毕业设计（论文）-利用单片机和双向可控硅设计智能开关及其保护装置的实现.doc

摘 要本论文研究了一种矿用智能开关及其综合保护装置的设计。提出了使用无触点的可控硅代替常用的有触点开关，介绍电动机保护的国内外发展动态，阐述了矿用电动机的故障特征，研究了矿用电动机的四种故障（过载、短路、断相及漏电）及其保护原理。设计了以8051f020单片机为主控芯片的智能开关及其综合保护装置。具体进行了信号输入电路、保护驱动电路、液晶显示电路、可控硅开关控制电路、cpu系统主控电路的硬件设计。保护装置实现了对漏电、断路、过载和断相故障的实时监控和保护。本论文的重点是尝试了使用可控硅作为开关，实现了电动机良好的启动关断特性，体现了一些有触点开关不可比拟的优点。然后进行了实验工作的介绍。首先介绍实验接线调试步骤，接着针对过载、短路、断相及漏电保护作了实验检验并得出实验结果，结果表明，此保护装置的各项功能达到了预期目标。最后得出全文的结论，总结了使用可控硅开关的可行性，本保护装置功能及特点。关键词：可控硅，8051单片机，综合保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 instead 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 principle 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, 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 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 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，synthetic protective device目 录1 绪论11.1 课题的研究背景11.2 智能开关及其保护装置设计的目的及意义11.3 课题研究的主要内容及主要工作22 智能开关原理及常见故障特征分析32.1 开关原理简介32.1.1 开关现状32.1.2 双向可控硅交流开关32.2 电动机故障分类概述52.3 对称分量法62.4 故障特征分析及保护判据82.4.1 漏电故障特征及保护原理82.4.2 短路故障特征分析及保护判据92.4.3 堵转故障特征分析及保护判据102.4.4 断相故障特征分析及保护判据102.4.5 过载故障特征分析及保护判据112.4.6 欠压和过压故障特征分析及保护判据143 智能开关及其保护方案的设计173.1 开关及其控制回路的设计方案173.2 漏电保护的方案173.3 过电流保护方案193.3.1短路保护设计方案203.3.2过载保护方案203.4 断相保护方案223.5 欠压和过压保护方案224 系统硬件设计244.1 智能开关及其保护装置硬件系统组成244.2 信号输入电路设计244.2.1 电路结构分析244.2.2主要元器件介绍274.2.3 硬件电路设计274.2.4 小结304.3 cpu主系统设计304.3.1 电路结构分析304.3.2 主要元器件介绍314.3.3 硬件电路设计324.3.4 小结334.4 显示电路的设计334.4.1 电路结构分析334.4.2 主要元器件介绍344.4.3 硬件电路设计344.4.4 小结344.5 开关控制电路的设计354.5.1 电路结构分析354.5.2 主要元器件介绍354.5.3 硬件电路设计364.5.4 小结375 实验385.1 实验调试385.2 实验检验385.2.1开关检测实验385.2.2开关综合保护实验385.3小结396 结论41致 谢42参考文献43附录 44附录 b45461 绪论1.1 课题的研究背景煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大（达 90%以上），有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电器同一般电器有较大的区别，这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚固、耐挤，耐砸，防潮防水溅，防爆1。在用电安全与控制方面，如漏电保护、保护接地、过流保护，就地、远方控制等同其它电器均有不同的要求。研究矿用电器带有明显的行业特色。