电机智能保护装置的设计docWord下载.docx

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毕业论文任务书

班级电气工程及自动化2007-74班学生姓名廖溆华学号07920796

发题日期：

2009年10月10日完成日期：

2009年11月07日

题目电机智能保护装置的设计

1、本论文的目的、意义电机在国民经济中起着十分重要的作用,电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，它们己是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。

它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的,举一个简单的例子，一台生产线上主要电动机的故障,必将造成生产线的停工，它甚至会影响整个大生产系统的工艺流程，影响之大可以设想。

据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16％,约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。

另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的直接经济损失则更为巨大。

单片机的出现,对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。

由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换.它大大减轻了主CPU的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能。

本设计的目的是利用各种智能手段对电机进行保护，从而保证电机正常工作时的启动、停车、正转、反转、调速等所有运行方式的正常运行。

3、论文各部分内容及时间分配:

（共10周）

第一部分确定毕业设计题目、查阅资料，调整设计思路。

（1周）

第二部分整理电机智能保护的国内外发展现状及本设计的前景,并形成文档。

（2周）

第三部分各种电机保护电路的详细介绍和设计思路。

（3周）

第四部分各本分硬件电路、软件程序的设计。

第五部分对毕业设计进行修改、整理、完善.（1周）

评阅其答辩（周）

4、参考文献

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液晶显示应用手册［M］.第1版.北京：

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备注

指导教师：

年月日

审批人:

诚信承诺

一、本论文是本人独立完成;

二、本论文没有任何抄袭行为；

三、若有不实,一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。

　　　　　　　　　　　　　　　承诺人（钢笔填写）：

年　　月　　日

摘要

该论文设计了一个以16位单片机80C196KC为控制核心的电机智能保护系统。

提出了电动机在发生漏电、缺相、短路、断路、电流不平衡等故障现象时的各种保护措施，并给出了硬件、软件的设计思想。

本设计的控制核心采用80C196KC单片机，其A/D转换接口用于输入电机三相电流、工作电压、绝缘电阻的测量采样,结构紧凑。

与现有电机综合保护仪相比,实现了漏电闭锁保护、短路保护、过载保护、缺相保护、过压,欠压保护；

实现了动态液晶显示驱动电路用于显示各种信息,菜单屏在键盘操作下各个设置功能的显示;

实现了发生故障时存储故障发生时的故障时间,故障类型以及故障值的大小等故障信息。

在设计中还提出了系统的硬件、软件抗干扰设计的思想及方法.硬件抗干扰主要有:

低通滤波、看门狗电路监控等；

软件抗干扰主要有:

数字滤波。

这样就较好地解决了系统中的干扰问题，减少了保护装置拒动作和误动作的可能性.更加便于系统的维护。

关键词：

电动机单片机故障智能保护

ABSTRACT

Thispaperdesignanintelligentprotectionsystemcontrolledbythe16singlechipmicrocomputer80C196KCforusewithelectricmotorsaswellasshowvariousprotectionmeasuresonthemotorbreakdownphenomenasuchastheleakelectricityofmotor,theleakphase,theshortcircuitandimbalanceofthreephasecurrent。

Thedesignideaonbothhardwareandsoftwareisalsogiven.

The80C196KCmicrocomputerisusedasthecontrolcoreofthedesign.ThesystemisprovidedwithA/Dconversioninterfaceusedtosamplingtheinputcurrentofthemotorandthestructureiscompact.Comparedwiththeexistingelectricmotorprotectiondevicenowadays，achievedleakageelectricityclosedprotection、short—circuitprotection、overloadprotection、lackphaseofprotection、overvoltageandlessvoltageprotection；

AchieveddynamicLCDdrivingcircuitsforshowinformation，andthemenuscreenkeyboardoperationofthevariousfunctionsoftheshow；

