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基于WiFi通信的电动机保护装置研究与设计

时间:2019-01-07 21:42来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇通信工程论文,通信工程研究的是以电磁波、声波或光波的形式把信息通过电脉冲,从发送端(信源)传输到一个或多个接受端(信宿)。接受端能否正确辨认信息,取决于传输中的
本文是一篇通信工程论文,通信工程研究的是以电磁波、声波或光波的形式把信息通过电脉冲,从发送端(信源)传输到一个或多个接受端(信宿)。接受端能否正确辨认信息,取决于传输中的损耗高低。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇通信工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 电机保护器的研究目的和意义
在全球市场中,电动机的数量近年来大幅增加,当时在 2011 年全球电动机市场大约是 161 亿美元,并且在后续 5 年内其增长超过了 50%。电动机已经几乎应用于我们日常生活的每个地方,比如制造业系统、航空运输、地面运输、建筑物空调系统、家用能源转换系统、各种不同的电气设备冷却系统,甚至是手机振动系统等,其不同用途电动机的数量和能量消耗如表 1-1 所示。在我国,工业能耗占总能耗的百分比超过了 70%,其中工业能耗的 60%~70%是电机能耗;在美国,整个国家电能需求的 50%是被电动机消耗的,2008 年的年度电能需求量是 3.873 万亿 kW.h,这一数据说明在美国电动机每年消耗了 1.9 万亿 kW.h 以上的电能,这是现代社会中单种用电装置的最大能源消耗量。随着人口和能源消费的快速增长,在大多数的工业应用中,要求电动机能够在恶劣的工作环境下安全可靠运行的同时实现高级控制。尤其重要的是,一个意想不到的停机可能导致至关重要的服务的中断,比如在医学上、交通运输上或军事行动中;在这些应用场合要保障运行的连续性,故障停机是不能容忍的,电动机的意外故障将引发人员伤亡。此外,电机故障会损伤电机,从而带来了巨额的维修费用;我国 2001 年的电机使用数量约 2000万台,每月有 16%左右的电机被烧毁,约 320 万台,如果每台电机的平均维修费为 1000元,则每个月电机维修费高达 32 亿元;而在工业生产中,因电机故障造成的停机会中断生产,造成更加巨大的间接经济损失,所以电机的稳定运行对安全生产和提高经济效益具有重要的意义,从而使得电机保护受到了人们的关注。
...........
 
1.2 电机保护器相关技术的国内外研究现状
由于近年核心微处理器技术的不断发展,为电机保护器迈向智能化、数字化、网络化的发展方向提供了平台,使电机保护进入了一个飞速发展的阶段【1】。在对智能电机保护器的核心微处理器不断改进的同时,国内外众多的学者对电机保护的信号采集、网络通信、电机故障诊断技术等方面进行了研究。目前电机保护装置的控制器大多数采用单片机,极少数使用了 DSP。其 51 单片机因系统结构简单、使用方便,在简单的测控系统中得到了广泛应用,但又因其运行速度低、功耗高、功能简单,而无法在复杂控制系统中得到普及;为了满足工业应用需求,随后出现了高性能单片机,例如采用 Cortex-M3 内核的 STM32 系列单片机,因优异的实时性能、低成本、低功耗和丰富的接口资源,使其得到广泛应用。此外,DSP 因能够快速实现数字信号处理算法,以及在开发编程中和单片机一样主要采用 C 语言,使其在数字信号处理领域中得到了广泛应用。当今嵌入式系统开发中最为热门的 FPGA 因设计周期短、开发软件投入少、投资成本不断下降,以及高密度、低压、低功耗等因素,使其在国内外有着广泛的应用群体。FPGA 在大型工程设计中,设计方法采用 HDL 设计输入法,根据自顶向下设计思想,利用模块的划分与复用,使设计具有很好的可移植性和通用性。此外,目前很多高端的 FPGA产品内部集成的有 DSP 或 CPU 的运算 Block,配合通用逻辑资源可以实现 Nios 等微处理器的功能【2】。文献【3】处理器选用的是 C8051 F340 芯片,根据对电机的电流和电压信号进行采样得到的采样数据计算特征参数,再根据特征参数判断电机是否发生故障,由于交流采样未对多路电气量实现并行处理,使得故障诊断周期长;文献【4】采用 DSP 完成数据采集、参数计算和传输数据到 ARM 三个过程,ARM 实现显示、保护、人机交互等功能,此方案用双控制器,从而增加了硬件电路的复杂性。
..........
 
2 电机故障分析及保护原理
 
在电机保护装置中,首先对反映被保护电机的模拟电气量进行采集,然后对这些采集来的数据进行数字滤波,再对这些经过数字滤波的数字信号进行数学运算【10】、逻辑运算,求得被测量信号的有效值、相位、比值等量值,并与保护的整定值进行比较判断,最终输出跳闸命令、信号命令或计算结果,以实现各种故障保护功能。
 
2.1 对称分量分析法
采用对称分量法可把一组不对称的三相电流(或电压)分解成正序、负序和零序三相对称的三相电流(或电压),后者被称之为前者的对称分量。其中,正序分量和零序分量都大小相等,彼此之间的相位差为 120°,但达到最大值的先后次序不同,分别为 A-B-C-A和 A-C-B-A;零序分量三相电流大小相等,相位相同。
..........
 
