微机电动机过热及热闭锁保护单元硬件毕业设计说明书摘 要 本文介绍了一种基于PIC16F877单片机的电动机过热及热闭锁保护装置的硬件系统设计。这一设计利用电动机正、负序等效电流实现电动机的过热及热闭锁保护。具有高性价比、高可靠性、智能化等特点。给出了保护动作的模型和算法。系统能对电动机的热过载故障做出准确判断且具有良好的可靠性、重复性，其动作值、动作时间的精度能达到一般工业现场的要求。系统还能与上位管理计算机进行串行通讯。 关键词：电动机 ；热过载及热闭锁保护 ；单片机 ；串行通讯 Abstract The paper describes the hardware configuration design of an electronic thermaloverload and thermallock protector with PIC16F877 single chip. This design uses a method for microcontroller-based relay of motor thermaloverload and thermallock. This intelligent protector has a high performance-cost ration. Its reliability is improved. The paper gives mathematical model of the protection, discrete algorithm and realizing method based on microcontroller. The protector can make precise judgement to motor thermaloverload and have higher reliability and repetition. The precisions of its action value and action time can meet the need of general engineering application. It also can realize serial communication to the superior computer by RS-232C interface chip.Key Words: motor ; thermaloverload and thermallock protection ; single chip ; serial communication 第一章 绪论电动机已广泛应用于冶金、化工、纺织、石油、电力等国民经济的主要部门，因此，电动机保护装置的研究与推广对国民经济有着重要意义。微机化、数字化、网络化是电动机保护装置研究、发展的方向。近年来具有上述特点的智能型电动机保护装置已经得到广泛的应用。微机电动机保护装置实质是一种依靠单片机智能地实现保护功能的工业控制装置。它一般实现电动机的综合保护，包括短路保护、过热及热闭锁保护、不平衡保护、接地保护、启动时间过长及频繁启动保护、低电压保护和纵差动保护等。同传统的继电器保护装置相比，微机保护装置具有保护全面、准确、通用性强的优点，现在正越来越广泛地被应用于电动机保护领域。电动机过热及热闭锁保护装置实际是电动机微机综合保护装置的一个重要部分，具有很强的现实意义和重要性。电动机在使用过程中总会有一部分能量变成热能损耗掉，并引起电动机发热，温度升高。温度越高，电动机内的绝缘材料越容易老化，严重老化时会出现绝缘材料变脆破裂，或发生绝缘击穿，造成短路及触电事故。更严重时甚至可能引起人员受伤、火灾等严重事故，因此电动机都应设置过热保护装置。本设计主要是使用微机（单片机）来实现对与电动机温度相关的电流采集，过热跳闸，以及热闭锁的保护功能。11 电动机保护的发展 三相交流电动机因其结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便、机械特性能满足大多数生产机械的要求等优点被广泛地应用于发电厂、化工厂以及工矿企业中，成为所有动力设备中的主力军，因此对它的保护就具有非常重要的现实意义。电动机在烧毁过程中因发热所消耗的电能是极大的，每年仅因电动机烧毁所耗电能达数十亿kWh，因材料报废所产生的间接耗能更是巨大的，所以必须重视电动机保护这一重要环节。目前在技术先进国家电动机保护已具有较高水平。 我国电动机保护历史己有半个世纪之久，电动机保护的发展大致可以分为以下几个阶段 （1） 以熔断器、接触器和热继电器构成的保护方式:熔断器与刀开关是使用最早、最简单的保护方式。熔断器主要是用于短路故障或严重过载时保护供电设备和供电网络的，实际上它对电动机不起直接保护作用。当熔体熔断时，又往往会造成电动机缺相运行而烧毁。许多人把熔断器的作用看作是保护电动机，是一个概念错误。现行的熔断器熔体截面选择按电动机额定电流1.52.5倍来选择是不符合实际的。电动机起动时受到57倍额定电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上存在随机“缺陷”，在电动机起动时很容易发生部分相首先熔断，而使电动机处于缺相运行，造成烧毁事故。热继电器是我国50年代初从前苏联引进的产品，是用于电动机因过载引起的过电流保护装置。因为热继电器具有反时限特性和结构简单、使用方便等优点，一直延用至今。但是热继电器对起动过程中的电动机不起保护作用，且环境温度对热继电器参数影响较大，不稳定，双金属片整定方法粗糙。热继电器安装在电动机壳外，一旦发生通风受阻、堵转、长期轻微过载使电动机绕组产生热积累等，热继电器就无法保护电动机。原因是热继电器串接在主电路中，与电动机绕组温度无直接关系。