基于单片机的交流电机保护器的设计.docx

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基于单片机的交流电机保护器的设计

摘要

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：

电动机，智能保护，单片机AT89C51

Abstract

Motorhasmanyadvantages，suchassimplestructure,beingcheap，maintaining

andusingconvenientlyandsoon,soitisadoptedextensivelyinthedifferentfieldsofnationaleconomy.However,becauseofsupplypowerstateandmechanicalloadge七tingchangeable,itmakesthemalfunctionrateofthemotorveryhigh.Themalfunctionwilldamagethemotor,butalsoinfluencethewholeproduction,causetheenormouseconomiclosses.So,inordertoguaranteethenormalproductionoftheindustrialenterprise,thesafeoperationofthemotorisveryimportant.

Thistexthasanalyzedthecommonmalfunctionoftheasynchronousmotoratfirst.Andthenit,whichisbasedonsymmetricalweighttheory,hasdrawnaccuratecriterionofthetroubleofthemotor,confirmedtheprotectivemeasuresofdifferenttroubles.Finally,ithasrealizedkindsofprotectionfunctions,suchasshort-circuitprotection,rotate-stopprotection,over-hearotection,negativecurrentprotection,zerocurrentprotection,low-voltageprotection,over-voltageprotection,overlongstart-uptimeprotection,frequentstart-upprotection,lockprotectionofelectricleakageandsoon.

Thistexthasselected8-bitcomputerAT89C51asmicro-controller.Thesingle-chipcomputerhasbuilt-inRAMandROM,andcanneedtoexpandtheRAMandROM.Havingstrongfunctionandhigh-efficientinsructionsystem,ithasrealizedintelligenceprotectionofthemotor.Itscircuitissimpleanditsfunctioniscomprehensive.

Inordertorealizethemotor'sdemandfordistributedmeasuringandcontrolling,controlsystembasedonnetworkhassuchcharacteristicsasconvenientforcentralizedmanagementandinformationsharing.

Keywords:

Motor,IntelligenceProtection,single-chipcomputerofAT89C51

目录

引言…………………………………………………………………………………………6

第1章绪论……………………………………………………………………………………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2章保护系统的硬件设计…………………………………………………………………15

2.1系统的硬件设计…………………………………………………………………………15

2.2AT89C51芯片介绍………………………………………………………………………15

2.3电流电压和温度检测电路………………………………………………………………18

2.4A/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3章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

3.4A/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

3.8A/D转换子程序设计……………………………………………………………………40

3.9T0中断程序设计…………………………………………………………………………41

3.10看门狗程序设计…………………………………………………………………………41

结论与展望…………………………………………………………………………43致谢…………………………………………………………………………………………………44

参考文献………………………………………………………………………………………45

附录A基于交流电机保护器的电气原理图………………………………………………46

附录B外文文献及译文………………………………………………………………………47

附录C主要参考文献的题录及摘要………………………………………………………52

附录D程序清单…………………………………………………………………………55

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2-2AT89C51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2-8DS18B20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2-11DS18B20与单片机的接口电路………………………………………………………23

图2-12TLC549引脚排列……………………………………………………………………24

图2-13TLC549方式1的时序图……………………………………………………………24

图2-14TLC549与单片机AT89C51的连接图………………………………………………25

图2-15CD4051原理图………………………………………………………………………26

图2-16CD4051芯片引脚图…………………………………………………………………26

图2-17CD4051在本设计中的接法…………………………………………………………27

图2-18键盘接口电路………………………………………………………………………28

图2-1974LS164引脚图………………………………………………………………………29

图2-20显示电路的连接……………………………………………………………………29

图2-21报警电路……………………………………………………………………………30

图2-22X5045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3-4T1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3-8LED动态扫描程序流程图……………………………………………………………39

图3-9报警子程序流程图……………………………………………………………………40

图3-10A/D转换子程序流程图………………………………………………………………40

图3-11T0中断程序流程图…………………………………………………………………41

图3-12X5045读写程序的流程图……………………………………………………………42

表格清单

表2-1温度和数量关系……………………………………………………………………20

表2-2DS18B20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2-5CD4051通道选择表………………………………………………………………21

引言

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。

第1章绪论

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。

接口

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