基于单片机的交流电机保护器的设计.doc

安徽工程科技学院毕业设计 论文 1 摘摘 要要 电动机因具有结构简单 价格低廉 使用维护方便等优点 在国民经济各方面被广 泛采用 然而 由于供电状态和机械负荷的多变性 使得电动机的故障率较高 不仅会 损坏电动机本身 而且会影响整个生产 造成较大的经济损失 因此 电动机的安全运 行对保证厂矿企业的正常生产是非常重要的 本文首先分析了异步电动机的常见故障 以对称分量法为依据 采用检测过流幅值 负序电流 零序电流的方法 得出了电动机故障的准确判据 确定了各种故障的保护措 施 对电动机实现了短路 堵转 过热 负序电流 零序电流 低电压 过电压 启动 时间过长 频繁启动 漏电闭锁等保护功能 本文以 8 位单片机 AT89C51 做微处理器 AT89C51 单片机内置 128 字的 RAM 和 4K 字的 ROM 可以进行外部扩展数据存储器和程序存储器 具有性能较好的 I O 运算 等功能 有合适的指令系统 能够实现电机智能保护 电路简单 功能齐全 为了实现电机分布检测和控制的要求 控制系统具有便于集中管理和信息共享的特 点 关键词 关键词 电动机 智能保护 单片机 AT89C51 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 2 Abstract Motor has many advantages such as simple structure being cheap maintaining and using conveniently and so on so it is adopted extensively in the different fields of national economy However because of supply power state and mechanical load ge 七七 ting changeable it makes the malfunction rate of the motor very high The malfunction will damage the motor but also influence the whole production cause the enormous economic losses So in order to guarantee the normalproduction of the industrial enterprise the safe operation of the motor is very important This text has analyzed the common malfunction of the asynchronous motor at first And then it which is based on symmetrical weight theory has drawn accurate criterion of the trouble of the motor confirmed the protective measures of different troubles Finally it has realized kinds of protection functions such as short circuit protection rotate stop protection over hea rotection negative current protection zero current protection low voltage protection over voltage protection overlong start up time protection frequent start up protection lock protection of electric leakage and so on This text has selected 8 bit computer AT89C51 as micro controller The single chip computer has built in RAM and ROM and can need to expand the RAM and ROM Having strong function and high efficient ins ruction system it has realized intelligence protection of the motor Its circuit is simple and its function is comprehensive In order to realize the motor s demand for distributed measuring and controlling control system based on network has such characteristics as convenient for centralized management and information sharing Keywords Motor Intelligence Protection single chip computer of AT89C51 安徽工程科技学院毕业设计 论文 3 目目 录录 引言引言 6 第第 1 章章 绪论绪论 