实用电动机保护装置设计.doc

本科毕业论文（设计） 实用电动机保护装置设计系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 年月日V目录摘要IIIAbstract第1章 绪论11.1前言11.2方案设计21.3设计任务与要求3第2章 主要元器件工作原理概述52.2 三极管的结构及原理特性62.3 电流互感器的介绍82.3.1电流互感器基本原理82.3.2电流互感器的使用92.4 鉴幅器电路概述11第3章 总体方案的设计143.系统的基本原理及主要电路组成143.2直流电源的设计153.3电机正常启动电路的设计163.3.1电机正反转控制电路163.3.2交流继电器电路183.4交流电源断相保护电路部分设计193.4.1电路基本组成及原理193.4.2电路的工作过程203.5 电机过流保护电路设计203.5.1过载保护鉴幅器电路233.5.2 短路保护鉴幅器电路243.6 总电路的设计243.7元器件的选择253.8系统的仿真调试26第4章 总结29参考文献30致谢31附录1 总电路图32附录2 元器件清单33实用电动机保护装置设计摘要 如今各种机械都应用电动机来拖动，电动机是生活不可或缺的动力转换装置。保证电机设备正常工作，解决电机的断相、过流等故障问题，以致保证日常生活、经济生产的正常，对电动机保护装置的设计，是十分必要和有意义的。电子电路技术日趋成熟，设计电动机保护技术，很好地解决电动机的断相，过流等问题，使得电动机更加实用。本设计采用三极管，晶闸管等元器件的通断控制继电器触点闭合与断开，以电流互感器作为检测三相电流元器件的电子电路控制电机，完成系统直流电源、电机断相保护电路、电机过流保护电路、电机正常启动电路的设计等各个电路的设计。此保护装置主要功能:当电动机发生断相，自动检测并切断电源；当过流发生时，切断主电路，发出报警信号，从而提高了电动机的安全性，减少故障隐患。为了避免电动机在启动时，瞬间的电流过大而造成误动作，采用延时电路来保证电机的正常运行。关键词：电流互感器，检测，实用，保护。Practical Motor protection deviceAbstractNow many kinds of machines use electromotor to work. As a result, electromotor became an indispensable tool for conversion device in work.For the works in peoples live and economic production, it is necessary and important to solve the phase failure, over current or other problems, so, the protecting technology of electromotor become meaningful and useful.As the Circuit and Electronic Technique growth matures the protecting technique can solve the phase failure and over current so that electromotor is more useful. This system controls switch work of relay contact via the on-off state of component such as triode and the SCR .By Current Transformer, the system also controls electromotor via the detection of three phase current to achieve the much circuit design, such as the protection of system DC and phase breaking, current of circulation protection, normal starts of motor and so on.The functions of this protection system as follow: first, it will automatic detection circuit and cut off power supply when the motor broke phase; second, it will give a alarming cut off main circuit and to complete protection of motor; third, in order to avoid malfunction output when the motor starts, it uses time-lapse circuit to protect the normal operation of the motor. Key words: Current Transformer, test, useful, protection.