电机智能综合保护装置设计

毕业论文（设计）论文题目： 电机智能综合保护装置设计学生姓名：学 号：所在院系： 电气信息工程学院专业名称： 自动化届 次： 2013指导教师：本科毕业论文（设计）诚信承诺书1.本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计） ，题目 是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业论文（设计）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源；3. 毕业论文（设计）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学院对毕业论文（设计）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业论文（设计）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5.若在省教育厅、学院组织的毕业论文（设计）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 日期： 年 月 日目 录前言.21 绪论.21.1 电动机保护的发展趋势.21.2 电动机的故障分析和综合保护分析.31.3 微机保护装置的特点.72 硬件设计.72.1 装置硬件系统结构设计.72.2 各单元模块功能介绍.83 系统保护方案.93.1 过流保护.93.2 漏电保护.93.3 过压和欠压保护 .94 系统仿真和调试.104.1 系统软件设计.104.2 模拟信号的采集.114.3 电路参数的计算.134.4 仿真软件介绍及仿真实现.154.5 系统测试.185 总结与展望.18参考文献.192013 届本科毕业论文1电机智能综合保护装置设计摘要: 本文研究开发了基于单片机C8051F020 的电机智能综合保护装置设计。主要针对大中型电动机的智能电动机保护器。根据对称分量法，本文对电动机的故障特征和保护原理进行了详细的分析。提出了基于先进的数字信号处理理论，配有过流保护，漏电保护，过压和欠压保护等保护。本装置由单片机、测量电路、显示电路和电源等几部分组成。该电路硬件电路大为简化，除了实现各种保护功能外，还可显示电动机运行时的电流，同时设置了系统与上位机的连接,为系统功能的扩展创造了条件。作为一种智能化的保护方案，该系统具有可实现功能多，经济成本低，可靠性和稳定性等特点。关键词: 电机智能保护; 对称分量法; 数字信号处理Design for motor s intelligent protection deviceAbstract: In this paper, the development of C8051F020 microcontroller-based intelligent motor integrated protection device design. According to the method of symmetrical components, carried out a detailed analysis of the fault characteristics of the motor and protect the principle. Based on state-of-the-art digital signal processing theory, with over current protection, leakage protection, over-voltage and under voltage protection, protection. The device consists of single-chip measurement circuit, display circuit and power sections. Greatly simplify the hardware circuit of the circuit, in addition to various protection functions, but also shows the current when the motor is running, set up the connection of the system with the host computer, and create the conditions for the extension of the system function. As an intelligent protection program, the system has multi-function, low economic cost, reliability and stability can be achieved.Keywords: Intelligent motor protection; method of symmetrical components; digital signal processing电机智能综合保护装置设计2前言随着我国经济的迅猛发展，电动机得到了普遍的应用，与我们的日常生活密不可分。因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。由于电网、电动机本身质量及工作环境等多种因素，电动机会出现过压、欠压、电流不平衡、欠载及过流等故障，并由此带来了许多经济损失。