（机械电子工程专业论文）矿井电机保护及监控网络的设计与研究.pdf

论文题目：矿井电机保护及监控网络的设计与研究 专业：机械电子工程 研究生：余道洋( 签名) 指导老师：郭卫( 签名) 摘要 煤炭行业生产环境恶劣，矿用设备技术水平相对落后，设备损坏率较高，电气设备 必须符合防爆标准。国内大多数矿井仍然使用j d b 系列保护器，该型号保护器对电机的 保护采用反时限原理，保护不够准确，更谈不上电机过载数学模型、实时参数显示、故 障记忆以及网络等功能。 本文在阐述了矿用电机保护技术及监控系统研究的现状及发展趋势的基础上，根据 矿井环境特点，设计开发了矿用电机保护器及监控网络。矿用电机保护器的设计以a v r 单片机为核心，保护器的设计重点解决以下几个问题：首先，为了解决保护器信号采集 的非线性和检测死区的问题，设计了精密整流电路；其次，为了提高信号抗干扰能力， 设计硬件滤波和数字滤波器；最后，通过建立电机热模型和热模型的仿真和计算，推导 出故障算法的简化公式，运用函数拟合的方法诊断出电机故障。在智能电机保护器基础 上，搭建了以保护器为监控终端、c a n 总线为传输网络以及利用l a b w i n d o w s c v i 为监 控界面开发软件的监控网络。 设计和研究工作在理论和方法研究的基础上开发出了实际产品，并对产品进行了实 验室实验、综合性能测试、国家级检测中心检测等工作。通过实验和检验，验证了电流 采样电流设计是合理的，信号滤波方法是可行的，简化的故障算法是正确的，同时保护 器整机的设计性能是稳定可靠的。在实验室成功调试了整个监控系统，证明监控网络设 计思路基本合理和可靠。 本文的研究工作为矿井电机保护及监控技术提供了一种行之有效的思路和方法，所 得结论不仅对电机保护及监控技术的发展有重要意义，而且对该领域的研究工作具有一 定参考价值。矿井电机保护以及监控方法得出的思路和经验，对矿井相关技术研究有一 定的借鉴之处。 关键词：煤矿；电机保护器；热模型；c a n 总线；l a b w i n d o w s c v i 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fm i n em o o rp r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gn e t w o r k s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i ee n g i n e e r i n g n a m e：y ud a o y a n g i n s t r u c t o r ：g n ow e i a b s t r a c t ( s i g n a t u 叫罐妈l ( s i g n a t u r 9 l ；乙重呈垒三：! ! i 三| - t h ed a m a g er a t i oo f e q u i p m e n t si nt h eb a de n v i r o n m e n to f m i n ei sh i g h ，1 1 圮e l e c t r i c i t y e q u i p m e n t sh a st ob em a t c h e df l a m e p r o o fs t a n d a r d ，s ot h et e c h n i c a ll e v e lo fm i n e r a l e q u i p m e n t si sp o o r t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n tm u s tc o n f o r mt oa n t i - e x p l o s i v es t a n d a r d , f o ri nc o a li n d u s t r y , t h ee n v i r o n m e n to f p r o d u c t i o ni sp o o r , t h et e c h n i c a ll e v e lo f d e v i c er e l a t i v e l yl a g sb e h i n da n d i t sd a n l a g er a t i oi sh i g h a st ot h et e c h n o l o g yo f m o t o rp r o t e c t i o n , t h es e r i e so f j d b p r o t e c t o r e x p l o i t e di nt h eb e g i n n i n go f1 9 8 0 s , w h i c hi sd e v e l o p e db yt r a n s i s t o ra n a l o gd e v i c ea n d t a k i n gt h ei n a c c u r a t ei n v e r s et i m el a gp r i n c i p l ew i t hn oo v e r l o a dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m o t o r , r e a lt i m ep a r a m e t e rd i s p