第1章 绪论1.1前言电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。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展的阶段。由低级到高级、由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。虽然电动机保护已发展到了微电子时代，但我想，电动机保护的课题将永远不会停止，仍然需要我们百倍努力，仍有大量的工作等着我们去做，电动机保护成长之路还很漫长，我们期待着电机保护行业的健康发展。目前国内电动机保护器的状况大概可分为以下几种：（1）热继电器是五十年代初引进苏联技术开发的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性能和结构简单的特点。但存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，扫膛、堵转、长期过载；频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。 (2)温度继电器是采用双金属片制成的盘式或其他形式的继电器，具有结构简单、动作可靠，保护范围广泛等优点，但动作缓慢，返回时间长，3KW以上的三角形接法电动机不宜使用。目前在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面大量使用。温度继电器与热继电器不同。温度继电器是装在电动机内部，靠温度变化时期动作的。而热继电器装在动力线上，靠电流热效应动作的。 (3)电子式电动机保护器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。a.电动机保护器（电机保护器）是以检测线电流的变化（包括采取、正序、负序、零序和过流）为原则，可检测断相或过载信号。除具有断相保护功能外，还具有过负荷、堵转保护功能。 b.智能保护：集保护、遥测、通讯、遥控与一体的电动机保护装置，对电动机发生断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障时实现保护，还具有电流电压显示，时间控制，软件自诊断，来电自恢复，自启动顺序，故障记忆，自锁和远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用代号闪烁示警，配置RS485通讯接口，实现计算机联网。理想的电动机保护器不是功能最多，也不是所谓最先进的，而是应该最实用的。那么何为实用呢？实用应满足可靠、经济、方便等要素，具有较高的性能价格比。那么何为可靠呢？可靠首先应满足功能的可靠，如过电流、断相功能必须对各种场合、各种过程、各种方式发生的过电流、断相均能可靠的动作。其次自身的可靠（既然保护器是保护别人的，尤其应具有很高的可靠性）必须具有对各种恶劣环境的适应性稳定性、耐久性、经济性：采用先进的设计、合理的结构，专业化、规模化的生产，降低产品成本，给用户带来极高的经济效益。方便性：必须在安装、使用、调整、接线等方面，尽可能的简易方便，达到这几个要求是我们本次研究的意义所在。三相交流异步电动机的故障检测中直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利。本实用的原则，此系统装置采用基本的电子元器件构成简单的电子电路来实现电动机基本的故障功能保护。1.2方案设计三相异步电动机在运行过程中经常发生电断相，过流的故障，解决这些问题是确保经济生产的正常的必要工作。目前市面上有各种各样对电动机的保护方法且日趋成熟，其设计的方向大致于方便实用，简单经济，这样既节约经济，又符合大众的使用需求。针对三相异步电动机断相，过流的原因，一般采用的保护技术有过流保护和断相保护，其中由电子电路技术构成保护电路最为实用和不可或缺的。