（电力系统及其自动化专业论文）煤矿新型低压智能开关的研究.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fn e wl o w v o l t a g ei n t e l l i g e n ts w i t c ho f c o a l m ：i n e s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n n a m e ：w a n gb a of e n g i n s t r u c t o r ：f uz h o ux i n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) a tp r e s e n tt h es w i t c hd e v i c eo fs e p a r a t i n ge x p l o s i o na n df e e d e rp o w e rs w i t c hu s e du n d e r c o a lm i n ea l m o s ti sc o n t a c t o r , s os p a r ki se a s i l yp r o d u c e dd u r i n gi t so p e r a t i o np r o c e s s g e n e r a l l yt h ec o n t a c t o ri sc o n t r o l l e db yd i s p e r s i v es e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t ec i r c u i ta n dr e l a y s op r o t e c t i o nt od e v i c ei sn o tr e l i a b l e i na d d i t i o ns e p a r a t i n ge x p l o s i o na n df e e d e rp o w e r s w i t c hh a ss o m ed i s a d v a n t a g e ，s u c ha sb i gv o l u m e ，h i g hw e i g h t ，a n dl a c k i n g o f c o m m u n i c a t i o nw i t hm o n i t o r i n gs y s t e mo fs u p p l y i n gp o w e rn e t w o r ku n d e rc o a lm i n e w i t l l t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g yi nc o a lm i n et h e r ei sh i g h e rr e q u i r e m e n to f p e r f o r m a n c ea n dp r o t e c t i o no fs u p p l y i n gp o w e rs w i t c h s ot h er e s e a r c ho f n e wl o wv o l t a g e i n t e l l i g e n ts w i t c ho f c o a lm i n e ( t h ef o l l o w i n gn a m ei si n t e l l i g e n ts w i t c h ) i si m p o r t a n t s w i t c hd e v i c ea n dv a r i o u sp r o t e c t i v ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n ts w i t c hm o s t l ya r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m et h ec o r ec i r c u i tc o n t r o l l i n gi sd e s i g n e di n c l u d i n gh a r d w a r e c i r c u i ta n ds o f t w a r e h a r d w a r ec i r c u i ti sm a d eo fs i g n a li n p u tc i r c u i t ，m i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e m ， l c d d i s p l a yc o n t r o l l i n gc i r c u i t ，s