另外热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能。而当热继电器真正起到保护作用动作几次，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能继续使用，必须全套更换。 (2)温度继电器保护方式:温度继电器也是采用双金属片制成的圆盘形继电器，其结构简单、动作可靠，装在电动机内部靠温度动作。但动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。 (3)电子式保护装置保护方式:随着电子技术的迅速发展，电子式电动机保护装置应运而生。该类产品具有成本低、体积小等特点，但其保护过于简单，对许多场合的电动机不适用。 (4)微机型电动机保护装置保护方式:随着电力系统微机继电保护的不断发展，并有其与传统保护明显不同的特点，在电动机保护中得到不断的应用。微机型电动机保护装置只需要通过采集电动机各序分量，经过计算，判断保护动作与否，非常简单、实用和可靠。许多新的电动机保护原理和方案，以及能够改善电动机保护性能的一些复杂先进算法在微机型电动机保护装置中也很容易得到实现。这些使得微机型电动机保护装置保护功能齐全，动作迅速、可靠性高，并能准确快速反映故障，具有装置动作指示，可记录和查询装置动作类型、动作时间以及故障特征值，便于故障分析，正常运行时可对电动机的运行状况进行监测。所以，微机型电动机保护装置逐渐被广大用户所接受，逐渐取代传统的保护方式成为电动机保护方式中的主流。1.2 微机电动机保护的特点 计算机在电动机保护领域的应用和它在其它所有传统产业中的应用一样，是由于电动机保护本身的进一步发展在技术手段上的需要。由于生产现场对电动机保护的各种不同参数、不同的状态变量、不同的过程，快速、准确无误地检测判断和执行等方而提出了对越来越高的要求，而计算机则能满足这一要求，因此它就越来越广泛地应用于这一领域。 微机保护最早应用于电力系统的继电保护。实际上，在六十年代就有人提出了应用计算机构成继电保护装置的想法。到了七十年代中期随着微处理器和微型计算机的实用化，使计算机保护研究上了一个新台阶。我国是在七十年代末、八十年代初开始微机继电保护研究的。随着体积小、价格低、使用简单方便、功能强大的各种单片机、微型计算机的不断涌现，为计算机技术应用于继电保护提供了广阔的前景，特别是近几年在设备保护、线路保护、远程监控、配电自动化等方面取得了一些可喜的成绩。这说明我国微机继电保护进入了重要的发展阶段。在此基础上，电动机的微机保护也取得了长足的发展。各种基于微机、单片机的电动机保护装置也不断出现在市场上。 微机电动机保护主要是通过输入接口检测、分析计算电动机的有关电量和判定系统设备是否发生故障，决定是否发出跳闸信号并通过输出接口送至系统及设备。此外还要记录故障信息，方便地实现人机对话等。 与传统的电磁型保护和晶体管保护相比较，微机保护特别是单片微控制器保护以其方便、灵活、可靠、经济等独特的优点，为理论研究和实际应用提供了更先进的手段。 与传统的保护装置相比，微机保护具有如下优点: 微处理器具有强大的运算能力、判断能力，能按要求快速准确地计算，并进行逻辑判断。并可将自适应控制，随机控制及模糊控制等引入保护。 良好的记忆存贮能力，可方便地获取故障信息并在断电情况保存故障信息及整定值。信息不丢失。 可与其它微型机组网，实现远程监控、远程诊断及分布式控制、信息网控制。 可靠性高。微机保护通过系统自检，能及时发现软件和硬件故障。 通用性强。微机保护通过改变软件设计，可实现不同的微机保护，达到不同的特性，具有通用性。 体积小。与传统的电磁型和晶体管式保护相比，体积要小得多。 经济性好。随着大规模集成电路芯片的不断发展，微处理器价格不断下降，功能不断增强，使经济性不断提高。 更改整定值容易。微处理器通过外围设备，使人机对话更加方便容易，可方便地就地或通过集控室更改整定值。 通过上面分析可以看到传统的保护装置是无法达到微机保护的技术水平的。微机保护具有明显的优势。 然而，作为一种新技术，它同样也存在如下一些缺点。 对抗浪漏、干扰能力较弱。 对使用、维护人员要求较高。 硬件很快过时，更新、淘汰周期短。尽管如此，微机电动机保护的前景是光明的，它的发展趋势是不可动摇的，随着技术的发展，相信这些问题逐渐会得到解决。第二章 设计思路和方案论证2.1 设计方案的确定2.2 设计内容本设计是微机电动机过热及热闭锁保护装置的硬件设计，即通过对单片机外围电路的设计结合对单片机编程来完成保护功能。整个装置需要完成测量、采集、转换、显示、输入、输出等功能。本设计使用的是PIC16F877型单片机，PIC单片机是美国Microchip技术公司生产的系列单片机。Microchip公司是世界上8位单片机年生产量最高的前两大厂商之一，它生产的PIC系列单片机具有硬件系统设计简洁、指令系统设计精炼、集成外围模块多、功耗低、性能稳定等特点。PIC系列单片机的主要优点是：1、哈佛总线结构；2、指令单字节化；3、精简指令集（RISC）技术；4、寻址方式简单；5、代码压缩率高；6、运行速度快；7、功耗低；8、驱动能力强；9、拥有多种串行总线接口；10、寻址空间设计简洁；11、外接电路简单；12、支持C语言编程；13、程序保密性强；14、品种丰富，使用方便。 PIC16F87X系列属于PIC系列单片机的中、高档产品，而877型单片机是该系列单片机中性能最好的机型。我们通过对各种单片机的性能进行比较，结合本系统的特点，决定选用PIC16F877作为系统的主要控制元件。 PIC16F877型单片机为40脚封装，采用RISC结构，具有33个高驱动能力的I/O端口（可直接驱动数码管LED 显示），片内含8K14字节可重复多次