毕业设计（论文）-大功率电动机故障产生原因.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） i 摘 要 本文简述了大功率电动机故障产生原因、诊断方法，在分析了目前国内外电动 机保护电路的研究进展与现状的基础上，设计了一种集过载、欠载、断相、三相不 平衡等故障保护于一体的智能型电机综合保护电路，并将电器元件构成的传统保护 电路与电子元件构成的保护电路进行了比较，详细地介绍了所设计的多功能电子保 护电路的电路结构、工作原理、保护功能和特点以及存在问题。 关键词: 大功率电动机；多功能保护；集成电路 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） ii abstract this paper introduces briefly the cause of disturbance, diagonal method of multi- functional protecting circuit for large-power motors. the traditional protecting circuit composed of electronic magnetic components and the protecting circuit composed of electronic components are compared in the article and the paper states mainly circuit structure, basic working principle and protecting function of the multi-functional protecting circuit. it describes characters and existing problems of the multi-functional protecting circuit, too. keywords: large-power motors；multi-functional protecting circuits； integrated circuit 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） iii 目 录 1 绪 论.1 1.1 课题提出的背景.1 1.2 国内外的发展状况.3 1.3 论文综述7 2 本课题研究内容.8 2.1 本课题研究内容8 2.1.1 大功率电机的运行状态分析8 2.1.2 保护电路的设计要求8 2.1.3 电路的构成9 2.1.4 本课题研究的内容的技术要求9 3 本课题相关知识介绍.11 3.1 相关知识介绍11 3.1.1 集成运算放大器特点11 3.1.2 光电耦合器15 3.1.3 ewb.15 3.2 计数器和双 d 触发器介绍17 3.2.1 74hc4020 14 位二进制串行计数器.17 3.2.2 c4013-一双上升沿 d 触发器18 4 系统保护方案的设计.23 4.1 保护方案的原理框图23 4.2 传感器及信号检测电路设计23 4.2.1 传感器部分23 4.2.2 信号检测电路部分24 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） iv 4.3 保护电路及起停控制电路设计及工作原理27 4.4 指示电路设计30 5 硬件搭接及调试.31 结 论.32 致 谢.33 参考文献.34 附录 i 多功能保护系统的电路图35 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 1 1 1 绪绪 论论 1.1 课课题题提提出出的的背背景景 大功率电机在国民经济各行业中获得了广泛的应用。我国的电动机总容量约 占全部用电设备总容量的 75%以上，而耗电量约占总发电量的 70%以上。其中 0.55100kw 的中小型异步电动机的用电量占全国总发电量的 40%左右。然而电动 机的故障率也居各种电气设备之首。日本电气协会 pm 研究会对供电 1000kw 以上 的 652 个工厂中的异步电动机、特殊电动机、变压器及其它等 14 种电气设备故障 率进行了调查分析，结果表明故障率最高者为电动机，高达 38.1%。全国每年烧 毁电动机的数量在 20 万台次以上，总容量约 4000 万 kw，直接损失达 16 亿元左 右，间接损失高达百亿元。因修复电动机每年消耗电磁线 5000 万 kg。生产铜线 需 33.4kwh 电能，每年为此需消耗 16.7 亿 kwh 电。由此可见，对生产系统而言， 电动机不但是为数众多、应用面广的动力设备，而且又是最为薄弱的环节。 近年来，新材料、新工艺的大量使用，电动机正朝着功率与体积之比值越 来越大的方向发展。大型电动机的单台价值可高达百万元，由于保护技术落后， 其烧损情况也十分严重。这种情况在国内外各行各业中普遍存在，直接经济损失 巨大。而大型电动机往往又是重要生产过程的动力和重要辅机设备，若其损坏还 将中断重要的生产过程，影响安全生产和产品质量，其间接损失是难以估价的。 大型电动机的故障诊断与保护，长期以来一直是学术界和工程界的研究热点和难 点问题。 同时由于绝缘技术的不断发展，在电动机的设计上使功率增大，减小体积， 使新型电动机的热容量越来越大，过负荷能力越来越强。负荷能力的减弱原因主 要是以下几个方面：由所拖动的机械设备造成。如排灌机械水路阻塞，机轴不 同心等，造成电机负荷过大，甚至堵转。由于电机本身工作条件低劣而造成的。 如通风不良，周围环境温度过高，电机机械部分故障等原因引起的电机过热，绝 缘水平降低甚至短路。由于供电电网质量不佳，如电压过低、三相不平衡等 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 2 原因造成的电机电流增加等。