w i t c hc o n t r o lc i r c u i t ，a n de t h e m e tc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h ep r o g r a mo fs o f t w a r ei sc o m p o s e db ya l t e r n a t i v es i g n a ls a m p l i n gr o u t i n e ，l c dd i s p l a y r o u t i n e ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nr o u t i n e ，a n dm a i nr o u t i n e t h e r ea r et w oc r e a t i v ev i e wi n t h i sp a p e r o n ev i e wi st h a tc o n t a c t o ri st a k e np l a c eo ft r a i cw h i c hi sc o n t r o l l e db y m i c r o c o n t r o l l e rc 8 0 51f 0 2 0 ，a n dt h eo t h e ri st h a te t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e n i n t e l l i g e n ts w i t c ha n dc o m p u t ei s r e a l i z e d s om o n i t o ra n dc o n t r o lt od e v i c ef r o m l o n g - d i s t a n c ec o m e t r u e a tl a s th a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sc o n n e c t e dt od e b u g v a r i o u sp r o t e c t i v ef u n c t i o no f d e v i c ea r er e a l i z e ds u c ha ss h o r tc i r c u i t ，o v e r l o a d ，p h a s ef a i l u r e ，o v e rv o l t a g e ，a n dl a c k i n go f v o l t a g e a tt h es a m et i m ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no f e t h e m e tb e t w e e ni n t e l l i g e n ts w i t c ha n d c o m p u t ei sr e a l i z e dt o o s ot h ea i mo fd e s i g ni sa t t a i n e d w h e nd e f a u l t si so f f e r e db ym a n u a l w o r k ，i n t e l l i g e n ts w i t c hc o r r e c t l yo p e r a t o r s of e a s i b i l i t yo ft 1 1 i sr e s e a r c hi sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ts w i t c h 8 0 51f 0 2 0m i c r o - c o n t r o l l e rt r i a ce t h e m e t t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h 妻科技大学 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t 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：荔廖毪 日期：一占) i 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：影廖彳 艚洲舭1 赫 嵋年月7 目 1 绪论 1 1 课题的研究背景 1 绪论 煤矿井下工作环境特殊、空间狭窄、湿度大，存在危险的瓦斯和煤尘，井下电气事 故、线路故障及各种火花均可能会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和煤矿安全 生产【1 1 。 