l a y , b r e a k d o w nm e m o r yo rn e l 、j l ，o d 【f u n c t i o na st h em o t o r p r o t e c t i o nh a sb e i n gu s e di nm a n ym i n e s t h es t a t u sa n dt r e n do fp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo fm i r em o t o ra n dt h er e s e a r c h0 ni t s m o n i t o r i n gs y s t e mi s 叩m d e d i nt h ep a p e r t h en e c e s s i t yo f t h er e s e a r c ho np r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m o fm i n em o t o ri sd i s c u s s e d t h ei n t e l l i g e n tm o t o rp r o t e c t o ra n dm i n e m o t o rn e t w o r ks u r v e i l l a n c ei sd e s i g n e d t h ec o 聆o ft h em o t o rp r o t e c t o ri sd e s i g n e dw i t ha v r s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r i n o r d e rt oa d a p tt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no f m i n e ，t h ef o l l o w i n ga s p e c t sh a sb e e ni m p r o v e d ：t h e p r e c i s i o nr e c t i f i c a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e dt or e s o l v et h ep r o b l e m so f n o n l i n e a r i t ya n dd e t e c t i n g d e a da r e ai ns i g n a la c q u i s i t i o n , t h ed u a lf i l t e r i n gd i s p o s ew i t hh a r d w a r ef i l t e ra n dd i g i t a lf i l t e r i sd e s i g n e dt om a k es a l et h ea c q u i r e ds i g n a lm o r ea c c u r a t e ，t h er e d u c t i o nf o r m u l ao f b r e a k d o w na l g o r i t h mi sd e d u c e db yh f i l d i n g , s i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i n gt h e r m a lm o d e lo f m o t o ，t h em o t o rf a u l th a sb e e nd i a g n o s e db yf i t t i n gf u n c t i o n t h em o n i t o r i n gn e t w o r ki s e s t a b l i s h e db a s e do ni n t e l l i g e n tm o t o rp r o t e c t o r , w i t hp r o t e c t o ra st h em o n i t o r i n gt e r m i n a l c a nb u sa st h et r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dl a b w i 玎d d w s ，c a st h ed e v e l o p i n gs o f t w a r eo f m o n i t o r i n gi n t e r f a c e i ti sp r o v e dt ob es u c c e s s f u lb ys i m u l a t i n ge x p e r i m e n t i nt h ep a p e r , t h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e db a s e d0 1 1t h e o r e t i c a la n d m e m o r dr e s e a r c h e s ，e x p e r i m e n t e di nt h el a b ，t e s t e di t si n t e 卿e dp e r f o r m a