Achievedfailuretoachieveastoragefailureoccurswhenthefailuretime,thetypeoffailureandprotectstoragecircuitusedtorecordbreakdowndatawhensystempowersdown.文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途

Alsomadehardware,softwaresystemstoresistantinterferenceofthinkingandmethodsinthedesign.Resistantinterferenceofhardwaremainabout:

low-throughfilteringwave、watchdogcircuitcontrol；

Resistantinterferenceofsoftwarehavedigitalfilteringwave。

Suchasystemwouldbetteraddresstheinterferenceproblem,reducethepossibilityofmistakenlymovesandresistingmovesofprotectivedevices.Greatereaseofsystemmaintenance。

Keywords：

Electricmotor;

Microcomputer；

Breakdown；

Intelligentprotection

第1章前言

传统的电机保护主要是采用继电器一类的模拟控制器件来实现，用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序控制、行程控制、逻辑控制、设备保护等。

该类装置具有价格低、结构简单、安装方便等优点。

但是其缺点是：

元件分散性、热惯性较大、校验不方便，对电动机的断相、短路不起作用，因此对电动机起不到真正的保护作用。

随着电子技术的飞速发展，许多厂家和科研单位研究和开发了以三极管、小规模集成电路为主的电机保护装置。

这些装置虽然解决了热继电器反应迟缓的问题,有的也解决了断相等保护问题,但这些装置均靠电位器调节定值，再加上元件的可靠性低、价格高、电路结构复杂、校验不方便、不能记忆保护动作时的情况等问题，限制了它的使用。

现在又出现了智能化的监控制系统。

一般的监控系统是指不带CPU或单片机的模板或设备.当一个测控系统中I/O设备太多，又要进行大量计算时，常出现在规定时间内不能完成指定任务的情况。

单片机的出现，对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。

由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换。

它大大减轻了主CPU的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能.

本设计的的中心思想是用高性能单片机为主设计一个电机的智能保护装置,该装置应具有以下特点：

（1）能完成电机的多种保护，如:

过流、过载、过压、欠压、短路、缺相、漏电闭锁保护，自动和手动复位。

各种保护定值可以通过该装置的16个按键直接输入,使得电机保护校验方便、透明.

（2）能够对上述保护进行故障存储，并且存储鼓故障发生时的时间、类型以及故障值大小等故障信息，便于分析故障原因。

（3）能实时显示电机电流及各种状况.各种功能的实现和参数选择均可通过面板键盘根据电动机规格和使用条件设定.该保护装置采用液晶显示器。

（4）系统具有16位监视定时器Watchdog（看门狗），当系统产生软硬件故障时,看门狗定时器将使系统复位。

这样，就会提高系统的抗干扰能力.

本设计以教材、著作、说明书、期刊、杂志等大量知识的载体作为参考资料。

对此本设计人向诸多专家和学者表示衷心感谢。

鉴于本人的知识水平有限,错误和不妥之处敬请各位审阅教师给予指。

1.1开发电机智能保护系统的意义

电机在国民经济中起着十分重要的作用,电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，它们己是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。

它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的，举一个简单的例子，一台生产线上主要电动机的故障，必将造成生产线的停工，它甚至会影响整个大生产系统的工艺流程,影响之大可以设想。

据不完全统计,全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16%,约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。

另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。

造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象.在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大:

要么价格低而智能化程度低,对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果。

目前广泛使用不带CPU的集成电路制作的的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断,只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示,另外,仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照,不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。

为避免影响生产,开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护仪十分必要。

随着数字计算机、电子技术、集成电路的迅速发展，用计算机测控系统取代传统测控系统的条件己经成熟。

为此，我详细地分析了电动机的运行和故障情况，采用一套过载保护的数学模型,设计一种具有智能分析能力的电机综合保护装置。

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1。

2电机保护技术的发展历史、现状及发展方向

1.2.1电机保护技术的发展历史与现状

电机保护技术是随着近代工业化的发展而发展起来的。

早期的电机保护方法主要是采用继电器一类的模拟控制器件来实现，用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序控制、行程控制、逻辑控制、设备保护等.这些棋拟控制器件组成的常规控制系统具有可靠性高、易于维护操作等优点，并得到了广泛的应用。