由于煤矿环境的特殊性，煤矿馈电开关设备不仅要具备各种控制保护功能，同时具 有隔爆作用而且要求体积小，易于搬运等特点。煤矿馈电开关通常具有的保护功能有： 漏电保护、过载保护、短路保护、断相保护、过压与欠压、风电闭锁等。开关主要由三 部分组成：第一部分，隔爆外壳防止开关火花引起瓦斯、煤尘爆炸；第二部分，以交流 接触器或真空断路器为开关器件负责电源回路的接通或关断；第三部分，开关的控制保 护电路检测设备运行状态和驱动开关动作。 目前，煤矿井下的馈电开关设备普遍使用分立集成电路和半导体器件控制接触器作 为电源回路的主开关，开关的体积大、笨重，且安全性、可靠性存在缺陷。随着煤矿现 代化程度的不断提高和井下供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连 续生产的要求越来越高【2 1 。针对以上情况，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”等【1 1 。同时引进了国外的智能化电器设备，但是，适合于我国煤矿井下特殊环 境的智能化开关设备的研究工作尚处于初级阶段。智能化开关设备的研制成功和应用， 将推动煤矿电器设备的更新换代。 1 2 煤矿智能开关装置设计的目的及意义 由于煤矿井下的馈电开关设备均使用有触点开关，控制技术落后。同时存在笨重、 体积大、开关寿命短、操作不方便等缺点。煤矿井下大量使用的中小型低压交流电动机 与其配套使用的隔爆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 1 。由于保护的可靠性差，已陆续被淘汰。后来研制并推广使用的集成 电路综合保护器，在保护功能上有了较大发展，除了过载、断相保护外，还增加了短路 和漏电闭锁保护，但大部分采用分立式的电子元件，可靠性和稳定性较差，加之元件质 量不过关、维修人员技术水平不高、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。因此研究一种新型控制保护开关以取代原有的煤矿馈电开关设 备是十分有益的事情。 近几年，大功率双向可控硅被广泛应用在变流、变频领域，其应用技术日益成熟。 西安科技大学硕士学位论文 双向可控硅成为目前理想的交流无触点开关器件 4 1 ，因此可以使用双向可控硅代替交流 接触器做控制开关，利用微机对其进行控制，实现对设备的保护与控制功能。随着煤矿 技术不断发展，井下电器设备的使用量越来越大，对设备的保护要求越来越高。而单片 机开发的智能开关，具有齐全的保护功能、可靠性高，可以满足现场的需求。 本课题的目的是：以煤矿井下电动机馈电开关控制保护技术为研究对象，提出了智 能开关的思路以单片机为控制核心单元实现无触点开关控制保护电动机。设计出智 能开关的硬件电路和软件设计，实现对设备的控制保护功能和以太网通信功能。 本课题的意义在于： ( 1 ) 用双向可控硅取代传统的磁力开关：这种无触点开关无火花、无噪音、体积 小。 ( 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 制回路损耗微乎其微。 ( 3 ) 利用单片机及扩展芯组成的控制电路取代传统的继电器、分立集成电路控制， 保护功能齐全，保护性能好。 ( 4 ) 智能开关具有通信功能，可以和矿井安全供电监测、监控系统实现联网，实 现远程监视与控制。 1 3 国内馈电开关保护的发展现状 目前，国内于煤矿井下电动机馈电开关的保护主要分为三种类型：热工仪表型保护、 半导体集成电路型保护与微机型保护【5 】。 ( 1 ) 热工仪表型保护 这是一种原始简单的保护方式，这类开关保护大多采用的是熔断器，接触器和断路 器及热继电器组合的简单保护。二次控制回路使用的是原始的开、停机按钮控制电动机 启停i l j 。这种保护的主要缺点是：装置体积大、对故障的检测、判断精度差，拒动、误 动现象严重，另外反应也不灵敏，常常出现保护尚未动作，电动机已烧毁的现象。对于 热工仪表型保护，仪表易受原材料，工艺水平的影响使之性能不稳定，动作曲线与电动 机实际保护曲线不协调。对轻微过载保护欠缺，导致电动机绕组产生热积累，促使绕组 绝缘老化，使电动机损坏。这种保护参数整定、更改困难，调试麻烦，无法实现自动化 控制。 ( 2 ) 半导体集成电路型保护 半导体集成电路型保护较之热工仪表型的保护装置无论从体积上还是从装置对信 号的检测、判断及实现电动机自动化控制等方面都优于原始的热工仪表型保护技术。这 类开关装置具有过载、短路、断相保护的功能，然而这些产品又存在着设备运行的可靠 性差和准确性不高，精度、稳定性受元器件质量影响大，参数整定困难、动作特性受元 2 1 绪论 器件影响容易造成拒动或误动【6 】。 ( 3 ) 微机型保护 微机应用到电动机馈电开关控制保护电路中，为实现电动机保护的高精度、高智能 化提供了广阔的应用前景 7 1 。但是国内的微机型控制保护实际还处于探索研究阶段，距 离所期望的高精度、高智能化还有一段距离。