7 1 1 智能仪器的特点 7 1 2 智能仪器的组成 7 1 3 智能仪器的发展趋势 8 1 4 电动机的故障特征及保护方法研究 9 第第 2 章章 保护系统的硬件设计保护系统的硬件设计 15 2 1 系统的硬件设计 15 2 2 AT89C51 芯片介绍 15 2 3 电流电压和温度检测电路 18 2 4 A D 转换和选通电路设计 24 2 5 人机接口界面设计 28 2 6 看门狗电路的设计 31 2 7 继电输出电路 32 第第 3 章章 智能电动机保护装置的软件设计智能电动机保护装置的软件设计 33 3 1 系统程序流程 33 3 2 初始化部分 33 3 3 自检部分 35 3 4 A D 信号采集部分 35 3 5 数据处理部分 37 3 6 保护模块 38 3 7 键盘显示和报警子程序设计 39 3 8 A D 转换子程序设计 40 3 9 T0 中断程序设计 41 3 10 看门狗程序设计 41 结论与展望结论与展望 43 致谢致谢 44 参考文献参考文献 45 附录附录 A 基于交流电机保护器的电气原理图基于交流电机保护器的电气原理图 46 附录附录 B 外文文献及译外文文献及译 文文 47 附录附录 C 主要参考文献的题录及摘要主要参考文献的题录及摘要 52 附录附录 D 程序清单程序清单 55 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 4 插图清单插图清单 图 1 1 智能仪器的基本组成 7 图 1 2 电动机温升特性曲线 10 图 2 1 系统结构框图 14 图 2 2 AT89C51 引脚图 15 图 2 3 本设计时钟电路 16 图 2 4 电流变流器的硬件原理图 17 图 2 5 零序电流检测的硬件原理图 17 图 2 6 电流互感器的硬件原理图 18 图 2 7 电压偏置原理图 18 图 2 8 DS18B20 引脚图 19 图 2 9 写 0 和写 1 时隙 22 图 2 10 读 0 和读 1 时隙 22 图 2 11 DS18B20 与单片机的接口电 路 23 图 2 12 TLC549 引脚排列 24 图 2 13 TLC549 方式 1 的时序图 24 图 2 14 TLC549 与单片机 AT89C51 的连接 图 25 图 2 15 CD4051 原理图 26 图 2 16 CD4051 芯片引脚图 26 图 2 17 CD4051 在本设计中的接法 27 图 2 18 键盘接口电路 28 图 2 19 74LS164 引脚图 29 图 2 20 显示电路的连接 29 图 2 21 报警电路 30 安徽工程科技学院毕业设计 论文 5 图 2 22 X5045 管脚图 30 图 2 23 看门狗电路的连接 31 图 3 1 系统主程序流程图 32 图 3 2 初始化部分流程图 33 图 3 3 自检部分流程图 34 图 3 4 T1 中断子程序流程图 36 图 3 5 数据处理部分流程图 37 图 3 6 保护部分流程图 38 图 3 7 键盘扫描流程图 39 图 3 8 LED 动态扫描程序流程图 39 图 3 9 报警子程序流程图 40 图 3 10 A D 转换子程序流程图 40 图 3 11 T0 中断程序流程 图 41 图 3 12 X5045 读写程序的流程图 42 表格清单表格清单 表 2 1 温度和数量关系 20 表 2 2 DS18B20 内部存储器 20 表 2 3 温度存储器格式与配置 20 表 2 4 存储器中逻辑地址定义 21 表 2 5 CD4051 通道选择表 21 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 6 引引 言言 本次毕业设计是一次实践性的设计 基于单片机的交流电机保护器的设计 电动机作为现代工业动力源的宠儿 机电一体化完美的结合体 其保护问题长期困 扰着继电保护专业人员和运行人员 据不完全统计 全国每年由于电动机过载 不平衡 短路 缺相 接地等故障引起电动机损坏的恶性事件数百起 直接经济损失上亿元 因 而设计一种性能优良的电动机智能保护装置将具有很现实的意义 随着计算机技术的飞速发展 微机式保护也广泛用于各种保护系统之中 它不仅能 够完成继电保护所要求完成的计算和逻辑判断等性能 同时 对于每一个被保护对象来 讲 微型计算机以其方便 灵活 可靠 节能等诸多独特的优点 为理论研究和应用研 究提供了更先进的手段 与传统保护装置相比 其通用性 人机对话功能强 可实现各 种非常复杂的算法和各种保护原理 所以 微机型的多功能电动机保护将是今后发展的 方向 安徽工程科技学院毕业设计 论文 7 第第 1 章章 绪论绪论 电子测量仪器按照其功能 IJ 以分类为常规测量仪器 智能测量仪器 虚拟测量仪等 常规测量仪器又分为模拟测量仪器和数字测量仪器 指针式的电压表 电流表 功率表等都是模拟测量仪器 这些仪器的结构简单 功能单一 精度低 显示速度慢 随着电子技术的发展 又出现了数字测量仪器 它的基本上作原理是将待测量的模拟信 号转换成数字信号并进行标度的变换 测量结果以数字的形式显示出来 这类仪器的精 度较高 读数清晰自观 随着微电子技术的不断发展 集成了 CPU 存储器 定时器 计数器 并行和串行接口 看门狗 前置放大器甚至 A D D A 转换器等电路在一块芯片 上的超大规模集成电路芯片 即单片机 出现了 以单片机为主体 将计算机技术与测量 控制技术结合在一起 就组成了所谓的 智能化测量控制系统 也就是智能仪器 1 1 智能仪器的特点 