再由于生产自动化程度的提高，要求电动机经常运 行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式。因此对电机保护装置提 出了更高的要求。另外，电机的应用面更加广泛，经常工作于环境极为恶劣的场 合，如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合，再加上电机修造上的不规范，设备管理 上的疏漏。所有这些，造成了现在的电机比过去更容易损坏。 因此，研究有效的电动机保护方法与设备，使其既能对电动机可能出现的各 种故障实施可靠的保护，又能充分发挥电动机的过载能力，是减小生产过程中的 经济损失，提高经济效益必需解决的问题之一。从某种程度上讲，电动机的保护 与电动机的设计、制造、控制同等重要。 传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器是使用最早、最简单的 保护装置。其实，熔断器主要是用于短路故障时，保护供电线路，减小故障范围的 扩大。认为熔断器可以保护电机短路或过载，是不科学的。岂不知，这样更容易造 成电动机因断相运行而损坏电机。 热继电器是应用最广的电机过载保护装置。热继电器是用于电动机或其它电气 设备、电气线路的过载保护的保护电器。电动机在实际运行中，如拖动生产机械进 行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机 转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。若过载电流不大且过 载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但若过载时间长， 过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机 的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。所以，这种过载是电动机不能承受 的。热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电 动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。 使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联， 将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并调节整定电 流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通过热 元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚 好与人字形拨杆接触，而又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭合状态，交流接 触器保持吸合，电动机正常运行。但热继电器功能单一，灵敏度低、误差大、稳定 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 3 性差，已为广大电气工作者所认识，所有这些缺陷造成电机保护不可靠。事实也正 是这样；尽管许多设备安装了热继电器，但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍 存在。 选用电机保护装置的目的，既能使电动机充分发挥过载能力，又能免于损坏， 而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。同时选择保护装置时，必须 考虑几个互相矛盾的因素，即可靠性、经济性、结构简单、操作、维护方便等。 在能满足保护要求的情况下首先考虑最简单保护装置，只有当简单的保护装 置不能满足要求时，或对保护特性提出更高要求时，才考虑应用复杂的保护装置。 理想的电动机保护器应满足可靠、经济、方便等要素，具有较高的性能价格比。 而电子式多功能保护器具有体积小、重量轻、功能强、可靠性高等优点。 1 1. .2 2 国国内内外外的的发发展展状状况况 电动机故障诊断和保护技术的发展可划分为保护理论的发展和保护器的发展。 从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代: 第一代是以传统的机电式继电器为主，包括:熔断器、热继电器、电动机保护 用自动开关及双金属片式温度继电器等。 熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。它的主要缺点在于只适用于 电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。在保护三相异步电动机时， 也常常由于某一相熔断器熔体熔断而造成三相异步电动机断相运行。故 iec（国 际电工委员会）规定，凡安装熔断器的场合，必须加设断相保护。 热继电器作为传统的电动机保护装置己有 80 多年历史。在结构和性能上经历 了 34 代日臻完善的发展过程。它是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属 片弯曲使机构动作的。其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时 限特性。比较适合于恒定负载、连续运行情况下的过载保护。但是，若用来保护 频繁起动或重载起动以及发生过多次短时过载的电动机，保护效果欠佳。另外， 只能对电动机的过载实现保护，不具备短路保护功能（由于存在热惯性)，断相保 护的可靠性要受异步电动机负载率的影响。近年来，国内外不断开发出具有断相 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 4 保护功能的三极热继电器，在一定程度上改善了断相保护的效果。