利用單片機和雙向可控硅設計智能開關及其保護裝置的實現(xiàn)

1、摘 要本論文研究了一種礦用智能開關及其綜合保護裝置的設計。提出了使用無觸點的可控硅代替常用的有觸點開關，介紹電動機保護的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，闡述了礦用電動機的故障特征，研究了礦用電動機的四種故障（過載、短路、斷相及漏電）及其保護原理。設計了以8051F020單片機為主控芯片的智能開關及其綜合保護裝置。具體進行了信號輸入電路、保護驅動電路、液晶顯示電路、可控硅開關控制電路、CPU系統(tǒng)主控電路的硬件設計。保護裝置實現(xiàn)了對漏電、斷路、過載和斷相故障的實時監(jiān)控和保護。本論文的重點是嘗試了使用可控硅作為開關，實現(xiàn)了電動機良好的啟動關斷特性，體現(xiàn)了一些有觸點開關不可比擬的優(yōu)點。然后進行了實驗工作的介紹。首先介

2、紹實驗接線調(diào)試步驟，接著針對過載、短路、斷相及漏電保護作了實驗檢驗并得出實驗結果，結果表明，此保護裝置的各項功能達到了預期目標。最后得出全文的結論，總結了使用可控硅開關的可行性，本保護裝置功能及特點。關鍵詞：可控硅，8051單片機，綜合保ABSTRACT In this paper, what is discussed is a design of intelligence switch and it comprehensive protection equip of mineral product. It put forward using the non-contact SCR inste

3、ad of the commonly used by a contact switch , Introduced domestic and foreign development tendency of electric motor protects, elaborated breakdown character of the mineral product electric motor, studied four kinds of breakdowns (Overload, Short-circuits, Breaks and Leakage) and the protection prin

4、ciple of mineral product electric motor.An intelligent switch and synthetic protective device, with the master chip of 8051F020 Single Chip micro-controller, is designed. The hardware of circuit, including circuits of inputting signal, protecting actuation, and LCD manifestation, switch controller,

5、and primary dominating CPU system, is designed. The protective device accomplished real-time monitor and protection on breakdowns of short-circuit, overload, breaks and leakage. This paper will focus on the use of SCR as an attempt to switch to achieve a good motor shutdown of the launch, reflected

6、a number of advantages compared with contacts switch. Then work of experiments is introduced. First, we introduce the paces of debugged work ofexperiments, then, examine experiments of protection of overload, short-circuits, breaks and leakage, and obtains results. Experiment results show that each

7、function of the protective device achieves the designed target.Finally, the conclusion is drought, the advantage of switch, function and character of the device is summarized, and the shortage of design is pointed out.KEY WORDS: silicon controlled rectifier，8051F020 single chip micro-controller，synt

8、hetic protective device目 錄1 緒論11.1 課題的研究背景11.2 智能開關及其保護裝置設計的目的及意義11.3 課題研究的主要內(nèi)容及主要工作22 智能開關原理及常見故障特征分析32.1 開關原理簡介32.1.1 開關現(xiàn)狀32.1.2 雙向可控硅交流開關32.2 電動機故障分類概述52.3 對稱分量法62.4 故障特征分析及保護判據(jù)82.4.1 漏電故障特征及保護原理82.4.2 短路故障特征分析及保護判據(jù)92.4.3 堵轉故障特征分析及保護判據(jù)102.4.4 斷相故障特征分析及保護判據(jù)102.4.5 過載故障特征分析及保護判據(jù)112.4.6 欠壓和過壓故障特征分析及

9、保護判據(jù)143 智能開關及其保護方案的設計173.1 開關及其控制回路的設計方案173.2 漏電保護的方案173.3 過電流保護方案193.3.1短路保護設計方案203.3.2過載保護方案203.4 斷相保護方案223.5 欠壓和過壓保護方案224 系統(tǒng)硬件設計244.1 智能開關及其保護裝置硬件系統(tǒng)組成244.2 信號輸入電路設計244.2.1 電路結構分析244.2.2主要元器件介紹274.2.3 硬件電路設計274.2.4 小結304.3 CPU主系統(tǒng)設計304.3.1 電路結構分析304.3.2 主要元器件介紹314.3.3 硬件電路設計324.3.4 小結334.4 顯示電路的設計3

10、34.4.1 電路結構分析334.4.2 主要元器件介紹344.4.3 硬件電路設計344.4.4 小結344.5 開關控制電路的設計354.5.1 電路結構分析354.5.2 主要元器件介紹354.5.3 硬件電路設計364.5.4 小結375 實驗385.1 實驗調(diào)試385.2 實驗檢驗385.2.1開關檢測實驗385.2.2開關綜合保護實驗385.3小結396 結論41致 謝42參考文獻43附錄 44附錄 B451 緒論1.1 課題的研究背景煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大（達 90%以上），有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別，這就對煤礦電器有特殊要求，如

