成256+4096字节RAM；
（5）通用I/O(35/39个)，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；
（6）ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成；
（7）内部集成MAX810专用复位电路，增强系统抗干扰性能； （8）共3个16位定时器/计数器. （9）8路10位A/D转换；
??（10）工作温度范围：-40～+85C(工业级)/0～75C（商业级）；
3.2.2 处理模块电路设计
根据前面的分析，控制器处理模块电路图设计如图3.2所示。
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