毕业设计(论文)-智能型交流电动机缺相保护器.doc
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1、兰州大学毕业设计说明书 1 摘 要 随着经济与社会的不断发展,各种各样的电动机已经在现在工业生产,产业部门 以及我们日常生活中得到广泛应用。它们已是当今生产活动和日常生活中最重要的原 动力和驱动装置。电动机的数量之多,应用范围之广,地位之重要,几乎没有其他设 备与之相比。电动机的类型很多,应用环境千差万别,其使用要求也是各不相同。恶 劣的使用环境常常造成电动机的性能下降而导致故障。特别是在煤炭企业,随着煤矿 双高矿井建设的使用环境常常造成电动机的性能下降而导致故障。作为煤矿主要原动 力的电动机,在煤矿安全生产中的作用至关重要。但是,由于煤矿井下环境条件恶劣, 电动机经常遭受水,潮气,高温,煤尘
2、的侵害,特别是生产运输区域的电动机时常被 煤或杂物掩埋,使电动机运行条件严重恶化,各种性能下降,诱发各种事故,并且电 动的烧毁也时有发生,给安全生产带来较大损失。 本文针对目前存在的问题,提出了改变传统的电动机保护和控制模式,采用先进的 工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计,集全面的电动机数字保护,综合电量测量及现场 /远方启停操作控制,运行状态监视,故障记录及网络通讯于一体,具有过负载,电流 不平衡,接地/漏电,欠电流,堵转,短路,温度,欠压,过压,欠功率,启动加速超 时等多种数字式保护功能,满足直接启动双相,星/三角启动等启动方式,实现电动机 回路的三相电流,接地电流等多种电参数
3、的测量,可与 RTU,PLC 及多种微机工控组态 软件(iFIX,WinCC,Intouch,组态王,MCGS)实现网络通讯,构成分布式综合电力监控 系统。 关键词关键词: :交流电动机;保护器;缺相;交流电动机;保护器;缺相;ARMARM 芯片芯片 兰州大学毕业设计说明书 2 Abstract With the development of the economy and society, a wide range of motor industry has been in production now, it has been widely applied in industrial se
4、ctors and our everyday life . They are the most important motivation and drive in todays production activities and daily life. There are almost no comparison with other equipment in motor number of people, and the application scope, status important. There are many types of motors, and application e
5、nvironment are vastly different, their use of the requirement is not the same. Poor use of the environment often leads to declining motor performance and lead to a malfunction. Particularly in the coal enterprises, With the high use of the environment in coal-mine construction ,the harsh environment
6、al conditions often leads to declining motor performance and lead to a malfunction. As a major driving force behind the Mine motor, it plays the vital role in coal mine production. However, motor is frequently violated by water, humidity, high temperature and coal dust in harsh environmental conditi
7、ons of the coal mine. Particularly the production of regional motor transport are often buried coal or junk, and the motor running condition are seriously deteriorated, various properties decrease induced accidents, and the electrical burn will occur from time to time, to bring greater safety in pro
8、duction losses. Based on the existing problems, a change from the traditional electrical protection and control mode has been advanced based on the industrial grade 32 ARM2104 design, a comprehensive set of Digital Motor protection, Comprehensive measurement of electricity consumption and Field / af
9、ar COMMITMENT operational control, running and monitoring, fault recording and communications network integration unduly load, the current imbalance, grounding / leakage, less current, blocking, and short circuit, temperature, undervoltage, overvoltage, less power, accelerate the start of overtime a
10、nd other digital protection functions to meet directly activated duplex, star / delta starter, and other start-up mode, Implementation of the three-phase electrical circuit current, current grounding various parameters measured with RTU, PLC and a variety of industrial computer configuration softwar
11、e (iFIX, WinCC, Intouch, Kingview. MCGS) network communication, distributed constitute an integrated power control system. Key Words:AC motor, protection device, phase missing, ARM Chip 兰州大学毕业设计说明书 3 目录 第一章 绪论.1 1.1 智能型交流电动机缺相保护器选题背景和目的意义.1 1.1.1 交流电动机缺相保护器选题背景.1 1.1.2 交流电动机缺相保护器选题目的和意义.1 1.2 主要技术指标
12、、要求及内容:.2 1.3 本设计(研究)思想:2 第二章 交流电动机保护器总体方案.3 2.1 电动机综合保护控制方案研究3 2.1.1 电动机起动过程的保护.3 2.1.2 过载(过流)保护4 2.1.3 断相运行保护方案.5 2.1.4 短路保护5 2.1.5 电动机的电压保护5 2.1.6 电动机漏电保护6 2.1.7 温度保护.6 2.1.8 电动机星三角起动.7 2.1.9 电动机启动正反转控制8 2.2 方案分类:9 2.3 方案比较论证和确定9 2.3.1 方案比较论证.10 2.3.2 方案确定.10 第三章 硬件设计.11 3.1 电路设计、元器件及设备选型.12 3.1.
