可通信限时速切继电器的研究毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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第1章绪论
继电器是低压电器领域中的基本器件,它的制造和使用已有一个多世纪的历史,最早的继电器是用于通讯设备中,后来随着工业的发展,继电器不仅用于通讯设备,还用于自动控制系统及电力系统的继电保护,成为继电保护自动装置的组成元件,它在各方面发挥的作用是显而易见的,其重要性更是不容忽视的。
总的看来,随着科学技术的发展,以及系统对元件要求的不断提高,继电器在新品种研制及性能指标进一步完善等各方面将会不断向前发展提高。
1.1低压电器发展概况及趋势
在低压电器领域,我国经过50年的发展,目前己形成了比较完善的体系,就低压电器的品种、规格、性能来看,可分为三代产品,第一代是60年代至70年代初开发的产品,其性能水平相当于国外50年代水平,其中主要产品DW10,DZ10,CJ10现已列入行业的淘汰产品,技术特征是性能指标低,体积大,耗材、耗能多;
第二代是70年代至80年代开发的产品,产品包括自行开发的和技术引进的,其特征是技术指标明显提高,保护特性较完善,体积缩小,结构上适应成套装置要求;
90年代开发的产品为第三代产品,开发方针为抓住主要系列,跟踪国外先进技术,系列产品有DW45,CJ45等,特征是高性能、小型化、电子化、智能化、组合化、多功能化,但此类产品市场占有率仅为5%-10%,因此,促进此代产品的推广,从而促进我国低压电器总体水平的提高刻不容缓[1]。
如今国内在低压电器领域方面正在不断进行摸索、研究和开发新技术及新产品。
例如文献[2]中研究和讨论了将微型计算机技术应用到混合式电器动态控制中的新思想,其开发前景良好,但没有做出成品。
文献[3]中介绍了由苏州大学和常熟开关厂开发的智能化断路器,并对智能化断路器开发所涉及的关键技术进行了分析和探讨,还介绍了一些基本的单元电路和相关技术,重点讨论了用于智能化断路器的智能化全功能低压脱扣器的开发,包括主要技术要求,总体结构和功能电路设计。
众所周知,采用集成技术与微处理器对传统低压电器技术的改造,使它产生了质的飞跃。
进入21世纪以及随着WTO的加入,跟踪国外先进技术,继续探索开发国内第四代产品—智能化、可通信电器是发展趋势。
我国低压电器的发展首先应牢牢把握传统低压电器产品发展主要技术特性,此外还应紧紧跟踪国外新技术及新产品的发展动向[4,5]。
所谓智能化电器是指人们根据系统保护与控制的需要,采用微处理器等电子部件,具有一定逻辑判断能力的新型电器,智能化电器在国外己取得很大的发展,近年来,现场总线的出现给工业自动化带来了革命性的变革,它是一种造价低、可靠性强并适合工业环境使用的通信系统,现场总线技术的显著特点是系统的开放性和互操作性,它的发展与应用对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用,作为自动化系统中的可通信电器,它一般安装在现场,可以通过总线系统来实现其遥控、遥测、遥调的功能[6,7]。
例如,西门子公司己生产出可通信的万能式断路器等产品,这种技术给传统低压电器带来了革命性的变化,这一技术也越来越受人关注:
文献[8]就对美国西屋公司(Westinghouse)推出的“Advantage”新系列的智能化电磁接触器和电磁起动器的原理和关键技术进行了分析,并与传统的电磁接触器和起动器进行了对比分析,文献[9]中介绍了交流接触器智能通断这一领域国外近期研究进展,分析了目前尚仅限于小容量接触器,在它的接通过程中,利用B.Cpp提出的电弧电子电位模型进行智能操作的途径和方法。
目前现场总线主要应用于过程控制、生产自动化、配电系统及智能化楼宇等,现场总线系统的发展与应用也将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置,给传统低压电器带来革命性变化,同时由于给传统低压电器注入高新技术,使其功能、档次上新台阶,并且,随着计算机网络技术的发展与应用,采用计算机网络控制的低压电器均要求能与中央控制计算机进行通信,发展智能化可通信低压电器势在必行[10,11]。
作为第四代的智能化、可通信低压电器产品在结构上有如下的特征:
1.低压电器产品中装有微处理器;
2.低压电器带有通信接口,能与现场总线连接;
产品在性能上应具有以下的功能:
1.保护功能齐全;
2.外部故障记录显示;
3.参数测量显示:
4.内部故障自诊断;
其中故障自诊断分析功能是指故障预警、报警(故障类别及故障相参数)的显
示、记忆与再现,以帮助用户对故障进行诊断分析,迅速查明故障原因及时排除
故障,减少故障危害。
1.2继电保护技术发展史及趋势
与当代新兴科学技术相比,电力系统继电保护是相当古老了,然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力。
它以电力系统的需要作为发展的源泉,同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成就作为发展的手段,继电保护技术是随着电力系统的出现相伴而生的。
早在19世纪末就开始利用熔断器防止在发生短路时损坏设备,建立了过电流保护原理,1905一1908年研制出电流差动保护,自1910年起开始采用方向性电流保护,于19世纪20年代初出现了距离保护,在30年代初己出现了快速动作的高频保护。
由此可见,从继电保护的基础原理上看,到本世纪20年代末现在普遍应用的继电保护原理基本上都己建立。
从实现保护装置的硬件看,从1901年出现的感应型继电器至今大体上经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机式发展阶段。
总体看来,继电保护技术的发可以概括为三个阶段、两次飞跃。
三个阶段是机式、半导体式、微型计算机式。
第一次飞跃是由机电式到半导体式,主要体现在无触点化、小型化、低功耗。
第二次一飞跃是由半导体式到微机式,主要体现在数字化和智能化方面。
显而易见,第二次飞跃有着尤为重要的意义,它为继电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。
当前正面临第二次飞跃的大好机遇,把继电保护技术提高到一个更高的水平是目前发展的主要趋势[12,13]。
目前电力系统的继电保护大多是采用传统机电型继电器,这种继电器组成的保护接线复杂,保护特性差,维护不方便.而微机继电保护装置可解决这些问题。
因而,可以预见在未来十年中,微机继电保护系统将以惊人的速度增长[14]。
1.3继电保护装置的作用和基本要求
电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。
但是,电力系统的组成元件数量多,结构各异,运行情况复杂。
因此,受自然条件、设备及人为因素的影响,可能出现各种故障和不正常运行状态。
故障中最常见,危害最大的是各种形式的短路。
发生短路时可能造成的危害是:
1.故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧,将故障设备损坏;
2.电源到短路点间流过短路电流,它们引起的发热和电动力将造成在该路径中有关的非故障元件的损坏;
3.靠近故障点的部分网络供电电压大幅度的下降,使用户的正常工作遭到破坏甚至于影响产品质量;
故障和不正常运行状态情况常常是难以避免的,但事故却可防止。
继电保护装置就是用来反应电气设备发生的故障和不正常运行情况,从而作用于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置。
继电保护装置的基本任务是:
1.自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件损坏程度尽可能减轻,并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行;
2.反应电气元件不正常运行伏态,并依据运行维护的具体条件和设备的承受能力发出信号,减负荷或延时跳闸。
继电保护装置应满足四项基本要求,即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
一般继电保护装置的设计要求在技术上安全可靠,经济上尽量节省投资[15,16]。
1.4继电器概述
继电器是指当输入量(或激励量)满足某些规定的条件时,能在一个或多个电气输出电路中产生预定跃变的一种器件。