但随着工业生产向大型化、复杂化方向的发展,生产过程的自动化程度要求越来越高，常规控制系统的局限性己经越来越突出,其主要表现为:

连线复杂、体积大、功耗高、工作速度慢、延时和控制精度低、设计、施工周期长、修改困难,尤其对模拟量难于进行数字处理,在很多领域里的使用受到了限制。

50年代以后，随着计算机技术、智能传感器技术、数字信号处理技术、集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究取得了巨大的进步.随着新技术、新工艺不断地向传统的技术与工艺挑战，用计算机智能保护系统取代传统的保护仪表,用现代的控制算法取代经典的控制算法，用灵敏、节能的新型智能传感器取代老式的变送器，己成为工矿企业及科研院所设计与改造工业测控系统首先考虑的问题。

2.2电机保护技术的发展方向

随着科学技术的发展,电机保护系统正趋于走向智能化、模块化、虚拟化.

（1）电机保护系统的智能化.

现在一般的电机保护系统是指不带CPU或单片机的模板或设备.当一个电机测控系统中I/O设备太多,又要进行大量计算时,常出现在规定时间内不能完成指定任务的情况。

（2）电机保护系统的模块化

随着计算机技术、大规模集成电路和智能传感器技术的发展，新型的智能外围器件层出不穷。

这种新型的智能外围器件具有功耗低、接口简单、结构紧凑、可靠性好、精度和性能价格比高等优点，越来越成为电机保护系统设计者们的首选器件。

这使得保护系统的

设计越来越致力于系统的功能性设计。

模块化的设计具有设计周期短、互换性好、精度高、可靠性和系统整体性能好等优点，更有利于产品的更新换代.

（3）电机保护系统的虚拟化

自1986年美商国家仪器公司（NationalInstrumentCorp.简称NI）推出虚拟仪器（VirtualInstruments，简称VI）的概念以来，VI这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。

在VI系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能.

总之,传统的电机保护仪器已从模拟技术向数字技术发展；

从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；

从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向发展;

从功能组合向以计算机为核心构成多功能模块的自动保护系统发展.未来的电机保护仪器和系统除了拥有更强大和完善的功能外，将更快、更小、甚至植入要保护的电路中，同时还要具备自我诊断、自我校准和自我感知能力.

本设计的将要开发的智能电机的保护装置，是以MCS-96为控制核心，对电机的启停进行智能化控制，大大提高了保护精度，使电机的运行更加的智能化，并且对社会具有很大的经济价值和实用价值.

1.3本设计的主要工作及创新点

本设计在了解目前我国的智能电机的综合保护现状和需求的基础上,采用MCS-96系列单片机80C196KC单片机微处理器，经过抗干扰处理，工作可靠，操作方便,保护精度高，反应速度快。

能完成适合低压电机的启停，运行的保护单元的硬件设计，软件设计以及印刷电路板的制作等工作.

1.3.1系统的特点

a.模块化设计

一个保护仪能实现对多种模拟量的监测，这样就增加了系统配置的灵活性及产品的标准化。

监测的变化只需变化相应的信号采集和调理部分，不用改变其它部分，只要把采集来的信号转换成0～5V之间的标准电压即可。

b.系统的小型化

在本系统电路的设计中，尽量考虑使用新型及功能较强的集成电路芯片,采用串行总线外围接口器件，如80C196KC、74LS373、8255A、X5045、AD620、CD4051、7805等。

这不但简化了电路，减小了体积，而且增加了其可靠性。

c.系统的智能化

该电机保护仪是以智能单片机作为控制心脏，所以使得仪器的自动化程度提高,功能加强,性能更加稳定。

d.系统的通用化

对本系统进行适当的变换可进一步推广到其它工业测控、故障诊断以及用于需要按工况要求监测温度、压力、电流和电压等物理量的场合，所以本系统具有一定的推广价值.