智能仪器的出现 极大地扩充了传统仪器的应用范围 智能仪器凭借其体积小 功能 强 功耗低等优势 迅速地在家用电器 科研单位和工业企业中得到了广泛的应用 与 传统仪器仪表相比 智能仪器具有以下功能特点 1 操作自动化 仪器的整个测量过程如键盘扫描 量程选择 开关启动闭合 数据 的采集 传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作 实现测量过程 的全部自动化 2 具有自测功能 包括自动调零 自动故障与状态检验 自动校准 自诊断及量程 自动转换等 智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因 这种自测试可以在仪 器启动时运行 同时也 IJ 在仪器上作中运行 极大地方便了仪器的维护 3 具有数据处理功能 这是智能仪器的主要优点之一 智能仪器山于采用了单片机 或微控制器 使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题 现在可以用软 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 8 件非常灵活地加以解决 例如 传统的数字万用表只能测量电阻 交自流电压 电流等 而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量 而且还具有对测量结果进行诸如零点平移 取平均值 求极值 统计分析等复杂的数据处理功能 不仅使用户从繁重的数据处理中 解放出来 也有效地提高了仪器的测量精度 4 具有友好的人机对话能力 智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关 操作 人员只需通过键盘输入命令 就能实现某种测量功能 与此同时 智能仪器还通过显示 屏将仪器的运行情况 上作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员 使仪器 的操作更加方便自观 5 具有 IJ 程控操作能力 一般智能仪器都配有标准的通信接口 可以很方便地与 PC 机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统 来完成更复杂的测试任 务 1 2 智能仪器的组成 智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统 它主要是山硬件和软件两大部分组 成 硬件部分主要包括主机电路 模拟量输入输出通道 人机部件与接口电路 标准通 讯接口等部分 其中 主机电路通常有微处理器 程序存储器 输入输出 I O 接口 电路 等组成 或者它本身是一个具有多功能的单片机 模拟量输入输出通道用来输入输出模 拟量信号 主要山 A D D A 转换器和有关的模拟信号处理电路等组成 人机部件的作用 是沟通操作者和仪器之间的联系 它主要由仪器面板中的键盘和显示器等组成 标准通 讯接口电路用于实现仪器与计算机的联系 以便使仪器可以接受计算机的程控命令 图 1 1 是智能仪器的基本组成图 图 1 1 智能仪器的基本组成 软件部分主要包括监控程序 接口管理程序和数据处理程序三大部分 其中监控程 序面向仪器面板键盘和显示器 其内容包括人机对话的键盘输入及对仪器进行预定的功 RAMROM 微处理器 接口 键盘 接口 报 警测试 电路 接口 自动测试 接口 安徽工程科技学院毕业设计 论文 9 能设置 对处理后的数据以数字 字符 图形等形式显示等 接口管理程序主要通过接 口电路进行数据采集 输入输出通道控制 数据的通讯 数据的存储及测量结果的显示 和打印等 数据处理程序主要完成数据的滤波 数据的运算 分析等任务 1 3 智能仪器的发展趋势 近年来 智能化测量控制仪表的发展尤为迅速 随着微电子技术 微机械技术和信 息技术的发展 智能仪器的发展趋势有以下几点 1 微型化 微型智能仪器指微电子技术 微机械技术 信息技术等综合应用于仪器的生产中 从而使仪器成为体积小 功能齐全的智能仪器 它能够完成信号的采集 线性化处理 数字信号处理 控制信号的输出放大及与其他仪器的接口 与人的交互等功能 微型智 能仪器随着微电子微机械技术的不断发展 其技术不断成熟 价格不断降低 因此其应 用领域也将不断扩大 它不但具有传统仪器的功能 而且能在自动化技术 航天 军事 生物技术 医疗领域起到独特的作用 例如 口前要同时测量一个病人的几个不同的参 量 并进行某些参量的控制 通常病人的体内要插进几个管子 这增加了病人感染的机 会 微型智能仪器能同时测量多参数 而且体积小 丁植入人体 使这些问题得到解决 2 多功能化 多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点 例如 为了设计速度较快和结构较复杂 的数字系统 仪器生产 一家制造了具有脉冲发生器 频率合成器和任意波形发生器等功 能的函数发生器 这种多功能的综合型产品不但在性能上 如准确度 比用脉冲发生器和 频率合成器高 而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案 3 人工智能化 人上智能是计算机应用的一个崭新领域 利用计算机模拟人的智能 用于机器人 医疗诊断 专家系统 推理证明等各方面 智能仪器的进一步发展将含有一定的人上智 能 即代替人的一部分脑力劳动 从而在视觉 图形及色彩辨读 听觉 语音识别及语言 领悟 思维 推理 判断 学习与联想 