1、辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页液压站电动机保护器的设计摘要随着国民经济的高速发展，电动机已广泛运用到冶金、化工、石油、电力、矿山等各个行业。因此， 电动机保护器的研究和推广对国民经济 有着重要意义。 电动机保护器已由原来传统的热继电器形式发展到微机化、数字化、网 络化。市 场上具有此特点的智能型保护器装置有 50 多种，因此，研究一种稳定性高、价格低廉的保护器是非常必要的。本文在分析了目前国内外电动机保护器的研究进展与现状的基础上，设计了一种以TN87C196KD-20 单片机为控制核心，集过载、断相、接地、堵转和短路等故障保护于一体的智能型电机综合保护器。本课题的研究方法是：通过对电
2、动机运行过程中电流特征以及发生故障时电流特征的变化进行分析，得出保护方案。运用单片机强大的信号采集和运算功能对数据进行采样和处理，确定电动机是否运行在故障状态下。如果电机发生故障，单 片机就会通过输出端口给外接电路信号， 实现电动机的停车、 报警和故障记忆。本课题的主要任务是：设计系统的硬件电路图，包括电流采样电路、显示输入电路、 继电器输出电路、端子输入电路、通信电路等；分析系统 的软件结构和编程技巧。另外 结合实例(液压 站的电动 机保护) 对 保护器系统进行分析。关键字：电动机保护；故障分析；硬件电路；单片机辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页Design Of Motor Prot
3、ector in hydraulic stationAbstract With the rapid development of the national economy, the motor has been used in metallurgical, chemical, petroleum, electricity, mining and other industries.Therefore, the study and promotion of the motor protector are great significance to the national economy.Moto
4、r protectors have been from the traditional form of the thermal relay to the computer ,digital and network-based.Intelligent protection device with this Characteristics in the market has more than 50 kinds, and therefore the study of a high stability, low-cost protection is very necessary.In this pa
5、per，a single-chip microcomputer，TN87C196KD-20，based intelligent motor protector with function and short-circuit protection is designed on the basis of analyzing the development and status quo of motor protectors in the world. Research methods in this subject is that through the analysis of process o
6、f motor current characteristics and the characteristics of the event of the failure ,then obtain the protection program.The uses of signal acquisition and powerful computing functions of the data of single-chip are been used to determine whether the motor is running in the fault state.If the motor b
7、roke down, single-chip will be give the external circuit signals through the output ports and make the achievement of motor parking, alarm and fault memory. The main task of this topic is to design the hardware circuit system, including the current sampling circuit, showing input circuit, the relay
8、output circuits, input circuits, communications circuits and so on ,and to Analyse the Systems software architecture and programming skills. Another task is that an example is given to the protection system for analysis. That is hydraulic stations motor protection .辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页Key words:Mot
9、or protection;Failure analysis;Hardwarecircuit;Single chip microcomputer目录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 液压站设备简介 .11.2 电动机保护器概述 .11.3 电动机保护器的国内外发展状况 .21.3.1 国外发展状况 .21.3.2 国内发展状况 .21.4 电动机保护器的特点 .31.5 本课题的主要任务和研究内容 .42 电动机保护器工作原理及方案设计 .62.1 基本工作原理 .62.2 系统功能特点 .72.3 方案确定 .72.4 本章小结 .93 电动机运行状态分析及保护方案设计
