毕业设计(论文)-异步电机保护器设计(43页).doc
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1、-毕业设计(论文)-异步电机保护器设计-第 43 页摘要在运行过程中,电动机经常会因为使用不当,而导致一些问题,从而影响电机的正常使用,最后甚至会导致一些严重的问题。本系统以三相异步电动机为研究对象,系统阐述当电机发生故障时电压、电流的变化特性。得出了过电流与负载转矩之间的关联,以及电机起动的时间与负载转矩等关系曲线。以单片机AT89C51单片机设计为核心,设计集短路,过载,堵转,断相,三相不平衡,过电压于一体的电机保护器,并设计出了显示模块与良好的人机交互界面,用户可以从显示模块中得出故障的类型。关键词:三相异步电机,电机保护器,人机交互界面Abstract In the process o
2、f operation, the motor because of improper use, often lead to some problems, which affect the normal use of the motor, finally even lead to some serious problems. This system for three-phase asynchronous motor as the research object, the system in this paper, the failure occurs when the motor voltag
3、e, current changes in the feature. The over current is obtained and the link between the load torque, starting time and motor and load torque curve, etc. Designed with single chip microcomputer AT89C51 as the core, the design collection of short-circuit, overload, locked-rotor, open phase, three-pha
4、se imbalance, overvoltage, which integrates motor protector, and display module are designed with good man-machine interface, the user can be concluded that the type of fault from the display module.Key words:Asynchronous motor, motor protector, the human-computer interaction interface 目录1绪论41.1.引言5
5、1.2电机保护装置发展历史52异步电动机的故障的判断和保护器设计92.1负序电流分量检测102.2过载的检测和保护112.2.1过载保护继电器的主要故障模式112.2.2热继电器的检测试验112.2.3.电子式过载保护器的检测试验122.2.4.失效判据122.3三相不平衡的检测和保护122.3.1三相电压不平衡122.3.2负载过重142.3.3定子、转子经组故障152.4异步电机断相检测和保护152.5电动机故障特征判断依据分布表2.1163三相异步电机保护器模块化设计173.1工作原理图173.2模拟信号采集模块173.3 真有效值转换电路183.4 AD转换电路193.4.1 ADC0
6、808 的工作原理203.4.2 ADC0808 应用说明213.5 控制核心单片机的选用223.6液晶显示模块233.7继电器控制电路模块244总结251绪论1.1. 引言 三相异步电动机由于其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点,同时它的机械特性能满足大多数生产作业的要求,因此被广泛应用于电气、机械、冶金、石油、化工、汽车、船舶等行业。工厂在生产过程中,电机一旦发生故障,可能导致动力系统和电力系统服务中止,从而造成生产线的停工,甚至影响生产工艺的流程及作业人员生命安全;其次电机故障的维修和设备的更换也会带来较大的经济损失,因此电动机的在线故障诊断和实时保护显得尤为重要。在以往生产经
7、验中多采用熔断器及热继电器式的电机保护装置,经常出现拒动或误动跳闸等错误操作,且保护精度低、整定困难。随着生产工艺的发展对电动机保护可靠性的要求越来越高,熔断器及热继电器式的电机保护装置难以满足要求。所以为了满足现在的工业生产要求,需要重新设计电动机的保护装置,达到实时监控,准确判断故障,达到及时处理的目的,从而提高工业生产的生产效率,保障工作人员和设备的安全。1.2电机保护装置发展历史 我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展,给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台,使得电机保护进入了一个飞速发
8、展的阶段。(一)热继电器、熔断器和电磁式电流继电器:建国初期,我们引进了苏联的JR系列热继电器,从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯,直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品,它是利用双金属片热效应工作的,双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成,当电流通过时它将产生热量,并向膨胀系数小的一边弯曲,电流的大小和弯曲的程度成正比,当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会启动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器存在致命的缺陷,包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等,已无法满足越来越高