针对煤矿电器的特殊性，近年来我国先后完成了国家“七五”科技攻关项目“矿井高低压电网三级漏电保护系统及装置的研究”、“快速断电煤电钻变压器综合保护装置”，煤炭部项目“矿用隔爆型自适应无功补偿与综合控制装置”，横向项目“矿用局扇节能型瓦斯自动排放装置研究”等，并且投入使用后保护效果显著2。近年来，我国的电力部门引进了不少国外的智能化电器设备，但是，适合于我国煤矿井下特殊环境的智能化电器设备的研究工作尚未进行，智能化电器设备的研制成功和推广应用，将使我国煤矿电网真正实现自动化，推动煤矿电器设备的更新换代。矿用智能化电器的关键是在防爆技术的基础上，以微电脑为核心的控制与综合保护器，本课题进行的就是智能开关及其综合保护装置的设计与研究工作。1.2 智能开关及其保护装置设计的目的及意义目前，我国煤矿井下使用的煤电钻均使用有触点开关控制，它存在着重量达、体积大、造价高、开关寿命短、操作不方便等缺点。因此研究一种新型控制开关以取代老式控制器是很有意义的。近几年，随着半导体技术的发展，大功率双向可控硅不断涌现，并广泛应用在变流、变频领域，可控硅应用技术日益成熟。传统的控制电路中交流接触器的主要作用是充当控制开关，双向可控硅可以双向导通并具有良好的开关特性，是目前较理想的交流开关器件4。用双向可控硅替代交流接触器有不少优点：(1)双向可控硅为无触点式开关，无火花、寿命长、体积小、无噪音；(2)接触器工作时，其控制回路需要消耗一定的电能，而可控硅为弱电控制，控制回路耗电微乎其微；(3)接触器控制电路中，操作者接触的器件电压都较高，不安全，而双向可控硅控制电路中操作者只接触515 v的直流低压电源，非常安全；(4)双向可控硅为弱电控制强电,弱电电路更新方便，较容易设计出满足各种要求的控制电路。随着煤矿技术的不断发展，煤矿机械化、现代化程度不断提高，井下电器设备的使用量越来越大，对电气设备的保护要求与来越高。煤矿井下大量使用中小型低压交流电动机，与其配套使用的隔离磁力启动器经历了几个阶段的发展，长期以来一直使用熔断器和热继电器两种保护3。由于保护的可靠性极差，已陆续淘汰。后来研制并推广使用的单片机综合保护器，在保护功能上有了较大发展，除了过载、断路保护外，还增加了短相和漏电闭锁保护，但它大部分采用分立元件和传统保护原理，可靠性和稳定性仍然较差，加之元件质量不过关、维修人员素质低，井下环境恶劣和过负荷运行等因素，使得井下电动机的烧损仍然比较严重。单片机综合开关保护器，在以上两种保护基础上，技术更加先进、功能更加齐全、保护更加可靠。同时，由于井下环境恶劣，加之操作人员维护不当或操作错误，输电线路的断裂等原因，经常会出现漏电或单相接地故障，若故障不及时排除，长期运行将会导致三相或两相短路。单相接地、相间短路产生的电弧能量会引起瓦斯、煤层爆炸，直接危及人生安全和煤矿生产。为避免事故发生，保障人身安全，研究新型开关及综合保护装置具有重要的现实意义和重大的经济价值。1.3 课题研究的主要内容及主要工作本课题所研究的是针对煤矿设计的一种微机智能开关综合保护装置。其核心是利用可控硅作为开关，使用单片机对其状态进行控制。具体完成了系统装置的硬件及软件设计，进行了基本的实验调试并对装置所能完成的功能进行了实验检验。开篇首先介绍了本课题研究的目的和意义，开关综合保护的发展现状以及课题的理论依据。在下面的内容中将讨论矿用电动机的故障特征及其保护原理。简要介绍了系统的设计方案。详细介绍了保护装置的硬件结构设计，最后介绍了本装置的实验调试过程及故障保护的实验检验过程，最后对本论文做了总结。2 智能开关原理及常见故障特征分析2.1 开关原理简介2.1.1 开关现状 就目前而言, 煤矿中对三相交流电动机施行开关自动控制, 主要还是采用交流接触器、继电器等触点电器。由于触点电器一般都是通过电磁衔铁在电磁力作用下的机械运动来实现电路通断的, 所以在电器通断的瞬间, 不可避免地要出现拉弧现象。某些电动机通常是带负荷起动的。如: 鼓风机等, 在起动的瞬间, 电流往往要超过电动机额定电流的七以上, 所以一些大功率的电动机, 在通断电路时, 拉弧就更为严重。因此这种现象使触点电器的适用范围受到工作环境的限制, 特别是对频繁起动的电动机。由于频繁通断电路, 久而久之触点就会产生灼伤, 严重时使触点粘连, 影响触点电器的使用寿命和电动机的工作可靠性。如果应用双向可控硅开关取代交流接触器对三相异步电动机实行无触点控制, 能较好地克服触点电器的不足, 其性能具有以下优点: 1、无拉弧现象,不会因弧光短路而发生火光, 有利于安全生产。