等方面具有一定的能力 这样 智能仪器可无需 人的 干预而自主地完成检测或控制功能 显然 人上智能在现代仪器仪表中的应用 使 我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题 而且 IJ 望解决用传统方法根本不能 解决的问题 1 4 电动机的故障特征及保护方法研究 为了保证电动机安全 可靠地运行 必须采取一些保护措施 在电动机出现故障时 应能立即自动切断电源 起到保护电动机和供电线路的作用 1 4 1 电动机的主要类别 电动机按照供电方式的不同 分为直流电动机和交流电动机两大类 交流电动机可 分为同步电动机和异步电动机 同步电动机一般应用于功率较大或者转速必须恒定的场 合 由于其构造复杂 价格较高 启动和维护都比较困难 囚此应用不如异步电动机普 遍 异步电动机的定子和转子之间没有电的联系 能量的传递靠电磁感应作用 故又称 感应电动机 交流异步电动机按交流电源的相数又可分为单相交流异步电动机和三相交 流异步电动机 三相交流异步电动机按转子构造可分为三相绕线式交流异步电动机和三 相鼠笼式交流异步电动机 三相交流异步电动机具有结构简单 价格低廉 效率较高 坚固耐用 运行可靠 使用和维护方便等很多公认的优点 因此在生产设备中广泛应用 据有关部门统计 在 电力拖动的机械中有 90 左右是由三相交流异步电动机拖动 本文所讨论的电动机均为 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 10 交流异步电动机 1 4 2 电动机的常见故障分类 在电动机的故障中 与电气有关的故障占 33 与机械有关的故障占 32 与环境 及维护有关的故障占 15 与其他原因有关的故障占 20 本文研究的保护内容主要是 针对与电气有关的故障而言 异步电动机的常见故障可分为对称故障与不对称故障两大类 对称故障有对称过载 堵转 短路等 它的主要特征是三相仍基本对称 但电流幅 值增大 对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应 因此 对称故障可以由 电流过流程度来反映 电动机不对称故障很多 除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外 不对称故 障的大多数一般不出现显著的电流幅值变化 因此过流保护常常不能及时鉴别 电动机 不对称故障可进一步分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障两类 非接地性不对 称故障 主要包括断相 逆相 相间短路及不平衡运行等 由于井下电动机的中心点不 接地 因此定子电流中可分解为正序 负序和零序电流分量 当电动机正常运行时 三 相基本对称 负序和零序电流分量基本为零 当电动机发生非接地性不对称故障时 会引 起三相电流不对称 会出现负序电流分量 所以可以采用负序电流分量作为这类故障的 判据 这类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应 接地性不对称故障 包括单相接地短路和两相接地短路两类 当发生接地性不对称故障时 会出现零序电流 分量 这是区别其它任何非接地性故障的最根本特征 可作为接地性故障的主要判据 1 4 3 电动机的保护方法 电动机最常见的保护功能有短路 堵转 过热 负序电流 零序电流 欠压与过压 启动 漏电闭锁保护等 各保护特征与要求如下所述 1 短路保护 电动机出现短路故障后 会在短路线匝内产生很大的电流 使绕组产生高温 以致 绝缘变色 焦脆甚至烧毁 另外还会导致供电电网电压下降 从而影响其它用电设备的 正常运行 因此 电动机短路故障出现时 应进行速断保护 即瞬时断开发生故障的电 动机 把事故限制在最小范围内 当电动机正常启动后 系统检测电动机 A B C 三相工作电流的最大值 如果其值大 于速断保护设置的电流整定值 速断保护就要立即动作 断开电动机 保护动作电流可 根据需要设定在 8 至 12 倍的电动机额定电流 短路保护的动作时间应不大于 0 2s 需要 注意在设置速断保护电流整定值时 启动时间内和启动时间后的速断电流值分别整定 在启动状态时 电流速断保护应具有高的保护定值 正常运行状态下 具有较低的保护定 值 这样不仅能保证电动机在满载启动过程中 短路保护可靠的不动作 即躲过电动机 的最大启动电流 又能保证电动机正常运行状态下检测故障的灵敏度 2 堵转保护 由于机械故障 负荷过大 电压过低等原因 会使转子处于转不动的状态 在全电 压下堵转的电动机 由于散热条件差 电流大 特别容易被烧坏 因此系统应当装设堵 转保护 作为电动机运行过程中短路保护的后备保护 系统要能正确区分启动或正常运 转 堵转保护只在启动结束后运行 而在电动机启动过程中并不检测 在电动机正常运转中假若发生堵转 电流就会增大 当系统检测计算得到的正序 电流超过堵转电流整定值 并达到整定时限时 堵转保护动作 输出跳闸信号 切断电 动机电源 根据实际情况 保护动作电流可设定在 4 至 8 倍的额定电流 整定时限可设 定在 1 5s 动作时间小于 0 3s 安徽工程科技学院毕业设计 论文 11 3 过热保护 电机发生过负荷是电动机容量与机械负荷不匹配所引起的 是一种非正常运行状 态 电机在一定时间内的过负荷是允许的 但是如果过负荷时间较长 会导致电动机的 热量积聚 使电动机过热 引起电动机绝缘老化 电机线圈烧毁及引发短路故障 在实 际工作中 由于过负荷原因造成的电动机损坏在电动机故障总数中占相当大的比例 