论文总字数：37602字

摘 要

在电力系统中，电动机所承载的负荷占有很大的比重，所以电动机的运行安全对电力系统的稳定就至关重要了。然而在实际的生产活动中，电动机经常会出现断相、短路、漏电、三相不平衡和过热等故障，为了电动机的运行安全，电动机保护也就重要了。 随着微电子技术和计算机技术的发展，以微处理器为基础的继电保护越来越多被认可，由于其算法丰富、运行可靠、维护方便和功能强大等优点被广泛地运用在各行各业。本文围绕电动机的保护控制器硬件设计的课题展开，设计用AT89C51单片机作为核心控制器的电动机保护的外围的硬件电路原理图，最后制成PCB图。

关键词：电动机保护 单片机 保护控制器 硬件电路原理图 PCB

Hardware Design of Electric Motor Protection

Abstract

In power systems, electric motor bearing account for a large proportion of the load, the safe operation of the motor is essential for the stability of the power system. In real production activities, the faults often happen on the electromotor motor, such as breaking phase, short circuit, leakage, three-phase unbalance and overheating fault. For safe operation of the motor, the protection of electric motor is necessary. With the development of computer technology and microelectronic technology, relaying based on microprocessor increasingly is recognized on the advantages of rich algorithm, reliable operation, easy maintenance and powerful, etc. They are widely used in all walks of life. This paper focuses on the subject of hardware design of the motor controller. It is designed on the base of AT89C51, which is as the core controller. PCB diagram is made finally.

Keywords: Motor Protection; Microcontroller; Protection Controller; Circuitry Principle; PCB

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1电动机保护器的研究背景以及意义 1

1.2电动机保护器的发展历史、现状和趋势 1

1.3电动机的保护控制器硬件设计的主要工作 1

第二章 电机保护原理 3

2.1继电保护的基本原理以及主要的构成 3

2.2电动机的故障 3

2.2.1电动机的故障原因 3

2.2.2电动机的故障的分类 4

2.2.3电动机的保护原理分析 4

2.3电流采样技术 5

2.3.1直流采样技术 6

2.3.2 交流采样技术 6

2.3.3 交流采样的关键技术 6

第三章 硬件设计 7

3.1 51单片机简介 7

3.2电动机的硬件设计 10

3.2.1 Altium Designer的介绍 10

3.2.2电动机的硬件设计原理 11

3.2.3处理模块 12

3.2.4数据采集模块 13

3.2.5显示模块 14

3.2.6键盘模块 15

3.2.7电源模块 16

3.2.8报警和动作执行模块 16

第四章 总结以及展望 18

致谢 19

参考文献 20

附录 21

1.电动机的保护控制器硬件设计电路原理图 21

2.电动机的保护控制器硬件设计PCB图 22

3.英文文献资料 23

4.英文文献中文翻译稿 29

第一章 引言

1.1电动机保护器的研究背景以及意义

电动机是电力系统的重要的组成部分，而电力系统与我国的国民经济有着密不可分的联系，换一句话来说，电动机的发展推动我国经济的迅速发展，在我们的生活中，电动机随处可见，已经成为我们的生活中一部分。因而，电动机一旦发生故障，就会给我们造成重大的经济损失，更有甚者，会造成重大的安全事故，所以电动机的保护也就显得格外的重要，我们只有做好电动机的保护工作才能够避免或者减少这样的事故的发生。这也是电动机保护器的研究的意义所在。

1.2电动机保护器的发展历史、现状和趋势

在我国,电动机的保护装置经历了全面仿照苏联、自主研发设计、更新升级换代、向智能化发展等几个主要的阶段。值得一说的是，随着时代的发展，单片机行业的兴起给电动机保护器的发展提供了一个发展的契机，使得电动机的保护能够再次迅速发展。

在建国的初期，我国引进了苏联的JR系列的热继电器。在电子业还没有兴起的时候，热继电器曾经是电动机保护的不二首选，在中国的电机保护行业有着长达半个世纪的历史。热继电器是利用两个膨胀系数不同的金属片构成的。当电流通过金属片的时候，金属由于发热会出现膨胀弯曲的现象，金属会向膨胀系数小的一边弯曲，电流越大，金属弯曲的程度越大。当电动机的故障电流超过额定值时，金属就会触碰到脱扣装置，也就是电动机的保护装置，使得电动机主电路切除来达到保护电动机的目的。但是凡事有利也有弊，热继电器也有着它的明显的缺陷，就是整定粗糙、重复性差、受环境的影响大、误差大和功能单一，这也是热继电器逐渐退出市场的原因，不能够满足电动机的越来越高的保护要求。

之后，随着半导体模拟器件的出现和普及，一批新的类型的电动机保护器出现了，性能较为可靠，功能多样化，为电动机的安全运行提供了可靠的保障。这类电动机保护器是电子式的电动机保护器，品种繁多，规格齐全，主要功能包括：接地、过载、缺相、短路、相序、相失衡、过欠压、电流显示、变送输出以及声光报警等，但这种类型的电动机保护器也有一些无法弥补的缺点：整定的精度不高、采样的精度不高、无法将多个功能集合在一起。随着经济发展的需要，对于电动机的保护装置，人们的要求越来越高：界面直观，体积要小，接线简单，性能可靠以及功能多样化。这些要求都是以半导体模拟器件为基础的电动机保护装置不能满足的。

现如今，微处理器的出现和发展，涌现了一批主要以单片机为处理器的数字电子式电动机保护器。这类电机保护器可实现电动机的智能化的综合保护，而且它同时兼有远程通讯的功能；可以利用计算机对多台电动机进行综合的监视和控制；也弥补了半导体模拟器件在整定和采样的精度上不足。

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