根据实际应用情况，有些装置存在误动、 抗干扰差，缺乏特殊功能，人机对话操作繁琐不直观且不具备网络通信功能【8 j 。 与热工仪表型或模拟集成电路型保护装置相比，微机型控制保护采用新原理，功能 强、性能优越，速度快、精确度高和智能化的特点【9 1 。原有的热工仪表型或模拟集成电 路型保护装置已不适用煤矿的安全生产，因此迫切需要技术性能先进、工作安全可靠、 价格合理的智能型保护装置。其功能特点为： 具有过载保护、轻载、断相、堵转、过压、欠压、漏电保护。 具有过电流反时限延时保护特性。 具有启动延时功能，避开启动大电流，它和过电流动作时间分开。 具有延时自启动功能。 具有数字表功能，能显示a 、b 、c 三相工作电流、电压，还可以精确设定保护值。 具有手动启动和自动启动功能。 具有故障记忆、报警和动作值保持功能【1 0 1 。 具有r s - 4 8 5 远程通信接口，方便的和p c 机组成网络保护监控系统。 目前，国内有江苏省射阳县黄海电器控制设备厂和上海电器科学研究所联合研制开 发的国家机械部八五至九五期间的重点项目s t 智能型控制器，已通过鉴定。另外，苍 南双华电器有限公司开发的智能型电动机保护监控系统：j d b l q 系列智能型电动机保护 监控系统也已经推广应用【l 。 1 4 本课题完成的主要工作和创新点 1 4 1 本课题完成的主要工作 目前，煤矿井下的馈电开关设备的开关器件为有触点开关，控制保护技术落后。同 时开关设备存在笨重、体积大、开关寿命短、操作不方便的缺点。这就迫切要求一种性 能良好的智能开关装置取代传统的馈电开关。本课题所研究的智能开关装置不但具有开 关的作用还兼有保护设备的作用，用于煤矿井下作为电动机的控制开关及保护。该智能 开关拟定保护的电动机参数为： 电压6 6 0 ( 3 8 0 ) v 电流 3 0 a 功率2 5 ( 1 5 ) k w 3 西安科技大学硕士学位论文 本课题在研究煤矿井下馈电开关的基础上提出了智能开关的思路，完成了智能开关 控制和保护电路的硬件及软件设计，同时还在实验室进行了调试。本课题完成的具体工 作如下： 研究了双向可控硅的开关特性及其驱动电路设计。 研究煤矿井下电动机馈电开关的保护功能及实现方法。 设计了以c 8 0 5 1 f 0 2 0 为控制核心的智能开关的控制电路，主要包括：采样电路， 双向可控硅驱动电路、液晶显示电路、通信电路。制作了控制电路的p c b 电路板。 编制智能开关的系统软件，在k e i l - - u v 3 编译环境下进行了调试。 对智能开关的核心控制保护电路进行脱机调试。对短路、过载、断相、过压、欠 压保护功能进行了逐一验证。 1 4 2 课题的创新点 通过查阅大量的资料，进行认真的分析和论证之后，完成了智能开关的硬件设计和 软件设计并进行了调试。本课题设计的智能开关的创新点如下： 首先，使用双向可控硅代替交流接触器做控制开关，动作快速、不产生火花有利于 煤矿的安全生产，体积小可以缩减开关的体积。 其次，使用c 8 0 51f 0 2 0 单片机做主控芯片控制双向可控硅开关的动作，并检测设备 的运行状况。 最后，实现了智能开关与p c 机的以太网通信功能，可以通过w e b 页面远程监视 电动机运行状态，修改电压、电流整定值。 本课题设计的智能开关的功能特点如下： 用双向可控硅取代传统的磁力开关：无触点开关无火花、无噪音、体积小。 具有短路、反时限过载、断相、过压、欠压保护功能 采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为控制电路的核心，简化控制电路设计，控制保护可靠。 采用单片机的1 2 位a d 转换器，提高了数据采样的分辨率和测量精度。 采用字符型液晶显示正常运行的电流、电压值，故障时显示故障类型。 具有以太网通信接口，能实现智能开关和p c 机的通信功能。 1 5 本章小结 本章首先讨论了课题研究的背景，由于煤矿环境特殊且矿用馈电开关落后于现场的 应用要求，提出煤矿智能开关设计的目的和意义。从国内、外矿用开关的发展现状可以 看出煤矿开关的发展过程及发展方向，最后提出了本课题完成的工作和创新点。 4 2 智能开关的设计 2 智能开关的设计方案 2 1 智能开关的主要功能 该智能开关用于矿用低压电动机的控制保护，使用双向可控硅作为主电路的控制开 关，利用单片机驱动双向可控硅开关的闭合与断开对设备进行控制和保护，当电动机发 生漏电、短路、过载、断相、过压、欠压故障时切断电源，起到保护电动机的作用。同 时可以实现与p c 机的以太网通信功能，对电动机故障的自动检测、运行参数实时显示 和通信功能使得智能开关具有智能特性。本课题研究的智能开关具备的主要功能： ( 1 ) 双向可控硅开关控制电动机电源回路通断。 ( 2 ) 具有电动机短路、反时限过载、断相、过压、欠压保护功能。 ( 3 ) 单片机自动检测各种故障。