开题报告电机综合保护器硬件电路设计.docx

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开题报告电机综合保护器硬件电路设计

毕业设计（论文）

开题报告

题目电机综合保护器硬件电路设计

学院电气与控制工程学院

专业及班级微电子科学与工程1302班

姓名郑敏卓

学号1306090217

指导教师童军

日期2017.3.26

西安科技大学毕业设计（论文）开题报告

题目

电机综合保护器硬件电路设计

选题类型

工程实际

一、选题依据（简述国内外研究现状、生产需求状况,说明选题目的、意义，列出主要参考文献）：

1.1国内外研究现状及发展趋势

电动机作为现代工业动力源，作为机械、电子、电气等系统中的重要组成部分，在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，但其损坏也非常严重，其保护问题长期困扰着继电保护专业人员和设备操作人员。

在传统的电动机保护装置大多由电磁元件装置和模拟电子式保护器完成，但其功能单一、精度差、稳定性不高，动作时间慢的特点无法满足人们对电动机保护可靠性越来越高的要求，其保护长期困扰着继电保护专业人员和运行人员，抓好电动机保护的研究与推广工作，对国民经济有着重要的意义，对其进行可靠有效的保护尤为重要。

因此电动机保护的自控、集中监控和智能化自处理是电动机保护主要研究方向。

我国电动机保护装置大概经过了以下的几个发展几个阶断：

一、热继电器、熔断器、电磁式继电器：

建国初期，我国引进苏联JR系列继电器。

但热继电器等存在致命缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、误差大、重复性差、功能单一等。

无法满足高要求，因此也就无法避免被淘汰的命运。

二、模拟电子式电动机保护装置：

在上世界八十年代，由于半导体元件普及，涌出一批性能可靠、功能多样的电子式电机保护器。

但这类产品仍存在一些无法避免的缺点，整定精度不高、采样精度不高、无法实现具有多功能为一体的全面保护。

随着科技的发展，人们对电机保护要求也越来越高，希望电动机保护器结构简单，体积小，接线简单，这些都是模拟电子保护装置无法实现的。

三、数字式电机保护器：

这类电机保护器主要以单片机作为电机保护器，可实现智能化综合保护，在采样和整定上有质的飞越，可对信号进行软件非线性校正，极大地降低了被测信号畸变的影响，真正实现了高度采样。

电动机保护器正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠性发展。

科技发展永无止境，不断前进，带动了电动机保护技术的发展。

现代科学技术为电动机保护技术的发展提供了无比广阔的途径。

传统的保护方式功能单一，一个装置只能起到一种保护作用，这势必导致控制的复杂化和工作可靠性的降低。

而现代的保护装置功能多样，一个元件或一个电路就能实现多种功能。

传统的保护原则主要是电热、电磁原则，而现代的保护措施则大量采用非电量原则，如对温度、时间、频率等非电量进行检测，然后再转变成电信号处理。

传统的保护方式是当时条件下适应传统电动机生产方式的措施，必然有其局限性，而现代电动机必须采用现代化的保护方式。

1.2选题的研究意义

电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件。

是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。

几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。

电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等都离不开电机。

据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16%，约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。

另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。

造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带CPU的集成电路制作的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。

为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护仪显然十分必要。

参考文献：

[1]汤蕰璆.电机学.2010

[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]武予鲁.电动机及其综合保护装置的工作原理与使用.2004

[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，65-67页.

[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年第四版.

[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.

[7]李德才.智能大中型电动机综合保护与控制装置的研究，《煤炭技术》，2007年6月.

[8]刘福珍.电动机保护装置的发展展望，《四川职业技术学院学报》，2007年5月.

[9]许祥兰.浅谈电动机综合保护器的应用，《江苏水利》，2007年第6期.

[10]贾伯年,俞朴,宋爱国.《传感器技术》，东南大学出版社，2007年.

[12]刘光斌.单片机系统实用抗干扰技术，人民邮电出版社，2003年10月.

[13]张毅坤.单片微型计算机原理及应用，西安电子科技大学出版社，1998年.