11、體積要小，易于搬運，堅固、耐擠，耐砸，防潮防水濺，防爆1。在用電安全與控制方面，如漏電保護、保護接地、過流保護，就地、遠方控制等同其它電器均有不同的要求。研究礦用電器帶有明顯的行業(yè)特色。針對煤礦電器的特殊性，近年來我國先后完成了國家“七五”科技攻關項目“礦井高低壓電網(wǎng)三級漏電保護系統(tǒng)及裝置的研究”、“快速斷電煤電鉆變壓器綜合保護裝置”，煤炭部項目“礦用隔爆型自適應無功補償與綜合控制裝置”，橫向項目“礦用局扇節(jié)能型瓦斯自動排放裝置研究”等，并且投入使用后保護效果顯著2。近年來，我國的電力部門引進了不少國外的智能化電器設備，但是，適合于我國煤礦井下特殊環(huán)境的智能化電器設備的研究工作尚未進行，智能化

12、電器設備的研制成功和推廣應用，將使我國煤礦電網(wǎng)真正實現(xiàn)自動化，推動煤礦電器設備的更新?lián)Q代。礦用智能化電器的關鍵是在防爆技術的基礎上，以微電腦為核心的控制與綜合保護器，本課題進行的就是智能開關及其綜合保護裝置的設計與研究工作。1.2 智能開關及其保護裝置設計的目的及意義目前，我國煤礦井下使用的煤電鉆均使用有觸點開關控制，它存在著重量達、體積大、造價高、開關壽命短、操作不方便等缺點。因此研究一種新型控制開關以取代老式控制器是很有意義的。近幾年，隨著半導體技術的發(fā)展，大功率雙向可控硅不斷涌現(xiàn)，并廣泛應用在變流、變頻領域，可控硅應用技術日益成熟。傳統(tǒng)的控制電路中交流接觸器的主要作用是充當控制開關，雙向

13、可控硅可以雙向導通并具有良好的開關特性，是目前較理想的交流開關器件4。用雙向可控硅替代交流接觸器有不少優(yōu)點：(1)雙向可控硅為無觸點式開關，無火花、壽命長、體積小、無噪音；(2)接觸器工作時，其控制回路需要消耗一定的電能，而可控硅為弱電控制，控制回路耗電微乎其微；(3)接觸器控制電路中，操作者接觸的器件電壓都較高，不安全，而雙向可控硅控制電路中操作者只接觸515 V的直流低壓電源，非常安全；(4)雙向可控硅為弱電控制強電,弱電電路更新方便，較容易設計出滿足各種要求的控制電路。隨著煤礦技術的不斷發(fā)展，煤礦機械化、現(xiàn)代化程度不斷提高，井下電器設備的使用量越來越大，對電氣設備的保護要求與來越高。煤礦

14、井下大量使用中小型低壓交流電動機，與其配套使用的隔離磁力啟動器經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展，長期以來一直使用熔斷器和熱繼電器兩種保護3。由于保護的可靠性極差，已陸續(xù)淘汰。后來研制并推廣使用的單片機綜合保護器，在保護功能上有了較大發(fā)展，除了過載、斷路保護外，還增加了短相和漏電閉鎖保護，但它大部分采用分立元件和傳統(tǒng)保護原理，可靠性和穩(wěn)定性仍然較差，加之元件質(zhì)量不過關、維修人員素質(zhì)低，井下環(huán)境惡劣和過負荷運行等因素，使得井下電動機的燒損仍然比較嚴重。單片機綜合開關保護器，在以上兩種保護基礎上，技術更加先進、功能更加齊全、保護更加可靠。同時，由于井下環(huán)境惡劣，加之操作人員維護不當或操作錯誤，輸電線路的斷裂等原

15、因，經(jīng)常會出現(xiàn)漏電或單相接地故障，若故障不及時排除，長期運行將會導致三相或兩相短路。單相接地、相間短路產(chǎn)生的電弧能量會引起瓦斯、煤層爆炸，直接危及人生安全和煤礦生產(chǎn)。為避免事故發(fā)生，保障人身安全，研究新型開關及綜合保護裝置具有重要的現(xiàn)實意義和重大的經(jīng)濟價值。1.3 課題研究的主要內(nèi)容及主要工作本課題所研究的是針對煤礦設計的一種微機智能開關綜合保護裝置。其核心是利用可控硅作為開關，使用單片機對其狀態(tài)進行控制。具體完成了系統(tǒng)裝置的硬件及軟件設計，進行了基本的實驗調(diào)試并對裝置所能完成的功能進行了實驗檢驗。開篇首先介紹了本課題研究的目的和意義，開關綜合保護的發(fā)展現(xiàn)狀以及課題的理論依據(jù)。在下面的內(nèi)容中將