2、不需要触点电器的电磁线圈, 可以极大地降低电耗,节约能源。3、灵敏度高, 运行可靠, 可以频繁起动,可降低电动机由于开关故障造成的损失, 提高经济效益。4、有利于交流电动机的控制电子化, 提高运行可靠程度。5、不需要触点接通电路, 可以为国家节约大量制造触点的贵重金属。2.1.2 双向可控硅交流开关双向可控硅可看作为“双向闸流管”，因为它能双向导通。对标准的双向可控硅，电流能沿任一方向在主端子 mt1 和 mt2 间流动，用 mt1 和门极端子间的微小信号电流触发。如图2-1所示gmt2mt1 图2-1 双向可控硅（1）导通和闸流管不同，双向可控硅可以用门极和 mt1 间的正向或负向电流触发。（vgt，igt 和 il 的选择原则和闸流管相同，）因而能在四个“象限”触发，如图 2-2 所示：图4-5 双向可控硅触发象限g+g+g-g-mt2-mt2-mt1+mt1+mt1+mt1+mt2+mt2+ 图4-6 双向可控硅v/i特性曲线在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的门极电流，理由如下。若运行在 3+象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果：1 高 igt - 需要高峰值 ig；2由 ig 触发到负载电流开始流动，两者之间迟后时间较长 要求 ig维持较长时间；3低得多的 dit/dt 承受能力 若控制负载具有高di/dt 值，门极可能发生强烈退化；4高 il 值（1-工况亦如此）对于很小的负载，若在电源半周起始点导通，可能需要较长时间的ig，才能让负载电流达到较高的 il。在标准的 ac 相位控制电路中，如灯具调光器和家用电器转速控制，门极和 mt2 的极性始终不变。这表明，工况总是在 1+和 3-象限，这里双向可控硅的切换参数相同。这导致对称的双向可控硅切换，门极此时最灵敏。说明：以 1+，1-，3- 和 3+标志四个触发象限，完全是为了简便，例如用 1+取代“mt2+，g+”等等。这是从双向可控硅的 v/i 特性图导出的代号。正的 mt2相应正电流进入 mt2，相反也是（见图 4-6）。实际上，工况只能存在 1 和 3 象限中。上标+和-分别表示门极输入或输出电流。（2）断开要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电流 ih之下，并历经必要时间，让所有的载流子撤出结。在直流电路中可用“强迫换向”，而在交流电路中则在导通半周终点实现。（负载电路使负载电流降到零，导致闸流管断开，称作强迫换向。）然后，闸流管将回复至完全截止的状态。假如负载电流不能维持在 ih之下足够长的时间，在阳极和阴极之间电压再度上升之前，闸流管不能回复至完全截止的状态。它可能在没有外部门极电流作用的情况下，回到导通状态注意，ih 亦在室温下定义，和 il 一样，温度高其值减小。所以，为保证成功的切换，电路应充许有足够时间，让负载电流降到 ih 之下，并考虑可能遇到的最高运行温度。由于双向可控硅用于交流电路，自然在负载电流每个半周的终点断开，除非门极电流设置为后半周起点导通。（3）双向可控硅的安装方法对负载小，或电流持续时间短（小于 1 秒钟）的双向可控硅，可在自由空间工作。但大部分情况下，需要安装在散热器或散热的支架上。双向可控硅固定到散热器的主要方法有三种，夹子压接、螺栓固定和铆接。前二种方法的安装工具很容易取得。很多场合下，铆接不是一种推荐的方2.2 电动机故障分类概述由于矿井下环境恶劣，电动机在运行中可能发生的故障是多种多样的，它与设计和制造质量、使用条件、工作方式以及使用维护等因素密切相关，故障原因也比较复杂。三相异步电动机的常见故障可分为对称故障与不对称故障两大类。对称故障有对称过载、堵转、三相短路等，它的主要特征是三相仍基本对称，但电流幅值增大，对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应。因此，对称故障可以由电流过流程度来反映。不对称故障主要包括断相、相间短路、匝间短路、三相不平衡等。这是电动机运行中常见的一类故障。这类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，可能造成电动机端部发热、转子振动及起动力矩降低等一系列问题，如果有过电流出现，还会使绕组发热。