它是一种自动电气开关,其功能是:
当给予一个输入量,继电器的感测机构应能对输入量的大小进行比较判断,当输入量达到一定值时就给出信号让执行机构执行。
以电磁式继电器为例,其电磁系统就是感测机构,触点就是执行机构。
当电磁系统中线圈所通电流增加到一定数值时,衔铁被吸合使常开触点闭合,触点回路被接通,当线圈电流逐渐减小到一定数值时衔铁释放,常开触点也随之打开,触点回路被切断。
可以看出电磁继电器是利用电磁线圈中的电流来控制其触点回路的电流。
一般说来,利用一个参数x(输入量)的改变来控制另一个参数y(输出量)的变化,当输入量X连续变化到一定数值时输出量y发生跳跃(不连续变化),这种控制称为继电控制,在输入量x的作用下能自动实现这种跳跃控制的元件称为继电器。
继电器的继电特性如图1.1所示。
当X从零开始增加,在x<
yd的整个过程中,y一直等于ymin(在有触点继电器中,通常ymin=0);
当x增加到xd时,y突然由ymin跳变到ymas,若进一步再增大x,y保持ymin不再变化;
在x逐渐减小时,在x>
xf,的整个过程中y保持ymas不变,当x降至xf时y由ymas跳变至ymin,若再进一步减小x,y仍保持ymin不变。
xd为继电器的动作值,xf称为继电器的释放值[17]。
图1.1继电特性
就继电器的市场情况来看,1992年中国控制继电器的产量为0.62亿只,1999年己达4.5亿只,据统计到了2000年,中国继电器产量将达到5亿只左右,约占世界总产量的13%,2000年中国市场需求量可达4.6亿只。
因此,我国继电器工业的发展策略应着眼于21世纪知识经济的发展,把提高开发创新能力摆在更重要的位置,以谋求21世纪的制高点和主动权[19,20]。
微电子技术、电子计算机技术、现代通讯技术、光电子技术以及空间技术的飞速发展,对继电器技术提出了新的要求,新工艺、新技术的发展无疑对继电器技术的发展起到促进作用,微电子技术和超大规模集成电路的飞速发展对继电器也提出了新的要求。
总体上看,继电器的发展趋向就是轻量化、薄型化、片状化,以适应高密度组装印刷线路板的需要;
组合化、多功能化,以开拓继电器新的应用领域,并且在设计、生产和测试中广泛应用电子计算机,大大提高自动化水平[21,22]。
1.5课题研究目的和意义
数字化、网络化、信息化已成为当今世界科技发展的主流。
继电器作为低压电器领域内基础元件之一,应用广泛,但它是一种自动控制元件,而不是最终产品,只有在系统中它才能发挥作用,随着整机系统向高可靠(减少连线)、高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方向发展,系统对功能元件的要求也越来越高继电器作为电子信息业的支撑产业,必须积极应对这种革命性的转变。
继电器作为一种自动和远距离操纵用的电器,广泛的应用于自动控制系统、遥控、遥测系统、电力保护系统以及通信系统中,起着控制、检测、保护和调布左的作用,是现代低压电器装置中最基本的器件之一。
1.6课题研究特点和内容
1.6.1研究特点
本课题以电流继电器为研究对象,利用微电子技术及单片机技术,采用微处理器,设计出的小型交流继电器,不仅能够独立完成限时速切的功能,即实现预想的继电保护功能,还能直观便捷的对继电器的动作参数—电流值和时间值,进行显示、设定和修改。
1.6.2研究内容
综合目前国内低压电器的发展现状,并在国外新技术发展趋势的基础上,在硬件部分采用MCS-51系列单片机作为核心部件来控制继电器动作,实现限时速切的功能,并选用串行通信总线标准接口RS-232C,实现双向通信的功能。
若想实现上述的功能,研究的内容主要包括硬件电路的设计和软件的设计。
其中硬件电路的总体设计大体包括以下几个方面:
1.设计存储电路,以保证动作参数值修改整定后实时进行保存,不至断电时丢失数据;
2.数据采集电路的设计,首先需将被监控的大电流转换到电子电路可以接受的小电流,然后将这种模拟量转换成为数字量,以便使接受数字信号的单片机来运算处理,以至最终做出决策,这一部分的设计尤为重要,需满足系统所需的精度要求;
第2章可通信限时速切继电器简介
我们研究的可通信限时速切继电器主要是针对在电力系统输、配电线路中,预达到带时限电流速断保护的目的,若利用传统意义上的电磁式继电器,需要由电流继电器、时间继电器和信号继电器三种继电器共同才能完成的问题。