热继电器保护 的准确度较差，一是由于保护特性有一定的分散性，且不太稳定。二是对环境温 度、机械振动等环境因素比较敏感。热继电器尽管存在着许多不足之处，但由于 其成本低，使用简便，目前在小型电动机的保护中仍被广泛地选用。 电机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电机保护装置， 一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。它最突出的特点是在进行短路保护 时不会造成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。第一代电动机保 护用自动开关中的电动机过载保护仍采用双金属片结构，存在着与热继电器相同 的弊端。 双金属片式温度继电器是一种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的 保护装置。从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法， 对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。因此，特别适用于由于通 风不良、环境温度过高、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电 动机过热保护。但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时 间长，不适合在小型电动机中使用。 第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。它包括 电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。电子式电动机保护装置是随 着电子技术的迅速发展应运而生。 电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件（故称 静止型） ，不存在机械误差和磨损。因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较 长，耐冲击和振动，整定简便。我国这种装置的研制始于 20 世纪 80 年代，到 20 世纪 90 年代初期，一批保护原理各异、性能良好、价格较低廉的产品己陆续研制、 生产并开始推广应用。虽然各种电子式保护装置的原理各不相同，但一般均具有 过载、断相、短路、三相不平衡等多种保护功能。电子式保护装置从总体上来看， 其性能价格比己接近或优于传统的机电式保护装置。早期因价格过于昂贵的束缚 也随着电子元器件价格的降低而逐渐消失。迄今为上被保护对象也已从以大、中 型电机为主转变为以为数众多的中、小型电动机为主。可以预料它在中、小型电 机保护领域的应用势头不会减弱。由于电子式电动机综合保护装置属于纯硬件电 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 5 路结构，各种功能（特别是它的保护特性）都是由相应的硬件电路实现的。所以， 仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到 硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。 电子式温度继电器是一种将温度传感器埋置于电机绕组内，借助于电子装置 对电机绕组温度进行保护的一种电动机保护电器。温度传感器多采用温度系数大、 灵敏度高、体积小和具有明显的开关特性正温度系数（ptc）热敏电阻。由于传感 器安置在电动机内部温升较高的部位，直接反映电动机内部的温度。因此，从理 论上讲，电子式温度继电器可以保护由各种原因引起的绕组温度过高的电机。我 国已于 1993 年 4 月 1 日颁布了旋转电机装入式热保护国家标准(gb/t 13599- 92)。然而，由于温度传感器存在着热惯性（尽管西门子公司宣称其生产的 ptc 热 敏电阻的时间常数已低于 2 秒） ，在起动、堵转及短路时存在着一定的保护滞后。 另外，安装位置的复杂性(至今未见有绕组温度最高点的确切描述)、保护温度选 择的不确定性和传感器维护的困难，使得其应用受到一定的限制。 第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器。进入 80 年代以来，微电子技 术的发展和应用对电动机保护在原理上的概念更新、装置上的结构变革、性能上 的完善、功能上的扩展等方面起着强大的推动作用。微处理器技术进入电动机保 护领域后，使基于微处理器的电动机保护装置具有了优异的保护特性、完善的功 能扩展和智能化的监视与控制。经过多年的发展，国外一些著名的电器公司纷纷 推出以为微处理器为核心的智能化电机保护器。如:德国 siemens 公司的 3ub1 系 列继电器、日本 fuji 公司的 qa 系列继电器、美国 abb 公司的 spem 继电器、英国 gec-alshom 公司的 gemstart 智能控制继电器。国内也有许多单位在进行研制(如 上海电器科学研究所，南京自动化研究所等)。各类产品虽然型号各异、名称不同， 但其核心功能是一致的。除基本的保护功能外，一般还具有自检、自诊断、故障 参数(如故障值、故障类型等)的记忆、保护参数的整定(包括保护方式的选择，保 护特性的改变等)多种功能。进入 20 世纪 90 年代以来，由于微机通讯技术和网络 技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。它能 与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络:也能监视电动机各种 运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运行参数及故障情况做出统计， 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 6 帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停机和维修时间。