正常运行时液晶显示电压、电流值；故障时单片 机驱动双向可控硅切断电源，并显示故障类型。 ( 4 ) 实现智能开关与p c 机的以太网通信功能。 2 2 智能开关的系统组成 本课题设计的智能开关分主要分为两部分：开关器件和控制保护电路。开关器件为 双向可控硅，用它作为交流开关来控制电动机电源的接通与关断。控制保护电路实现对 电动机运行状态的检测，当电动机发生漏电、短路、过载、断相、过压、欠压等故障时 驱动开关器件切断电源以保护设备。控制电路部分包括：调理电路、驱动电路、液晶显 示、以太网接口。这两部分相结合组成智能开关的核心部分。本课题设计的智能开关的 系统框图如2 1 所示： u a u b u e 双向可控硅开关 唑l 一 p h - 7 、一 k 一 、 一 弋 “ 蝴 岷 | l 智 访j 珈出 删 c l 阜片7 d 驱动电路月惘碰吧阳l ， 机 液晶显示i 系统 i 以太网接口| 剖交换机i 5 西安科技大学硕士学位论文 2 3 智能开关的控制电路 智能开关的控制保护的核心为c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机。由其构成的控制保护电路主要包 括四部分：电压、电流采样及信号调理电路、液晶显示电路、双向可控硅驱动电路、以 太网通信电路。控制保护电路硬件组成框图如图2 2 所示。 c ： ： 网络接口i i 电压 - 4 电压变换器卜俨昏 模 萱 i 输入片 数 机 t r i a c 驱动 做h 一变换协 转 系 换 统 ：) | l c d 显示 图2 2 控制保护电路硬件框图 控制保护电路由电流、电压互感器实时检测系统三相线电压和线电流，将电压、电 流信号送到电压、电流变换器变换后经过调理滤波电路处理输入单片机m d 转换器的模 拟输入通道采样，采样完成后根据交流采样算法，计算出输入信号的有效值，然后将计 算出来的有效值与程序中预先设定的阈值比较。如果电路正常工作，液晶显示器动态显 示三相线电压、电流的值，同时将采样得到的数据通过以太网发送到上位机，需要时通 过上位机修改程序中的整定参数大小。如果检测到电路发生故障，则由单片机产生一个 信号给驱动电路驱动双向可控硅切断电源，此时可以从液晶显示屏上观察到故障类型。 本课题设计的智能开关具有短路、过载、断相、过压、欠压故障的保护功能，这些 保护的实现是通过对实时的电流、电压信号进行采样，再经过交流采样算法得到有效值， 然后与程序中设定的故障阈值比较。只有得到电压、电流的精确实时值，才可能使得智 能开关的各种保护正确的动作。 2 4 本章小结 本章的描述力图展现矿用智能低压开关的功能和组成结构，从图2 1 读者可以清楚 地了解到智能开关的组成部分。从图2 2 读者可以看到控制保护电路的结构，同时本章 叙述了控制保护电路的组成和工作原理。目的是让读者对智能开关有系统的认识。 6 3 智能开关的主电路及保护功能 3 智能开关的主电路及保护功能 本课题设计的智能开关不仅具有供电回路控制开关的作用，还要对供电线路、电动 机出现的故障进行保护。智能开关具有漏电保护、短路保护、过载保护、断相保护、过 压欠压保护功能。下面从开关主电路和保护功能两方面论述。 3 1 开关主电路 3 1 1 双向可控硅介绍 由于本课题的开关器件为双向可控硅，因此有必要对其进行介绍。 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的 可控硅，而且仅使用一个触发极，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称t r i a c 是三端双向交流开关的意思。尽管从形式上可以把双向可控硅看成两只普通可控硅的组 合，但实际上它是由七只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件【l2 1 。它广泛用于工业、 交通、家电领域。可以实现交流调压、交流调速、交流无触点开关、舞台调光、台灯调 光等多种功能。此外，它还被用在固态继电器和固态接触器的电路中【l 引。双向可控硅的 参数可以从型号判断，例如b t a 4 0 7 0 0 型的主要参数是：i t = 4 0 a ，v d r m = 7 0 0 v ， i g t = 1 0 0 m a 。对负载电流小、电流持续时间短的双向可控硅，不加散热器就可以工作， 但大部分情况下，需要安装在散热器或散热的支架上。 双向可控硅属于n p n p n 五层器件，三个电极分别是m t l 、m t 2 、g 。因该器件可 以双向导通，故门极g 以外的两个电极统称为主端子，用m t l 、m t 2 表示。其特点是： 当g 和m t 2 相对于m t l 的电压均为j 下时，m t 2 是阳极，m t l 是阴极。反之，当g 和 m t 2 相对于m t l 的电压均为负时，m t l 变成阳极，m t 2 为阴极。