n c e ，d e t e c t e db y n a t i o n a ls t dd e t e c t i o nc e n t e r , e r e b ye x p e r i m e n ta n dd e t e c t i o n , i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g no f c u r r e n ts a m p l ec i r c u i ti sr a t i o n a l ，t h em e t h o do fs i g n a lf i l t e r i n gi sf e a s i b l e ，t h eb r e a k d o w n a l g o r i t h mq u o t e da n dr e d u c e di se o r r e c ta n dt h ed e s i g np e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ed e v i c eo f p r o t e c t o ri ss t a b l ea n dr e l i a b l e t b ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u l l yd e b u g g e dw h i c h p r o v e dt h a tt h ed e s i g nt h i n k i n go f m o n i t o r i n gn e t w o r ki sb a s i c a l l yr a t i o n a la n dr e l i z b l e 1 1 ”r e s e a r c hw o r ko f t h es u b j e c tp r e s e n t sa ne f f e c t i v et h i n k i n ga n dm e t h o dt ot h ep r o t e c t i o n a n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f m i n em o t o r t h es o l u t i o nh a sn o to n l yi m p o r t a n tm e a n i n gt o t h ed e v e l o p m e n to f p r o t e c t i o na n ds u p e r v i s i o nt e c h n o l o g yo f m i n em o t o r , b u ta l s o c o n s i d e r a b l er e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a r c hw o r ki nt h ef i e l d t h e r ea r es o m er e f e r e n c e st o r e l a t i v er e s e a r c ho f m i n et e c h n o l o g yi nt h et h i n k i n ga n de x p e r i e n c eo b t a i n e df r o mm i l l em o t o r p r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gm e t h o d k e y w o r d s ：m i n e m o t o rp r o t e c t o rt h e r m a lm o d e lc a nb u sl a b w i n d o w s c v i t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要种技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：余盗；平日期：7 们方。z7 r i 7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：拿誊i 手 指导教师签 i 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 l 绪论 ( 1 ) 课题研究的背景 煤炭行业由于工作环境恶劣，电气设备的损坏比例比较高。前几年的统计显示，全 国国有重点煤矿每年烧毁电机2 0 0 0 0 左右，潞安矿业集团公司五阳煤矿年产量为1 2 0 万 吨，每年损坏的大小电机6 0 0 多台。电动机故障是影响煤矿安全生产的最主要因素之一， 占煤矿井下机电事故6 0 以上【2 】。此外，烧损电机还容易引起供电线路故障、火灾、瓦 斯积聚甚至瓦斯煤尘爆炸等重大事故。 造成这些现象的原因是多方面，首先，煤矿井下粉尘大、通风差、湿度大，环境恶 劣；其次，由于煤矿生产特点，需要经常的重载起动、过载、堵转、点动现象较多；另 外，目前使用的电动机保护器性能不可靠，误动、拒动现象多，以至于不能起到保护电 机的作用。 目前矿井中使用的电机保护装置，大多数是安装在隔爆真空磁力起动器内的j d b 系 列保护器，该系列综合保护器多为分立元件，模拟电路精度差，故障率高，已不能满足 现代化矿井对新技术的要求。 ( 2 ) 课题研究的意义 本课题基于目前矿井的实际问题，开发了实际产品、建立了监控网络，是理论和实 际相结合，技术研究、经济效益和安全效益结合的典型例子。 新保护装置和监控系统的设计，大大的增加了矿井电机及机电装备的安全，不仅电 机的损坏率降低了，降低的电力线路和机械装备的事故率，而且为故障的处理和故障超 前预测提供了技术保障。因此，本课题间接地创造经济效益。直接的经济效益在于设计 的产品能被市场接受。 本文设计的产品的成功应用，为矿井安全提供了一定保障。 技术应用方面，采用了单片机替代模拟电子器件，具备简单的智能控制功能和网络 监控功能，为煤矿技术进步尽了微薄的力量。 最后，在课题的研究过程中，新的设计方法的应用得到了验证，证明该方法是可行 和可靠的，为该领域的产品设计和开发提供新的思路。 1 2 矿用电机保护技术的发展与现状 矿用电机保护器是安装在矿用隔爆( 本安) 起动器内的，矿用隔爆起动器是煤矿井 下用来控制电机和电气设备的开停的开关设备，由于煤矿井下对电气设备有防爆要求， 西安科技大学硕士学住论文 因此，接触器和控制设备都是安装在隔爆腔内，包括保护电机安全运转的保护器同样如 此。随着机械、电子、控制和信息技术的发展，矿用隔爆型起动器也在不断的改进和发 展，总体趋势是体积越来越小、重量越来越轻、控制越来越复杂、功能越来越强大、保 护越来越可靠，同时还逐渐向网络化方向发展。 ( 1 ) 以热继电器为主的组合保护方式 中小型电机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合在建国初期，我 们引进了苏联的瓜系列热继电器，从而开始了其在中国电动机保护行业中长达半个世 纪的生涯，直到1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制将其淘汰。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，已无法满足由于电机 速断保护的定值必须躲开电动机的自起动电流，而反时限和定时限的整定延时又必须躲 开电动机的自起动时间的要求。 ( 2 ) 模拟电子式保护方式 随着现代电子工业的发展，一批新型的电子式多功能保护应运而生，电子式保护是 由晶体管型发展至集成电路型的。最有代表型的是1 9 8 2 年前后淮南矿业学院开发的j d b 系列保护器，该保护器具有过载、断相、短路以及漏电闭锁等功能，相对热继电器保护 更加可靠。其原理包含两方面： 一是检测电流值反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障；二是通过检测电机 电压或电流是否缺相来反应断相故障。供了较可靠的保障。但这类产品仍存在一些无法 克服的缺陷，包括如下几个方面例： 整定精度不高，模拟电子式电动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。 采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，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，而用于电动机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至 少为被保护电动机额定电流的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。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然 就成了一句空话。 ( 3 ) 数字及智能化电动机保护器 集成电路技术的飞速发展，传统的模拟电子和分立元件设计的电子产品也逐渐被单 片微机、d s p 、s o c 等产品取代。采用这些技术开发的电动机保护器可实现电动机的智 能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在p c 机上实现对多台联网的电动机实现 2 1 绪论 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。 因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出 现成为可能。可研制集保护、通讯控制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，自起动顺序，故障记忆，自琐和远传报警，显示故障时的电流、 电压故障前后用声光示警，配置现场总线接口，实现计算机联网。同时可监控、监测多 台电动机工作等功能。 以微处理器及其它由数字电路构成的新型微机保护装置，它与传统的保护装置相比 具有以下优点： 微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，因而可以实现 任何性能完善且复杂的保护原理； 微机保护可以连续不断地对本身的工作情况实行自检，其数字元件的工作不易受 环境因素的影响，其工作的可靠性很高；微机保护可用同一硬件实现不同的保护原理， 这使得保护装置的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准化； 微机保护除了保护功能外，还兼有故障记录、故障分析、事件顺序记录、和调度 计算机交换信息等辅助功能，这对简化保护装置的调试、事故分析和事故后的处理等都 具有重大的意义； 可通过计算机网络实现与其他设备之间的数据交换。