2.2 电机常见故障与保护
电机的故障现象有特定的与电机故障状态和严重程度有关的样式,比如特定的频率、持续时间、幅度和相位。通过检测分析预期的故障现象和各类故障的特殊样式,可得出电机故障诊断方案。
 
2.2.1对称故障及保护
电机堵转、过载、定子绕组三相短路等对称故障会使电机绕组发热,从而损害电机,严重时甚至会烧坏电机。此类故障的特征是:通过三相电机定子绕组的三相电流对称,幅值较大,且不同故障的电流幅值增大系数不同;因此,可用电流幅值的大小作为此类电机故障的判断依据,这种保护方法是当检测到电机的三相线电流大于某种故障保护的设定值,就认为电机发生了相应故障,再待故障持续时间到保护动作时间进行断电保护。过载保护电机在运行中所带负载过大会产生较大的电流,若长时间运行在这种状态下,电机发热会使温度超过允许值,绕组绝缘老化,严重时还会烧坏电机,需对其进行过载保护。由于电机都有一定的过载能力,所以一出现过载现象就立刻对其进行保护,会给正常生产带来严重影响,所以过载保护一般采用反时限保护法。
 
3 电机保护硬件系统设计......15
3.1 硬件总体结构...........15
3.2 控制器 FPGA 介绍.............15
3.3 信号采样电路...........16
3.4 人机对话回路...........20
3.5 保护的信号报警和出口跳闸回路.........22
3.6 Wi-Fi 模块电路.........23
3.7 本章小结.........24
4 电机保护软件系统设计......25
4.1 软件系统整体方案.............25
4.2 AD 转换控制模块.....26
4.3 特征量计算模块.......27
4.4 故障判断模块...........31
4.5 按键参数设置模块.............34
4.6 TFT 显示屏的显示控制模块.......35
4.6.1 TFT 显示屏的显示原理....36
4.6.2 TFT 显示屏的显示与控制的实现........37
4.7 串口通信模块...........39
4.8 手机应用程序设计.............41
4.9 本章小结.........43
5 电机保护性能测试....45
5.1 实验测试平台...........45
5.2 故障诊断与保护功能测试...........46
5.3 无线数据传输测试.............47
5.4 本章小结.........48
 
5 电机保护性能测试
 
本章以搭建的实验平台为基础,采用微机型多功能继电保护测试仪(HB-2008F)对本保护器故障诊断、保护动作时间、无线数据传输的正确性进行了实际测试。
 
5.1 实验测试平台
按照第 3 章所设计的硬件电路搭建的实验测试平台如图 5-1 所示。本文采用 HB-2008F 系列微机型多功能继电保护测试系统对本保护器设计的功能和精度进行了实验测试。该继电保护测试仪配置了 6 路电压和 6 路电流,各路输出可独立变频,任意在线调整;其交流电流的单相幅值为 0~30A,交流电压的单相幅值为 0~120V,输出精度小于 2%,精度满足测试要求。实验测试时,继电保护测试仪的三相电流、三相电压按相序标识分别穿过电流互感器的圆孔和接入电压互感器的输入端,如图 5-2 所示。故障诊断的准确性和保护响应的及时性是衡量一个电机保护器性能的关键因素,决定着保护器的使用价值。本文对故障诊断的准确性和保护响应的及时性进行了测试,设电机的额定电流为 5A,额定电压为 220V。由于控制器从诊断出故障时开始计时,并在保护动作时将计时数据显示在 TFT 显示屏上,因此可以在 TFT 显示屏上查看实际故障动作时间;此外,故障保护动作值就是诊断出故障时继电保护测试仪输出的数据,可在继电保护测试仪显示屏上读取。

.........
 
总结
 
本文首先对对称分量分析法、电机故障特征、电机保护算法等电机保护相关理论进行了分析介绍,接着设计了以 FPGA 为控制器、AD7606 为数模转换芯片、具有 WiFi 无线通信功能的电机保护器的硬件电路;在此基础上,采用 Verilog HDL 语言,在 QuartusⅡ开发环境下编写了电机保护的软件系统;最后,采用继电保护测试仪对设计进行了测试。本课题做的主要工作具体如下:
(1)设计了电机保护装置的硬件电路,包括信号采样电路、微处理器系统、开关量输入/输出回路、Wi-Fi 模块电路等,并在此基础上搭建了硬件实验台;
(2)根据模块化思想采用 Verilog HDL 编写设计了 FPGA 功能实现程序,包括 AD转换控制模块、特征量计算模块、故障判断模块、参数设置模块、TFT 显示控制模块和串口数据收发模块;
(3)将 Wi-Fi 技术引入到电机保护系统中,采用 Java 语言编写了基于 Andriod 手机的应用程序,实现了移动设备与保护装置之间的无线网络通信;
(4)基于硬件实验台,采用继电保护仪对程序设计进行了验证,实验结果表明,该保护器可实现过载、堵转、短路、断相、三相不平衡及接地等保护,保护动作时间误差为0.5%,满足设计要求,且网络通信的数据传输正常。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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