此类故障明显特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。根据对称分量原理，当三相异步电动机发生不对称故障时，其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量，其中负序和零序电流在电动机正常运行时没有或很小，一旦出现必然表示出现了故障7。因此利用电流中的负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性，再加之反应对称故障的检测电流幅值的方法，就可以构成能涵盖三相异步电动机在各种运行环境下所有类型的故障诊断与保护。2.3 对称分量法分析三相异步电动机不对称故障的常用工具是对称分量法。应用对称分量法分析三相异步电动机不对称运行问题时，可使计算简化。所谓对称应满足下列条件：( 1 ) 各相量的幅值必须相等; ( 2 )相邻两相量之间的相位差必须相等, 其相角，其中m为相数，k为整数。在三相系统中，任一组不对称电压或电流相量都可以按一定的方法分解为零序、正序和负序三组对称分量；反之，三组零序、正序和负序对称分量叠加，可得一组不对称的向量。下面以电流为例加以说明。 图2- 1 三相不对称相量及其各对称分量 (a)零序分量; (b)正序分量; (c)负序分量; (d)合成不对称相量 （1）零序分量、（取k=0，则）。零序分量如图2-1(a)所示，它们是同相位的，即 = （2-1）（2）正序对称分量、（取k=1，）。正序分量如图2-1(b)所示，它们的相位关系有 = = （2-2）式中运算符号=cos+jsin。（3）负序对称分量、（取k，）。负序分量如图2-1(c)所是示，它们的相位关系有 = = （2-3）将这对称分量叠加，可得一组不对称相量、如图2-1 (d )所示，并有如下关系=+ =+ （2-4） =+根据式(2-4 )由一组不对称相量、可求得各组对称分量 =(+)=(+) （2-5）=(+) = = （2-6） = = = （2-7） = 可以证明，三相异步电动机负载对称且正常运行时，负序电流基本为零。当电动机出现不对称故障时会出现负序电流，因此可以通过检测不对称电流计算出正序、负序、零序电流。通过负序电流来反映断相等不平衡故障。2.4 故障特征分析及保护判据2.4.1 漏电故障特征及保护原理煤矿井下供电系统采用中性点绝缘的低压供电系统,若发生单相或两相漏电故障,则流入地中的电流只能通过电网三相对地电容和对地绝缘电阻而与变压器中性点构成回路。由于供电系统对地阻抗很高,故流入大地的电流也常不足1a,所以过流保护装置不动作,必须设计单独的漏电保护装置。1煤电钻供电系统漏电故障的理论分析煤电钻供电单元发生单相漏电时的电路如图2-2所示。变压器b中性点不接地, rg为a相漏电的过渡电阻,其变化范围为011 k,ra=rb=rc=r为各相对地绝缘电阻, ca=cb=cc=c为各相对地电容。对于漏电回路,变压器、线路及大地对地 bugaucuaugcugb3i0rgu0igbcacccbrcrbra 图2-2 单相漏电电路电容。对于漏电回路,变压器、线路及大地的阻抗均为欧姆数量级及以下,远小于绝缘电阻r和容抗 ( =1/2fc,其中f是工作频率,一般f=50 hz)。应用对称分量法得故障相的漏电电流为iga= （2-8）式中ua单相电压; z0零序阻抗, z0=。故障相的对地电压为uga=igarg= （2-9）设电钻电网每相对地电容c=05f,每相对地电阻r=35 k,人体电阻rr=1 k,电网线电压为380v,根据式(1)可以算出此时的人身触电电流为35 ma,其值大于人体安全电流30ma,这表明,因此必须设置触电保护。两相漏电的电气简图如图2-3所示。图中在g处有a、b两相分别经过渡电阻rg接地,在煤电钻供电系统中,这种漏电故障发生的概率较低,约占漏电故障总数的5%左右。 图2-3 两相漏电故障当两相漏电过渡电阻rg0时,电网就发生两相接地短路,成为短路加漏电的复合型故障。当单相漏电过渡电阻rg0时,由于系统中性点绝缘,虽被称之为单相接地短路,却完全不属于短路的范围,只是一种最严重的漏电故障，在实际的煤电钻供电系统中,即使故障rg=0时，接地电流也不大于1 a,故常称为单相接地。在工程实际中，煤电钻供电系统发生两相漏电故障的概率远不如单相漏电高,单相漏电故障占故障漏电总数的85%左右,而且有相当一部分单相漏电故障若不及时切除，将发展成更严重的短路故障，所以单相漏电故障是煤电钻供电系统漏电故障的主流。