这就为将继电保护的信息系 统纳入整个综合自动化系统提出了可能； 维护调试方便，缩短维修时间，并且可依据运行经验，在现场修改保护功能及参 数。 1 3 网络监控方案 ( 1 ) 现场总线简介 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字 通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统 既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂 接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统， 实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自 动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合 技术刚。现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统的开放性 3 西安科技大学硕士学住论文 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统， 是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。通信协议一致公 开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠 现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 现场总线导致了传统控制系统的结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制 系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地式气动仪表控制系 统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d s c 后 的新一代控制系统 2 4 】。现场总线控制系统与传统的分布式控制系统相比有如下优点： 数字化的信号传输 无论是现场底层传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站及高 速网之间的信息交换，系统全部使用数字信号。在网络通信中，采用了多种防止碰撞， 检查纠错技术措施，实现了高速、双向、多变量、多站点之间的可靠通信。与传统的 d c s 中底层到控制站之间4 2 0 m a 模拟信号传输相比，在通信质量和连线方式上都有 重大的突破。 分散的集散系统 f c s 在结构上废除了传统的d c s 中采用“操作站控制站现场仪表 三层主 从结构的模式，把输入输出单元，控制站的功能分散到智能型现场仪表中去。每个现场 仪表作为一个智能节点，都带有c p u 单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断 等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。任何一个节点出现故障只影响本身而 不会危及全局，这种彻底分散型控制系统使系统更加可靠。 方便的互操作性 f c s 特别强调“互联”和“互操作性”。也就是说，不同厂商的f c s 产品可以异构，组 成统一的系统，可以互相操作，统一组态，打破了传统d e s 互不兼容的缺点，方便了 用户。 开放的互联网络 f c s 技术及标准是全开放式的。从总线标准，产品检验到信息发布都是公开的，面 向所有的产品制造商和用户。通信网络可以和其它系统或高速网络相连接，用户可共享 网络资源。 多种传输媒介和拓扑结构 f c s 由于采用数字通信方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中 节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样 性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计与传统的d e s 的主从结构相比，只 4 1 绪论 计算布线工程一项即可节省4 0 0 , 4 的经费i z q 。 ( 2 ) 基于c a n 的现场总线的监控系统的提出 所谓监控系统，就是把工作现场的工作情况实时的传给系统控制者，系统控制者再 按照一定的判断法则作出相应的控制输出。它包含两个层次的含义：一是数据采集系统， 即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上 位机h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 系统。下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各 种数据采集设备，本文指矿用智能型真空磁力起动器。