16、討論礦用電動機的故障特征及其保護原理。簡要介紹了系統(tǒng)的設計方案。詳細介紹了保護裝置的硬件結構設計，最后介紹了本裝置的實驗調(diào)試過程及故障保護的實驗檢驗過程，最后對本論文做了總結。2 智能開關原理及常見故障特征分析2.1 開關原理簡介2.1.1 開關現(xiàn)狀 就目前而言, 煤礦中對三相交流電動機施行開關自動控制, 主要還是采用交流接觸器、繼電器等觸點電器。由于觸點電器一般都是通過電磁銜鐵在電磁力作用下的機械運動來實現(xiàn)電路通斷的, 所以在電器通斷的瞬間, 不可避免地要出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。某些電動機通常是帶負荷起動的。如: 鼓風機等, 在起動的瞬間, 電流往往要超過電動機額定電流的七以上, 所以一些大功率的電動

17、機, 在通斷電路時, 拉弧就更為嚴重。因此這種現(xiàn)象使觸點電器的適用范圍受到工作環(huán)境的限制, 特別是對頻繁起動的電動機。由于頻繁通斷電路, 久而久之觸點就會產(chǎn)生灼傷, 嚴重時使觸點粘連, 影響觸點電器的使用壽命和電動機的工作可靠性。如果應用雙向可控硅開關取代交流接觸器對三相異步電動機實行無觸點控制, 能較好地克服觸點電器的不足, 其性能具有以下優(yōu)點: 1、無拉弧現(xiàn)象,不會因弧光短路而發(fā)生火光, 有利于安全生產(chǎn)。2、不需要觸點電器的電磁線圈, 可以極大地降低電耗,節(jié)約能源。3、靈敏度高, 運行可靠, 可以頻繁起動,可降低電動機由于開關故障造成的損失, 提高經(jīng)濟效益。4、有利于交流電動機的控制電子化

18、, 提高運行可靠程度。5、不需要觸點接通電路, 可以為國家節(jié)約大量制造觸點的貴重金屬。2.1.2 雙向可控硅交流開關雙向可控硅可看作為“雙向閘流管”，因為它能雙向導通。對標準的雙向可控硅，電流能沿任一方向在主端子 MT1 和 MT2 間流動，用 MT1 和門極端子間的微小信號電流觸發(fā)。如圖2-1所示gMT2MT1 圖2-1 雙向可控硅（1）導通和閘流管不同，雙向可控硅可以用門極和 MT1 間的正向或負向電流觸發(fā)。（VGT，IGT 和 IL 的選擇原則和閘流管相同，）因而能在四個“象限”觸發(fā)，如圖 2-2 所示：圖4-5 雙向可控硅觸發(fā)象限G+G+G-G-MT2-MT2-MT1+MT1+MT1+

19、MT1+MT2+MT2+ 圖4-6 雙向可控硅V/I特性曲線在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發(fā)，優(yōu)先采用負的門極電流，理由如下。若運行在 3+象限，由于雙向可控硅的內(nèi)部結構，門極離主載流區(qū)域較遠，導致下列后果：1 高 IGT - 需要高峰值 IG；2由 IG 觸發(fā)到負載電流開始流動，兩者之間遲后時間較長 要求 IG維持較長時間；3低得多的 dIT/dt 承受能力 若控制負載具有高dI/dt 值，門極可能發(fā)生強烈退化；4高 IL 值（1-工況亦如此）對于很小的負載，若在電源半周起始點導通，可能需要較長時間的IG，才能讓負載電流達到較高的 IL。在標準的 AC 相位控制電路中，如燈具調(diào)光器

20、和家用電器轉速控制，門極和 MT2 的極性始終不變。這表明，工況總是在 1+和 3-象限，這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同。這導致對稱的雙向可控硅切換，門極此時最靈敏。說明：以 1+，1-，3- 和 3+標志四個觸發(fā)象限，完全是為了簡便，例如用 1+取代“MT2+，G+”等等。這是從雙向可控硅的 V/I 特性圖導出的代號。正的 MT2相應正電流進入 MT2，相反也是（見圖 4-6）。實際上，工況只能存在 1 和 3 象限中。上標+和-分別表示門極輸入或輸出電流。（2）斷開要斷開閘流管的電流，需把負載電流降到維持電流 IH之下，并歷經(jīng)必要時間，讓所有的載流子撤出結。在直流電路中可用“強迫換向”，而在

21、交流電路中則在導通半周終點實現(xiàn)。（負載電路使負載電流降到零，導致閘流管斷開，稱作強迫換向。）然后，閘流管將回復至完全截止的狀態(tài)。假如負載電流不能維持在 IH之下足夠長的時間，在陽極和陰極之間電壓再度上升之前，閘流管不能回復至完全截止的狀態(tài)。它可能在沒有外部門極電流作用的情況下，回到導通狀態(tài)注意，IH 亦在室溫下定義，和 IL 一樣，溫度高其值減小。所以，為保證成功的切換，電路應充許有足夠時間，讓負載電流降到 IH 之下，并考慮可能遇到的最高運行溫度。由于雙向可控硅用于交流電路，自然在負載電流每個半周的終點斷開，除非門極電流設置為后半周起點導通。（3）雙向可控硅的安裝方法對負載小，或電流持續(xù)時間