三相异步电动机的断相保护是异步电动机在正常运行时，如果电源任一相突然断路，电动机就处于断相运行。此时电动机实际上是在缺相电源下运行，电动机定子电流会增大，转速要下降甚至会堵转，时间一长就会烧坏电机。引起电动机断相运行的原因很多，如熔断器一相熔体烧断，电动机绕组一相断路、一相接触不良或松脱，电源一相线路断开等，其中尤以熔断器一相烧断的情况最为常见。断相运行时，通常可以根据电流或电压发生的变化特征检测出断相信号来构成断相保护装置。采用电流互感器作为相电流的检测装置，通过整流滤波，将测得的电压信号通过三极管导通与否，控制中间继电器动作和触发晶闸管的导通而控制蜂鸣器的报警。三相异步电动机的过流保护分为过载保护和短路保护，过流保护是当由于某种原因使得电动机电源电压超过其额定值时，电动机的定子电流增大，使电动机发热增多，时间久了就会造成电动机损坏。如果电压比额定值高很多，则电动机定子电流就会超出额定值许多而可能烧坏电机。短路保护是短路是由于绝缘损坏、接线错误等原因导致电流从非正常路径流过的现象。瞬时短路电流可能达到电机额定电流的几十倍甚至上百倍，如果不能及时切断电源，则有可能造成电机不可修复的损坏，还有可能导致触电、火灾等危险。由电流互感器，单相桥式整流，滤波等构成测量电路来反映运行的电流，电压，通过处理送入鉴幅器电路比较，然后送到由延时特性构成的输出电路，控制中间继电器的动作和触发晶闸管的导通而控制蜂鸣器报警。对于电动机启动，通过晶闸管，继电器的动作和延时电路控制电动机正反转，这样增强电动机的转换性能，能够满足用户的使用需求。1.3设计任务与要求本设计的保护装置是一种具有电动机断相，过流保护功能的装置，当电动机发生断相，自动检测并切断电源，当过流发生时，不但切断主电路，还要发出报警信号，从而提高了电动机的安全性，减少故障隐患。为了避免电动机在启动时，瞬间的电流过大而造成误动作，采用延时电路来保证电机的正常运行。（1）本设计主要分为电动机正反转电路，电机断相保护电路，电机过流保护电路三大主要部分组成。模块流程是各相电流检测，电流电压比较，输出电路（继电器得电或失电、吸合或者断开，故障警报）。（2）本设计功能是当有某相断开或者电动机过流时，电流互感器检测到并通过检测电路转换成电流电压比较信号，控制直流中间继电器和交流继电器的得失电，从而动作控制电动机的转动与否。（3）本设计还增加报警功能使其能及时地通知工作人员和指出故障原因，实现更为实用化的特性；对于电动机的正反转也是使用继电器的断开或者闭合。（4）设计电路中增加时延电路，保证电路不因电流瞬间的变化而产生电路误动作，具有良好的自动保护功能。（5）本设计的特点：能够很好地自动检测电动机的运行情况，满足工作的需求。第2章 主要元器件工作原理概述2.1单向晶闸管的结构及原理特性晶闸管(SCR) 又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等。今天给大家介绍的是单向晶闸管。晶闸管以高阻单晶硅为基本材料制成，单片直径可达数十毫米，采用平面制成PN结，利用电子与空穴两种载流子再生导电机构的原理工作，允许PNP各层有较大厚度,故晶闸管耐高电压，通流能力大，制作中采用特殊寿命控制技术，与离子管相比，它的开关速度更快，功耗低，体积小，节能显著。随着新材料的出现，新工艺的采用，单只晶闸管的电流容量从几安发展到几千安,耐压等级从几百伏提高到几千伏,工作频率大大提高，器件的动态参数也有很大改进。 它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。其结构如图2.1（a,b）所示：a b图2.1晶闸管结构及工作I-U图工作原理，如图B：晶闸管VT在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的控制极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管控制极承受何种电压，此时晶闸管处于反向阻断状态，晶闸管电路不导通2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在控制极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论控制极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，控制极失去作用。4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。5.控制极无电流流过时，而阴阳极之间加上很大的电压超过其击穿电压时，晶闸管将被击穿而损坏。