智能型真空磁力起动器中的智能 保护器与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，时时感知设备各种参数的状态，并 将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信网络传递到h m i 系统中。 国内煤矿安全监控系统普遍采用r s 4 8 5 做为监测终端的信号采集传输协议。利用r s 4 8 5 总线构成的网络，其设备问的相互通信，需经过“主”设备中转才能实现，这个主设 备通常是p c 机。由于在这种网络中只允许存在一个主设备，其余全部是“从”设备，因而 存在通信的吞吐量较低、实时性较差、从机的系统开销大且从机间通信难度大等缺点。 矿井的环境非常恶劣，而且一般监控室和工作现场之间都存在一定的距离，这就要 求数据通讯有很好的实时性和抗干扰能力。现场总线c a n 属于总线式串行通信网络， 由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通 信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此，我们在注塑机监控系统选择c a n 作为 通信总线，一方面通过c a n 总线与上位机通信，另一方面通过c a n 总线对工作现场进 行控制。 1 4 研究的内容 1 4 1 课题的研究内容 本课题由江西宏盛防爆电气有限公司的横向资金资助。 图1 1 为矿井电机保护及监控系统的主要研究内容，该系统主要包括以下几个部分： 首先是矿用电机智能保护器，保护器既可以安装在隔爆真空磁力起动器内，作为起动器 的一个保护模块，同时可以通过c a n 总线组成网络，成为网络的监控终端；其次是设 计基于c a n 总线的网络接口，主要是接口电路和通信转换电路；最后是使用 l a b w i l a b w i n d o w 趴n i 设计网络监控界面，主要是软件的设计。矿用智能型电机保护器 主要以a t m e l 公司的a t m e g a 8 单片机为核心，保护器可以安装在隔爆磁力起动器内 单独使用，也可以连接网络，成为网络监控终端。保护器研究开发过程中，还必须经过 详细的实验和测试，主要有实验室的数据标定和模拟实验、保护器综合测试以的测试以 及国家采煤机械质量检测中心的检验，通过实验、测试和检验，根据数据和实验结果调 整设计，直到达到行业标准。监控网络只在实验室实验和调试，本文所涉及的范围不包 5 西安科技大学硕士学位论文 括监控网络的现场实验和测试。 图1 1 保护及监控系统 1 4 2 研究方法、特色及技术路线 本课题的名称是“矿井电机保护及监控系统的设计与研究”，因此，研究的方法首先 是根据实际需要和要求设计合适的软件和硬件。保护器设计以a v r 公司的a t m e g a 8 单片机为核心，软件采用g c c 开发。上位机监控界面采用l a b w i l a b w i n d o w s c v i 开发。 课题研究的技术路线如图1 2 所示。 l 黼酬黼吲鬻酬燃li件设计r _ i设计调试r i及实验h | ”。l 雩慧澄k 爿鑫荔蓑蓑纂k 刊组网实验中心检验j 厂1 能测试仪测试i 一1 一一 工业现场试用 研究成果的 验证和发布 上位机软 件设计 图1 2 课题研究的技术路线 此外，本课题在研究过程中还采用了几项新的技术方法，例如在电流采样和处理中， 采用了精密整流电路、硬件和软件双重滤波；根据电机的热模型，简化了算法公式，并 采用函数拟合的方法来计算电机故障状态：而c a n 总线在矿井电机监控网络中的应用 也是新的方法尝试。 6 l 绪论 1 5 本章小结 本章为整篇论文的绪论部分，主要内容包括：分析和总结与本课题相关的技术现状 和发展趋势、本课题的主要研究内容、课题研究的意义、课题来源以及系统方案综述等。 明确课题研究的方向，概括研究的主要特点。 7 西安科技大学硕士学位论文 l i i ；i 自目i i i i i 自i i 2 信号采样处理及电机故障检测 2 1 信号采集及处理 电子产品的设计，特别是以单片机为主的智能产品，对电磁兼容性的要求较高，煤 矿环境比地面要恶劣的多，干扰源更多更复杂，因此矿用智能保护器的设计要对信号的 采集和滤波处理要求更高，本课题涉及的对电流信号的采集采用精密整流电路，信号的 滤波采用了硬件和软件双重抗干扰处理。 2 1 1 信号的采样周期分析 以单片机为核心的保护器，其内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，而被 采集的信号是连续的模拟信号。因此，必须对模拟信号离散化。在采样时必须遵循采样 定理的原则，否则信号可能引起原始数据的失真，复原时不能还原原来的连续的模拟量， 从而造成误差。信号采集时，采样周期的选择原则为：设有连续信号x ( t ) ，其频谱为 x ( o ，以采样周期t s 采得的离散信号为x s ( n t s ) ，如果频谱和采样周期满足下列条件： ( 1 ) x ( o 为有限频谱，即当陋l f c ( 为截止频率) 时，x ( o = o ( 2 ) f 乏= 2 则连续信号： x ( f ) = x 0 乃 ( 2 1 ) 唯一确定式中n = o ，l ，2 一就是在采样时间问隔内能辨认的信号的最高频率， 称为截止频率，又称为奎斯特频率。采样定理指出，在一般情况下对一个具有有限频谱 的连续信号采集时，当采集频率盈时，采样所得到的信号能无失真的恢复为原来的 信号。