22、短（小于 1 秒鐘）的雙向可控硅，可在自由空間工作。但大部分情況下，需要安裝在散熱器或散熱的支架上。雙向可控硅固定到散熱器的主要方法有三種，夾子壓接、螺栓固定和鉚接。前二種方法的安裝工具很容易取得。很多場合下，鉚接不是一種推薦的方2.2 電動機故障分類概述由于礦井下環(huán)境惡劣，電動機在運行中可能發(fā)生的故障是多種多樣的，它與設計和制造質(zhì)量、使用條件、工作方式以及使用維護等因素密切相關，故障原因也比較復雜。三相異步電動機的常見故障可分為對稱故障與不對稱故障兩大類。對稱故障有對稱過載、堵轉、三相短路等，它的主要特征是三相仍基本對稱，但電流幅值增大，對電動機的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應。因此，

23、對稱故障可以由電流過流程度來反映。不對稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡等。這是電動機運行中常見的一類故障。這類故障對電動機的損害主要是負序電流引起的負序效應，可能造成電動機端部發(fā)熱、轉子振動及起動力矩降低等一系列問題，如果有過電流出現(xiàn)，還會使繞組發(fā)熱。此類故障明顯特征是電動機定子電流出現(xiàn)負序電流和零序電流。根據(jù)對稱分量原理，當三相異步電動機發(fā)生不對稱故障時，其定子電流可以分解為正序、負序和零序分量，其中負序和零序電流在電動機正常運行時沒有或很小，一旦出現(xiàn)必然表示出現(xiàn)了故障7。因此利用電流中的負序和零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性，再加之反應對稱故障的檢測電

24、流幅值的方法，就可以構成能涵蓋三相異步電動機在各種運行環(huán)境下所有類型的故障診斷與保護。2.3 對稱分量法分析三相異步電動機不對稱故障的常用工具是對稱分量法。應用對稱分量法分析三相異步電動機不對稱運行問題時，可使計算簡化。所謂對稱應滿足下列條件：( 1 ) 各相量的幅值必須相等; ( 2 )相鄰兩相量之間的相位差必須相等, 其相角，其中m為相數(shù)，k為整數(shù)。在三相系統(tǒng)中，任一組不對稱電壓或電流相量都可以按一定的方法分解為零序、正序和負序三組對稱分量；反之，三組零序、正序和負序對稱分量疊加，可得一組不對稱的向量。下面以電流為例加以說明。 圖2- 1 三相不對稱相量及其各對稱分量 (a)零序分量; (

25、b)正序分量; (c)負序分量; (d)合成不對稱相量 （1）零序分量、（取k=0，則）。零序分量如圖2-1(a)所示，它們是同相位的，即 = （2-1）（2）正序對稱分量、（取k=1，）。正序分量如圖2-1(b)所示，它們的相位關系有 = = （2-2）式中運算符號=cos+jsin。（3）負序對稱分量、（取k，）。負序分量如圖2-1(c)所是示，它們的相位關系有 = = （2-3）將這對稱分量疊加，可得一組不對稱相量、如圖2-1 (d )所示，并有如下關系=+ =+ （2-4） =+根據(jù)式(2-4 )由一組不對稱相量、可求得各組對稱分量 =(+)=(+) （2-5）=(+) = = （2-

26、6） = = = （2-7） = 可以證明，三相異步電動機負載對稱且正常運行時，負序電流基本為零。當電動機出現(xiàn)不對稱故障時會出現(xiàn)負序電流，因此可以通過檢測不對稱電流計算出正序、負序、零序電流。通過負序電流來反映斷相等不平衡故障。2.4 故障特征分析及保護判據(jù)2.4.1 漏電故障特征及保護原理煤礦井下供電系統(tǒng)采用中性點絕緣的低壓供電系統(tǒng),若發(fā)生單相或兩相漏電故障,則流入地中的電流只能通過電網(wǎng)三相對地電容和對地絕緣電阻而與變壓器中性點構成回路。由于供電系統(tǒng)對地阻抗很高,故流入大地的電流也常不足1A,所以過流保護裝置不動作,必須設計單獨的漏電保護裝置。1煤電鉆供電系統(tǒng)漏電故障的理論分析煤電鉆供電單元

27、發(fā)生單相漏電時的電路如圖2-2所示。變壓器B中性點不接地, Rg為a相漏電的過渡電阻,其變化范圍為011 k,ra=rb=rc=r為各相對地絕緣電阻, Ca=Cb=Cc=C為各相對地電容。對于漏電回路,變壓器、線路及大地對地 BUgaUcUaUgcUgb3I0RgU0IgbCaCcCbrcrbra 圖2-2 單相漏電電路電容。對于漏電回路,變壓器、線路及大地的阻抗均為歐姆數(shù)量級及以下,遠小于絕緣電阻r和容抗 ( =1/2fC,其中f是工作頻率,一般f=50 Hz)。應用對稱分量法得故障相的漏電電流為Iga= （2-8）式中Ua單相電壓; Z0零序阻抗, Z0=。故障相的對地電壓為Uga=Iga