2.2 三极管的结构及原理特性 三极管作为电子技术中主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号, 也用作无触点开关。晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而P是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。设计中仅介绍NPN的结构，如图2.2 所示： N集电区基区发射区PN集电极C基极B发射极E集电结发射结集电极C基极B发射极E 图 2.2三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫 建立偏置 ，否则会放大失真。 在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大转换成电压放大：当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC 在集电极电阻RC的压降也越大，所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低，UC=UB。晶体三极管的三种工作状态 ：截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。 放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数Ic/Ib，这时三极管处放大状态。 饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。 2.3 电流互感器的介绍2.3.1电流互感器基本原理为保证电力系统的安全和经济运行,需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量,以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接接到高电压大电流的电力回路上, 需将这些高电平的电力参数按比例变换成低电平的参数或信号,以供给测量仪器、仪表、继电保护和其他类似电器使用。进行这种变换的变压器,通常称为互感器或仪用变压器。互感器作为一种特殊的变压器,其特性与一般变压器有类似之处,但也有其特定的性能要求。电流互感器,是将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器仪表继电保护及其他类似电器。 I1ZTZC电流互感器外接负载I2I1 一次回路电流I2 二次回路电流ZT 二次绕组阻抗ZC 负载阻抗图2.3.1电流互感器的基本电路电流互感器的一次绕组和二次绕组绕在同一闭合的铁心上,如果一次绕组带电而二次绕组开路,互感器成为一个带铁心的电抗器。一次绕组中的电压降等于铁心磁通在该绕组中引起的电动势, 铁心磁通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次绕组的回路通过一个阻抗形成闭合回路，则二次回路中将产生一个电流，此电流在铁心中产生磁通趋向于抵消一次绕组产生的磁通。忽略误差时，二次回路电流I1与一次回路电流I2之比值等于一次绕组匝数N1与二次绕组匝数N2之比。电流互感器的用途是实现被测电流值的变换。一组电流互感器通常有多个铁心，即具有多个绕组，提供不同的用途。中压的（如10KV级）某些类型互感器可能只有13个二次绕组，而超高压的电流互感器的二次绕组可多达68个。电流互感器的一次绕组通常串接于被测量的一次电路中,二次绕组通过导线或电缆串接仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定的故障条件下,应与一次电流成正比,其比值和相位不超过规定值。电流互感器的额定一次电流和额定二次电流是作为互感器性能基准的一次电流和二次电流。电流互感器按其用途和性能特点可分为两大类:一类是测量用电流互感器,主要在电力系统正常运行时将相应电路的电流变换供给测量仪表积分仪表和其他类似电器,用于状态监视记录和电能计量等用途。另一类是保护用互感器,主要在电力系统非正常运行和故障状态下,将相应电路的电流变换供给继电保护装置和其他类似电器,以便启动有关设备清除故障,也可实现故障监视和录波。测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大一般不能共用。但可组装在一组电流互感器内,由不同的铁心和二次绕组分别实现测量和保护功能。