这种保护的构成原理接线如图2.1所示,在图中,构成保护装置的主要元件有:
LJ—电磁式电流继电器,是保护的测量元件。
SJ—电磁式时间继电器,保护的逻辑元件(延时)。
XJ一信号继电器,保护的出口元件。
保护装置动作情况如下:
正常运行情况下,电流继电器LJ中流过负荷电流对应的二次电流,其接点断开,时间继电器SJ线圈不带电,接点也断开,跳闸线圈TQ不带电,断路器DL处于合闸状态。
当线路发生短路故障时,短路电流经电流互感器转变为二次电流流入电流继电器LJ中,由于电流大于该电流继电器的动作电流而起动,一旦LJ起动,其常开接点闭合,就能使SJ起动,经过一个固定时间t其接点闭合,正电源经SJ接点送至xJ线圈上使其动作,接点闭合,于是正电源经XJ接点,断路器辅助接点DLI,送至断路器跳闸线圈TQ上,从而使断路器跳闸切除故障,xJ接点闭合后发出的信号通常由指示灯来显示。
图2.1限时速切保护原理接线图
当故障不是发生在本段线路,而是在卜一段线路,但因短路电流仍流过这段线路的保护,因此LJ也起动,使SJ励磁,但在SJ的接点尚未闭合时,由于下一段线路的保护装置整定时间短,已将故障切除,故短路电流消失,LJ返回,SJ断点返回,整套保护返回。
由第一章可知当今电力系统的继电保护系统发展趋势是微机继电保护,我们根据本课题的主要目的和任务,利用集成技术和微处理器技术的蓬勃发展,确定了设计的总体方案,其核心是利用当今广泛应用的单片机作为主控单元,完成线路中的实时电流值与设定动作电流值比较,如果电流值达到了设定的动作电流值,则开始计时,若判定计时的时间符合设定的动作时间值,那么输出电平信号来控制继电器动作,并使指示灯亮,给出信号来实现限时速切的功能,使设计的限时速切继电器最终实现功能的组合化、智能化以及完成通信的目的。
由上述可见,可通信限时速切继电器硬件部分由主控单元、监控存储电路、数据采集部分、键盘显示电路和与上位机通信部分组成。
近年来单片机发展飞速、种类繁多,根据其不同应用领域、不同器件的特点,一般可分为通用型/专用型、总线型/非总线机。
此类单片机位数越多,处理数据的能力就越强,性能也就越高,由于本设计系统需控制的电流值不大于100A,用于普通的控制场合,选用8位单片机即可,单片机型号颇多,8位高档系列机的主要制造商有美国的Intel公司(MCS一51系列)、Motorola公司(MC6805系列)和Philips公司(51系列)。
根据系统设计的目标、复杂程度、可靠性、精度和速度要求,我们力图选择一种性能价格比较高的单片机机型,MC68OS系列单片机虽然价格比较便宜,但其内部总线不对外开放,大部分产品不能在外部扩展存储器和I/O接口;
Ph111ps公司的51系列单片机是以SOC51为内核构成的,系统结构和指令系统与Intel公司的MCS一51完全一样,这两个系列都能满足系统应用[23]。
我们在具体电路设计中,采用了美国爱特梅尔公司的AT89C51系列高档单片机,己成为我国单片机应用者开发产品时优选的单片本设计中选用其典型产品AT89C5,它所具备的这些性能与优点可提高继电器整体的可靠性和工作速度,能够缩短产品的设计周期并降低系统成本[24.25-29]。
设计的关键是使上述各部分电路无论是独立还是联成一个系统后都能正常有序的工作,为此,在设计中我们还仔细考虑了各部分电路的电特性,对系统进行可靠性和抗干扰设计以提高系统稳定性。
设计中软件部分采用的是MCS-51汇编语言,要求运行速度的场合,汇编语言必不可少[30]。
所以在此采用汇编语言设计软件。
系统软件主要解决以下几个问题:
1、对动作参数的存储以及对实时电流值的采集和模数的转换;
2、通过键盘显示电路完成操作人员与现场电器的人机对话;
3、上位机对现场电器遥调、遥控功能的实现;
4、单片机对存储电路、A/D转换器、键盘显示等电路进行有条不紊的控制。
第3章可通信限时速切继电器硬件设计
根据本课题的主要目的和任务确定了总体设计方案以后,可以看出这是一个单片机应用系统,其中硬件和软件的设计是将要进行的重要步骤,硬件设计的主要任务是根据总体设计方案确定系统扩展所需的存储器、模数转换电路、输入输出电路以及有关的外围电路,然后选择所需芯片,设计出系统的电路原理图以及设计印刷电路板。
硬件设计不是孤立的,它是在总体方案引导下进行的。
