電動機綜合保護(hù)器的設(shè)計畢業(yè)論文

0.4kV 交流電動機綜合保護(hù)器設(shè)計摘要交流電動機是一種應(yīng)用最廣泛的動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在分析傳統(tǒng)電動機保護(hù)裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動機保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文圍繞基于微控制器的電動機綜合保護(hù)裝置的研究這一任務(wù)而展開，開發(fā)了適用于各種現(xiàn)場環(huán)境的交流電機測量、監(jiān)控、保護(hù)一體化裝置。本文的主要研究內(nèi)容概括如下。1分析了電動機運行的基本原理、電動機故障特征以及保護(hù)原理。2給出了電動機保護(hù)裝置的實現(xiàn)方案。本裝置可實現(xiàn)以下故障保護(hù)：短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過流保護(hù)、不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)以及過熱保護(hù)等功能。3以STC90C58AD單片機為核心控制器設(shè)計了電動機保護(hù)硬件單元，并配以液晶顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成電動機保護(hù)系統(tǒng)。4在軟件系統(tǒng)的設(shè)計上，根據(jù)STC90C58AD單片機的編程結(jié)構(gòu)特點，采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)功能分解成較小的功能模塊，然后用子函數(shù)和中斷處理函數(shù)等實現(xiàn)了電動機保護(hù)功能。最后，通過實驗對電動機保護(hù)器的可靠性進(jìn)行檢驗，實驗表明，此電動機保護(hù)器的測量精度，靈敏度以及保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：電動機保護(hù)，單片機，故障診斷，數(shù)據(jù)采集。0.4kV AC motor integrated protection designAbstractAC motor is the most widely used power equipment, in the national economy plays an important role, but its high failure rate on the industrial and agricultural production caused huge economic losses, so the analysis of traditional motor protection devices are not perfect on the basis of , developed functional, highly reliable motor protection devices have become necessary.In recent years, with the microelectronic technology, computer technology, the rapid development of various types of microcontrollers, digital signal processors, embedded processors and other protected areas in the motor has been widely applied. This paper focuses on a microcontroller-based motor protection device of this task are commenced, the development environment for a variety of on-site AC motor measurement, monitoring, protection integrated devices. The main contents of this paper are summarized below.1. Of the basic principles of operation of the motor, the motor characteristics and fault protection principle.2. Gives a motor protection device implementations. The device can achieve the following fault protection: short circuit protection, stall protection, overcurrent protection, unbalance protection, phase protection, overvoltage protection, undervoltage protection, leakage protection, and thermal protection.3. In STC90C58AD microcontroller as the core controller design with motor protection hardware units, and with liquid crystal displays and other peripherals constitute Motor Protection System.4. In the design of software systems, based on structural characteristics STC90C58AD microcontroller programming, modular programming ideas, functional decomposition of the system into smaller modules, and then use the subroutine and interrupt handling functions such as to achieve a motor protection.Finally, the motor protection through experiments to test the reliability of the experiment show that this motor protection measurement accuracy, sensitivity and protection performance meet the design requirements.Keywords: motor protection, SCM, fault diagnostics, data acquisition.目錄第 1 章 緒論 .11.1 電動機保護(hù)器研究的背景及意義 .11.2 電動機保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀 .11.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護(hù)方式 .11.2.2 普通電子式電動機保護(hù)器 .21.2.3 智能型電動機保護(hù)器 .31.3 微處理器的發(fā)展特點 .41.4 電動機保護(hù)器設(shè)計的主要工作和論文的各章節(jié)安排 .4第 2 章 電動機保護(hù)原理 .62.1 異步電動機的運行原理 .62.2 電動機故障分類 .72.3 電動機保護(hù)原理分析 .82.4 電動機故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .92.4.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .92.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .102.4.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .102.4.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .122.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù) .162.5 本章小結(jié) .18第 3 章 電動機保護(hù)器硬件電路設(shè)計 .193.1 概述 .193.1.1 電動機保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求 .193.1.2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計綜述 .203.1.3 各模塊研究 .213.2 中央處理模塊 .213.2.1 STC90C58AD 單片機的主要特點 .213.2.2 處理模塊電路設(shè)計 .223.3 鍵盤、顯示模塊 .233.3.1 鍵盤設(shè)計 .233.3.2 顯示設(shè)計 .243.4 電源模塊 .263.5 數(shù)據(jù)采集模塊 .273.6 報警和保護(hù)動作執(zhí)行模塊 .283.7 通信模塊 .293.8 本章小結(jié) .30第 4 章 電動機保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計 .314.1 程序設(shè)計語言選擇 .314.2 保護(hù)器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計 .324.3 保護(hù)器主程序設(shè)計 .334.4 鍵盤子程序設(shè)計 .354.5 顯示子程序設(shè)計 .364.6 定時器及數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計 .374.7 參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計 .384.8 故障處理子程序設(shè)計 .414.9 系統(tǒng)菜單式操作界面設(shè)計 .41第 5 章 電動機保護(hù)器實驗及可靠性驗證 .425.1 電動機保護(hù)器測量精度測試實驗 .425.2 電動機保護(hù)器過流保護(hù)實驗（分段保護(hù)） .425.3 電動機保護(hù)器電壓保護(hù)實驗 .435.4 電動機保護(hù)器輕載保護(hù)實驗 .445.5 電動機保護(hù)器實驗總結(jié) .44第 6 章 總結(jié)及展望 .45參考文獻(xiàn) .46致謝 .47附錄 1 電動機保護(hù)器原理圖 .47附錄 2 電動機保護(hù)器 PCB 圖 .470第 1 章 緒論1.1 電動機保護(hù)器研究的背景及意義在重要的工礦企業(yè)中，0.4kV交流電動機作為原動力和執(zhí)行器，得到了廣泛應(yīng)運。供電系統(tǒng)70的電能是通過電動機消耗的。