因 此系统必须装设过热保护 过热保护也可作为电动机短路 启动时间过长 堵转等故障 的后备保护 1 电动机的发热特性 电动机本身是一个由多种材料组成的组合体 是一个非均质物体 其发热和散热情 况均比较复杂 理论上讲 电动机的发热程度应以最热点温度来衡量 但是最热点温度 计算起来相当困难且不够准确 实际测定表明 电动机的发热曲线与均质发热体的发热 曲线只有较小的差别 因此在电动机热计算中 通常假定电动机是一个均质物体 只计 算其平均温升 电动机在运行时 总有一定能量损耗 损耗包括铜耗 铁耗和机械损耗 其中铜耗 与电流的平方成正比 而铁耗和机械损耗几乎不变的 所以可以认为电动机的总损耗 P 与电流的平方基本成正比关系 这些损耗将全部转变成热能 使电动机自身温度升高 甚至超过周围环境温度 电动机温度比环境温度高出的值就称为温升 对于电动机的发热过程 由传导学基础可知电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡 微分方程为 式 1 1 rdtIeIovQdt 22 式中 电动机定子绕组每秒钟内所产生的热量 如果热量的单位为 J 则的单QQ 位为 W 电动机定子绕组在过负荷状态时流过的电流 A Iov 电动机定子绕组在额定工况时流过的电流 A Ie 电动机定子绕组的电阻 r 这一热平衡微分方程在考虑发热的同时 也考虑了热量向周围介质的散失 真实地 反映了电动机在过负荷状态下实际的温升过程 其温升特性表达式为 式 1 2 1 22 t cG A e A rIeIov 式中 的意义同式 1 1 相同 IovIer 定子绕组的温升 C 0 A 冷却表面积 2 m 散热系数 即每平方米表面 每度温差 每秒时间内所散发的热量焦耳数 02 Cm W 定子物体材料的比热 即将 1 公斤物体温度升高 1所需热量的焦耳数 eC 0 G 定子物体的重量 Kg 我们通过式 1 2 可以看出 电动机定子绕组的温度随时间成指数关系变化 如图 1 2 中的曲线 SC 所示 m t t m TC t 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 12 图 1 2 电动机温升特性曲线 当时间 t a 时 电动机的温度与环境温度相同 这时电动机产生的全部损耗都用来 提高电动机的温度 所以电动机温度上升很快 随着电动机温度上升的增加 它与周围 介质的温度差越来越大 散发到周围介质中的热量也逐渐增加 温升增加变慢 直到散 热量等于发热量时 电动机的温度就不再升高 它所产生的全部热量散发到周围介质中 即达到稳定温升 则电动机保持着一个稳定不变的温升运行 从发热和温升的观点来看 电动机是可以短时过负荷而不致于被烧坏 但是 电动机长时间的过负荷运行 将使电 动机温升超过允许值 从而加速绕组绝缘老化 甚至将电动机烧坏 2 过负荷保护原理 设电动机定子绕组在额定工况时流过的电流为 Ie 绕组的铜损为 Pe 过负荷时电流增 大到 Iov 而绕组的铜损由 Pe 增大到 Pov 则有 若铜损产生rIePe 2 rIovPov 2 的热量毫无损失地储存在绕组中 也就是假设电动机定子绕组温升过程为一绝热过程 那么根据电动机原理 则绕组的温度按指数规律上升 在指数规律的线性段近似认为温 度随时间 t 线性上升 3 传统的过负荷保护存在的问题 1 因为由过负荷电流所产生的热量总是要向周围介质散失一部分 也就是说实际允 许的过负荷时间将大于 tY 为了弥补这一缺陷 传统的处理方法是加以修正系数 将保 护系统的动作特性方程转变为 式 1 3 1 2 I K tY 式中 与定子绕组温升特性 温升裕度等因素有关的修正系数 一般取 0 05 式 1 3 显然表明 修正系数的作用受的影响较大 当过负荷较大时 几乎没有 I 什么作用 而当过负荷电流较小时 如TH 或 T1 05Un 吗 电动机通电 2 U 0 95Un 吗 报警 读 A D 结果 20 点采到吗 求出有效值 返回 图 3 3 自检部分流程图 10 秒到吗 Y N 安徽工程科技学院毕业设计 论文 37 20 点 而后置标志位 Flog 为 0 进行中断返回 流程图如下 图 3 4 T1 中断子程序流程图 N 地址编码送 4051 采集第 1 路 恢复现场 返回 Y 定时器 T1 中断程序输入 1ms 保护现场 FLAG 20 FLAG 0 关中断 FLAG FLAG 1 地址编码送 4051 采集第 2 路 地址编码送 4051 采集第 3 路 地址编码送 4051 采集第 4 路 地址编码送 4051 采集第 5 路 地址编码送 4051 采集第 6 路 地址编码送 4051 采集第 7 路 地址编码送 4051 采集第 8 路 置数据处理标志 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 38 3 5 数据处理部分 数据处理部分主要实现以下功能 1 采样电流 电压值 温度值 2 求出有效值 3 求三相电流值的和 用于后面判断故障类型 采样的电流电压值要求出最大值 再转 换为有效值 检测出实时定子温度值 首先 采样线电压 因为电网电压一般相对稳定 出现三相电压严重不平衡的情况较 少 所以不对每一相电压采样 而是采样 线电压作为对电压的监控 每采完一次就 将采样结果与上次采样的结果比较 然后求出最大值 并保存结果 采样 20 点 并求 出最大值 作为线电压的最大值 采样三相电流原理与采样线电压类似 采样三相电流要分别对每一相电流进行采样 再分别求出三相电流的最大值 