28、Rg= （2-9）設電鉆電網(wǎng)每相對地電容C=05F,每相對地電阻r=35 k,人體電阻Rr=1 k,電網(wǎng)線電壓為380V,根據(jù)式(1)可以算出此時的人身觸電電流為35 mA,其值大于人體安全電流30mA,這表明,因此必須設置觸電保護。兩相漏電的電氣簡圖如圖2-3所示。圖中在g處有a、b兩相分別經(jīng)過渡電阻Rg接地,在煤電鉆供電系統(tǒng)中,這種漏電故障發(fā)生的概率較低,約占漏電故障總數(shù)的5%左右。 圖2-3 兩相漏電故障當兩相漏電過渡電阻Rg0時,電網(wǎng)就發(fā)生兩相接地短路,成為短路加漏電的復合型故障。當單相漏電過渡電阻Rg0時,由于系統(tǒng)中性點絕緣,雖被稱之為單相接地短路,卻完全不屬于短路的范圍,只是一種最

29、嚴重的漏電故障，在實際的煤電鉆供電系統(tǒng)中,即使故障Rg=0時，接地電流也不大于1 A,故常稱為單相接地。在工程實際中，煤電鉆供電系統(tǒng)發(fā)生兩相漏電故障的概率遠不如單相漏電高,單相漏電故障占故障漏電總數(shù)的85%左右,而且有相當一部分單相漏電故障若不及時切除，將發(fā)展成更嚴重的短路故障，所以單相漏電故障是煤電鉆供電系統(tǒng)漏電故障的主流。2漏電保護的判據(jù)可以通過檢測線路的漏電電流的大小，就可以判斷出線路的絕緣狀況以及是否有漏電，從而對系統(tǒng)的運行進形控制。（具體方法見第3章漏電保護設計方案）2.4.2 短路故障特征分析及保護判據(jù)電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，危害性很大。短路故障包括定子繞組的相間短路

30、和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網(wǎng)絡的電壓顯著下降，影響其它用電設備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接。此時，負載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞。電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應進行速斷保護。短路保護的整定值應大于電動機最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機額定電流的8-10倍。在進行短路保護時，通過檢測電

31、動機A，B,C三相線電流來實現(xiàn)，超過整定值后，直接進行斷電保護。設為檢測到電動機三相電流,的最大值，即= max(,)短路保護的原則是，當在一定時限內(nèi)檢測到= k(為短路過流倍數(shù)，一般取810，為電動機額定線電流)時，就認為電動機有短路故障，應進行速斷保護。2.4.3 堵轉故障特征分析及保護判據(jù)電動機因機械原因、負荷過大等轉子被卡死或低速運轉而進入堵轉狀態(tài)時，會成過熱而燒壞。電動機堵轉是最輕的對稱短路故障，也是最嚴重的過載故障。堵轉電流一般可以達到電動機額定電流的4-7倍，這么高的故障電流極易把電動機燒損。因此在檢測到電動機處于堵轉故障時，保護系統(tǒng)應及時動作，保證電動機不因堵轉而燒壞。堵轉保護

32、信號可取自于電動機線電流，當線電流超過堵轉電流整定值，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。堵轉保護的電流整定值一般可取電動機的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的4-7倍。由于電動機起動電流也能達到額定電流的一倍，為區(qū)分電動機的堵轉故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，一般采用躲過電動機起動時間（816秒）的方法來實現(xiàn)。從而可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。2.4.4 斷相故障特征分析及保護判據(jù)電動機斷相故障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。電動機對稱運行時，其轉軸所受到的轉矩平穩(wěn)，沒有振動。當電動機繞組斷相，啟動電動機時就會有嗡嗡聲而不能

33、啟動。根據(jù)對稱分量法，電動機斷相運行時的三相不對稱電流可分解為正序、負序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉矩，負序電流產(chǎn)生反向制動轉矩，零序電流增加損耗。帶動同樣負載的正向轉矩要克服負載轉矩和由負序電流產(chǎn)生的反向制動轉矩，因此電動機負擔加重，電流劇增，引起損耗增加，導致電動機燒損。根據(jù)電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表21序號斷相示意圖 啟動情況 滿載情況斷相類型序號 Ia=0Ib=Ic=1073IeIa=0Ib=Ic=0.886Is 電動機星形接法斷一相 1 Ia=0Ib=Ic=1073IeIa=0Ib=Ic=0.886Is 電動機三角形形接法斷一相 2注：Is 電動機正常