大大提高了整个 系统的可靠性。 电机的故障诊断和保护理论，多年来一直是学术界研究的热点。其发展过程 可归纳为四个方面。 电机常规保护理论。电动机常规保护理论的基本原理是以电流幅值的增加作 为故障判据的。从原理上讲，它只能反应对称故障，对非对称故障(如:断相、接 地、不平衡运行等)不能及时有效地保护。究其原因，一是各类非对称故障不一定 出现明显的过电流，只有电动机负荷率大于 70%时，健全相才会出现过流;二是非 对称故障对电动机的危害不只表现在过流引起的过热效应，更主要的是负序电流 效应，因此仅以过流来反映故障严重程度是不够的。 基于对称分量法的电动机保护理论。非对称故障电流从理论上可将其分解为 正序、负序和零序电流分量。其中正序分量可以反映电动机过流程度，负序分量 和零序分量则反应非对称故障电流的程度。因此，通过检测负序和零序电流分量 来判别各类非对称故障具有很高的灵敏度及可靠性。近年来国内外研制的微机型 电动机保护装置大多基于对称分量法。然而，基于对称分量法对电机内部故障的 分析只能定性，不能定量。 基于先进信号处理方法的电动机保护理论。fourier 变换的频谱分析技术是 较早应用于电动机故障诊断的信号处理方法。20 世纪 80 年代提出的小波理论在 电动机故障诊断中也有不俗的表现。人工智能技术、模糊数学、神经网络口等先 进信号处理方法在电动机故障诊断中也在进行应用研究。 基于多回路理论的电动机保护理论。1987 年由清华大学高景德教授、王祥晰 教授等建立并发展起来的交流电机多回路理论为电机内部故障的定量分析提供了 一套全新方法。多回路理论以每个电机绕组为研究对象，能够考虑多种谐波及绕 组不对称等特殊情况，特别适合于研究电机内部故障的机理和定量分析。在实际 应用中得到了较好的结果。 交流电机多回路理论和各种先进信号处理方法结合业已成熟的微机保护技术， 可以将电动机的在线监测、预防控制、缺陷报警、故障诊断、故障保护及事故后 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 7 故障分析、故障定位等功能综合于一体，实现电动机运行全过程的在线监测、诊 断与综合保护。这也是今后电机保护的发展方向。 1 1. .3 3 论论文文综综述述 本文第一章绪论部分介绍了本课题的背景与国内外发展状况，并提出本课题 的研究目标。第二章对本课题研究内容及要求进行了详细的介绍。第三章主要对 本课题研究内容的相关知识进行了介绍。第四章详细论述了大功率电动机系统保 护方案的原理及设计过程。第五章讲述了系统硬件搭接及调试，并对系统作了全 面的评价。 本课题研究的难点在于保护电路及起停电路的设计及电路板的焊接与电路调 试。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 8 2 2 本课题研究内容本课题研究内容 2 2. .1 1 本本课课题题研研究究内内容容 2.1.12.1.1 大功率电机的运行状态分析大功率电机的运行状态分析 大功率电机常常会因多种原因出现不正常的运行状态。这些不正常的运行状 态包括： 欠载、过载、堵转、起动超时、断相、三相不平衡等。欠载运行会引起 电机定子电流低于其额定工作电流，使大功率电机造成机器损伤。而其它异常的 运行状态会引起电机定子电流超过其额定工作电流，长时间在这种状态下运行， 轻者造成电机绝缘老化、寿命降低，重者造成电机严重烧毁。在传统的电动机保 护装置中，保护电路是由电器元件构成的,其动作时间误差大，保护精度低，整定 困难。例如，热继电器其优点是结构简单，安装方便,有较好的反时限特性,比较 适合于恒定负载和电机连续运行情况下的过载保护。但是对于频繁起动、重载起 动和变负荷的大功率电机其保护功能就不理想。另外热继电器由于存在热惯性, 因此只能对电动机的过载实现保护，不具备短路保护功能，断相保护也不可靠； 短路保护是由熔断器完成,其缺点是由于某一相熔断器熔体熔断后会造成三相异步 电动机断相运行，因此还要安装断相保护器。由于电子技术的飞跃发展，电子式 多功能保护器已经出现并投入使用。电子式多功能保护器具有体积小、重量轻、 功能强、可靠性高等优点。 2.1.22.1.2 保护电路的设计要求保护电路的设计要求 调查研究表明:损坏的电动机中有 90以上是由于电机在异常情况下运转造成 的。在现代工业生产过程中。由于三相电源缺相、断相、过载、过压、堵转造成 电动机烧毁，成为电动机毁坏的主要原因之一。 因此，要求保护系统能对以上出现的各种情况进行保护，保护系统通过自动 检测三相电机的每相电流，并把每相检测电流与整定值进行比较来判定出现的为 何种情况。当三相检测电流低于欠载整定值时，说明电机处于欠载状态。这时应 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 9 通过控制系统使电机停机并发出欠载指示信号。欠载后需多长时间发出指示信号 并切断主电路可人为调定；当三相检测电流超过过载整定值时，说明电机过载运 行。过载运行要切断主电路停机并发出过载警报。至于过载后需要多长的时间切 断主电路并发出警报，可根据过载百分比和电机的过载能力通过控制电路人为调 定；当至少有一相检测电流低于欠载整定电流而另有一相检测电流超过过载整定 电流时，说明电机断相或三相不平衡运行。这种运行要立即切断主电路，并发出 警报；当电路发生短路，要立即通过主控电路切断电源并发出警报。 2.1.32.1.3 电路的构成电路的构成 保护电路主要由起停控制电路，传感器电路，信号检测电路，信号传递控制 电路，指示报警电路，主电路控制电路，上电复位电路，时钟电路，直流电源等 构成。 传感器部分由电流互感器、电流电压变换器、整流滤波电路构成，共三组。 电流互感器可根据不同功率的电动机按标准系列选取。