2漏电保护的判据可以通过检测线路的漏电电流的大小，就可以判断出线路的绝缘状况以及是否有漏电，从而对系统的运行进形控制。（具体方法见第3章漏电保护设计方案）2.4.2 短路故障特征分析及保护判据电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大。短路故障包括定子绕组的相间短路和一相绕组匝间短路。定子绕组的相间短路是电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，影响其它用电设备的正常工作。一相匝间短路是较常见的短路故障，该故障初期仅表现为三相电流不对称，使故障相的相电流增大，严重的情况会导致匝间线圈绝缘全部烧毁，使电动机的一相绕组全部短接。此时，负载星形联接的非故障相将承受线电压，负载三角形联接的将产生相间短路，这会使电动机遭受严重损坏。电动机相间短路故障最明显的特征是三相供电线路的故障相会出现大电流，危害性很大，应进行速断保护。短路保护的整定值应大于电动机最大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8-10倍。在进行短路保护时，通过检测电动机a，b,c三相线电流来实现，超过整定值后，直接进行断电保护。设为检测到电动机三相电流,的最大值，即= max(,)短路保护的原则是，当在一定时限内检测到= k(为短路过流倍数，一般取810，为电动机额定线电流)时，就认为电动机有短路故障，应进行速断保护。2.4.3 堵转故障特征分析及保护判据电动机因机械原因、负荷过大等转子被卡死或低速运转而进入堵转状态时，会成过热而烧坏。电动机堵转是最轻的对称短路故障，也是最严重的过载故障。堵转电流一般可以达到电动机额定电流的4-7倍，这么高的故障电流极易把电动机烧损。因此在检测到电动机处于堵转故障时，保护系统应及时动作，保证电动机不因堵转而烧坏。堵转保护信号可取自于电动机线电流，当线电流超过堵转电流整定值，并达到整定时限时，立即进行断电保护。堵转保护的电流整定值一般可取电动机的稳定启动电流，即额定电流的4-7倍。由于电动机起动电流也能达到额定电流的一倍，为区分电动机的堵转故障与正常启动，保护算法上要能够判别电动机是起动时间内还是在起动时间后，一般采用躲过电动机起动时间（816秒）的方法来实现。从而可有效地躲过电动机的起动电流，以免误动作，使电动机无法正常启动。2.4.4 断相故障特征分析及保护判据电动机断相故障是最常见、最严重的一种不对称故障。电动机对称运行时，其转轴所受到的转矩平稳，没有振动。当电动机绕组断相，启动电动机时就会有嗡嗡声而不能启动。根据对称分量法，电动机断相运行时的三相不对称电流可分解为正序、负序和零序电流。正序电流产生正向转矩，负序电流产生反向制动转矩，零序电流增加损耗。带动同样负载的正向转矩要克服负载转矩和由负序电流产生的反向制动转矩，因此电动机负担加重，电流剧增，引起损耗增加，导致电动机烧损。根据电动机定子绕组的不同接法，断相故障电流表现也不同，详见表21序号断相示意图 启动情况 满载情况断相类型序号 ia=0ib=ic=1073ieia=0ib=ic=0.886is 电动机星形接法断一相 1 ia=0ib=ic=1073ieia=0ib=ic=0.886is 电动机三角形形接法断一相 2注：is 电动机正常启动电流；ia、ib、ic 电动机线电流；ie 电动机额定线电流由表21分析可以看出，电动机断相故障主要有两类情况:当电动机绕组以形连接时，无论断相发生在线路上或者绕组内部，故障相的线电流均为零;对于形连接的电动机，发生外部线路断相时，故障相的线电流为零。根据以上分析，断相故障出现后，电动机的线电流不平衡，因此可以通过检测线电流来作为断相故障的信号源。对于这两种情况可以通过在一定时限内检测电动机线电流是否为零的方法来实现，即对某相电流一个周波内连续采样n点的瞬时值均为零，或通过计算某相电流的有效值为零，则为断相故障。2.4.5 过载故障特征分析及保护判据电动机过载也称过负荷，是指电动机正常运行中因负荷过大所引起的过热现象。其突出特点是电动机的工作电流大于额定电流，温升高于额定值，如果电动机长时间过载运行会引起电动机绕组过热而烧损。电动机过载运行主要由以下几种原因造成：(l)负荷增加；(2)机械设备故障或未安装好；(3)电动机本身机械故障；(4)电动机容量选择偏小；(5)电动机修理时绕组线径选择偏小；(6)双机拖动负荷分配不均；(7)电动机端电压过低a电动机的温升特性电动机定子绕组温度高出周围环境温度的值称为温升。