34、啟動電流；Ia、Ib、Ic 電動機線電流；Ie 電動機額定線電流由表21分析可以看出，電動機斷相故障主要有兩類情況:當電動機繞組以形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零;對于形連接的電動機，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零。根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。對于這兩種情況可以通過在一定時限內(nèi)檢測電動機線電流是否為零的方法來實現(xiàn)，即對某相電流一個周波內(nèi)連續(xù)采樣n點的瞬時值均為零，或通過計算某相電流的有效值為零，則為斷相故障。2.4.5 過載故障特征分析及保護判據(jù)電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行

35、中因負荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點是電動機的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機長時間過載運行會引起電動機繞組過熱而燒損。電動機過載運行主要由以下幾種原因造成：(l)負荷增加；(2)機械設備故障或未安裝好；(3)電動機本身機械故障；(4)電動機容量選擇偏?。?5)電動機修理時繞組線徑選擇偏小；(6)雙機拖動負荷分配不均；(7)電動機端電壓過低a電動機的溫升特性電動機定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機溫升特性的數(shù)學模型是推導電動機容許過載特性數(shù)學模型的基礎性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點。電動機在運行過程中能量損耗主要有

36、銅損、鐵損和機械損耗，它們會轉變?yōu)闊崃?，一部分通過機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加熱電動機，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。電動機是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復雜。但實際測定表明，電動機的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動機定子繞組過負荷運行時的熱平衡微分方程為： = (-)=+ （2-10）式中： Q 定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量(w)；I 電動機過載狀態(tài)下的定子電流(A)；Ie 電動機額定定子電流(A

37、)； R 電動機定子繞組電阻(Q)；C 定子物體材料的比熱，即使1kg物體溫度升高1所需的熱量（J/Kg. ）； 散熱系數(shù)，即每平方米表面、每度溫差、每秒時間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W/.)；S 散熱表面積()； 定子繞組溫升()。式(2-10)左邊是在時間間隔dt中，定子繞組由于過負荷而發(fā)出的熱量Qdt。右邊CG是電動機溫度升高度所吸收的熱量，是dt時間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。式(2-10)為一階線性微分方程，其通解為 （2-11）式中A一待定常數(shù)，由初始條件確定，即認為負荷不變化時，定子繞組溫度與圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式(2-11)得出待定常數(shù)A為將A代入式(2-1

38、1)可得 （2-12）這就是異步電動機的溫升數(shù)學模型，其特性曲線如圖2-4所示。圖2-4 電動機過負荷運行時溫升特性曲線電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋:當時間t=0時，電動機的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導，這時電動機產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。隨著電動機溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達到穩(wěn)定溫升。b電動機反時限特性對式(2-12)中的指數(shù)項進行泰勒級數(shù)展開，取前兩項可得 （2-13）將式(2-1

39、3)代入式(2-12)并整理可得 （2-14）式中：稱為電動機的過載倍數(shù) 為一常數(shù)，若電動機的最大容許溫升為，則式(2-14)為 （2-15）式(2-15)反應了電動機過載倍數(shù)p與電動機容許過載時間t的關系，即t=f()，我們把這種關系稱為電動機的容許過載特性，如圖2-3曲線l所示。從圖中可以看出，電動機過載倍數(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。 圖2-5 電動機過載保護特性曲線1 電動機容許過載特性; 2 定時限過載保護特性3 階段式定時限過載保護特性; 4 反時限過載保護特性 電動機在設計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短時過載能力。其實在實際生產(chǎn)中，電動機負載往

40、往會有一定的波動，這也要求電動機具有一定的過載能力，不會因短時過載而停機，影響正常生產(chǎn)。電動機過載保護動作時間t與過載倍數(shù)p的關系稱為電動機過載保護特性。設計過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護也就失去意義了。圖2-5中可以看出，定時限過載保護和階段式定時限過載保護都不能像反時限過載保護特性那樣充分利用電動機的過載能力，因此在設計過載保護特性時應具有優(yōu)良的反時限特性。2.4.6 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據(jù)根據(jù)三相異步電動機的電磁轉矩公式 （2-16）式中：T 電磁轉矩K常數(shù)U1定子電壓電動機轉子電阻和

41、啟動感抗s 轉差率電動機的電磁轉矩與電網(wǎng)供電電壓有關。當電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁矩相應發(fā)生變化，進而影響到定子電流的變化，從而影響到電動機正常運行。1欠壓保護在電動機負載和轉子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉矩下降，電動機轉速下降，旋轉磁場對轉子的相對轉速增大，磁通切割轉子導條的速度增大，因此轉子繞組中感應出的電動勢和產(chǎn)生的轉子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉子電流增大，定子電流必然相應增大，溫升增高。如果電動機長時間在低電壓工作會使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉。低電壓也會使電動機起動轉矩下降，當電壓降低到能使起動轉矩小于負載轉矩時，電動機就無法啟動。電動機要不要