2.3.2电流互感器的使用(1)电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕组应与被测电路串联，而二次绕组应与所有仪表负载串联。(2)按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故。(3)二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起m和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。(4)为了满足测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障记录等装置的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、旁路断路器等回路中均设具有28个二次绕阻的电流互感器。对于大电流接地系统，一般按三相配置；对于小电流接地系统，依具体要求按二相或三相配置； (5)对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的保护区来设置。(6)为了防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。(7)为了减轻发电机内部故障时的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装在发电机中性点侧。电流互感器利用变压器原、副边的电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。副边的电流接近于短路，所以原、副边电压U1和Uc2都很小,励磁电流I0也很小。 电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相，三相星形和不完全星形（图2.3.2a、b、c）。 A B CA A B CA A B C仪表A A A W ha b c 图2.3 电流互感器与测量仪表的连接额定变比和误差互感器的额定变比KN指电压互感器的额定电压比和电流互感器的额定电流比。前者定义为原边绕组额定电压U1N与副边绕组额定电压 U2N之比；后者则为额定电流I1N与I2N之比。即 KNU1N/U2N （对电压互感器） KNI1N/I2N （对电流互感器） 电压（或电流）互感器原边电压（或电流）在一定范围内变动时,一般规定为0.851.15U1N（或10120%I1N）,副边电压（或电流）应按比例变化,而且原、副边电压(或电流)应该同相位。2.4 鉴幅器电路概述电路电流或者电压的检测需要提供一个基准值，用来与检测到的信号值比较，得到指令影响电路电流的导通与否，如本设计使用过流电路检测的鉴幅器组成的电路，从而达到控制电路电流动作，下面主要介绍鉴幅器的作用和组成：鉴幅器的作用和组成：鉴幅器实际是一个具有一定门限的开关电路，主要是判别被检测量是否已达到或超过约定值。由变换电路送来的信号如幅度、频率、宽度、相位等与鉴幅器所设定的门限值相比较，使鉴别器输出开关信号。其要求：提供稳定的门限值，有时还要求门限值可调；有较高的灵敏度，即当被鉴信号达到门限值时，鉴别器取用很小的信号电路；输出信号有较好的开关特性和所需的回差。鉴幅器主要是对直流或者脉冲信号的幅值进行鉴别。交流信号一般须先检波然后鉴幅。鉴幅器由电压比较环节和开关电路两部分组成，这两部分一般在同一电路中。鉴幅器提供一个基准电压，此基准电压应基本不受电源电压或环境温度的影响，由此基准电压和鉴幅器的其他部分组成鉴幅器的门限电压为“动作” 电压UD，释放（复位）时的门限电压为“释放” 电压UF。鉴幅器有两种形式：一种是无回差鉴幅器，即UD=UF；另一种是有回差鉴幅器，即UDUF。本电路中一个是无回差晶体管串联比较式鉴幅器如图2.4(a），一个是有回差鉴幅器-施密特触发器如图2.4.1(b):(a）晶体管串联比较式鉴幅器 (b) 施密特触发器图2.4.1对于晶体管串联比较式鉴幅器电路，当UDUX(检测到的信号)时，晶体管VT1饱和导通、VT2截止，继电器KA处于释放状态；UDUF，因此给直流放大器以适量深度的正反馈即成为具有一定门限电压和释放电压的有回差鉴幅器。但反馈不应过深，以避免使电路成为具有记忆功能而不自动复位的双稳态触发器。施密特触发器是一种典型应用广泛的有回差鉴幅器，也是射极耦合触发器。是正反馈式电路如图2.4(b)所示。该电路的门限电压主要是集电极电流在RE上的压降。门限电压和释放电压的计算在原则上准许有一定的偏差，但偏差不易过大且门限电压的偏差值取上限，释放电压的偏差值取下限。