电机智能综合保护装置设计

毕业论文（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）本科毕业论文（设计） 诚信承诺书诚信承诺书 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 目目 录录 前言.2 1 绪论.2 1.1 电动机保护的发展趋势.2 1.2 电动机的故障分析和综合保护分析.3 1.3 微机保护装置的特点. .7 2 硬件设计.7 2.1 装置硬件系统结构设计. .7 2.2 各单元模块功能介绍. .8 3 系统保护方案.9 3.1 过流保护.9 3.2 漏电保护.9 3.3 过压和欠压保护.9 4 系统仿真和调试.10 4.1 系统软件设计.10 4.2 模拟信号的采集.11 4.3 电路参数的计算.13 4.4 仿真软件介绍及仿真实现.15 4.5 系统测试.18 5 总结与展望.18 参考文献.19 2013 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 device Abstract: 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 1 r 1 x 2 r 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 r m r 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 m x 1 . 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 . ImI . 电机智能综合保护装置设计 4 是： (1-1)( . . 2 . 1mmmmm jxrIZIEE (1-2) . . . 2 1 . m III (1-3)( 2 2 . 2 2 . jx s r IE (1-4)( 11 1 . 1 . 1 jxrIEU 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 1 p 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 1cu p fe p 的通过空气隙传递到转子上的功率是电磁功率。其中为： em p em p (1-5) s r ImIEmpem 2 2 212 2 21 cos 电磁转矩一般表示为： (1-6) 11 )1 ( )1 ( ememmec em p s psp T 其中是同步角的速度；转子机械角的速度；为机械功 p fn 11 1 2 60 2 60 2 n em p 率。 由式（15）和式（16）得： (1-7) s r I mp T em em 2 2 2 1 1 1 根据 T 型等效电路 可知： (1-8) 2 21 2 2 1 1 2 )()(xx s r r U I 将式（18）代入式（17） ，同时考虑 ，于是有1 p f1 2 2013 届本科毕业论文 5 (1-9) )()( 2 2 21 2 2 1 2 2 1 1 1 xx s r r s r U f pm Tem 刚起动时，转子 n=0，转差率 s=1，此时起动转矩为： (1-10) )()(2 2 21 2 21 2 2 1 1 1 xxrr rU f pm Tst 同时根据上式（11） 、式（12） 、式（13） 、式（14）可得： (1-11) 2 211 11 2 2 . 1 . 1 )1 ( 1 jx s r jxr jxr jxr jxr jx s r UI mm mm 在异步电动机里，因为，故可省去和，则上式（111）可表示为： 11 xr mm xr 最大允许电流 断开开关并显示 此时的电流 结束 Y N 图 4 主程序流程图 4.2 模拟信号的采集 模拟信号采集模块完成保护单元模拟信号的采集调理整形等功能。本装置有五路 模拟量输入，其中三相电流Ia，Ib，Ic输入，一相电压Ia输入，零序电流I0输入。装置通 过对这3路模拟量进行一系列采样、滤波以及模数变换操作后，再对采样数据进行计算 处理，从而获得各种保护动作判据。 电流互感器/电 压互感器 滤波调理电路单片机 A/D 口 图 5 模 拟 量 输 入 模 块 框 图 电压信号采集 电压信号采集采用了整流的全波整流式 AC-DC 转换电路，其电路图如下。采用平 均值 AC-DC 转换器对交流电压进行有效值测量的方法是：先测出交流信号的平均值， 然后再根据波形换算出对应的有效值。 