42、裝設欠壓保護有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復需要自動起動的重要電動機，不裝設低壓保護。下列電動機一般需裝設欠壓保護：（1）當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復時，為保證重要電動機自啟動而需要斷開的次要電動機；(2)電源電壓短時降低或短時中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動機；(3)需要自啟動，但為保證人身和設備的安全，在電源電壓長時間消失后，需從電網(wǎng)中自動斷開的電動機。欠壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。2過壓保護 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的

43、，如對于負載星形連接且無中性線的電動機，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負載的電壓增大。電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，進而縮短電動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。過壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。3 智能開關及其保護方案的設計3.1 開關及其控制回路的設計方案隨著半導體技術的飛速發(fā)展，大功率可控硅不斷涌現(xiàn)，且技術已日趨成熟。.傳統(tǒng)的控制電路中交流接觸器的主要作用是充當控制開關，雙向可控硅可以雙向導通并具有良好的開關特性，是目前較理想的交流開關器件5。用雙向可控硅替代交流接觸器有不少優(yōu)：

44、:(1)雙向可控硅為無觸點式開關，無火花、壽命長、體積小、無噪音；(2)接觸器工作時，其控制回路需要消耗一定的電能，而可控硅為弱電控制，控制回路耗電微乎其微；(3)接觸器控制電路中，操作者接觸的器件電壓都較高，不安全，而雙向可控硅控制電路中操作者只接觸515 V的直流低壓電源，非常安全；(4)雙向可控硅為弱電控制強電，弱電電路更新方便，較容易設計出滿足各種要求的控制電路。因此本設計中開關主電路使用雙響可控硅，其工作狀態(tài)由單片機控制。設計方案如下9100.2f22VinRin1k654321負載380VacMOC3081 圖3-1 開關控制電路圖如圖所示，正常情況下將可控硅串聯(lián)在380v交流回路

45、中作為啟動負載的開關，在可控硅上并聯(lián)電阻和電容是為了保護其不被擊穿。當輸入端有電壓Vin輸入時，若能保證輸入電壓滿足15mA，則3081內(nèi)部動作，第4拐角有電流輸出，此電流可以作為可控硅的門極觸發(fā)電流，此時可控硅導通，負載得電。由于是雙響可控硅，因此可以在交流的正負半周期連續(xù)向負載供電。3.2 漏電保護的方案漏電保護包括2部分(見圖3-2)：送電前的保護稱為漏電閉鎖，即合上煤電鉆手柄開關K時，首先通過漏電閉鎖檢測電路檢測漏電狀況，然后由單片機發(fā)送(或者不發(fā))供電指令；工作時的保護稱為漏電保護。當單片機發(fā)送了供電指令后,煤電鉆得電，同時繼電器J得電,漏電閉鎖電路斷開，漏電檢測的任務由漏電保護電路

46、完成。CJCJR3R4R5R2R1DD+15v圖漏電保護電路圖（1）漏電閉鎖漏電閉鎖利用+15 V電源作為直流檢測電源,其檢測回路為:+15 VD1CJ1a相D2R1J1(常閉)R20。當閉合煤電鉆手柄開關K時,電纜對地絕緣電阻與R3串聯(lián)后,并入檢測電路中,因此從R2上取出的檢測電壓可以反映絕緣狀況。檢測電壓經(jīng)A/D轉換送入單片機進行信號處理。如果絕緣電阻7 k,則檢測電壓整定值,單片機發(fā)出指令,使繼電器無法得電,并且利用軟件置位故障標志位,實行閉鎖。只有重新拉、合一次電源總開關,使單片機重新初始化,故障標志位復位后,方能解除閉鎖。若絕緣正常，則R2上的壓降為： V式中0.7V為二極管的壓降。

47、將檢測導的電壓輸入單片機進行判斷，可將比較值設定的大于此電壓值，故；漏電閉鎖不動作。若在電網(wǎng)對地總絕緣電阻Rg7k時閉合2QS,則對地電阻Rg與R3將與R1及R2構成串并聯(lián)電路,如圖2所示。此時因三相手把開關2QS閉合,故R1的左端在直流電路中是并聯(lián)關系,并與Rg左端相連接。+15vR3RgR2R1 圖3 漏電閉鎖檢測回路則R2上的壓降為： V此時檢測到的電壓將大于設定的漏電閉鎖整定值，單片機經(jīng)過判斷后，發(fā)出信號使系統(tǒng)閉鎖。（2）漏電保護漏電保護取樣電路采用零序濾序器,由取樣電容、整流橋和取樣電阻組成。當發(fā)生漏電時,將形成如下的漏電檢測電路:電網(wǎng)取樣電容整流橋取樣電阻R4、R5大地漏電電阻電網(wǎng)