10、 .113.1 过流、欠流分析及保护方案 .113.2 电机过载分析及保护方案 .123.3 短路分析及保护方案 .143.4 缺相和相不平衡分析及保护方案 .153.5 漏电分析及保护方案 .163.6 欠电压分析及保护方案 .163.7 启动分析及保护方案 .173.8 本章小结 .174 保护器硬件电路设计 .184.1 信号采集电路 .194.2 输入、显示电路设计 .22辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页4.2.1 显示电路分析 .224.2.2 键盘输入电路分析 .254.3 电源电路设计 .254.4 继电器输出电路设计 .264.5 端子输入电路 .284.6 单片机（T
11、N87C196KD-20）接口电路设计 .294.6.1 外围电路设计 .304.6.2 单片机知识介绍 .324.7 本章小节 .365 电动机保护器软件设计 .375.1 主程序设计 .375.2 电流采样中断设计 .385.3 按键中断设计 .395.4 显示子程序设计 .395.5 本章小结 .40结 论 .41参考文献 .42致 谢 .42辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 液压站设备简介液 压 站 又 称 液 压 泵 站 ， 是 独 立 的 液 压 装 置 ， 它 按 驱 动 装 置 （ 主 机 ） 的 要 求 供油 ， 并 控 制 油 流 的 方 向 、 压 力
12、 和 流 量 ， 适 用 于 主 机 与 液 压 装 置 可 分 离 的 各 种 液 压 机械 下 。 液压能具有出力大，控制方便、准确等特点。因此在工业高速发展的今天，液压站作为一种能源装置运用于各个行业。液压站主要由泵装置、集成块或阀组合、油箱、电器盒等组合而成。泵装置上装有电机和油泵，是液压站的动力来源，将机械能转化为液压能；集成块是由液压阀及通道体组合而成，对液压油实行方向、压力、流量调节；油箱是钢板焊制的半封闭容器，其上装有滤油网、空气滤清器等，实现储油、油冷却及过滤等功用；电器盒可用于电动机的接线，出于液压站在工作系统中的重要性，一般液压站都配备两台电机，一台工作用，一台备用。可见
13、液压站对驱动电机的要求很高：电机应工作在电压波动为10%；频率0.991.01倍；额定频率（连续的） ；三相电源不平衡电压，电流零序成分都不应超过正序成分的2%。因此，电动机保护器在液压站上的应用就显得极其重要了。 11.2 电动机保护器概述电动机作为拖动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，广泛用于冶金、化工、纺织、石油、电力、矿山等国民经济的主要部门，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜， “据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电
14、量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。 ”因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页我国的电动机保护装置大约经历了由起初的 JR 系列热继电器、熔断器和电磁式电流继电器发展到模拟电子式电动机保护器，到后来的数字电子式电动机保护器。产品功能一代比一代强，保护器性能一代比一代优越。更值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电
15、机保护进入了一个飞速发展的阶段。本文即要介绍一种由 TN87C196KD-20单片机作为微控制器的新型智能化电动机保护器。1.3 电动机保护器的国内外发展状况在微电子领域，国外产品总会走在时代的前列。特别是在美国和德国以及日本这些发达国家。当然近几年国内产品也得到了飞速发展，以致在控制功能上能与国外同类产品媲美。1.3.1 国外发展状况国外的电动机保护器也经历着由不发达到发达，由传统到智能的一个阶段。起初也是单一的、传统的双金属继电器，这种继电器只能对电动机的过载进行保护，而且也只适合于轻载启动的情况下；接下来发展到智能化过载继电器，这种继电器能提供过载、断相和三相电流不平衡三种保护。生产该继
16、电器的厂家主要有德国西门子公司、美国的 ABB 公司以及日本的富士公司。再到后来发展成智能化电动机控制器，进入90年代，由于微机通信技术的发展，国外一些公司提出了兼有监控、保护作用的智能化电动机控制器，它有通讯功能，能与中央控制计算机进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络系统，不但能监察电动机运行的各个参数，测量当前数据。还能对过去的运行参数及故障情况做出统计，以便于维修。最先生产该种保护器的是英国的 GEC-ALSHOM 公司，且之后在不断的更新它的产品。1.3.2 国内发展状况我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。20 世纪 60 年代以来，电子
17、式保护器开始走上社会 2。(1)热继电器、熔断器和电磁式电流继电器。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品,它是利用双金属片热效应工作的。但热继电器存在致命的缺陷,包括整定粗糙、受环境影响大、重复性辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页差、误差大及功能单一等,已无法满足越来越高的要求,因而也就无法避免被淘汰的命运。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能,有的还有缺相保护,其过载保护具有反时限特性,但其结构复杂,机械制造精度高,价格高且体积庞大,因而目前已被基本淘汰。(2)模拟电子式电动机保护器(电机保护器)。在上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性