最后转换为有效值 2 3 图 3 5 数据处理部分流程图 Y 各相求出最大值 调用各采样数值并计算出各相采集值 计算结束 N 20 点采到吗 N Y I I I I abc 安徽工程科技学院毕业设计 论文 39 3 6 保护模块 保护模块主要分为两部分 1 定时限部分 2 速断部分 由于速断部分需要优先处理 故程序先判断是否发生需速断的故障 需速断的故障有三 种 1 短路故障 2 断相故障 3 接地故障 对称短路时三相电流最大值大于设定的短路值 一般是额定电流的 倍左右 相间 短路时三相电流的和不等于零 且有一相电流为零 单相接地时零序电流不为零 且大 于零序电流的设定值 定时限部分包括以下情况 1 堵转 2 过热 3 过压 4 欠压 图 3 6 保护部分流程图 3 电动机跳闸 速断保护启动保护 启动状态正常否 有启动故障否 欠电压故障 短路故障 过电压故障 过热故障 断相故障 接地故障 堵转故障 速断保护 电机跳闸 过电压保护 定时限保护 过电流保护 零序电流保护 定时限保护 5 恢复现场 子程序返回 4 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 40 3 7 键盘显示和报警子程序设计 图 3 9 报警子程序流程图 开始 有键按下 调延时 10ms 子程序 有键闭合 转各键处理子程序 结束 N N 图 3 7 键盘扫描流程图 Y Y Y 5 4 记录故障类型及电压 电流和定子温度值 停止报警键按下 显示 报警 消抖延时 有键按下 复位键按下 安徽工程科技学院毕业设计 论文 41 程序开始 保护现场 关 T0 中断 开其他中断 设置段码缓冲区指针 设置位码缓冲区指针 设置显示位数 是闪烁位否 将位码和段码值送 P0 口 显示某位 延时 1ms 修改显示缓冲区指针显示位数减 1 显示完否 T0 计数器置初值 恢复现场 开中断 中断返回 RET 显示位数 1 N Y N Y 图 3 8 LED 动态扫描程序流程图 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 42 3 8 A D 转换子程序设计 本设计采用的 TLC549 是以开关电容逐次逼近原理工作的 8 位串行 A D 转换器 单 电源 3V 6V 供电范围 控制口线少 时序简单 转换速度快 功耗低 价格便宜 适 用于低功耗的小型仪器仪表上的单路 A D 采样 也可将多个器件并联使用 TLC549 的 硬件电路图在第 2 章已经给出 A D 转换子程序流程图如图 3 8 所示 图 3 10 A D 转换子程序流程图 开始 CS 置高 CLK 置低 移位计数器 R0 为 0 CS 置低选中 TLC549 1 4uS 后 CLK 置高 读 DOUT CLK 置低 CS 置高转换值存入缓冲区 子程序返回 R0 加 1 8 位读完吗 Y N 安徽工程科技学院毕业设计 论文 43 3 9 T0 中断程序设计 在 T0 中断程序中 调用键盘扫描子程序 如有按键按下 就进入键值处理子程序 执行完毕后就重装 T0 计数初值 然后中断返回 其流程图如下图所示 图 3 11 T0 中断程序流程图 3 10 看门狗程序的设计 X5045芯片提供了EEPROM存贮数据及看门狗功能 它必须通过微处理器加以控制 方可实现 在前面已经详细介绍了X5045与单片机的接口电路 其功能的实现还是要靠 软件来实现 X5045 读 写操作时序 1 读时序 l 把 CS 拉低以选择芯片 2 发送 8 位的读 READ 指令 3 送 8 位的字 节地址 4 将所选定地址的存储器中的数据移到期 SO 线上 2 写时序 在写时序之前 必须先发出 WREN 指令使 写使能 锁存器置位 具体置位 写使 能 锁存器操作为 1 CS 先被拉到低电平 2 由时钟同步送入 WREN 指令 3 将 CS 变为高电平 入栈 扫描键盘 电压 是加一键 R0 R0 1 出栈 中断返回 R0 R0 1 是切换键盘 Y N YN 发送数据 电流温度 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 44 写数据到 EEPROM 操作为 l 拉低 CS 并保持在低电平 2 发送写指令 WRITE 3 写 数据 可以连续写多达 4 个字节的数据 但必须是这 4 个字节在同一页上 X5045 读写 程序流程图如图 3 11 所示 3 12 X5045 读写程序的流程图 将 CS 拉 低 允许写 写入地址 选择所写的位置 数据写完否 等待状态寄存器不忙 将 CS 拉低 将数据一位一位地读出 开始 将数据的一位写入 将 CS 拉高 选择所读数据的位置 写入地址 N Y 结束 安徽工程科技学院毕业设计 论文 45 结论与展望结论与展望 基于单片机的交流电动机保护器装置采用的是将单片机实时控制技术引入电动机保 护的一种控制理念 它是将电机学 电力系统分析 电力系统继电保护和单片机控制等 方面的知识融合在一起的产物 电动机在工农业生产中被广泛应用 但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济 损失 因此在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上 研制功能完善 可靠性高的 电动机保护装置己经成为必要 本设计做了以下工作 1 分析了电动机的故障类型 故障原理 并在次基础上给出了相应的保护方法 2 采用了 AT89C51 单片机 实现了实时控制与保护 3 