48、。為避免進入A/D轉換器的檢測電壓過大,取樣電阻由R4和R5串聯(lián)組成,從R5上取出檢測電壓送入A/D轉換器。3.3 過電流保護方案由于礦井下環(huán)境比較惡劣，電動機在運行過程中很可能會出現(xiàn)各種故障，尤其像短路這樣的故障對電機的損害是極大的，因此對電流的檢測是必要的，通過對電流的采集，并與正常情況下的額定值比較，可以在電機出現(xiàn)過流時有效地切斷電源，保護設備不被損壞。電流采集電路如下iTAU0UrefVccC1R6R5R4R3R2R4 圖3-3 交流電流采集電路圖由于電流采集要考慮非正常運行時的短路電流，其值大約為幾百安培，因此電流采集需要兩極電流互感器，上圖中，i為一次電流互感器的二次側電流，TA是

49、一個變比為2000/1的電流互感器，R2=R3=R4=R5，可知交電流i經(jīng)過電流互感器在二次側形成一個較小的電流信號，此電流信號經(jīng)過電阻r4將電流轉換為電壓并送往減法器，最后在末端形成所需的模擬電壓，其計算如下 3.3.1短路保護設計方案 當系統(tǒng)發(fā)生短路時，將會產(chǎn)生很大的短路電流，大約為額定電流的8倍以上，會在出現(xiàn)故障的瞬間產(chǎn)生巨大的能量，后果是非常嚴重的。因此，對短路故障的保護應該馬上動作，越快越好。通過將電流采集回路采集的電壓信號送入單片機的AOC模塊，在單片機內(nèi)部進行A/D轉換后進行算術運算，算術運算的結果與整定值比較后，根據(jù)預設定的保護特性確定單片機的輸出狀態(tài)，直接驅動開關回路的執(zhí)行機

50、構，即當 Ic8I n時單片機停止對開關控制回路輸出信號，可控硅截止，電動機失電。3.3.2過載保護方案1過載保護原則由于各種原因（機械設備故障，電動機功率選擇偏小，雙機拖動負荷分配 不均，電網(wǎng)電壓過低造成電動機電流過大等），電動機電流將超過其額定值，如果電流增大的數(shù)值不多而且持續(xù)時間不長，并在電動機允許范圍內(nèi)，對電動機尚不至于引起損壞，但是超出過多而且時間較長，就將損傷電動機絕緣甚至燒毀電動機。故電動機過載是指工作中的電動機電流超過額定電流值一定范圍而言，工作電流增加，銅損增加，發(fā)熱量增加，導致電動機的最終溫升超過電動機的最高承受能力。對電動機的過載保護又稱熱保護。為了防止因電動機過載而造成

51、損壞，必須采取過載保護措施。礦用電動機因過載燒毀占總燒毀數(shù)的 67.8%，因此過載保護是衡量保護裝置性能的重要指標，過載保護既要充分利用電動機的過載能力，又要避免過熱使絕緣破壞而損壞電動機。2過載保護方法電動機過載保護方法有定時限、分段定時限和反時限幾種方法。定時限方法是指固定動作時間過載保護，不管過載電流發(fā)生變化與否，只要過載就延長到一定時間后動作。這種保護方法的致命缺點就是不能根據(jù)電動機工作的實際情況進行調(diào)整。分段式定時限雖然稍好些，但還沒有從本質(zhì)上解決定時限保護的缺點，相比之下反時限保護較好。反時限工作原理是當電動機實際運行電流大于設定電流時，故障因子開始累加，過載倍數(shù)（電動機實際運行電

52、流最大一相值與設定電流值的比值也稱額定電流倍數(shù)）越大，累加越快，保護器動作時間越短；反之，在尚未到達保護器動作時限之前，一旦故障解除，故障因子立即遞減，直至為零。當過載倍數(shù)大于 8 時，保護器判斷為短路。過載反時限保護特性和電動機容許過載特性配合緊密，使保護特性在最大范圍內(nèi)保護電動機。電動機多次重復短時間過載，若每次過載時間均小于容許過載時間，則保護裝置可能不動作，但電動機由于熱積累而可能燒損。因此從原則上講，保護線路應具有模擬和記憶電機熱積累的功能，才能保護電動機。3動作時間計算按國標JB3905要求，電動機過載保護應滿足表3-1的要求。實際上，表3-1規(guī)定的范圍很寬，在這個范圍內(nèi)還應該包括很多條保護曲線，以滿足不同電動機的要求。 表3-1 電動機過載保護性能指標下式可以計算出不同過載電流下保護的動作時間 式中：、為常數(shù)；k為電流過載倍數(shù)，k=I/In。調(diào)節(jié)、，可使保護特性在一定的范圍內(nèi)變化，適應不同保護特性的要求。3.4 斷相保護方案 斷相保護的一般方法是引出不對稱信號，由鑒幅電路進行鑒幅，超過一定門檻后，經(jīng)過數(shù)秒鐘到數(shù)十秒的固定短延時后，實現(xiàn)保護。短延時的目的是防止偶然瞬間電流不對稱而引起誤動作。斷相保護的另一種方法就是通過過載保護來實現(xiàn)的，因為在負載不變的情況下，斷相就意味著過載運行?？傊鞣N斷相保護方法，就其原理而言可分為