18、能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器(电机保护器),为电机的可靠运行提供了较可靠的保障,但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷:整定精度和采样精度都不高;无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。鉴于以上原因,纯粹模拟线路的电动机保护器(电机保护器)正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。随着近年来微处理器技术的发展,给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台,使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。 3常规电子式保护器,检测元件一般采用速饱和电流互感器,不存在发热问题,其动作稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。但是常规电子式保护器均采用人工可调定时限保护特性,无法实现与电机热过载保护
19、特性曲线相匹配的反时限特性保护,只能实现“单点式”保护,并且该保护装置一般采用定时避开启动电流的措施,以防止正常启动的保护误动作。但是如果启动过程中出现异常故障,则电机就得不到保护。另外,由于电网电压波动、干扰、自身发热等因素,其故障率也很高。随着电子技术的发展,继电保护技术的数字化、计算机化成为了必然的发展趋势。 热继电器的淘汰为电子式电机保护技术的推广与使用提供了广阔的前景,况且国内的电机保护控制装置由于价格高或产品质量低劣而未能普及,技术水平及在品种和数量上远远满足不了国民经济发展的需要。因此尽快开发新型三相电动机智能保护器,使我国低压电器产品追踪国际最新技术成为当务之急。在这种背景下,
20、以单片机为核心,对电机过压、欠压、过载等故障具有综合检测保护功能的智能保护器应运而生。本课题要做的也正是这样一款多功能的智能型电动机保护器。力争达到国内电动机保护器研究领域的至高点。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页1.4 电动机保护器的特点本课题设计的电动机保护器可以堪称国内电动机保护领域的高端产品。本保护器集启动保护、运行保护、通讯功能、人机对话模块于一身，并且做到了故障的显示和记忆。为电机故障分析提供充分的数据，有效的起到了电动机故障防范的作用。1、整机模块化结构，主要包括：（1）中央处理模块：由 TN87C196KD-20 单片机、晶振电路和 A/D 转换基准电源电路构成。（2）信
21、号处理模块：由电流互感器和零序互感器从 380V 电动机供电线上获取电流信号，经过 A/D 转换后送入单片机。（3）电源模块：电源电路与总电路分开处理，可提供+24V 单独接地、+12V、+5V 电源共同接地以及+5V 单独接地，充分满足单片机的电源要求。（4）人机交互模块：该模块集输入与显示于一身，采用串行数据传输，有效节约单片机资源。（5）控制模块：由开关量输入、输出组成，开关量输入用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制：开关量输出主要用于输出报警信号，脱扣信号和远程起动信号。（6）通讯模块：该模块采用通用的 RS-485、Modbus RTU 通讯规约，能实现遥
22、测、遥控、遥信等功能。2、多重保护措施（1）过流保护：包括采样传感器到电机及电机内部的局部短路保护，保护特性分为定时限和反时限两种。（2）断相保护：包括电机内部和外部供电引起的各种断相故障，保护特性为定时限。（3）过载保护：根据电机额定电流确定保护整定值基于过电流倍率的自动双向反时限特性保护。（4）启动保护：通过起动电流的变化时长和连续频繁启动造成的热积累来判断是否正常启动。（5）过电压、欠电压保护：电网供电过压及欠压引起的故障保护、保护特性为定时辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页限。1.5 本课题的主要任务和研究内容电动机的烧坏以不对称故障率最高，占 70%以上。不对称故障主要表现为过流
23、、过载、三相不平衡、断相以及堵转等 4。而所有的这些故障都同时表现为电流的变化，因此只要将电动机起动和运行过程中的电流值进行取样，经过整流、滤波再通过 A/D转换送到单片机中进行算法处理和分析就可以判断电动机是否出现故障，从而做出相应的故障处理措施，同时将故障通过显示输出。因此，本课题的主要研究内容：（l）通过分析电机定子电流的变化情况来判定电动机的故障电动机发生故障时，定子电流的幅值和相位都会发生变化。掌握这些变化情况是进行电动机故障分析与故障类型判断的依据。（2）确定电动机保护器的保护曲线和参数设置电动机定子电流的过载倍数与电机允许运行时间之间的关系取决于电动机的结构、材料、运行场合等多种
24、因素。因此，要想使保护器具有一定的通用性，既要使电动机器的保护曲线符合相关标准的规定，还要使电动机保护器的保护曲线能够根据不同电动机由用户来修改。（3）硬件电路设计本设计拟采用 TN87C196KD-20 单片机为核心，配合其外围电路实现智能型电动机保护器的硬件设计。根据智能型电动机综合保护器的要求，硬件电路应由电流信号采集模块、人机交互模块、中央处理模块、控制保护模块和电源模块等组成。（4）软件程序设计系统程序需要完成各 A/D 采样计算，各种保护判断、处理，电流、电压值以及故障类型的显示，按键输入识别、处理等功能。在程序中，所有的计算都应采用特定的算法以保证处理数据的精度。达到故障判断动作
25、的准确性。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页2 电动机保护器工作原理及方案设计 2.1 基本工作原理电动机保护器发展到今天，已经经过好几代的改革升级了。数字式智能型电动机保护器的工作原理基本没有太大变化，只是随着硬件电路和芯片的升级在不断的得到改善，保护精度得以提高，保护功能得以增加。下面主要通过以下6个模块对保护器的基本工作原理进行阐述。如图2.1图 2.1 电动机保护器的基本原理框图1、电流电压采集模块本课题设计的保护器主要采集电流信号，即监测电机运行的状态信号。状态信号主要利用穿心式电流互感器和零序互感器采样得到。具体方法是将电动机的电源线穿过互感器。互感器通过固定的变比将电流信号同步缩小成微电流。这个电流信号就可以供下一步处理，最后进入单片机作为电动机运行是否正常的依据。2、微处理器设计单片机是保护器的处理核心，它由硬件电路和软件程序来支撑。通过对程序的编制以及外围电路的设计可以使单片机按一定的要求去执行各种动作。单片机主要起对信号进行一定的算法处理、与故障参数进行比较、做出电动机运行是否正常的判断、发出信号使外围模块断开电动机电路等作用。3、继电器输出控制模块 采用继电器的主触点的吸合和断开达到对输出端子的控制，然后由端子控制外部