下图3 1 ( a ) 为双向 可控硅的结构图，下图3 1 ( b ) 为双向可控硅在电路中的符号1 1 4 】： m t 2 pi 垡 n 百1 p n r g m t l 图3 1 ( a ) 双向可控硅结构图 7 西安科技大学硕士学位论文 m t 2 g m t l 图3 1 ( b ) 双向可控硅电路符号 3 1 2 导通和关断 双向可控硅可以用门极和m t l 间的正向或负向电流触发。在负载电流过零时，门 极用直流或单极脉冲就可以触发，它的触发象限图如3 2 所示；v i 曲线如图3 3 所示： 图3 2 双向可控硅触发象限 说明：1 + ，1 一，3 和3 + 标志四个触发象限，完全是为了简便，例如可以用1 + 取代 m t 2 + 和g + 等。这是从双向可控硅的v i 特性曲线导出来代号。实际上，工况只能存在 l 和3 象限中。符号+ 和分别表示门极输入或输出电流。 图3 3 双向可控硅v i 特性曲线 要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电流i h 以下，并经过必要时间，让 8 3 智能开关的主电路及保护功能 所有的载流子撤出p n 结，在交流电路半周终点实现关断。假如负载电流不能维持在i h 之下足够长的时间，在阳极和阴极之间电压再度上升之前，闸流管不能完全截止，它可 能在没有外部门极电流作用的情况下，回到导通状态。 3 1 3 开关主电路设计 本课题使用的主电路开关为无触点开关双向可控硅。双向可控硅的触发为弱电控制 强电，图3 4 给出了其在单相电路中使用的主电路图，三相可以如法炮制。利用单片机 普通i o 的一位产生的低电平信号到驱动芯片m o c 8 0 3 l 的管脚2 就可以触发主电路的 双向可控硅导通，当在该引脚产生高电平时主电路的双向可控硅关断。使用非常方便【l 引。 由于供电电源、连线及负载等均不可避免地存在寄生电感，当可控硅在微秒级的时间内 开通和关断时，均可能因寄生电感而产生数千伏的瞬间高压，如果此类瞬间高压超过了 可控硅阳极与控制极或阴极间的可耐受电压，将瞬间击穿可控硅，因此必须在可控硅的 阳极和阴极端子上就近接入阻容吸收电路，可防止可控硅不受瞬间高压击穿。本课题对 双向可控硅进行了阻容保护。 v 图3 4 双向可控硅主电路 本课题选用的双向可控硅驱动芯片m o c 3 0 8 1 为电压过零触发光耦，4 和6 脚之间 最大可以承受8 0 0 v 的电压。当加h o t 和n e u t r a l 之间的电压不为零时就可以实现 主电路的导通，实际上当这两端的电压达到5 v 以上时才能可靠触发，图3 5 表示了双 向可控硅的可靠触发区( 为斜线部分) ，不包括虚线与电压零点之间的区域。要关断双 向可控硅就必须给基极加入高电平且等到主电极所加的电压反向，电流小于维持电流才 可以实现。 u 撅区一 勉矽- 图3 5 双向可控硅可靠触发区 9 西安科技大学硕士学位论文 3 1 4 双向可控硅开关的优点 目前，煤矿中馈电开关的开关器件多采用交流接触器。这种开关是通过电磁衔铁在 电磁力作用下的机械运动来实现电路通断的，所以在开关通断的瞬间会出现拉弧现象。 特别是电动机的馈电开关，由于频繁通断电路，久而久之触点就会产生灼伤，触点粘连， 影响电动机的可靠工作。双向可控硅是一种功率半导体器件，采用它作为功率开关元件 可代替接触器、继电器用于频繁操作与开关频率要求高的场合，它具有无触点、开关频 率高以及电磁干扰小等优点。对三相交流异步电动机实行无触点控制，具有无拉弧的现 象、不需要触点接通电路、不需要触点电器的电磁线圈，有利于安全生产、运行可靠、 可以频繁起动，容易实现控制【1 6 l 。因此本课题提出使用双向可控硅代替交流接触器做主 电路的开关。 3 2 智能开关的保护功能 3 2 1 漏电保护功能 ( 1 ) 漏电故障分析 煤矿井下采用中性点绝缘的供电系统，若发生单相或两相漏电故障，则流入地中的 电流只能通过电网对地电容和对地绝缘电阻与变压器中性点构成回路。由于供电系统对 地阻抗很高，故流入大地的电流通常不足l a ，尤其当对地阻抗降低时，流过过渡电阻 ( 对人体电阻的模拟) 的电流往往已经超过煤矿井下规定的人体承受的安全电流3 0 m a 。 因此必须对漏电故障加以检测，设计独立的漏电保护装置，使得发生漏电故障时智能开 关装置可靠动作。 井下供电单元发生单相漏电时的电路如图3 6 所示。变压器中性点不接地，啦为a 相漏电的过渡电阻，其变化范围为o 1 1 k q ，r a = r 6 = = ，为各相对地绝缘电阻， c a = c b = c c = c 为各相对地电容。 r _ 吁m = = n l 上垃m i 驴 jl 一 1 u o h j r l i = = r g u a u bu c c bc i r 1r 图3 6 单相漏电故障电路 1 0 3 智能开关的主电路及保护功能 对于漏电回路而言，变压器、线路的阻抗为欧姆级数量以下，远小于绝缘电阻厂， 当线路a 相的g 处发生单相漏电时，则g 处的三相对地电压u g a 、u g h 、u g c 和由g 处 流出的三相漏电流i g a 、助、i g c 均为三相不对称，但此时变压器原边的三相电势和线 电压仍然对称。