电动机温升特性的数学模型是推导电动机容许过载特性数学模型的基础性工作，是电动机反时限过载保护的理论基础，有利于分析电动机定子绕组的发热特点。电动机在运行过程中能量损耗主要有铜损、铁损和机械损耗，它们会转变为热量，一部分通过机体散失到周围空气中，一部分积存在机体中加热电动机，使其温度上升，最终超过环境温度。电动机是由多种材料组成的非均质发热体，其发热情况比较复杂。但实际测定表明，电动机的发热曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差别。为了便于计算和分析，一般将电动机认为是一个均质发热体，且忽略电动机的铁损和机械损耗，即电动机的温升主要取决于其铜损。因此，依据均质固体发热理论，异步电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡微分方程为： = (-)=+ （2-10）式中： q 定子物体每秒钟内所产生的热量(w)；i 电动机过载状态下的定子电流(a)；ie 电动机额定定子电流(a)； r 电动机定子绕组电阻(q)；c 定子物体材料的比热，即使1kg物体温度升高1所需的热量（j/kg. ）； 散热系数，即每平方米表面、每度温差、每秒时间内所散发的热量焦耳数(w/.)；s 散热表面积()； 定子绕组温升()。式(2-10)左边是在时间间隔dt中，定子绕组由于过负荷而发出的热量qdt。右边cg是电动机温度升高度所吸收的热量，是dt时间内散失在周围介质中的热量。式(2-10)为一阶线性微分方程，其通解为 （2-11）式中a一待定常数，由初始条件确定，即认为负荷不变化时，定子绕组温度与围介质的温度相等，初始温升为零。将初始条件代入式(2-11)得出待定常数a为将a代入式(2-11)可得 （2-12）这就是异步电动机的温升数学模型，其特性曲线如图2-4所示。图2-4 电动机过负荷运行时温升特性曲线电动机的温升特性曲线可以用如下原理来解释:当时间t=0时，电动机的温度与环境温度相同，两者之间不存在热传导，这时电动机产生的全部损耗都用来提高电机的温度，所以电机温度上升很快。随着电动机温度上升的增加，它与周围介质的温度差越来越大，散发到周围介质中的热量也逐渐增加，温升增加变慢，直到散热量等于发热量时，电动机的温度就不再升高，它所产生的全部热量散发到周围介质中，即达到稳定温升。b电动机反时限特性对式(2-12)中的指数项进行泰勒级数展开，取前两项可得 （2-13）将式(2-13)代入式(2-12)并整理可得 （2-14）式中：称为电动机的过载倍数 为一常数，若电动机的最大容许温升为，则式(2-14)为 （2-15）式(2-15)反应了电动机过载倍数p与电动机容许过载时间t的关系，即t=f()，我们把这种关系称为电动机的容许过载特性，如图2-3曲线l所示。从图中可以看出，电动机过载倍数越大，其容许过载时间就越短，即呈现反时限特性。 图2-5 电动机过载保护特性曲线1 电动机容许过载特性; 2 定时限过载保护特性3 阶段式定时限过载保护特性; 4 反时限过载保护特性 电动机在设计时往往留有一定余量，因此电动机可以容许有一定的短时过载能力。其实在实际生产中，电动机负载往往会有一定的波动，这也要求电动机具有一定的过载能力，不会因短时过载而停机，影响正常生产。电动机过载保护动作时间t与过载倍数p的关系称为电动机过载保护特性。设计过载保护特性时，要充分利用电动机本身的过载能力，不要因为电动机一过载就立即进行保护，频繁的断电保护将影响正常生产，这样的保护也就失去意义了。图2-5中可以看出，定时限过载保护和阶段式定时限过载保护都不能像反时限过载保护特性那样充分利用电动机的过载能力，因此在设计过载保护特性时应具有优良的反时限特性。2.4.6 欠压和过压故障特征分析及保护判据根据三相异步电动机的电磁转矩公式 （2-16）式中：t 电磁转矩k常数u1定子电压电动机转子电阻和启动感抗s 转差率电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的电磁矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行。1欠压保护在电动机负载和转子电阻一定的条件下，电网电压降低时，电磁转矩下降，电动机转速下降，旋转磁场对转子的相对转速增大，磁通切割转子导条的速度增大，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高。