保护功能基本包括了电动机常见的故障 如短路 堵转 过载 欠压 过压 接 地相间短路等 对电动机的保护控制并不是粗略的控制 而是要向精确型 实时型继续拓展 本次 设计中仍然存在着一些问题要在以后的研究设计中加以改善 比如在参数设定和参数计 算方面都还停留在初步的阶段 如果更高更快更好的饿听高检测精度是我们致力的方向 这就需要在抗干扰 编程和硬件设计方面下工夫 再次 运用总线技术实现远程通信控 制也是我们要研究的方向 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 46 致致 谢谢 两个多月的毕业设计很快就过去了 在这些日子里 通过毕业设计使我增长了各种专 业知识 同时又使我获得了宝贵的设计 操作和编程等经验 熟悉了做科研设计的基本 步骤以及必要的准备工作 而我的成长和一个个阶段性的成功都离不开身边每一个人的 指导和帮助 首先我衷心的感谢设计指导老师江明老师一直以来给予我的帮助和细致耐心的指导 对于毕业设计过程中遇到的各种问题 江老师总是喜欢对我采取耐心的指导方式 让我 不断的认识到问题的所在 最终并解决问题 最让我受益匪浅的是他的严谨的科研态度 以及很注意基本技能的培养 同时 向指导我的研究生吴春林学长表达我诚挚的谢意 感谢他这些日子中给予我 热心的帮助和耐心的指导 在整个设计过程中 我也得到了电气工程系的大力帮助 提供了良好的设计环境 开放了机房 从而使得收集资料和模拟实验 以及在撰写设计论文等方面都很方便 再 次表达谢意 最后 我衷心感谢江明老师和在大学四年的学习和生活中所给予我帮助的老师和同学 作者 卢 兴 2006 年 12 月 21 日 安徽工程科技学院毕业设计 论文 47 参考文献参考文献 1 周立功等编著 单片机实验与实践 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 2 何立民编著 MCS 51 系列单片机应用系统设计 系统配置与接口技术 M 北京 北 京航空航天大学出版社 1996 3 王幸之 钟爱琴 王雷 王闪 AT89 系列单片机原理与接口技术 M 北京航空航 天大学出版社 2004 5 1 4 杨振江 流行单片机实用子程序及应用实例 M 西安 西安电子科技大学出版社 2002 7 5 林凌 李刚 丁茹 李小霞 新型单片机接口器件与技术 M 西安 西安电子科技大学出版 社 2005 6 刘华东 单片机原理与应用 M 电子工业出版社 2003 8 7 刘守义 杨宏丽 王静霞 单片机应用技术 M 西安电子科技大学出版社 2002 8 8 魏刚 电动机智能保护器的设计 D 合肥工业大学 2005 5 9 E Musson Electric motor protector development J International Journal of Production Research 1998 06 10 ATMEL 8 bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89C51 2000 http 11 Dallas Semiconductor Ltd Understanding and Using Cyclic Redundancy Checks with Dallas iButton Products Dallas Semiconductor Products Data Sheet 2001 12 Xior X5043 X5045 CPU Supervisor with 4K SPI EEPROM M Xicor Inc 2001 1 20 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 48 附录附录 A 基于交流电机保护器的电气原理图 基于交流电机保护器的电气原理图 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051AH U1 I O0 13 I O1 14 I O2 15 I O3 12 I O4 1 I O5 5 I O6 2 I O7 4 A 11 B 10 C 9 INH 6 I O 3 CD4051BC U2 AIN 2 I OCLK 7 REF 1 REF 3 DOUT 6 CS 5 TLC549 U3 PNP Q1 BELL U1 RES2 R1 DXCT205 LM 224 510 R12 510 R11 510 R10 510 R9 510 R8 510 R7 510 R6 510 R5 DAT 5V 5V 5V 5V CLK A 11 B 7 C 4 D 2 E 1 F 10 G 5 DP 3 COM1 12 COM2 9 COM3 8 COM4 6 LED 4 U1 8550 Q2 8550 Q3 Q6 8550 Q4 5V 4 7k R17 4 7k R16 4 7k R15 4 7k R14 COM1 COM2 COM3 COM4 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 VCC 14 GND 7 CLK 8 MR 9 A 1 B 2 74LS164 U LED15 LED8 LED COM 1 2 3 CON5 5V clk dat com1 com2 com3 com4 led com 8550 Q4 5V 4 7k R17 CS VCC SO RST WPSCK VSS SI X5045 U2 CAP C1 CAP C2 