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[15]DasMelanieM,AvalosPablo,SuezakiPatrick,GodoyMarlesa,GarciaLeslie,ChangChristineD,VitJean-Philippe,ShelleyBrandon,GowingGenevieve,SvendsenCliveN.Humanneuralprogenitorsdifferentiateintoastrocytesandprotectmotorneuronsinagingrats.[J].Experimentalneurology,2016,280:

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[16]HoangThaoX,AkhavanMahnaz,WuJun,HavtonLeifA.Minocyclineprotectsmotorbutnotautonomicneuronsaftercaudaequinainjury.[J].ExperimentalBrainResearch,2008,189

（1）:

.

[17]MaragakisNicholasJ,RaoMahendraS,LladoJeronia,WongVictor,XueHaipeng,PardoAndrea,HerringJoseph,KerrDouglas,CocciaCarol,RothsteinJeffreyD.Glialrestrictedprecursorsprotectagainstchronicglutamateneurotoxicityofmotorneuronsinvitro.[J].Glia,2005,50

（2）:

.

二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程

2.1研究（设计）目标及内容

2.1.1研究内容

本论文针对低压电动机容易出现的故障，以交流采样的方法进行数据采集为依据，采用检测三相电压、三相电流、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，对电动机实现了过流、过压、过载、温度等保护功能。

以8位单片机AT89C52做微处理器，AT89C52单片机内置256字的RAM和8K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。

在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。

由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。

它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。

2.1.2、研究思路：

本课题主要研究的是关于电机的智能保护问题。

拟采用的研究手段和途径主要有以下几种：

一、电流保护

三相异步电动机对称故障的主要特征是三相电流基本对称但同时出现过流，因此可通过检测电流幅值进行故障判断。

根据对称分量法分析，当电动机三相对称时，负序和零序电流为零，而发生不对称故障时则会显著增加。

不对称故障可分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障。

所以由常见故障信息可知，若以过流信息反映短路和堵转故障，以负序和零序电流反映各类不对称短路和接地短路等不对称故障，可以实施全面的电流保护。

具体方案如下:

（1）设置电流速断保护作为电动机的主保护，用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障。

设置速断保护电流定值时，要保证电动机在满载启动过程中短路保护可靠地不动作，即躲过电动机最大启动电流。

（2）设置堵转保护作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。

当保护装置在电机运行过程中检测到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，出口跳闸。

堵转保护在电动机启动过程中闭锁，启动结束后自动投入。

（3）设置过负荷保护来防止电动机长时间过负荷运行，定子过热而引起的损坏。

（4）针对电动机的各类非接地性不对称故障（如断相、逆相、三相不平衡和相间短路等），设置负序电流保护。

在整定负序电流定值时，需要注意1%的电压不平衡会引起6%的电流不平衡。

而实际供电电源总存在一定的不对称，即使在正常运行时，电动机也会有一定的负序电流，所以整定时必须躲过这一不平衡因素。

（5）针对各种接地性短路故障，设置零序电流保护。

另外，为防止由于各种原因使得电动机不能成功启动时，大启动电流对绕组的损坏以及启动转矩对轴承的损坏，可以设置电动机启动时间过长保护。

二、电压保护

系统电源电压是很难保证恒定、不出现波动或其它异常情况的。

如果电动机在系统电压低于额定电压一定程度时启动，则难以提升到额定转速。

当电源电压降低或短时中断时，一些不允许或不需要自起动的电动机，须从电力网中断开。

在另一方面，如果电动机带负载运行时电源电压升高，则电动机电流降低，同时铁损和铜损变大，引起电动机温度上升。

因此，针对电源电压的变化，可以分别配置低电压保护和过电压保护。

当三相相间电压均小于低电压保护定值时，低电压保护动作。

低电压保护在电动机三相均无电流的情况下应能自动退出，其定值的设置要躲过电动机启动时的最低电压。

当三相相间电压均高于过电压保护定值时，过电压保护动作。

过电压保护定值要按电网电压允许波动的最大范围进行整定。

三、温度保护

温度保护式利用安装在电动机内部的温度传感器来实现。

通过检测温度，当检测的温度值达到阈值时速断保护，这里温度阈值可以由用户设定。

决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。

因此任何规定的允许过负荷持续时间，应以绝缘发热为依据。

2.2系统分硬件部分和软件部分

2.2.1硬件部分

通过电流互感器，电压互感器和零序电流互感器得到得到每相电路的的电流电压信号，再通过电压变换器和电流变换器将所得信号转换成5V的电压信号。

经过二阶RC滤波电路后，模拟信号通过采样保持器，多路转换开关，A/D转换器变成数字信号被单片机所接收。

单片机通过参数判断，若有故障则发出信号使继电器动作，断开电路保护电机，同时显示故障的类型和发生时间；若没有故障电机继续工作。

过程如图1所示：

图1系统框图

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

2.2.2电流电压采样电路

电压采样电路

图1电压采样电路

由图1可以看出，电压采样电路由三部分组成：

滤波电路、整流电路、滤波电路。

电压信号通过电压互感器测得，由于信号在测量过程中难免受到干扰，对电压信号必须采取滤波措施。

为此，专门设计了一个二阶有源低通滤波器。

由二阶有源滤波原理可知

（1.1）

（1.2）

（1.3）

（1.4）

信号在经过滤波处理后经过精密整流电路将交流信号整流为半波信号，为了方便A/D转换数据处理，对于整流后的信号我们再次通过一个二阶有源低通滤波电路将半波信号转换成直流信号，然后送入A/D进行转换。

电流采样电路

电流采样电路与上述电压采样电路相似，如图2所示。

信号通过电流互感器测得后经过二阶有源低通滤波器滤除谐波后经过精密整流电路整流，基于A/D转换的需求将整流后的半波波形通过二阶有源低通滤波器转换为直流信号。

图2电流采样电路

2.2.3软件部分

软件部分的控制软件如图2所示：

图2控制软件

程序在编制的时候，在完成系统基本功能的前提下，还要考虑以下几点：

⑴功能的可扩充性。

系统具有的功能应随着实际的需求而扩充，当实际应用中提出新的要求时，系统应能够方便地在原有基础上增加新的功能。

⑵程序的可读性。

程序的可读性对系统的后续维护、功能扩充有重要意义。

⑶系统的更新。

当系统微控制器或某些器件被更高性能的器件替代时，系统的程序要易于更新。

⑷程序运行确实稳定可靠、易于维护。

因此，在软件的结构设计上采用模块化的编程方法，即将整个系统软件按照一定的规则和功能分解为一个个单独的模块，模块之间相对独立，负责完成各自的功能。

模块是系统设计和实现的基本单元，每个模块实现一个完整单独的功能模块之间可以相互调用，共享数据。

全部模块构成整个系统。

模块化编程有以下优点:

⑴采用模块化结构的最大的优点是效率高。

小块程序更容易理解和调试，如当知道模块的输入、输出，就可直接调用该模块。

由于模块之间共享数据，可互相调用，因此可以非常灵活地组织每个模块，达到非常高的整体效率。

⑵当相同功能的需求较多时，可把程序放入库中以备使用。

如果需要某一块某一功能升级，只需要改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构。

当增加系统功能时，也只需要增加相应的软件功能模块即可。

⑶模块化编程使得要解决的问题只与特定模块有关，出现故障时，很容易找到出错的模块，大大简化了调试，同时使系统更易维护。

软件方面本系统也一共分为5个部分：

⑴主程序部分

⑵定时中断数据采集部分

⑶电压、电流显示部分

⑷定时中断时钟显示部分

⑸故障类型、时间显示部分

三、毕业设计（论文）工作进度安排

第1周复习单片机工作原理；

第2周仔细研究JDB电机综合保护的工作原理；

第3-4周提出用单片机控制电路的原理图框图；

第5周作开题报告；

第6-8周设计详细电路原理图；

第9-10周设计和选用电路元件参数并用protell设计电路线路板；

第11-12周在实验室调制作焊接电路；

第13周调试并观察测量值的精度，提出改进意见；

第14-16周翻译英文，撰写毕业论文。

指导

教师

评审

意见

难度

较难

份量

适中

综合训练程度

中

是否隶属科研项目

否

是否具有创新性

否

开题报告在参考了较多的相关文献资料的基础上，针对“电机综合保护器硬件电路设计”这个题目展开了深入的讨论，设计思路清晰，选择了整体方案，设计了整体流程图，方案可行，工作量饱满，符合工程训练目的，并具有一定的理论和实际应用价值。

同意开题。

指导教师签字:

____________

年月日

学院

毕业

设计

（论文）指导

委员

会审

核意

见意

教学院长：

____________

（公章）

年月日

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