如果电动机长时间在低电压工作会使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。低电压也会使电动机起动转矩下降，当电压降低到能使起动转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。电动机要不要装设欠压保护有一定原则。对电源电压短时降低或短时中断后又恢复需要自动起动的重要电动机，不装设低压保护。下列电动机一般需装设欠压保护：（1）当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为保证重要电动机自启动而需要断开的次要电动机；(2)电源电压短时降低或短时中断后，根据生产或工艺的要求，不允许或不需要自启动的电动机；(3)需要自启动，但为保证人身和设备的安全，在电源电压长时间消失后，需从电网中自动断开的电动机。欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。2过压保护 过电压一般是由电网电压波动造成的，当然也可能是伴随其它故障的产生而产生的，如对于负载星形连接且无中性线的电动机，如果定子绕组一相短路，会造成其它两相负载的电压增大。电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，进而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。3 智能开关及其保护方案的设计3.1 开关及其控制回路的设计方案随着半导体技术的飞速发展，大功率可控硅不断涌现，且技术已日趋成熟。.传统的控制电路中交流接触器的主要作用是充当控制开关，双向可控硅可以双向导通并具有良好的开关特性，是目前较理想的交流开关器件5。用双向可控硅替代交流接触器有不少优：:(1)双向可控硅为无触点式开关，无火花、寿命长、体积小、无噪音；(2)接触器工作时，其控制回路需要消耗一定的电能，而可控硅为弱电控制，控制回路耗电微乎其微；(3)接触器控制电路中，操作者接触的器件电压都较高，不安全，而双向可控硅控制电路中操作者只接触515 v的直流低压电源，非常安全；(4)双向可控硅为弱电控制强电，弱电电路更新方便，较容易设计出满足各种要求的控制电路。因此本设计中开关主电路使用双响可控硅，其工作状态由单片机控制。设计方案如下9100.2f22vinrin1k654321负载380vacmoc3081 图3-1 开关控制电路图如图所示，正常情况下将可控硅串联在380v交流回路中作为启动负载的开关，在可控硅上并联电阻和电容是为了保护其不被击穿。当输入端有电压vin输入时，若能保证输入电压满足15ma，则3081内部动作，第4拐角有电流输出，此电流可以作为可控硅的门极触发电流，此时可控硅导通，负载得电。由于是双响可控硅，因此可以在交流的正负半周期连续向负载供电。3.2 漏电保护的方案漏电保护包括2部分(见图3-2)：送电前的保护称为漏电闭锁，即合上煤电钻手柄开关k时，首先通过漏电闭锁检测电路检测漏电状况，然后由单片机发送(或者不发)供电指令；工作时的保护称为漏电保护。当单片机发送了供电指令后,煤电钻得电，同时继电器j得电,漏电闭锁电路断开，漏电检测的任务由漏电保护电路完成。cjcjr3r4r5r2r1dd+15v图漏电保护电路图（1）漏电闭锁漏电闭锁利用+15 v电源作为直流检测电源,其检测回路为:+15 vd1cj1a相d2r1j1(常闭)r20。当闭合煤电钻手柄开关k时,电缆对地绝缘电阻与r3串联后,并入检测电路中,因此从r2上取出的检测电压可以反映绝缘状况。检测电压经a/d转换送入单片机进行信号处理。如果绝缘电阻7 k,则检测电压整定值,单片机发出指令,使继电器无法得电,并且利用软件置位故障标志位,实行闭锁。只有重新拉、合一次电源总开关,使单片机重新初始化,故障标志位复位后,方能解除闭锁。若绝缘正常，则r2上的压降为： v式中0.7v为二极管的压降。将检测导的电压输入单片机进行判断，可将比较值设定的大于此电压值，故；漏电闭锁不动作。若在电网对地总绝缘电阻rg7k时闭合2qs,则对地电阻rg与r3将与r1及r2构成串并联电路,如图2所示。此时因三相手把开关2qs闭合,故r1的左端在直流电路中是并联关系,并与rg左端相连接。