门限电压 UD=UBE1+UCC.RE(1/RC1+1/RC2);释放电压UF= UBE1+ UCC.RE/ RC1。回差电压 UD-UF= UCC.RE/ RC2电路中的门限电压和释放电压及输出电压关系如图2.4.2所示：UXFUXFF输入输出UOUDUFFFFDFFFD鉴别器图2.4.2鉴幅器的门限值由电路的元件值选用的不同而异，作为电压幅值的鉴别在一定范围受到温度影响可以忽略，因此对电路的改良可以增加温度补偿功能。第3章 总体方案的设计 3.系统的基本原理及主要电路组成系统总体设计框图如图3.1所示，整个系统由主电路正反转电路，断相、过流电路，输出继电器、报警电路组成，电动机三相主电路中接入交流继电器动合触点，通过电流互感器作为检测三相电流情况装置，当三相线路发生断相或者过流时，电流互感器检测出信号，然后输入断相或过流检测电路，再送到输出电路，引起直流继电器动作和报警器报警，从而引起三相电路中的交流继电器断开，电动机停转，使其得保护。三相交流电380V电动机主电路三相异步电动机M正反转电路断相保护电路过流保护电路输出电路继电器动作报警交流继电器动作电动机停转变压、整流、滤波、稳压组成检测电路交流继电器KM图3. 总体流程图3.2直流电源的设计如图3.2.1，220V交流电变压器T1降压，桥式整流器整流UR1, 电解电容C1滤波,限流电阻R1 稳压器二极管Z1稳压,最后得到电路要求的MN两端的+12V稳定直流电源，为断相检测保护电路提供电源。T1为左边电压与右边电压之比为220/15，经过桥式整流，电容滤波后的电压UO=1.2U=1.215V=18V.R1分压后，经过12V的稳压管VZ1稳压，得到12V电压。经过交流电变压器T1变压，全桥式整流将交流电压220V变成单向脉动的直流电压，而输入电容C1是一个的滤波电容器，它的作用是在电源整流电路中，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。再由限流电阻和硅型稳压管VZ1组成的稳压电路接到负载上，这样负载电路就可得到比较稳定的电压，满足题目要求。图3.2.13.3电机正常启动电路的设计3.3.1电机正反转控制电路电动机正常启动可以由正反转控制电路和继电器电路来实现功能。先介绍正反转控制电路，其由变压器整流后直流电源MN提供12V电压，该电路采用晶闸管作为无触点开关，通过直流中间继电器K的通断，其动断及动合触点K的断开与闭合实现三相线路的转换，从而达到控制电动机的正反转的目的。由C2，RP1，VT1组成的延时电路来触发晶闸管VS1通断，使得电路转换的安全可靠性。其三相电路中，晶闸管VS4、VS5及VS6、VS7用作正转控制，VS2、VS3及VS8、VS9用作反转；选用较大电阻RS1、RS2、RS3、RS4和电容CS1、CS2、CS3、CS4用于三相电路中大功率晶闸管保护。如图3.3.1（a,b）所示： （a）直流继电器电路 （b）三相交流正反转控制电路图3.3.1正转主电路工作情况如图3.3.2（a,b）所示： (a)L1相为例，正半周 （b）L1相为例，负半周图3.3.2如图所示，当K未得电吸合时，正转晶闸管VS4、VS5及VS6、VS7控制极经二极管VD3、VD4、VD5、VD6、限流电阻R4、R5和继电器K动断触点K，获得触发电流而导通，电动机正转运行。以L1相为例，正半周时，VS5导通，其触发电流和主电流如图所示；负半周时VS4导通，其触发电流和主电流如图所示。反转主电路与正转主电路基本相同，只是K得电吸合，其动断触点K断开，而动合触点K闭合，使VS2、VS3及VS8、VS9截止，而VS4、VS5及VS6、VS7导通。启动三相电路开关QS，中间继电器K的动断触点保持三相电路的导通，电动机正转；当按上反转按钮SB3时，C2充电后向VT1放电，使VT1饱和导通，从而触发晶闸管VS1导通，驱动中间继电器K，其动断触点断开，动合触点闭合，三相电路切换电动机反转：只要将直流控制继电器中的正转按钮按下，继电器K失电，电动机恢复正转。通过电位器RP1和电容C3来控制切换的延时时间。3.3.2交流继电器电路交流继电器电路是控制电动机通断的主要电路，由停止按钮SB1、启动按钮SB2、220V交流继电器KM及其自锁动合触点、三相交流动合触点和直流继电器KA1，KA2的动断触点组成，如图3.2.3所示： 图3.3.3 热继电器FR常闭触点，停止按钮SB1,启动按钮SB2和交流继电器的动合常开触点、直流继电器KA1，KA2的动断常闭触点并联，然后接入交流继电器KM，连接三相交流电的两相形成回路。三相主电路接交流继电器的动合触点KM和热继电器FR，由此通过控制继电器KM的通断来控制电动机住电路的通断，达到控制电动机停转启动。