电压电流变换器把电流互 感器给出的电流信号变换成合适的电压信号，再经过桥式整流、电容滤波变换成 比较平稳的与三相电机的电流大小成比例直流电压信号，然后送给由运算放大器 构成的比较器与基准电压进行比较。比较之后的值以高低电平形式传递给信号检 测电路，稳压管在比较器输入端起保护作用，信号检测电路由运算放大器构成的 迟滯比较器组成。 指示电路和主控电路主要由三级管、晶闸管、交流接触器、指示灯等构成。 上电复位和时钟电路均由运放和电阻电容组成。 2.1.42.1.4 本课题研究的内容的技术要求本课题研究的内容的技术要求 该控制与保护系统要求由模拟和数字电路构成： 技术要求： 1.动态监测电机运行状态。 2.因为某种原因，电机可能欠载运行。电机不允许长时间欠载运行。因此要 有欠载保护，一旦欠载要延时停机，同时发出欠载信号。停机至预定时间后自动 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 10 再启动。欠载后多长时间停机，或停机后经过多长时间再启动，可人为调定。 3.由于某些原因，电机可能会过载，过载要自动停机并计时，以便使操作人 员了解停机时间，过载不能自动启动，要经人工排故障后手动起动。 过载程度能 自动检测，轻度过载可时间长些停机，重度过载短时间内要停机，过载要发出过 载警报信号。 4. 当至少有一相检测电流低于欠载整定电流而另有一相检测电流超过过载整 定电流时，说明电机断相或三相不平衡运行。这种运行要立即切断主电路，并发 出警报；当电路发生短路，要立即通过主控电路切断电源并发出警报。 5电机能手动起动和自动起动。 大功率电动机多功能保护系统的设计要考虑下面几个方面的问题: 适应性： 由于电动机的种类繁多，加之不同厂家生产的电动机也有差别。因此，大功 率电动机多功能保护系统应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保 护系统满足不同的保护特性的要求。 准确性： 为了充分发挥电动机自身的过载能力，同时还要对电动机进行有效的保护。 要求保护系统的动作要准确。不准确的动作或造成电动机的损坏，或不能充分发 挥电动机的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。 可靠性： 可靠性则要求保护系统在无故障时不能产生误动作，而在故障发生时又不能 拒绝动作，特别是在堵转、起动失败和短路时。要在规定的时间内，准确、可靠 地完成规定的保护功能，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。 本课题在设计上充分的考虑了以上这些问题。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 11 3 3 本课题相关知识介绍本课题相关知识介绍 3 3. .1 1 相相关关知知识识介介绍绍 3.1.13.1.1 集成运算放大器特点集成运算放大器特点 运算放大器（常简称为“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电 路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中， 用以实现数学运算，故得名“运算放大器” ，此名称一直延续至今。运放是一个从 功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片 当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今 运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。 在检测系统中，测量电路或敏感元件的输出信号等，一般都是比较小的，不 能直接用来显示，记录，控制或进行 a/d 转换。为此，当非电量（电量）转换或 通过电桥检测后的电信号，往往需要用放大器进行放大。 运放+rc 构成的有源滤波器相比纯使用 rc 实现的无源滤波器最主要的特点就 是带有一定的增益，这样可以使信号的滤波特性曲线更陡，即频率特性更明显， 也就是效果更好，另外它的输出信号也比较强，适合于弱信号的滤波处理，再有 就是可以匹配阻抗。 随着电子技术的发展，目前放大电路一般都采用运算放大器进行。运算放大 器是由集成电路组成的模拟电子器件，其特点是输入阻抗高增益大，可靠性高， 价格低廉，且使用方便，因而深受用户厚爱。 运算放大器是一种对模拟信号进行运算的放大器。从电路的结构上讲，运算 放大器实际上是一个高增益的直接耦合放大器。 目前，广为使用的差分式运算放大器具有两个输入端和一个输出端，其符号 如图： 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 12 图 3.1 理想运算放大器 图 3.1 中 3 是输出端， “1”是反相输入端，标有“”号，表示信号 vn 从该 端输入时，输出端信号与输入信号反相。 “2”是同相输入端，标有“+”号，表示 信号 vp 从该端输入时，输出端信号与输入信号同相。利用这种基本增益器件构成 的各种电路几乎实现人们过去所知道的各种所有基本电路的功能，因而，在电子 技术中，获得广泛的应用。 众所周知，一个理想的运算放大器具有如下性质： 开环电压增益无穷大。 输入阻抗无穷大。 输出的阻抗等于零。 带宽为无穷大。 干扰噪声等于零。 当然，实际的集成电路运算放大器不可能有这样理想的性质。但是，如果把 “无穷大”当作“很高，很高”把“零”当作“很低，很低” ，就与实际的运算放 大器很接近了。例如,实际运算放大器的开环增益可达 104106倍。因此，可以当 成“无穷大”来处理。 反相放大器和同相放大器： 反相放大器 基本原则 1：无电流进入正、负输入端。这意味着通过 r1 的电流必须等于通 过 rf的电流。因此，利用欧姆定律可导出两个方程式： vi-vx=i*rf （3-1） 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 13 vx-vo=i*rf （3-2） 基本原则 2：输入端之间的电压为零。