9、的要求,因而也就无法避免被淘汰的命运。很多人把熔断器作为电机的过载保护,其实这是一种不科学的做法。因为首先受其规格限制无法按电机额定电流进行准确设定,况且如果熔断器规格选得太小容易造成断路,使电机单相运行,如果熔断器规格选得太大,则达不到过载保护的效果。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能,有的还有缺相保护,其过载保护具有反时限特性,但其结构复杂,机械制造精度高,价格高且体积庞大,因而目前已被基本淘汰。(二)模拟电子式电动机保护器(电机保护器)在上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器(电机保护器),为电机的可靠运行提供了较
10、可靠的保障,其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会社的产品为代表,在国内市场具有一定影响,他们的产品品种多样,规格齐全,主要功能包括:缺相,过载,欠流,相失衡,相序,接地,短路,过欠压,电流显示,声光报警及变送输出等,但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷,包括如下几个方面:1.整定精度不高,模拟电子式电动机保护器(电机保护器)均采用电位器进行额定电流的整定,然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难,特别是在大批量生产中更是难以做到,另外,操作者的整定误差也是难以避免的,特别是对于那些没有设定值显示的产品。2.采样精度不高,模拟线路对电流互感器的非线性问题束
11、手无策,即使可以校正也会使线路变得非常复杂,甚至无法实际使用,因而大部分厂家只好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性,而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的,行内人士知道用于电动机保护器(电机保护器)采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7倍,因为电动机在堵转情况下会达到5-7倍的额定电流;另外,采样线路本身也存在非线性问题。3.无法实现具有多种保护功能于一体的全保护,随着社会的发展,人们对电机保护的要求也越来越高,希望电动机保护器(电机保护器)的功能多样化,性能可靠,接线简单,界面直观且体积要小,这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。
12、鉴于以上原因,纯粹模拟线路的电动机保护器(电机保护器)正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。(三)数字电子式电动机保护器(电机保护器)这类电动机保护器(电机保护器)主要以单片机作为控制器,可实现电机的智能化综合保护,有的还具有远程通讯功能,可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制,在采样和整定精度方面有质的飞跃,可对采样信号进行软件非线性校正,并可实现真有效值计算,从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响,真正实现了高精度采样,在整定方面采用数字设定,通过键盘由用户自行现场设定,不存在误差,还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集
13、多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能,例如,上海万谱最近研制成功的SWJ2系列电动机保护器(电机保护器)就具有远程通讯、声光报警、过载、堵转、短路、漏电、欠流、故障记忆等多种功能,它采用交流采样技术、多点线性校正技术、量程自动切换技术,使其在1A-100A或10A-1000A的测量范围内都能保持很高的采样精度,在国内外同类产品中处于领先地位。随着微电子技术的发展,电动机保护器(电机保护器)正朝着智能化,综合化,高精度,高可靠方向发展。目前的电动机保护器(电机保护器)普遍是根据电流的大小来决定是否需要保护,这显然没有考虑到环境因素对电机的影响。电机是否需要保护其根本的判断依据应该是电机绕组温
14、度是否超过其绝缘等级温度,在相同电流的情况下,对于环境温度高的电机其烧毁的可能性显然要大于环境低的电机,这就说明单纯通过电流的大小来判断电机是否需要保护并不是十分科学的,不能达到对电机在各种环境下的完全保护。基于这些原因,对电机绕组的温升特性实行数学建模,仿真出电机绕组的温度,从而决定电机是否需要保护将是一个必要的研究课题,值得庆幸的是已有这样的产品研制成功,例如:原南京爱通自动化研究所与宁波振华电器有限公司合作研制成功的MSG/D系列交流电机数字温度仿真监控装置,该系列产品将定子绕组作为研究对象,通过采样电流信号、电机外壳温度信号以及在线测量电机热力学参数,然后通过一个数学模型仿真计算出电机
15、定子绕组的温度,在实际应用中绕组温度仿真精度可达+3度,填补了国内外间接测量电机绕组温度产品的空白,具有开创性意义。另外还有一类采用直接测量电机绕组温度的温度型电动机保护器(电机保护器),该系列电动机保护器(电机保护器)是通过在绕组中埋入温度传感器而实现温度测量的,它具有温度测量准确,对频繁启动、通风不良、环温过高等情况下的电机都能可靠保护等优点。但这类电动机保护器(电机保护器)的使用前提是必须在电动机制造过程中将传感器装入电动机内部,因而对于现有的没装传感器的电动机就无能为力。2异步电动机的故障的判断和保护器设计2.1负序电流分量检测 负序电流的检测应设法消除正序和零序电流的影响,只输出与负