由于交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠以及價格低廉等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。電動機所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動機的安全、穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負(fù)載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導(dǎo)致電動機的安全運行受到很大的威脅。電動機的故障或不正常運行輕則影響設(shè)備功能重則造成設(shè)備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟(jì)損失，電動機保護(hù)器的研究就顯得十分必要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，全國每年電動機損毀數(shù)量在300萬臺以上，僅電動機的維修費用就在百億元以上，因電動機不正常工作所造成的耗電量高達(dá)數(shù)十億KWh，間接經(jīng)濟(jì)損失更是數(shù)目驚人。而且這一數(shù)字還在不斷增長。另外，由于現(xiàn)代電動機設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動機的體積越來越小，導(dǎo)致電機內(nèi)部電流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動機經(jīng)常在頻繁的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種狀態(tài)下切換運行，電動機出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重。因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看，電動機保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。1.2 電動機保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護(hù)方式熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機械式電動機過1載保護(hù)器，是長期以來我國電動機保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。這種電動機保護(hù)器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為以下四種：(1)熔斷器一交流接觸器一熱繼電器；(2)斷路器一交流接觸器一熱繼電器；(3)熔斷器一斷路器：(4)熔斷器一斷路器一交流接觸器一熱繼電器。熱繼電器是用于保護(hù)電動機因過載引起過電流的裝置。熱繼電器在電子技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的時代曾是電機過載保護(hù)的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當(dāng)電流超過熱繼電器整定電流的一定時間就會啟動其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達(dá)到保護(hù)基十單片機控制的電動機保護(hù)器設(shè)計的目的。熱繼電器具有反時限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點；同時，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護(hù)時滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點。由于上述缺點電動機容易長期運行在輕微過載狀態(tài)，使電動機繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動機使用壽命。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動作曲線與電動機實際保護(hù)曲線不協(xié)調(diào)，使電動機有效功率下降，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致誤動作。正因為如此，這種傳統(tǒng)的電動機保護(hù)方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。1.2.2 普通電子式電動機保護(hù)器從上個世紀(jì)七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批的基于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動機保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運而生。此類保護(hù)器從保護(hù)取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流取樣型。電壓取樣型電動機保護(hù)器主要針對電動機工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測來對電動機進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動機保護(hù)器通過對電動機的線電流的變化檢測來對電動機進(jìn)行保護(hù)。我國電子式保護(hù)器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動機保護(hù)的要求。但是設(shè)計思路的限制2導(dǎo)致這些電動機保護(hù)器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在：a. 精度不高。由于整個保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個元件的性能都回對整個系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護(hù)器不能正常工作。b. 無法實現(xiàn)參數(shù)存儲、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動機保護(hù)器上無法實現(xiàn)像參數(shù)記錄，實時通信這樣的高端功能，這也限制了這類保護(hù)器的應(yīng)用范圍。c. 另外，整個保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。1.2.3 智能型電動機保護(hù)器目前，微機化的智能電機保護(hù)器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)器，成為電機保護(hù)器的主流。智能電機保護(hù)器作為一種實時控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時間范圍內(nèi)，對故障信號做出響應(yīng)，及時準(zhǔn)確地實施保護(hù)。實時性是保護(hù)器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對電動機故障的檢測靈敏度以及輸出保護(hù)信號的準(zhǔn)時性，直接影響了電動機的安全運行。隨著微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果同新月異。以微控制器、數(shù)字信號處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進(jìn)步，在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域都取得了重大成果。基于智能型控制器的電動機保護(hù)器與前兩種保護(hù)方式相比具有先天的優(yōu)勢。這種智能化電動機保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點，可以實施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護(hù)功能；由于能夠方便地實現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護(hù)不正確動作，提高了保護(hù)的可靠性。它可以同時對電動機進(jìn)行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。智能型電動機保護(hù)器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動機保護(hù)器的主要發(fā)展方向。31.3 微處理器的發(fā)展特點自第一個微處理器問世以來，微處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，從早期的四位機4004到七十年代末出現(xiàn)的8位機8051、MC6800再到現(xiàn)在32位機、16位機、8位機多種處理器并舉。現(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。當(dāng)今微處理器市場上高端三十二位機與低端的八位機在各自的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手。它們活躍在我們生活的各個領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機、家電等等都可以找到它們的身影。本論文所介紹的電動機保護(hù)器所采用的STC90C58AD單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。該單片機片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括4路外部中斷，8路十位高速AD轉(zhuǎn)換器，集成MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。1.4 電動機保護(hù)器設(shè)計的主要工作和論文的各章節(jié)安排本課題的主要目的是研制基于STC90C58MCU的電動機智能保護(hù)器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。針對電動機保護(hù)裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務(wù)，主要做了以下幾個方面的工作：(1) 參閱大量文獻(xiàn)資料，剖析原有電動機保護(hù)裝置平臺，深入理解電動機運行的基本原理，掌握電動機運行的特點以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動機智能保護(hù)器的設(shè)計任務(wù)。(2) 設(shè)計保護(hù)