而交流继电器KM的通断又由断相、过流保护电路中的直流继电器KA1、KA2的动断常闭触点控制，只要控制直流继电器KA1、KA2就可以达到要求。3.4交流电源断相保护电路部分设计在三相380V电动机运行中缺一相电源后，变成两相运行，若运行时间过长则有烧毁电动机的可能。此设计的断相保护电路，采用的是以一相电流为零时，互感器次级线圈的电压变化来实现信号的检测，输出电路是由三极管VT5集电极接继电器KA1，报警扬声器通过单向晶闸管VS11控制，而其控制极接到三极管的发射极，达到联合反应。电路图如图3.4.1所示： 图3.4.1 断相检测保护及报警电路3.4.1电路基本组成及原理以线电流为零作为原则的断相保护电路，当电动机出现断相故障时，故障相电流为零。该电路每相均为独立的I-U变换器和检波器，各相信号经晶体管反相器、二极管或门电路送到输出电路。三相中任何一相线电流为零时，输出继电器KA1均能延时动作。由三个电流互感器TA1、TA2、TA3检测到的电流信号，并转换为电压信号，经单桥VD9、VD10、VD11整流,C4、C5、C6滤波后输出三个直流电压，分别加在VT2、VT3、VT4的基极和发射极间,而其集电极与发射极电压由经过电阻12V直流提供。信号经三只三极管放大后接到由二极管VD12、VD13、VD14组成的或门电路。由或门电路控制三极管VT5的导通或截止，从而控制直流中间继电器KA的吸合或释放。利用电容C7的充电过程得到延时，以避免电动机因接触器闭合不同步造成误动作；在电路右边MN两端提供从直流电源来的12V电压，电阻R17和稳压管VZ2组成的稳压电源，为VT5提供射极基准电位，以提高保护电路电路的可能性。通过单相晶闸管VS10的控制极接到三极管VT5的发射极来控制晶闸管通断，从而达到控制扬声器SPEAKER 1的报警与否。电流互感器TA2、TA3、TA4可选择两边压降比为220/9，整流、滤波后经电阻R7、R10分压，其阻值之比约为90/7，基极提供约IB=0.04mA电流，各三极管均可以选用电路放大系数为50，集电极电流约为2mA,为此晶闸管VT5触发电流约为2mA。由于是以电流为零的检测原则，若三相异步电动机是星型接法，此功能将有可能不能实现，所以此装置仅适合三角形接法的三相异步电动机。3.4.2电路的工作过程合上电源开关QS，按下启动按钮SB2，交流继电器KM得电吸合并自锁，电动机启动运行。三个电流互感器TA2、TA3、TA4次级感应电压二极管VD9、VD10、VD11整流和电容C4、C5、C6滤波后，产生直流电压分别加到三极管VT2VT4基极发射极上，均导通，集电极均处低电位，由二极管VD12、VD13、VD14组成的或门电路关闭，三极管VT5截止，中间继电器KA处于释放状态，其动断触点KA1保持闭合。当电源缺一相时，该相电流互感器次级无电压，相应的三极管截止，使该管的集电极变成高电位，或门电路打开，经一定时间延时（由电容C7、电阻R17组成延时电路），三极管VT5导通，KA1得电吸合，其动断触点KA1断开，交流继电接触器KM失电释放，电动机M停转；同时晶闸管VS10触发导通，扬声器SPEAKER 1工作报警，提醒工作人员电动机故障。3.5 电机过流保护电路设计过载和短路保护电路属于过流电路保护电路，在过载情况下具有延时保护特性和在短路情况下具有瞬时保护特性。为过载和短路保护继电器的基本组成框图，如图3.3.1所示：过载测量电路鉴幅器延时电路输出电路跳闸信号短路图3.5.1测量电路用来反映被保护对象的运行电路、电压、阻抗或电流与电压间的相位差，通过测量电路的处理，在送入鉴幅器。对过载和短路保护电路来说，测量电路由I-U变换器、整流电路、滤波电路及整定电路构成，它将被保护的对象的交流电流转换为与之成比例的适用于电子电路工作的直流电压信号。如将电动机主回路的交流电流i首先经I-U变换与电流有线性关系的交流电压，再经整流得到脉动u，再整流得到脉动电压，最后经滤波器及整定电路输出直流电压给鉴幅器，鉴幅器由电压比较和开关电路两部分组成，从测量电路输入的直流电压信号在鉴幅器中与门限电压进行比较，以识别电动机的运行状态和故障性质，再根据故障性质，发出延时动作信号或瞬时动作信号。本设计过流保护采用的是一相式电流互感器检测电路，整流滤波电路I-U转换器的输出交流电压u2进一步变换成平滑的直流电压，以便于鉴幅器的门限电压Ud比较，达到准确测量的目的。经桥式整流电路UR整流和滤波电容C平滑滤波后的电压Ufx，由整定电路输出Ux与鉴幅器的门限电压Ud进行比较。其中RP为整定可变电阻器，用来调整整定电流。