16、序电流成正比的电压。本文所用的负序电流检测电路如图2.2所示,主要由电抗互感器DKB和中间变流器LB组成。图2.1负序电流检测电路DKB的原边有两个匝数相同的绕组,分别加入电流IB、Ic,副边的开路的电压与所加的电流成正比,且相位超前电流90。负序电流是在系统出现不对称故障时,就会产生的,但是单相接地的时候,就目前的电力网来说,一般是星接,中性点接地,在其他发生单相接地的时候,其接地电流的矢量是均衡的、是对称的;所以不会出现负序电流,由于中心点直接接地了,电源中心点被强制为零,所以单相短路时,短路相电压变了,其余两相电压没有变。而由于短路电流能够流入电源中心点,所以不会影响其余两相的电流,因此
17、不出现负序电流但是电压是发生变化的。在接地故障时,系统如果不对称,就产生负序电流,短路点负序电压和电流最大,离故障点远,负序电压电流越小。图2.2负序电流检测向量图2.2过载的检测和保护 2.2.1过载保护继电器的主要故障模式(1)过载保护继电器发生拒动。(2) 过载保护继电器发生误动作(误动)。2.2.2热继电器的检测试验 热继电器是双金属片机械式电动机过载保护器,它在保护电动机过载方面具有反时限特性和结构简单的特点。在非频繁起动或起动间隙足以使热继电器完全冷却(热继电器温度等于环境温度)的使用场合,必须保证热继电器在电动机起动过程中不致误动作。如电动机为重载起动,起动时间为6s,起动电流在
18、7.25%e(e为电动机额定电流)应选脱扣级别为30级的热继电器,如错误地选用了10A级或10级的热继电器,在电动机起动过程中热继电器就会发生误动作。另外,电动机的使用条件与所拖动的机械性质有关,在热继电器选用中也应充分考虑,如对于不允许停车的机械所用的电动机,即便是牺牲电动机的寿命,亦不能让热继电器脱扣,在这种场合,只有使电动机严重过载烧损时,才允许热继电器脱扣,这种条件,一般按1.5e作为热继电器整定电流进行选取。热继电器的检测试验通常采用单相电源检测试验方法。室内温度设为25。2.2.3.电子式过载保护器的检测试验 对于电子式过载保护器须采用三相电源进行试验,才能得出正确的检测试验结果。
19、 2.2.4.失效判据 在检测试验中,当出现下列任意一种情况时,即认为该产品失效:(1)从冷态开始,通以1.05倍整定电流至热态时,试品已经动作,即发生误动。通以1.2倍整定电流时,试品在2h内不动作,或通以1.5倍整定电流时,试品在4min内不动作,即发生拒动。(2)试品动作后常开触头不能可靠闭合,常闭触头不能可靠打开,即认为该试品失效。综上所述,对于传统的热继电器,可各相串联,用单相电源进行试验;对于具有专用配套电流互感器的电子式过载保护器,必须用三相电源试验才能得到正确可信的试验数据。2.3三相不平衡的检测和保护2.3.1三相电压不平衡 如果三相电压不平衡,电动机内就有逆序电流和逆序磁场
20、存在,产生较大的逆序转矩,造成电动机三相电流分配不平衡,使某相绕组电流增大。当三相电压不平衡度达5时,可使电动机相电流超过正常值的20以上。三相电压不平衡主要表现在:(1)变压器三相绕组中某相发生异常,输送不对称电源电压。(2)输电线路长,导线截面大小不均,阻抗压降不同,造成各相电压不平衡。(3)动力、照明混合共用,其中单相负载多,如:家用电器、电炉、焊机等过于集中于某一相或某二相,造成各相用电负荷分布不均,使供电电压、电流不平衡。三相电源的三相相电压经过取样电路降压、峰值检波后,输出到双限比较器与基准电压进行比较。如图2所示,若三相相电压都在180260V之间(即t在0t1之间),比较器输出
21、低电平,输入或非门电路,或非门输出VO为高电平VOH,控制电路的推动级导通,继电器吸合,380V交流继电器KM锁定,三相电源给负载供电。当三相电源中有一相或几相相电压低于180V、高于260V(即t=t1)时,比较器输出高电平,输入或非门,或非门输出VO为低电平VOL,控制电路的推动级截止,继电器释放,380V交流继电器KM释放,控制电路自动切断负载的电源,同时发光二极管发光示警,实现三相不平衡保护;若三相电源有缺相,所缺相的相电压就低于180V,或者由于过载、供电电网引起三相电源中一相或几相低于180V,控制电路自动切断负载的电源,实现三相缺相过载保护。当三相电源恢复正常(即t=t2)时,或
22、非门自动恢复高电平(VO=VOH),控制电路自动接通负载的电源当三相的相电压都在180260V之间时,三相的比较器输出的都是低电平,或非门(IC5)输出高电平,控制电路接通负载的电源。当三相电源中有一相或几相相电压低于180V、高于260V,对应相的比较器输出高电平,或非门输出低电平,控制电路自动切断负载的电源,同时发光二极管发光示警。若三相电源有缺相,所缺相的相电压就低于180V,或者由于过载、供电电网引起一相或几相相电压低于180V,控制电路均自动切断负载的电源。 2.3.2负载过重电动机处于过载运行状态,尤其是起动时,电动机定、转子电流增大发热。时间略长,极易出现绕组电流不平衡现象。负载
23、过重主要表现在:(1)皮带、齿轮等传动机构过紧或过松。(2)联轴机件歪斜,传动机构有异物卡住。(3)润滑油干涩,轴承卡壳,机械锈死(其中包括电动机本身机械故障)。(4)电压过高或过低,使损耗增加。(5) 负载搭配不当,电动机额定功率小于实际负载。2.3.3定子、转子经组故障 定子绕组出现匝间短路、局部接地、断路等,都会引起走子绕组中某一相或其二根电流过大,使三相电流严重不平衡。走子、转子绕组故障表现在:(1)定于内膛有灰尘、杂物、硬性创伤,造成匝间短路。(2)定子绕组某相断路。(3)定子绕组受潮,有漏电流现象。(4)轴承、转子受损变形,转子与走子绕组相擦。(5)鼠笼式转子绕组断条焊裂,产生不稳
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