因为正输入端接地（零电位）所以， 负输入端也应该为零电位。 因此， vx由式（3-1）式（3-2）变成： vi=i*ri (3-3) -vo=i*rf （3- 4） 经代数变换可得： i=vi/ri (3-5) i=-vo/rf (3-6) 令式（3-5）式（3-6）两式相等，则结果为： i=vi/ri=-vo/rf （3-7） 或： vo/vi=-ri/rf （3-8） 图 3.2 基本反相放大器电路 同相放大器 基本原则 1：无电流进入正，负输入端，因此，流过 r1和 rf的电流均为 i， 利用欧姆定律可导出两个方程式： vo-vx=i*rf 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 14 （3-9） vx-vo=i*ri （3- 10） 基本原则 2：输入端之间的电压为零，就是说 vi=vx 将此式代入式(3-9)式 （3-10） ，得： vo-vi=i*rf （3-11） v1-vo=i*ri （3-12） 从上面两个式子解得的 i 分别为： i=(vo-vi)/rf=vo/rf-vi/rf （3-13） i= vi/ri （3-14） 令式（3-13）式（3-14）两式相等，得： i= vo/rf-vi/rf= vi/ri (3-15) 求解 vo/vi 最后结果为： vo/vi=1+rf/ri (3-16) 式(3-16)就是同相放大器的基本增益表达式。 图 3.3 基本同相放大器电路 同相放大器与反相放大器相比，有一个很重要的差别：在同相放大器中， vnvp 0 相当于集成运算放大器输入端加有共模信号，而在反相放大器中， 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 15 vnvp=0 输入端不出现共模信号。 3.1.23.1.2 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，在光电耦合器内部，由于发光管和 受光器之间的耦合电容很小（2pf 以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对 输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。它将发光元件（发光二极管）与光 敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图 3.4（a）所示。发光元件为 输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能， 实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在输出回路常采用复 合管（也称达林顿结构）形式以增大放大倍数。 图 3.4 光电耦合器及其传输特性 （a）内部组成 （b）传输特性 光电耦合器的传输特性如图 3.4（b）所示，当描述当发光二极管的电流为一 个常量 id时，集电极电流 ic与管压降 uce之间的函数关系，即 ic=f(uce)|id (3-17) 因此，与晶体管的输出特性一样，也是一族曲线。当管压降 uce足够大时，ic 几乎仅决定于 id,与晶体管的 相类似，在 c-e 之间电压一定的情况下，ic的变化 量与 id的变化量之比称为传输比 ctr，即 ctr=ic/id|uce (3-18) 不过 ctr 的数值比 小的多，只有 0.11.5。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 16 3.1.3 ewb electronics workbench eda（以下简称 ewb）：ewb 软件是交互图像技术有 限公司（interactive image technologies ltd）在九十年代初推出的 eda 软件， 但在国内开始使用却是近几年的事，现在普遍使用的是在 win95 环境下工作的 ewb5.0（在国内曾见过 6.0 的演示版，注：ewb5.0 也可以在 windows3.1 环境下 使用，但需安装 wing32 工具） ，相对其它 eda 软件而言，它是个较小巧的软件， 只有 16m，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝 对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎 100地仿真出真实电路的结 果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、 数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体 管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部 模块导入，在众多的电路仿真软件中，ewb 是最容易上手的，它的工作界面非常 直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很 熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的 eda 工具，许多电 路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数， 只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直 接从屏幕上看到各种电路的输出波形。ewb 的兼容性也较好，其文件格式可以导 出成能被 orcad 或 protel 读取的格式，该软件只有英文版，在中文版的 windows98 下它的一些图标会偏移两个位置（在 windows95 下正常） ，但不影响它 的使用，由于 ewb 的容量小，而且直接拷贝到别的机子上就可以使用， ewb 是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电 子实验室，英文全称为 electronics workbench。