電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

0.4kV 交流電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)摘要交流電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)裝置己經(jīng)成為必要。近年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、以及其它嵌入式處理器在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(chǎng)環(huán)境的交流電機(jī)測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)一體化裝置。本文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下。1分析了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理、電動(dòng)機(jī)故障特征以及保護(hù)原理。2給出了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。本裝置可實(shí)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(jī)為核心控制器設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。4在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，根據(jù)STC90C58AD單片機(jī)的編程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，此電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測(cè)量精度，靈敏度以及保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)，單片機(jī)，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(dòng)機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義 .11.2 電動(dòng)機(jī)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(jī)械式保護(hù)方式 .11.2.2 普通電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 .21.2.3 智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 .31.3 微處理器的發(fā)展特點(diǎn) .41.4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的主要工作和論文的各章節(jié)安排 .4第 2 章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理 .62.1 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理 .62.2 電動(dòng)機(jī)故障分類 .72.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析 .82.4 電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì) .193.1 概述 .193.1.1 電動(dòng)機(jī)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(jì)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(jī)的主要特點(diǎn) .213.2.2 處理模塊電路設(shè)計(jì) .223.3 鍵盤、顯示模塊 .233.3.1 鍵盤設(shè)計(jì) .233.3.2 顯示設(shè)計(jì) .243.4 電源模塊 .263.5 數(shù)據(jù)采集模塊 .273.6 報(bào)警和保護(hù)動(dòng)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(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .314.1 程序設(shè)計(jì)語言選擇 .314.2 保護(hù)器軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) .324.3 保護(hù)器主程序設(shè)計(jì) .334.4 鍵盤子程序設(shè)計(jì) .354.5 顯示子程序設(shè)計(jì) .364.6 定時(shí)器及數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì) .374.7 參數(shù)調(diào)整子程序設(shè)計(jì) .384.8 故障處理子程序設(shè)計(jì) .414.9 系統(tǒng)菜單式操作界面設(shè)計(jì) .41第 5 章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)及可靠性驗(yàn)證 .425.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測(cè)量精度測(cè)試實(shí)驗(yàn) .425.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過流保護(hù)實(shí)驗(yàn)（分段保護(hù)） .425.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器電壓保護(hù)實(shí)驗(yàn) .435.4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器輕載保護(hù)實(shí)驗(yàn) .445.5 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器原理圖 .47附錄 2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 PCB 圖 .470第 1 章 緒論1.1 電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力和執(zhí)行器，得到了廣泛應(yīng)運(yùn)。供電系統(tǒng)70的電能是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個(gè)設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動(dòng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動(dòng)，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(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行受到很大的威脅。電動(dòng)機(jī)的故障或不正常運(yùn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究就顯得十分必要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年電動(dòng)機(jī)損毀數(shù)量在300萬臺(tái)以上，僅電動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用就在百億元以上，因電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)。另外，由于現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動(dòng)機(jī)的體積越來越小，導(dǎo)致電機(jī)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(dòng)機(jī)經(jīng)常在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種狀態(tài)下切換運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。1.2 電動(dòng)機(jī)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(jī)械式保護(hù)方式熱繼電器是建國(guó)以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機(jī)械式電動(dòng)機(jī)過1載保護(hù)器，是長(zhǎng)期以來我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。這種電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)代曾是電機(jī)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(shí)間就會(huì)啟動(dòng)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(jī)控制的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)的目的。熱繼電器具有反時(shí)限特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，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(shí)滯和對(duì)輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。由于上述缺點(diǎn)電動(dòng)機(jī)容易長(zhǎng)期運(yùn)行在輕微過載狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)作曲線與電動(dòng)機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線不協(xié)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)有效功率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作。正因?yàn)槿绱?，這種傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器從上個(gè)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(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器主要針對(duì)電動(dòng)機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)來對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的線電流的變化檢測(cè)來對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。我國(guó)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(dòng)機(jī)保護(hù)的要求。但是設(shè)計(jì)思路的限制2導(dǎo)致這些電動(dòng)機(jī)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(gè)保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個(gè)元件的性能都回對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器上無法實(shí)現(xiàn)像參數(shù)記錄，實(shí)時(shí)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(gè)保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。1.2.3 智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器目前，微機(jī)化的智能電機(jī)保護(hù)器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)器，成為電機(jī)保護(hù)器的主流。智能電機(jī)保護(hù)器作為一種實(shí)時(shí)控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)故障信號(hào)做出響應(yīng)，及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施保護(hù)。實(shí)時(shí)性是保護(hù)器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對(duì)電動(dòng)機(jī)故障的檢測(cè)靈敏度以及輸出保護(hù)信號(hào)的準(zhǔn)時(shí)性，直接影響了電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)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(hào)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了重大成果?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱?dòng)機(jī)保護(hù)器與前兩種保護(hù)方式相比具有先天的優(yōu)勢(shì)。這種智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)自檢測(cè)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(dòng)作，提高了保護(hù)的可靠性。它可以同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器的主要發(fā)展方向。31.3 微處理器的發(fā)展特點(diǎn)自第一個(gè)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(jī)4004到七十年代末出現(xiàn)的8位機(jī)8051、MC6800再到現(xiàn)在32位機(jī)、16位機(jī)、8位機(jī)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(chǎng)上高端三十二位機(jī)與低端的八位機(jī)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(gè)領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機(jī)、家電等等都可以找到它們的身影。本論文所介紹的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所采用的STC90C58AD單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。該單片機(jī)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(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。1.4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)智能保護(hù)器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。針對(duì)電動(dòng)機(jī)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(gè)方面的工作：(1) 參閱大量文獻(xiàn)資料，剖析原有電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置平臺(tái)，深入理解電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理，掌握電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)任務(wù)。(2) 設(shè)計(jì)保護(hù)