CRYSTAL Y1 XTAL1 XTAL2 XTAL1 XTAL2 VCC 18B20 1 2 3 CON5 18B20 VCC 5 1K R0 VCC VCC RW DXCT205 LM 324 RW IA IN I0 12V 12V 12V 12V Ua Un U0 2K 10K 5 1K 10K 10K 20K 0 001u D2 D1 0 001u 5V 停A D 0 68K 4 7K4 7K TLP521 1 NPN Q JI 12V P0 7 5V 5 1K 5 1K 5 1K 5 1K 5 1K SW PB S SW PB S SW PB S SW PB S SW PB S P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 1停 RST停 1停 停停停停停 停停停停停 VCC P0 6 I O 0I O 1 安徽工程科技学院毕业设计 论文 49 附录附录 B 外文文献及译文 外文文献及译文 X5045 FEATURES Selectable time out watchdog timer Low VCC detection and reset assertion Five standard reset threshold voltages Re program low VCC reset threshold voltage using special programming sequence Reset signal valid to VCC 1V Long battery life with low power consumption 50 A max standby current watchdog on 10 A max standby current watchdog off 2mA max active current during read 2 7V to 5 5V and 4 5V to 5 5V power supply versions 4Kbits of EEPROM 1M write cycle endurance Save critical data with Block Lock memory Protect 1 4 1 2 all or none of EEPROM array Built in inadvertent write protection Write enable latch Write protect pin 3 3MHz clock rate Minimize programming time 16 byte page write mode Self timed write cycle 5ms write cycle time typical SPI modes 0 0 主程序 SCLK BIT INT0 DOUT BIT P2 3 A1 BIT P2 7 B1 BIT P2 6 C1 BIT P2 5 INH BIT P2 1 DI BIT P0 0 CLK BIT P2 4 EN BIT P0 2 ADH EQU 30H ADL EQU 31H ADHA EQU 32H ADLA EQU 33H ADHB EQU 34H ADLB EQU 35H ADHC EQU 36H ADLC EQU 37H ADHAB EQU 38H ADLAB EQU 39H ADH0 EQU 3AH ADL0 EQU 3BH UMAX EQU 3CH UMIN EQU 3DH IGZ EQU 3EH IDZ EQU 3FH IDL EQU 40H ORG 0000H AJMP START ORG 000BH START MOV TMOD 1H MOV TH0 5CH MOV TL0 2BH SETB EA SETB P2 0 SETB P2 1 SETB P2 2 SETB P2 3 SETB P2 4 SETB P2 5 SETB P0 2 SETB P1 6 卢兴 基于单片机的交流电机保护器的设计 58 CLR P1 0 SETB ET0 SETB TR0 LOOP ACALL SCAN ACALL CHULI ACALL DISPLAY JB P0 4 LOOP ACALL BAOHU ACALL DISPLAY AJMP LOOP SCAN MOV A R2 ANL A 0F0H PUSH ACC JNZ KEY POP ACC MOV R0 ACC RET KEY LCALL DELAY MOV A P1 CPL A ANL A 0F0H JNZ KEY RET WAIT LCALL KEY JZ WAIT JB ACC 0 FUN0 JB ACC 1 FUN1 JB ACC 2 FUN2 JB ACC 3 FUN3 LJMP WAIT FUN0 MOV A R0 PUSH ACC MOV R0 30H MOV A R0 JNB P2 0 ADS1 LJMP WAIT ADS1 ADD A 01H MOV R1 A LCALL DISPLAY INC R0 POP ACC MOV R0 A LJMP WAIT FUN1 MOV A R0 安徽工程科技学院毕业设计 论文 59 PUSH ACC MOV R0 A JNB P2 1 DC1 DC1 DEC R0 MOV A R0 MOV R2 A LCALL DISPLAY POP ACC MOV R0 A LJMP WAIT FUN2 MOV A R0 PUSH ACC M