13、1 电路设计12 3.1.2 各功能模块简介13 3.2 各芯片概述14 3.2.1 LPC 2104 的简介.14 3.2.2 ADE7758 的简介.18 3.3 各模块介绍20 3.3.1 电源模块的设计20 兰州大学毕业设计说明书 4 3.3.2 频率、电压和电流测量电路.21 3.3.3 人机交互和复位电路.24 3.3.4 LCD 指示电路26 3.3.5 通讯接口电路26 3.3.6 双通道 AD 转换模块27 3.3.7 PT100 温度测量27 3.3.8 蜂鸣电路.29 3.3.9 系统时钟电路.29 3.3.10 闭锁保护.29 第四章 软件设计.31 4.1 软件结构概
14、述31 4.2 各模块流程图 31 第五章结论.45 参考文献.46 外文原文.47 译文.66 致谢.79 附录.80 兰州大学毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1 智能型交流电动机缺相保护器选题背景和目的意义 1.1.1 交流电动机缺相保护器选题背景 智能型交流电动机缺相保护器设计,是按 IEC 国际标准开发的智能化,网络化,数 字化低压电动机保护控制器;其改变了传统的电动机保护与控制模式,取代了热继电 器,电流互感器,中间电动机,变送器等常规电器元件,在全面实现保护,测量,控 制一体化的同时,将先进的网络通讯技术和分布式智能技术溶入 MCC 控制提供了科学 有效的现场级保护,测控单元
15、。这样做的优越性如下: (1) 可以经济运行 由于某相线路发生缺相故障,给工作中的电动机造成缺相运行,继 而烧毁电动机,中断正常生活,给大家的工作、生活带来许多不便。通过电动机缺相保 护器的设计,我们可以使得电动机正常运行,不会因缺相之后及时停止运行。 (2) 可以保持运行可靠性 在三相电动机运行当中,无论缺任何一相或两相电源, 电动机均能自动停运,避免了电动机缺相时运行被损坏的目的。 (3) 可以提高电动机的运行质量 大大提高电动机的运行质量,不会因为缺相造 成电动机的自动停转,可以继续运行。 1.1.2 交流电动机缺相保护器选题目的和意义 电动机已经在现在工业生产,产业部门以及我们日常生活
16、中得到广泛应用。它们 已是当今生产活动和日常生活中最重要的原动力和驱动装置。电动机的数量之多,应 用范围之广,地位之重要,几乎没有其他设备与之相比。电动机的类型很多,应用环 境千差万别,其使用要求也是各不相同。恶劣的使用环境常常造成电动机的性能下降 而导致故障。 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 电动机保护技术尚有不尽人意之处,误动、拒动的情况时有发生,常影响正常使用, 以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。 为了避免电动机事故的发生,我们应该适时地对电动机进行保护,保障电动机的 安全,从而防止电动机因过载,缺相,过流,漏电等造成的事故。 断相引
17、起缺相时引起电动机烧毁的一个主要原因,约占电动机烧毁的 10%以上。从 广义上讲,输入电动机绕组电流不对称达到一定程度,就是故障状态。电动机断相运 兰州大学毕业设计说明书 2 行则是一种严重的电动机绕组电流不对称的故障状态。 对称三相电路的一种良好的特性是瞬间功率的平衡,这种特性反映到三相电动机 的运行上,就是电动机机轴所受到的转矩平衡,没有振动。但电动机绕组断相,启动 电动机时就会有嗡嗡不能启动的现象。电动机三相电流不对称运行,将要烧毁电机。 电动机的断相造成的缺相毕竟是一种状态,虽然未对电动机造成伤害,但电动 机的转速,功率因数,效率等随之下降,且使电动机振动积聚,对电动机的安全是一 种隐
18、患,应尽早排除。 1.2 主要技术指标、要求及内容: .采用先进的工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计,电气隔离和电磁屏蔽设计符合国 际标准,使装置的硬件系统具有高抗干扰能力的工作可靠性; .集全面的电动机数字保护,综合电量测量及现场/远方启停操作控制,运行状态监 视,故障记录及网络通讯于一体; .具有过负载,电流不平衡,接地/漏电,欠电流,堵转,短路,温度,欠压,过压, 欠功率,启动加速超时等多种数字式保护功能,满足直接启动双相,星/三角启动等启 动方式; .保护控制模块与现实操作单元采用分体安装结构,安装/维护及为灵活; .实现电动机回路的三相电流,接地电流等多种电参数的测量;