本课题中的电流信号为5 0 h z ，采样周期选择5 0 0 h z 。 2 1 2 精密整流电路 二极管具有单向导电性，它是最常用的整流元件由它可以构成许多整流电路如，半 波整流、全波整流、桥式整流等，这是大家所熟知的，但二极管的非线性将产生相当大 的误差，特别是当信号幅度小于二极管的死区电压时，问题尤其严重，因此说由二极管 构成的整流电路精度较低。为了提高精度，可以用运算放大器来组成整流电路，利用集 成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差，图2 1 是用l m 3 2 4 的两 8 2 信号采集处理及电机故障检测 个运放组成的高线性全波精密整流电路。 图2 i 精密整流电路 ( a ) ( ” 图2 2 信号在正负半周时的整流等效电路 信号正半周时，电路可简化为m 2 2 ( a ) ： 这时u i b 的输入信号有两个： ( 1 ) u 1 a 的输出电压= - u ixr i 2 = - u ，篆= 也 ( 2 ) 由输入端直接传到r 4 的电压= + u 因此u l b 是一个加法器，利用叠加原理将这两个输入电压叠加后其输出电压为： 砜= 也x 惫+ - ( - 跏朗 = 也篆+ 卸而2 0 k = u i 信号负半周时，电路简化成图2 2 ( b ) ： 这时u l a 的输出为o ，u i b 作为一个反相器，其输出电压为： u o = - u , 。意q 在使用上述电路时必须注意两点： ( 1 ) 为消除输入偏置电流对输出电压的影响，平衡电阻r 3 与r 7 的取值应满足： 9 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 西安科技大擘硕士学位论文 r 3 = r l0r 2 ；r 7 = r 4i i 民0r 5 ； ( 2 ) 输入电压+ 1 2 v 芝，以防止输出电压失真，影响测试结果。 2 1 3 电流标定 a t m e g 8 单片机含有8 通道l o 位a d 转换器，因此a d 的测量范为o 1 0 2 3 ，a d 转换器采用的是逐次比较方式来完成模彻数字信号的转换。参考电压v r e f 为5 v 。图2 1 中电路的放大比例为l ，因此当a d 输入断的电压为5 v 时，运放管脚5 也是5 v ，r 2 的阻值为4 q ，对应的电流为i = 5 4 = 1 2 5 ( a ) 。电流互感器变比为1 0 0 0 ：1 ，因此，当a d 输入电压达到满量程时，对应的线路电流为1 2 5x1 0 0 0 = 1 2 5 0 ( a ) ，既电流标定的系数为 k = 1 2 5 0 1 0 2 3 = 1 2 ，在实际应用时再根据电流表测的电流和显示值适当调整。 2 1 4 信号硬件滤波的设计 从精密整流电路出来的信号含有大量的高次谐波，使输入信号的频率增大，大于采 样频率，造成频域混叠现象，不能满足采样定理。本文选择的是压控型二阶低通有源滤 波器，滤波器的电路图如图2 4 所示【3 3 1 ：在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入 一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率协f b 时( r e 为截止频率) ， 电路的每级r c 电路的相移趋于一9 0 0 ，两级r c 电路的移相到1 8 0 ，电路的输出电压与 输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信 号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤 波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过，传输函数为： 日( s ) = 图2 4 有源二阶源滤波器电路 4 丽1 n k + 丽1 + ( 1 - 引去p + l o ( 2 4 ) 2 信号采集处理及电机故障检测 与低通滤波的传输函数的通用表达式： 何( s ) ：垒竺- 一 ( 2 5 ) s 2 + 竺s + t o c 2 q 一 式中：4 滤波器增益，截止角频率，q - - - - 品质因数。 相比，得有源二阶低通滤波器性能参数表达式为： 2 = 赤，詈= 壶+ 壶+ 0 训壶。2 丽雨苔2 丽+ 丽一4 诱。 为了使运放输入端对地电阻平衡，在求解电路参数时，还要外加一个等式r i + r 2 = r 3 1 i r 4 。根据b u t t e r w o r t h ( 最平幅度特性) 逼近函数，当q l 2 时，可获得比较理想的低 通幅频特性。由于微机保护中要求前置低通滤波器的截止频率较低( 一般在数百赫兹) ， 本系统中只需基波分量，此选用截止频率f 护1 5 0 h z ，可得宅矾。取c 1 = c 2 = o 3 3 u f , r 3 = r 4 = 1 3 6 4 k q ，代入上式中可计算出；以= k = l + r 3 r 4 = 2 ，r l = 2 2 7 k q ，r 2 = 4 5 5 k q 。 另外，为了防止过高的电压进入，对多路开关造成冲击，在模拟信号输出入端和模拟地 之间接了一对反向稳压管d i l ，稳压管的反向击穿电压为9 v ，从而可以把输入电压限制 在士9 v 之内。 