电机智能综合保护装置设计 12 T2 Trans 100K R20 1K R22 1K 2 3 6 47 1 8 5 AR1 Op Amp 2 3 6 47 1 8 5 AR2 Op Amp 2 3 6 47 1 8 5 AR3 Op Amp D4 D5 1K R15 1K R16 4.7K R19 1K R23 4.7K R17 4.7K R14 9K R21 9K R24 1K R25 18KR18 18KR26 0.01uFC22 AN0.1 图 6 电压输入电路图 交流信号的平均值可用下式来表示 U0= UidtUi T T 0 1 从交流测量的角度看，平均值是指经过整流之后的平均值。否则，若被测交流信 号为正弦波，则平均值为零。因此，要取到上式的平均值，必须先要对交流信号求绝 对值，然后再取其平均值。绝对值用全波线形整流器来实现，平均值可用滤波器来实 现。 图 6 是一种以全波线形整流为基础的平均值 AC-DC 转换器。图中放大器 A2及二 极管 VD1 VD2和 R10构成了全波整流器，在输入电压的正半周 VD1导通，VD2截止， B 点的电压为 0，电压通过电阻 R10传在 C 点。在输入电压的负半周，VD1截至，VD2 导通，其导通电流经 R7在 B 点产生正极性电压，由于 R3R4，在 B 点处的电压波形 的幅度于输入电压相等，但极性相反。 在半波整流器之前有一级高输入阻抗的阻抗放大器 A1，它的作用是提高输入阻抗 和扩大测量范围。在半波整流之后有一个放大器 A3组成的有源滤波放大器，它的作用 是实现平均值的计算。最后再将平均值按正弦信号的有效值测量。 平均值 ACDC 转换器的电路简单，成本较低，广泛应用于低精度的电压测量中， 因此本设计采用它来作为电压采样。 在电压互感器出来的是一个交流信号，图形如下图 7 所示。 图 7 互感器出来的电压波形 2013 届本科毕业论文 13 经电路整形和处理后，得到的是一个整流后的全波电压，图形如下图 8 图 8 A/D 口输入的电压波形 电流信号采样 由于电流信号采样采用交流采样，故电流采集采用交流信号采集，将电流信号的 幅值和相位一起采集，可采集到电流的整个波形。电路图如图 9，由于三相的采集均一 样，故现在以一路电流输入回路为例做说明： 1K R? 1K R? 2 3 1 84 A U?A 2 3 1 84 A U?A 1K R? 0.01uF C? 1K R? 1K R? 1K R? 1K R? 1K R? D? +3 D? AIN0.3 图 9 单相电流输入回路 在电流互感器出来的电流是一个交流信号，图形如图 10 和图 11 所示，由于单片 机 A/D 口只能输入单极性的正电压，所以正弦的电流信号就不能输入，这里采用加法 放大电路将正弦的电流信号抬高到正值。电路图中后一个放大器 A2的作用就是将其放 大为正值。放大器 A1的作用是形成一个电压跟随器，其作用是提高输入阻抗。为了保 证加法电路的稳定性，加稳压二极管，对于滤波电路选取截止频率 100HZ 则选滤波时 间常 电机智能综合保护装置设计 14 图 10 电流互感器二次侧的电流波形 图 11 A/D 口输入的电流波形 数为 10ms，1/RC=10ms，取 R1=1M，则 C=1PF。取两个放大器同向输入端的输入电 阻相同，即 R2=R3则可保证两个电压跟随器出来的电压值相同，取 R2=10k，由于 MCS-51 单片机的输入电压最大为 2.43V, 即电压的峰值为 2.43V, 因此加法放大电路的 电阻采用 20K 的电位器调试，获得的峰值为 2.43V 的电压波形。 4.3 电路参数的计算 有效值的计算 传统的有效值计算方法可以分为正弦模型算法和周期函数模型算法。正弦模型算 法是基于被采样的波形是纯正弦变化的，而实际在电动机发生故障时，往往是在基波 的基础上叠加有衰减非周期分量和各种高频分量，因此提出了周期函数算法。周期函 数算法不再假设输入电压电流是纯正弦量，而假设输入信号是周期函数，或者是可以 近似地作为周期函数来处理。当信号是周期函数时，它可以被分解为一个函数序列之 和，或者说是一个级数。这类算法是采用某一正交函数组作为样品函数，将这个样品 函数组与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的 实部和虚部系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率分量的模值和相位。 任何非对称的电流三相电流都可分解为正序，负序和零序三相分量。其表达式为： (3-1) 2 A+A 1 I =+ 3 BCIII (3-2) BAII (3-3) 2 A+ICI (3-4)BAII 2013 届本科毕业论文 15 (3-5) 2 A+ICI (3-6) 2 1 3 AABCIIII (3-7) 2 BAII (3-8)CAII (3-9) A0A 1 =+ 3 BCIIII (3-10)B0C0A0=III 式中：、电动机三线电流矢量：AiBiCi (3-11) 0 120 13 22 f ej (3-12) 0 2240 13 22 f ej 由于正序，负序分量三相电流是对称的，为简化计算，下列分析及单片机处理均 对电流正序和负序中的一相进行。