ewb 是加拿大 interactive image technologies 公司于 1988 年开发的，自发布以来，已经有 35 个国家、10 种语言的人在使用。ewb 以 spice3f5 为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信 号方面的仿真功能。spice3f5 是 spice 的最新版本，spice 自 1972 年使用以来， 已经成为模拟集成电路设计的标准软件。ewb 建立在 spice 基础上，它具有以下 突出的特点： 采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 17 制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取； 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 ewb 软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。 作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 ewb 还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验 室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器 测量方法 3 3. .2 2 计计数数器器和和双双d d 触触发发器器介介绍绍 3.2.13.2.1 74hc402074hc4020 1414 位二进制串行计数器位二进制串行计数器 图 3.5 74hc4020 计数器引脚图 由 14 个主从触发器构成，其中 12 级输出有引出端；每个触发器的输出馈入到 下一个出发器，每个触发器的输出频率是前面一个触发器输出频率的一半；时钟 输入端负跳变时，计数器的状态前进一步，复位是异步的。 功能表: 表 3.1 74hc4020 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 18 时钟复位输出级 l 不变 l 进到下一级 xh 所有输出为 l 3.2.23.2.2 c4013-c4013-一双上升沿一双上升沿 d d 触发器触发器 简要说明: cc4013 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的 数据、置位、复位、时钟输入和 q 及error!error!输出。此器件可用作移位寄存器，且 通过将error!error!输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发 时，加在 d 输入端的逻辑电平传送到 q 输出端。置位和复位与时钟无关，而分别 由置位或复位线上的高电平完成。 cc4013 提供了 l4 引线多层陶瓷双列直插(d)、熔封陶瓷双列直插(j)、塑料 双列直插(p)和陶瓷片状载体(c) 4 种封装形式。 引出端符号 1d2d 数据输入端 1cp2cp 时钟输入端 1sd2sd,1rd2rd 直接复位端 1q2q 原码输入端 1error!error!2error!error! 反码输入端 vdd 正电源 vss 地 推荐工作条件： 电源电压范围：3v15v 输入电压范围：0vvdd 工作温度范围： m 类：-55125 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 19 e 类：-4085 极限值： 电源电压：-0.5v18v 输入电压：-0.5vvdd+0.5v 输入电流：10ma 储存稳定：-65150 逻辑符号： 图 3.6 cc4013 逻辑符号 逻辑图： 图 3.7 cc4013 逻辑图 功能表： 表 3.2 c4013 功能表 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 20 输入输入输入输入输出输出 cpdrsq llllh hllhl xll 保持保持 xxhllh xxlhhl xxhhhh 静态特性： 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 21 表 3.3 静态特性工作表 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 22 动态特性（ta=25）： 表 3.4 动态特性工作表 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 23 4 4 系统保护方案的设计系统保护方案的设计 4 4. .1 1 保保护护方方案案的的原原理理框框图图 图 4.1 系统保护方案的原理图 4 4. .2 2 传传感感器器及及信信号号检检测测电电路路设设计计 4.2.14.2.1 传感器部分传感器部分 我们知道，在控制与保护电路中，提取信号和怎样提取信号是非常重要的， 不能提取正确反映电机运行状态的信号，就不能对电机进行正确的控制和适当的 保护。因此，提取信号是电机保护的一个重要环节。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 24 下图所示是我们采用的提取信号的方法，也就是系统的传感器部分。 图 4.2 传感器电路 用电流互感器来感应电机上的电流大小。设变比为 10：1，即当流过电机的 电流为 50a 时，感应端产生的电流为 5a，再通过电流电压变换器，将 5a 的电 流转换为 3v 左右的交流电压。这样就完成了提取信号的功能。 