3.1硬件总体设计及工作原理
本设计研究的可通信限时速切继电器欲采用单片机作为主控单元,控制其它外围电路来共同完成预想的功能。
由硬件设计思路可见,此可通信限时速切继电器的硬件电路主要包括以下几个部分:
单片机、监控存储电路、数据采集电路、键盘显示电路和上位机通信部分。
可通信限时速切继电器硬件设计原理框图如图3.1所示。
图3.1硬件设计原理框图
电流互感器作为一种专门用作变换电流的特种变压器,在正常工作条件下,其二次电流实质上与一次电流成正比,而且在连接方向正确时,二次电流对一次电流的相位差接近于零。
在测量仪表中常用的电流互感器二次额定标准电流值为5A或lA,因此,二次与其负载之间的连线可以用小截面的导线或控制电缆来实现。
电流互感器的一次绕组是直接与电力回路串联的,在运行的任何情况下,电流互感器二次绕组端子是不允许开路的,并且电流互感器的二次绕组回路必须有一点接地,以防止当一次和二次绕组击穿后在二次绕组出现高电压[31,32]。
主控单元决定选用典型单片机AT89C51之后,接下来就是完成外围电路的设计,包括监控存储电路;
完成模数转换和数据采集的单元;
实现人机对话的键盘显示部分以及与上位机通信单元。
3.2监控存储电路
现代单片机应用系统要求功能齐全、结构简单、价格低廉,并且在微机智能测控系统的设计中,断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电源电压监控功能等设计对系统稳定性的提高是不可缺少非常重要的一部分。
数据保护功能很显然,就是对系统所需的数据进行必要的保护,因为单片机的数据存储器(RAM)中存储的数据是断电消失的,不能永久保存;
电源电压监控功能是当供电电压出现异常时,能够给出报警指示信号或者中断请求信号[33]。
在设计监控复位电路时,最初通常是由RC阻容元件构成如图3.2所示,这种复位电路在系统普通的掉电和上电时,因此,对于我们设计的单片机应用系统来讲,我们选用RC阻容元件构成的监控复位电路。
图3.2RC复位电路
随着电子技术和半导体技术的飞速发展,一些半导体制造公司,如Xicor、Maxim、Dallas等著名生产厂家研制出性能优异的集看门狗定时、监控、存储功能于一身的芯片,当电源稳定并保持一定时间后,这种复位电路能够输出有效电平,当电源质量下降或有其他不良趋向时,它能够迅速产生可靠的复位信号,并且能保证系统的复位,使用这种监控存储电路能大大提高系统的稳定性。
此芯片的看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系统,它提供了三种定时时间,可通过编程选择200ms,600ms和1.4s,当系统故障时,或者在设定的时间内没有对X25045进行访问,则看门狗以RESET信号做出输出响应,即变为高电平,延时约200ms以后,RESET由高电平变为低电平;
此芯片也可以禁止定时。
3.2.1X25045芯片概述
如前所述芯片X25045能够独立实现下述功能:
看门狗定时器、上电掉电复位、电源电压监控。
芯片X25045的引脚排列如图3.2所示。
其中S0是推挽串行数据输出引脚,在读周期内,数据在引脚上移出,数据由串行时钟的下降沿同步输出;
SI为串行数据输入引脚,所有操作码、字节地址以写入存储器的数据在此引脚上输入,数据由串行时钟的上升沿锁存;
SCK是串形时钟发生端,它控制于数据输入和输出的串行总线定时;
CS为片选引脚,当它为高电平时,芯片X25045不能工作,S0输引脚处于高阻状态,除非内部写操作正在进行,否则它将处于等待电源方式,只有当此引脚为低电平时,芯片正常工作,而且在上电之后,任何操作开始之前均需要它从高电平至低电平的跳变为写保护脚,当它为低电平时,向x25045的非易失性写操作被禁止,但是器件的其他功能仍正常,当它为高电时所有功能正常;
RESET为复位端,高电平有效,漏极开路的输出端,用于电源检测和看门狗超时输出[34,35]。
3.2.2X25045与单片机接口电路
芯片X25045与微处理器的硬件接口电路非常简单,X25045的信号线可与单片机89C51的Pl口直接相连,只要用软件编程控制读写及选通即可,具
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