2 1 5 数字滤波器的设计与仿真 a d 转换完成后，一般要对转换后的数字信号进行处理，例如采用软件滤波器滤除 噪声，从而提高输出信噪比。与同类单片机相比，a v r 单片机在运算速度、外围资源、 灵活性等方面性能均衡，性价比较高。同时，a v r 单片机适合c 语言开发，m e g a 系 列单片机还具有一个内部硬件乘法器单元，这些特点都为软件滤波器的实现提供了极大 的便利。 本课题的信号为工频5 0 h z ，通过硬件滤波后，已经大大的消除了干扰信号，但是 还可以采用数字信号处理的相关算法，即软件滤波器。 假设输入信号为石p ) ，输出信号为) ，( f ) ，则一个r c 低通滤波器表达式为： f ：氅2 + j ，( f ) - - - - x ( f ) ( 2 6 ) 口， 其中f 为时间常数。 连续时间信号经过采样后变成离散信号，低通滤波器的表达式也变为： f y ( k ) - i y ( 一k - o + j ，：m ) ( 2 7 ) m 式中：r 采样时间间隔，l 卜一归一时问。 由式( 2 7 ) 可得： 西安科技大学硕士学住论文 y 2 壶娴+ 美y c n ， 旺幻 a ta t ! - f 锄2 三代入式q j x a t 得 烈d = 0 一口) x ( k ) + 口y ( k 1 ) 所以系统的传递函数为： 酢，= = 尚 娩9 ， 采样频率为f , = 5 0 0 n z ，a 分别取0 8 ，0 8 5 ，0 9 ，0 9 5 ，带入式( 2 9 ) 中，利用 m a t l a b 画出频率响应曲线，见图2 5 ，其中5 0 h z 频率对应的幅度衰减见表2 1 ： 、累辜 图2 5 频率响应曲线 2 2 电机故障检测 表2 1 $ 0 l - i z 幅度衰减 衰棚 0 8 o 8 5 0 9 o 9 5 _ 9 4 1 1 9 1 5 5 - 2 1 6 电动机本身是一个由多种材料组成的组合体，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， 一般将实际电动机认为是一个均质发热体。这样，由传导学基础可知，对于电动机的发 热过程，其温度随时间成指数关系变化，如图2 6 中的曲线s c 所示。感应电动机传统 1 2 2 信号采集处理及电机故障检测 的过负荷保护大都具有反时限特性，即允许过负荷的时间与其过负荷的电流大小有关， 过负荷电流的值越大，允许过负荷的时间越短。近似的认为温度0 随时间t 线性上升 的，正如图2 6 中以切线s t 代替温升特性曲线s c 。当时间t 很小时这一简化不会带来 太大的误差。当时间t 较小时，特别是象电动机再低倍过载这样长时间的延时，上述简 化就会带来较大的误差。正如图2 6 表明的，按定子绕组温升曲线s c ，电动机允许的 过载时间为k ；而以切线s t 代替曲线时，反时限过负荷保护的允许时问为a t 。这将 导致过早的将电动机切除，而未能充分的发挥其承受过载的能力。这也是传统反时限过 负荷保护的不足之处。为了更准确的描述电机的个过载特性，从而更好更准确的计算过 载及其他保护的时间，我们引用了电机热保护模型。 。 口 r 图2 6 电机温升曲线 2 2 1 过载数学模型 在电动机保护中，过载保护是最基本和最有效的事前保护，因此，在设计电机保护 装置时，首先考虑的就是过载保护。而断相、短路等故障基本上是以过载热模型为依据 的。 电机的过载的直接反应是热量的积累，导致导线温度过高而造成绝缘破坏、烧损、 缺相以及短路等故障。因此，判断电机是否过载首先要建立准确和合适的数学模型，通 过模型的计算而事前预测故障，切断故障状态从而达到保护的目的。 准确的计算和分析电机的热量和电流、负载等条件之间的关系需要建立电机热模 型，实时计算电机内部几个关键点的温度值，并以此作为电机的保护依据，可以较好的 解决这个问题【3 0 】。 ( 1 ) 电动机的热模型 电机模型的热等效线路和电路之间存在着一种类似的关系，见表2 2 ： 1 3 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 热路和电路的比较 熟路电路 热流( 、) 热梯度( k ) 热阻( 1 c ，w ) 熟容( j k ) 电流( a ) 电压( v ) 电阻 电容( f ) 从热力学的角度讲，根据热特性相同的特点，可将电动机划分为若干个部分，各部 分之间通过热阻和热容相互连接起来。本文采用的热模型见图2 7 所示，图2 7 热路已 经简化，图中各符号的含义见表2 3 ： 图2 7 电机内部热模型 表2 3 热模型符号含义 r e 符号说明 定子铁心对机座热阻 机座对外部空气热阻 定子齿槽对铁心热阻 定子绕组对齿槽热阻 转子，转轴对机座热阻 工作气隙热阻 定子绕组热容量 转子热容量 定子铁心热容量 定子铜耗产生的热量 转子铜耗产生的热量 定子铁耗及机械损耗产生的热量 1 4 k 2 信号采集处理及电机故障检测 热路参数计算时作了如下假设： 电机的径向和轴向相对于电机中心是对称的； 沿径向热分布是均匀的； 内部热源( 损耗) 分布式是一致的； 热在轴向和径向传输是相互独立的。 ( 2 )热路方程求解及温升曲线 图2 7 所示电机的热路网络包含5 个节点。根据热平衡方程式( 2 9 ) ，可列出5 个包 含节点温升的热平衡方程。 c f 警= 去 一8 3 + p , ( f 庐1 ，2 ，5 ) ( 2 1 0 ) 由于节点没有热容和热源，该系统可简化