传感器部分主要由电流互感器、电流电压变换器、整流滤波电路构成，共三组。 电流互感器可根据不同功率的电动机按标准系列选取。电压电流变换器把电流互 感器给出的电流信号变换成合适的电压信号，再经过桥式整流、电容滤波变换成 比较平稳的与三相电机的电流大小成比例直流电压信号，然后送给由运算放大器 构成的比较器与基准电压进行比较。 在实际的电路设计中利用了运放的比较功能来实现大功率电机工作中的电流 实际值与限定的额定值进行比较。 4.2.24.2.2 信号检测电路部分信号检测电路部分 信号检测电路由运算放大器构成的迟滯比较器组成。三个比较器为一组，其 输出端与电源 uc、电阻 r1相连构成“与门”电路，如图所示： t 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 25 图 4.3 信号检测电路 比较器： 在模拟信号的处理中，有时要比较和判别两个信号的大小。比较器的作用， 就是将两个模拟输入信号进行比较，输出一个二进制值。 对理想的比较器，当 vpvn 时，同相比较器输出高电平，当 vpvn 时输出低电 平。反相比较器则相反。下面以同相比较器为例，说明实际比较器的特性。 图 4.4 同相比较器 比较器特性： r1 r1 r1 r1 ucc ucc ucc uo1 uo2 uo3 uo4 ucc ucc ucc a b c d ucc 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 26 理想比较器意味着在输出过渡期间，比较器的增益无穷大，当其增益为 av 时， 实际比较器的电压传输特性如图 4.5 所示。 对同相比较器其数字表达式为： 图 4.5 同相比较器特性 实际的比较器的性能主要用下列参数描述： 分辨能力或临界敏感值； 输入失调电压； 速率或传输延迟时间; 输入共模范围比较器的分辨能力定义为 v=(voh-vol)/av=vih-vil (4-2) 式(4-2)中 av-比较器增益，即过渡曲线的斜率。 比较器的输入失调电压 uos，定义为当 vp 和 vn 相连时，为使 uout 等于零而 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 27 在输入端所加的电压值如图 4.6： 图 4.6 比较器的失调电压 vos 比较器的传输延迟时间，表明输入达到一定值后，输出状态改变的快慢程度， 由输入激励和输出响应得延时 tp 来度量。tp 为 0.5（vih+vil）的时间,如图 4.6 所示。比较器的输入共模范围是指在这个范围内，比较器能连续输入电压值。 图 4.6 同相比较器的时间响应 图 4.7 同相比较器的时间响应 4 4. .3 3 保保护护电电路路及及起起停停控控制制电电路路设设计计及及工工作作原原理理 信号传递控制电路主要由非门、与非门、计数器、或非门、d 触发器等构成； 起停控制主要由光电耦合器等元件等构成。如图： 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 29 uo2 uo3 uo1 q1 c d c c q1 1 1 ucc 1 r 1 r r s q14 q14 d c r s q 1 1 1 r s dq 1 q s 1 1 ucc 1 ud c 1 1 cp 脉冲 至断相指示电路 至起动指示电路 至过载指示电路 f1 f4 f3 f5 1 c1 c2 3 2 4 5 10 7 8 13 16 17 14 1 2 8 5 6 7 10 13 4 1 2 3 uo4 s q 1 1 f2 9 r q d 1 9 至短路指示电路 6 11 15 11 12 c r c 3 d 1 2 sb1 sb2 12 至欠载指示电路 1 复位脉冲 至主控电路 1 1 复位脉冲 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 30 图 4.7 起停电路及保护电路 工作原理： 首先上电复位，高电平有效。d 触发器 f1、f2、f3、f4置“1” ，f5置“0” 。计 数器 c1、c2置“0” 。非门 14 输出为“0” 。电路做好电机起动准备。 按起动按钮 sb2，通过 d 触发器 f5的 q 端使起动指示电路的指示灯亮。端q 输出通过非门 13、与非门 12、非门 15、与非门 10、非门 14 和主控电路使电机起 动。光电耦合器 2 的输出至与非门 7、与非门 8、与非门 9、与非门 11 的连线是 任何原因停机后再起动的起动信号线，且使其它 d 触发器保持初始状态。光电耦 合器 2 的输出至与非门 3 的连线是确保在电机起瞬间 c1输出为“0” ，防止因电机 起动电流远超过额定电流而出现假过载信号传送。 欠载信号由 a 组比较器进行检测。检测出的欠载信号经非门 1、与非门 1 送 至计数器 c1的 r 端。计数器 c1作为欠载信号延时控制器，当 r 端接收到欠载信号 后，在时钟脉冲的作用下开始计数延时，至预定时间把信号经或非门 1 送至 d 触 发器 f1，f1的 q 端输出的欠载信号通过非门 12 送给欠载报警电路报警，其端把q 欠载信号一路通过非门 11 经与非门 12、非门 15、与非门 10、非门 14 送给主控 电路使电机断电，一路送回或非门 1 的另一输入端，实现欠载信号的锁定。 既要充分发挥电机的过载能力又要对电机进行有效保护不至损毁电机，可以 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 31 选择几组比较器对过载信号进行分级检测实行保护，以提高过载保护的反时限特 性。为了说明过载保护原理,图中设二级保护，即过载信号由 c 组和 d 组比较器进 行检测。要求每组比较器根据电机过载能力进行整定，力求保护准确。轻度过载 可以通过延时控制电路时间长些切断主电路和发出报警信号。严重过载，时间短 些切断主电路和报警。例如 d 组比较器检测到轻度过载信号，该信号经非门 4， 与非