19、. 可与 RTU,PLC 及多种微机工控组态软件(iFIX,WinCC,Intouch,组态王,MCGS) 实现网络通讯,构成分布式综合电力监控系统。 1.3 本设计(研究)思想:(研究)思想: 采用先进的工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计,集全面的电动机数字保护,综合 电量测量及现场/远方启停操作控制,运行状态监视,故障记录及网络通讯于一体,具 有过负载,电流不平衡,接地/漏电,欠电流,堵转,短路,温度,欠压,过压,欠功 率,启动加速超时等多种数字式保护功能,满足直接启动双相,星/三角启动等启动方 式,实现电动机回路的三相电流,接地电流等多种电参数的测量,可与 RTU,PLC 及
20、多 种微机工控组态软件(iFIX,WinCC,Intouch,组态王,MCGS)实现网络通讯,构成分布 式综合电力监控系统。 兰州大学毕业设计说明书 3 第二章 交流电动机保护器总体方案 2.1 电动机综合保护控制方案研究 2.1.1 电动机起动过程的保护 电机起动的瞬间,起动电流非常大,高达电机额定电流的 78 倍。但随着电机的转速 增大,电流逐步减小,在额定负荷下,起动电流最终稳定在额定电流上,这一过程称 为电机的起动过程。在上述起动过程中我们可以看出,在电机起动的瞬间,电动机实 际上处于堵转运行状态,而此后的过程中电机一直处于过电流运行状态,但这过程是 必须经过的,是正常现象。为了提高保
21、护器的实用性,我们采用“起动特性曲线上移 法”来解决这个问题。 每个电机都有一个正常最大起动电流,电机起动电流是一条随时间变化的曲线, 如图 2-1 中的实线部分。如果将电机起动特性曲线进行适当的上移,如图 图 2-1 电动机起动的电流反时曲线 2.1 中的虚线部分。图中 q I 为起动电流, e I 为额定电流。上移的目的是增强抗干扰能 力,以防止其超时起动。 2.1.2 过载(过流)保护 过载(过流)保护:电动机过载是指其运行电流超过其额定电流的 1.2 倍以上。短时 超载仍属正常运行,只有热量积累到使电动机绕组的实际温升达到会显著降低绝缘寿 命的程度时,才要求保护电器给予保护。 兰州大学
22、毕业设计说明书 4 我们采用了反时限特性保护法。它是依据启动特性曲线,按时间轴反向计算,计 算各过流下的时间延时值。若出现过载故障 ,微处理器执行过载程序 ,根据设定的电 流值运算比较过载倍数,根据过载倍数进入相应的运行程序,并启动相应的定时器。如 果过载时间达到该定时器的定时时间,微处理器发出指令,执行继电器动作,停止电动机 运行,并记忆过载故障,在一定时间内自动恢复。如果过载倍数超过 8 倍,程序则判定为 短路故障,微处理器执行断路程序。 在设计电动机的保护方案前首先对对电动机升温的容量进行计算。 11 11 tt TT fin ss W ee H A 11 11 tt TT fin ss
23、 KW eKe H A 2 11 2 lnln 11 Kk tTT Kk 图 2-1 所示的曲线是一个非线性的、反时限的曲线,动作时间随电流增大而变小。根 据标准过载保护特性曲线和反时限曲线得出时间计算公式: 1 set op II K TMt 当 00.1 set I I 式中:top动作时间, (秒) ; TM曲线时间倍数整定值; I测量电流值。该值可以是一次或二次实际测量值,也可以是以电动机额定电流、 整定电流或电流互感器二次额定电流为基准的标幺值; Iset整定电流值;K常数,见下表典型过负荷保护特性曲线数据表;常 数,见表 21; 曲线形式 KL 极端反时限 28.220.1217
24、非常反时限 19.6120.491 适度反时限 0.05150.020.114 表 21 典型过负荷保护特性曲线数据表 标准过载反时限曲线计算公式: L II KTD t set op 17 当 0.1 set I I 式中:L标准过载常数,见表 21; TD标准过载曲线时间刻度整定值。 GE 标准过负荷保护特性曲线计算公式: 兰州大学毕业设计说明书 5 10.0505475810.02530337 2.2116623 2 opop op II SCM t 式中: SCM标准曲线倍数;Iop动作电流。 2.1.3 断相运行保护方案 断相产生的不对称电流对电动机的损害不仅仅是电流增加引起定子发热
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