如图3.5.2（a,b） (a)电流互感器测量电路 (b)输出电压波形与鉴幅器回差值关系图3.5.2若Ux的直流电压含有较大的交流分量，则在临界动作状态时，鉴幅器会有抖动现象。此时只有增大鉴幅器的回差电压，在门限电压Ud一定的条件下降低释放电压值Uf，使回差电压大于信号电压的峰值，图（b）中Ud-UfUxmax-Uxmix，才能使鉴幅器稳定地工作。一般要求的脉动系数范围为5%-10%。通过加大滤波电容C的电容量可以减少脉动系数。该电路的过流保护包括短路保护和过载保护两部分组成，短路和过载共用一个测量电路，而用不同门限电压的鉴幅器进行鉴幅，然后由二极管VD17、VD18组成或门电路控制同一个输出电路。电流互感器TA5依然选用压降比为220/9，桥式整流，通过由C8、C9、R19组成的型滤波后，调整可变电阻器RP2得到电动机正常工作测量电压Ux接近1.7V, 门限电压Ud设定约为1.7V。测量电路，I-U变换器(电流互感器TA4及其内阻)及检波采用桥式整流器UR2和型滤波电路（由电容C8、C9、电阻R12及可调电阻RP2组成），输出电路是由三极管VT10集电极接继电器KA2，报警扬声器通过单向晶闸管VS11控制，而其控制极接到三极管的发射极，达到联合反应。过流保护的电路图3.5.3所示：图3.5.33.5.1过载保护鉴幅器电路 其组成及工作过程如下：如图3.2.8所示，过载保护鉴幅器由R22、R23、VD16组成的分压比较电路和VT6、VT7组成的射极耦合触发器所构成。门限电压UAO约为1.7V。电动机正常工作时，A点电位小于门电压UAO，VT6截止，VT7导通，使VD18导通，并将电容C11短接，时限电路不工作。当电动机出现过载时，测量电路的输出电压UX升高，A点电压达到门限电压UAO时，射极耦合触发器翻转为VT6导通、VT7截止，二极管VD18截止，电容器C11开始充电，C点电位上升，经过一段时间后，使VT8变为导通，VT9截止，VT10导通，继电器KA2得电动作，其动断触点KA2断开，交流继电器KM失电，其接触器断开，电动机三相电路断开，电动机停转；同时从VT10的发射极触发晶闸管导通，扬声器SPEAKER 2得电报警，提醒工作人员电动机故障。时限电路由时间整定电位器RP3、充电电容C11、晶体管VT8及电阻R32等组成。为满足长延时的需要，选用较大的电阻（RP2+R21+RP3）和电容C10以延长动作时间。由于供给VT8的基极较小，不能直接驱动直流继电器KA2，因此在VT8之后增加两级反相器VT9、VT10,增加集电极电流驱动继电器KA2，并进一步改善开关特性。电路右端MN提供12V直流电源。图3.5.4 过载保护电路和短路保护组成3.5.2 短路保护鉴幅器电路 如图3.5.4所示，短路保护环节所有的鉴幅器由R20、R22组成的分压比较电路和稳压管VZ3、电阻R32、二极管VD17、晶体管VT8构成，其门限电压UBO = UVZ3+UVD17+UBE8+UR32。 当电动机正常或过载运行时，由于分压值UBX小于门限电压UBO，短路保护环节无反应。当电动机出现短路故障时，电流超过短路环节的整定值，使UBXUBO，使VT8导通，VT9截止，VT10导通，直流继电器KA2瞬时导通并发出跳闸信号，使交流继电器失电，三相电路中交流接触器KM断开，电动机停转：同时从VT10的发射极触发晶闸管VS11导通，扬声器SPEAKER 2得电报警，提醒工作人员电动机故障。3.6 总电路的设计本设计的总电路框架（如附录1所示）主要由三相交流电动机主电路、正反转控制电路、电机断相保护电路和电机过流保护电路组成，其工作过程大致是合上三闸开关QS，按下启动按钮SB2，交流继电器KM得电，其动合触点KM闭合并自锁，其在三相电路中的接触器KM闭合，电动机正转启动，电动机正常运行；若要切换到反转时，按下反转按钮SB3，经过电路短暂延时直流继电器K得电，其动合和动断触点K均动作，电动机由正转转换为反转，按下按钮SB3由反转经短暂延时转换为正转。当三相电路中的某相过流或者断相，即电动机出现过流或者断相时，通过电流互感器检测到过流或断相信号，送入过流或者断相鉴别电路进行鉴别，然后输出到直流继电器KA1、KA2,其动断触点KA1、KA2断开,KM失电，交流接触器KM断开，电动机停转，并且通过扬声器SPEAKER 1、SPEAKER 2报警。3.7元器件的选择（1）单向晶闸管VS2VS9选用3CT100A作为三相交流电路中的开关控制；VS1、VS10、VS11选用CW12型号作为直流电路中的开关控制。（2）晶体三极管VT1、 VT6VT7选用3DG6型硅NPN管，VT2VT4选用3DG12型或C8050型硅NPN管，VT5、VT8VT10选用S8050型或3DG8050型硅NPN管。（