由于本保护装置只对线电流和进行采样。则在AiCi 保护中的正序和负序电流为： (3-13) 2 A+A 1 =+ 3 BCIIII (3-14) 2 A+AA 1 = 3 CCIIIII (3-15) 2 A-A 1 =+ 3 BCIIII (3-16) 22 A-AA 1 = 3 CCIIIII 为了用单片机对感应电动机线电流进行对称分量处理，可以采用下面所述的方法。 在一个周期内每隔 30 度采样线电流，这样可以得到采样的线电流值。可以将一个电源 周期中在第 K 个采样点的正序和负序电流瞬时值记为： 电机智能综合保护装置设计 16 (3-17)AkA488 1 = 3 kkC kC kIIIII (3-18)AkA884 1 = 3 kkC kC kIIIII 为了利用过去的采样值进行计算，可以将上式写为： (3-19)AkA884 1 = 3 kkC kC kIIIII (3-20)AkA448 1 = 3 kkC kC kIIIII 按上式微机可以非常方便地计算出一个周期内各个采样点的正序和负序分量的采 样电流值。从而可以计算出正序和负序的有效值。 4.4 仿真软件介绍 Proteus 软件是由英国 Lab Center Electronics 公司开发出来的 EDA 工具软件。从 1989 年问世至今已有近 20 年的历史，在全球得到广泛的应用。Proteus 软件不仅仅是 模拟电路，数字电路，模/数混合电路的设计与仿真的平台，更是目前世界上最先进,最 完整的多种型号的微处理器系统的设计与仿真的平台，真正实现了用计算机完成电路 原理图的设计，电路的分析与设计，微处理器程序的设计与仿真，系统的测试与功能 验证到形成印制电路板的完整电路设计和研发过程。 系统仿真实现 系统整体电路图 2013 届本科毕业论文 17 图 12 系统整体电路图 小于 100A 时电路正常 图 13 正常工作时的电路 当电流过大（大于 100）时继电器动作开关断开电流减小到 0，指示灯熄灭。 电机智能综合保护装置设计 18 图 14 过流时的电路 图 15 过流时的电路显示 4.5 系统测试 2013 届本科毕业论文 19 从上面的所述的几种保护方案中，可以得到本装置如果要进行过流保护，就需要 计算出电路中电压的有效值、电流的有效值和电流的正序、负序分量以及它们的有效 值。本装置是对电机故障进行保护的，其计算的实时性要求比较高，必须及时处理好 转换出来的结果，以免造成数据的累积。采用的算法还必须满足精度的要求。具备一 定的抗干扰能力。 5 总结与展望 本文就构建两者的统一系统做了积极的探索，并就一些具体的方案作了深入的研 究，总结为以下几个方面。 针对电动机综合保护的现状，提出了在硬件及软件两方面将其统一为一个整体 的思路。并设计出相应的单元装置和后台处理的硬件系统结构。 本系统的设计在满足可行性、实时性的前提下，硬件电路设计和软件设计综合 考虑，尽可能地将软件能够实现的功能用软件来完成，控制系统具有结构简单、工作 可靠稳定及成本低等优点。 在提高保护装置的抗干扰性能和可靠性方面，本文在防止各种干扰信号进入装 置系统上，采取了一系列软、硬件抗干扰措施，较好地解决了系统中可能出现的各种 干扰问题，减少了保护装置出错的可能性。 开发了异步电动机保护及在线监测系统的硬件装置，研制了保护、监测的相应 软件，并通过运行进行试验，证明它是符合当前工业实际需求的。 电机智能综合保护装置在对电机的保护中起了非常重要的作用，即保证了电机的 安全，同时也减少了电机出现故障时对人的伤害，使电机在出现故障时自行保护，大 大减少了电机的损坏和事故的发生。电机智能综合保护装置在我们的日常生活中应用 十分广泛，方便我们的生活和提高生产效率，以后有很好的发展前景。 电机智能综合保护装置设计 20 参考文献: 1 张兆东，周绍平. 可同时监控多台电动机过载的保护方案J， 湖南职业技术学 院学报，2007 年 9 月:124-150 2 彭为,黄科.单片机典型系统设计实例精讲，电子工业出版社，2006 年. 3 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计，北京航空航天大学出版社，2007 年. 4 艾卫东. 以单片机为核心的三相异步电动机保护系统设计， 电机技术 ，2008 年 第 3 期:22-24 5 孙育才.MCS-51 系列单片微型计算机及其应用，东南大学出版社，2004 年第版. 63-70 6 樊利军,张春芝,田柏林.智能型电动机综合保护装置的研究 ， 煤炭工程 2007 年第 10 期:122-132 7 李德才.智能大中型电动机综合保护装置的研究， 煤炭技术 ，2007 年 6 月. 8 王跃峰.基于单片机的电动机保护技术初探， 矿山机械2007 年第 1 期. 9 杨新启.电动机过载保护的新思路， 机床电器1999 年第 4 期. 1