e.系统的实时化

本系统的一个重要特点在于实现了在线监测。

所以操作者通过看保护仪的液晶显示器和听报警声音就可以观察被测电机的工作状况，方便了用户,节省了人力资源.同时，具有低功耗，高可靠性。

本设计要完成的工作主要有以下几个方面：

a.智能控制单元的硬件设计和结构设计。

b.系统的抗干扰设计。

c.软件的编写和调试。

3。

2本智能电机保护器应具备的功能

（1）测量功能

a。

电动机的工作电压

。

b。

电动机的三相线电流

.

c.电动机绕组侧启动前的绝缘电阻值

（2）保护功能

漏电闭锁保护：

主回路对地绝缘电阻降到动作值以下时，漏电闭锁保护动作，禁止启动。

当主回路对地绝缘电阻恢复到动作值1。

5倍时自动复位，为了防止电机的反电动势，漏电闭锁功能在主回路断开10秒后投入.

b.短路保护:

主回路三相工作电流中任何一相电流大于8倍额定电流时，起动器短路保护动作。

过载保护：

过载保护动作后启动器不能自动复位，故障消除后，需按复位按钮启动器才能自动重新启动,动作倍数及时间见表1－1。

表1－1过载保护动作指标

相号

I\Ie

动作时间

启动状态

1

1.05

2h不动作

冷态

2

1.2

小于20min或小于1151s

3

1.5

小于3min或小于176s

4

6

小于13s

a.缺相保护：

主回路接通后，主回路三相工作电流中的任何两相电流连续相差0。

58倍以上电流时,在120s内缺相保护动作。

b.过压，欠压保护:

主回路电压工作在0。

85－1.15Ue,超出1.15Ue为过压，应立即停止工作，切断电源;

低于0.75Ue为欠压，应立即停止工作，切断电源。

（3）储存故障和查询功能

能够对电机发生的漏电,短路，过载，缺相,过压，欠压进行故障储存,并且存储故障发生时的故障时间,故障类型以及故障值的大小等故障信息，当技术人员需要读系统进行有针对的检修时可以输入时间进行故障查询。

（4）人机交互功能

采用液晶显示器实现运行过程中的电压等级，实时电压，额定电流，实时三相电流，启动前的绝缘电阻值，控制方式，以及系统工作时间的显示；

实现菜单屏在键盘操作下各个设置功能的显示以及故障查询屏的显示；

实现在系统检测到故障时故障信息的显示.

a．运行屏:

当送电后，显示屏每隔3－5s滚动以下内容：

①电压等级:

660V，380V.

②三相电流：

ABC

③绝缘电阻值

b．故障屏：

当故障发生时，显示屏给予显示，并静止不动。

设置故障查询，为今后维修故障分析有据可查。

①漏电故障绝缘值②短路故障三相电流值

③缺相故障三相电流值④过载故障三相电流值

⑤欠压故障电压值⑥过压故障电流值

（5）自动复位功能

系统具有16位监视定时器Watchdog（看门狗），当系统产生软硬件故障时，看门狗定时器将使系统复位，提高了系统的抗干扰能力。

由于A/D转换器与CPU制作在一个芯片上，使系统体积小，适合于在对结构尺寸有限制的场合使用。

第2章控制单元的硬件电路的设计

本章详细介绍了电机智能保护器的控制单元的硬件电路设计，包括模拟电路、数字电路的设计原理、方案选定，同时也比较详细的介绍了每个模块在本设计中涉及到的主要功能和原理图.

2.1控制单元总体结构设计

由硬件的总体结构框图，如图2－1，介绍系统的工作原理为：

图2-1硬件的总体结构框图

系统采用在主回路闭合之前