因此,电动机保护装置的开发与研制势在必行。目前大部分电动机保护装置仍然在使用 8/16 位的单片机，由于这种单片机功能模块不全。如果要提高电动机智能综合保护装置的性能，还需要添加相应的芯片对其进行扩展。这无形中就增加了保护系统的制造成本，并使系统的可靠性降低，同时使产品的体积也会相应的增大。本文采用的 ARM 单片机采用了最新的 32 位 ARM 核处理器，使它在指令系统、总线系统、调试技术及性价比等方面远远的超过了传统的 8/16 位单片机。同时在 ARM单片机的内部拥有大量的片内外设, 使它的功能和可靠性提高。完善的电动机保护装置对电动机运行过程中的各种运行信息进行采集、运算、分析、监控、报警、控制的综合性装置。装置通过对故障报警，保证生产过程的安全。本保护器还可以通过数据信息通讯，实现对电动机运行状况的信息在上位机上进行实时监测，并经过计算机数据处理提供管理信息。在设备可能出现重大故障前，越限报警可以及时提醒管理人员对其进行处理，避免了不必要的停机对正常生产造成影响，最大限度的保证了设备运行和控制的有效性。当电动机运行时的参数达到预设的报警值时，保护装置仅进行报警，而不停止运行；但当越限值达到预设的极限值时，保护装置就切开电源停止电动机的运行。在电动机控制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成并经过通信接口送至计算机管理系统。1 绪论1.1 电动机保护的发展趋势我国电动机保护的发展趋势大致有以下几点:1)研制在线监控系统;2)发展小型、质优价廉的保护装置;3)应具有较好的稳定性和可靠性;4)应具有较强的抗干扰、环境适应的能力和持续工作的能力；1.2 电动机的故障分析和综合保护分析如果要做好电动机的保护，首先就要分析所保护的对象会遇到什么故障，分析其2013 届本科毕业论文3故障发生原因，这样才能有所根据的提出相应的保护方案。对于异步电动机来说，其故障原因主要分为绕组损坏和轴承损坏。造成绕组损坏的主要原因有：(1) 由于供电电源电压过低使电动机不能启动，或短时间内重复的启动，使电动机由于长时间的较大的启动电流而过热以致损坏。(2) 电动机长期受到电、热或化学的作用，使绕组绝缘层老化，形成对地短路。(3) 因为机械故障而造成的电动机转子出现堵转。造成电动机轴承损坏的主要原因有：机械负荷太重、润滑剂的问题，或者工作环境恶劣，例如出现多尘、腐蚀性气体等给轴承造成损坏。由于电动机的智能保护主要是通过测量电路中的电流、电压以及开关的状态等来监测电动机的运行情况，因此系统面对的主要故障是绕组故障。引起电动机绕组故障的常见问题可分为对称故障和不对称故障两大类。1.2.1 电动机故障基本原理为了研究异步电动机起动时的电压、电流、转矩等变量之间的关系，从而进一步分析异步电机起动时的外加电压、电流和起动转矩的关系。就要研究电机的数学模型，采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得：1)忽略时间和空间谐波2)忽略铁损和磁饱和异步电动机的稳态等效电路如下图 1 所示，对于电机的软起动而言，大多采用基于集中参数等效电路的数学模型。图 1 电动机稳态等效电路其等效电路中的元器件 为定子绕组的电阻， 是定子绕组的漏电抗， 是归算到1r1x2r定子方面的转子绕组的电阻， 是归算到定子方面的转子绕组的漏抗。 是定子铁2 m心损耗所对应的等效电阻， 是励磁电抗。 是定子电压向量， 是定子感应电mx1.U1.E动势向量， 是定子电流向量， 是磁化电流向量。基于 T 等效电路的数学模型1.II.电机智能综合保护装置设计4是：(1-1)(.2.1 mmjxrIZIE(1-2).21I(1-3)(2.2. jxsrE(1-4)1.1. jIU由等效电路可得出，异步电动机输入的电功率 一部分被消耗在定子绕组上1p的电阻而成为定子铜耗 ；另一部分则消耗在定子铁心上而变成铁耗 。剩余1cup fep的通过空气隙传递到转子上的功率是电磁功率 。其中 为：emem(1-5)srIIEmpe 21221cos电磁转矩一般表示为：(1-6)1)1(emmece psT其中 是同步角的速度；转子机械角的速度 ； 为机械功pfn1260 602nemp率。由式（15）和式（16）得：(1-7)srImpTe21根据 T 型等效电路 可知：(1-8)21212 )()(xsrUI将式（18）代入式（17） ，同时考虑 ，于是有1pf122013 届本科毕业论文5(1-9)()(22121xsrUfpmTe 刚起动时，转子 n=0，转差率 s=1，此时起动转矩为：(1-10)()(22121xrfpTst 同时根据上式（11） 、式（12） 、式（13） 、式（14）可得：(1-11)2112.1 )(jxsrjjxrjUIm在异步电动机里，因为 ， ，故可省去 和 ，则上式（111）可表示为：1 ，电动机将因承担maxT zTmax不了而停转。电动机是用过载倍数 来表示它的过载能力的 = / 。tTtn就异步电机而言，堵转就意味着转子堵住不转，转差率 S=1，即在 T 形等效电路图中的附加电阻为 0 的状态。在这种情况下 S=1， =0，即电动机电子电流将会21sr()出现一个很大的值，因此同样会烧坏电机，如果在规定的时间内电流值，我们就认为出现了堵转故障。1.2.4 过载故障过载是指电动机的负载很大，转子电流加大，使得电动机定子电流很大。过载过大了就形成堵转。1.2.5 电动机综合保护分析根据上述对称分量法，出现不对称故障时，电动机的