+15vr3rgr2r1 图3 漏电闭锁检测回路则r2上的压降为： v此时检测到的电压将大于设定的漏电闭锁整定值，单片机经过判断后，发出信号使系统闭锁。（2）漏电保护漏电保护取样电路采用零序滤序器,由取样电容、整流桥和取样电阻组成。当发生漏电时,将形成如下的漏电检测电路:电网取样电容整流桥取样电阻r4、r5大地漏电电阻电网。为避免进入a/d转换器的检测电压过大,取样电阻由r4和r5串联组成,从r5上取出检测电压送入a/d转换器。3.3 过电流保护方案由于矿井下环境比较恶劣，电动机在运行过程中很可能会出现各种故障，尤其像短路这样的故障对电机的损害是极大的，因此对电流的检测是必要的，通过对电流的采集，并与正常情况下的额定值比较，可以在电机出现过流时有效地切断电源，保护设备不被损坏。电流采集电路如下itau0urefvccc1r6r5r4r3r2r4 图3-3 交流电流采集电路图由于电流采集要考虑非正常运行时的短路电流，其值大约为几百安培，因此电流采集需要两极电流互感器，上图中，i为一次电流互感器的二次侧电流，ta是一个变比为2000/1的电流互感器，r2=r3=r4=r5，可知交电流i经过电流互感器在二次侧形成一个较小的电流信号，此电流信号经过电阻r4将电流转换为电压并送往减法器，最后在末端形成所需的模拟电压，其计算如下 3.3.1短路保护设计方案 当系统发生短路时，将会产生很大的短路电流，大约为额定电流的8倍以上，会在出现故障的瞬间产生巨大的能量，后果是非常严重的。因此，对短路故障的保护应该马上动作，越快越好。通过将电流采集回路采集的电压信号送入单片机的aoc模块，在单片机内部进行a/d转换后进行算术运算，算术运算的结果与整定值比较后，根据预设定的保护特性确定单片机的输出状态，直接驱动开关回路的执行机构，即当 ic8i n时单片机停止对开关控制回路输出信号，可控硅截止，电动机失电。3.3.2过载保护方案1过载保护原则由于各种原因（机械设备故障，电动机功率选择偏小，双机拖动负荷分配 不均，电网电压过低造成电动机电流过大等），电动机电流将超过其额定值，如果电流增大的数值不多而且持续时间不长，并在电动机允许范围内，对电动机尚不至于引起损坏，但是超出过多而且时间较长，就将损伤电动机绝缘甚至烧毁电动机。故电动机过载是指工作中的电动机电流超过额定电流值一定范围而言，工作电流增加，铜损增加，发热量增加，导致电动机的最终温升超过电动机的最高承受能力。对电动机的过载保护又称热保护。为了防止因电动机过载而造成损坏，必须采取过载保护措施。矿用电动机因过载烧毁占总烧毁数的 67.8%，因此过载保护是衡量保护装置性能的重要指标，过载保护既要充分利用电动机的过载能力，又要避免过热使绝缘破坏而损坏电动机。2过载保护方法电动机过载保护方法有定时限、分段定时限和反时限几种方法。定时限方法是指固定动作时间过载保护，不管过载电流发生变化与否，只要过载就延长到一定时间后动作。这种保护方法的致命缺点就是不能根据电动机工作的实际情况进行调整。分段式定时限虽然稍好些，但还没有从本质上解决定时限保护的缺点，相比之下反时限保护较好。反时限工作原理是当电动机实际运行电流大于设定电流时，故障因子开始累加，过载倍数（电动机实际运行电流最大一相值与设定电流值的比值也称额定电流倍数）越大，累加越快，保护器动作时间越短；反之，在尚未到达保护器动作时限之前，一旦故障解除，故障因子立即递减，直至为零。当过载倍数大于 8 时，保护器判断为短路。过载反时限保护特性和电动机容许过载特性配合紧密，使保护特性在最大范围内保护电动机。电动机多次重复短时间过载，若每次过载时间均小于容许过载时间，则保护装置可能不动作，但电动机由于热积累而可能烧损。因此从原则上讲，保护线路应具有模拟和记忆电机热积累的功能，才能保护电动机。3动作时间计算按国标jb3905要求，电动机过载保护应满足表3-1的要求。实际上，表3-1规定的范围很宽，在这个范围内还应该包括很多条保护曲线，以满足不同电动机的要求。 表3-1 电动机过载保护性能指标下式可以计算出不同过载电流下保护的动作时间 式中：、为常数；k为电流过载倍数，k=i/in。调节、，可使保护特性在一定的范围内变化，适应不同保护特性的要求。3.4 断相保护方案 断相保护的一般方法是引出不对称信号，由鉴幅电路进行鉴幅，超过一定门槛后，经过数秒钟到数十秒的固定短延时后，实现保护。短延时的目的是防止偶然瞬间电流不对称而引起误动作。断相保护的另一种方法就是通过过载保护来实现的，因为在负载不变的情况下，断相就意味着过载运行。总之，各种断相保护方法，就其原