因此，可以把漏电处的电压、电流分解成三组对称分量【1 7 】，应用对称分 量法可以得到故障相的漏电电流为： 乇2 最 限。 式中：( 卜单相电压； z o2 i 了丽f ( z d 为零序阻抗) 设线路每相对地电容c = 0 5 心，每相对地电阻r = 3 5 k o ，人体电阻r = l k q ，电网线 电压为6 6 0 v ，根据公式( 3 1 ) 可以算出此时的人身触电电流为1 5 4 m a ，其值大于人体安 全电流3 0 m a ，计算结果表明：即使是中性点绝缘的低压供电系统，人触到一相导线是 非常危险的，因此必须设置漏电保护。 当单相漏电过渡电阻r p 0 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，在实际的井下供电系统中，即 使故障败= 0 时，接地电流也不大于1 a ，故常称为单相漏电。 两相漏电的电气等效电路图如3 7 所示。图中在g 处发生a 、b 两相分别经过渡电阻 取接地，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。当两相漏电过 渡电阻眨一o 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。 c b a 图3 7 两相漏电故障 在实际工程中，井下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8 5 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矿供电系统漏电故障的主流【1 8 】。 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 漏电故障保护的整定值 电网发生漏电故障时，最容易检测到电网各相对地绝缘电阻的下降。可以在三相电 网中附加独立直流电源，使之作用于三相电网与大地之间，这样在三相对地绝缘电阻和 大地之间将有一直流电流通路，利用该电流的大小反映电网对地绝缘电阻的大小，这样 就构成了附加直流电源直流检测式漏电保护。详细的保护实现见第四章的智能开关系统 硬件设计，为了使人体接触到供电系统时的漏电流k 乙时就认为电动机发生短路故障，此时应进行 速断保护。 3 2 3 过载保护功能 ( 1 ) 过载故障分析 电动机过载运行时，电动机损耗( 主要是铜损，与1 2 成正比) 增加，发热量q 增 加，电动机温度升高。分析与实验表明，电机的最终温升随着过载倍数口的增加而增加， 因此智能开关的过载特性采用反时限原理。根据大量实验测得的数据，可以得出电动机 过载倍数卢与电动机容许过载时间f 的关系即： f ：1 5 0 0 1 n 兰( 3 4 ) p 。一a 式中：f 一电机容许过载时间 声一电机过载倍数 口一电机绕组容许温升倍数，一般取1 2 上式( 3 4 ) 反应了电动机过载倍数声与电动机容许过载时间f 的关系，即f = f ( ) ， 把这种关系称为电动机的容许过载特性，其函数关系如图3 8 电动机反时限过载保护特 性曲线所示。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3 8 电动机反时限过载保护特性曲线 电动机在设计时往往留有一定裕量，因此电动机有一定的短时过载能力。在实际生 1 3 西安科技大学硕士学位论文 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f 与过载倍数的关系称为 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 因为电动机出现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【2 。从图3 7 可以看出，反时限过载保护特性可以充分利用电动机的过载 能力，因此本课题在设计过载保护时使用了反时限特性。 ( 2 ) 过载故障保护的整定值 依据中华人民共和国煤炭行业标准m t 8 7 1 _ 2 0 0 0 ，关于矿用隔爆型低压交流真 空馈电开关的反时限过载脱扣特性如下表3 2 所示1 2 2 】： 表3 2 反时限过载脱扣特性 3 2 4 断相保护功能 ( 1 ) 断相故障分析 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。 所谓断相运行就是指三相供电电源缺少一相或者三相绕组中任何一相断开，电动机 在电压不对称的状态下运行。电源缺少一相如图3 9 所示；三相绕组中任何一相绕组断 开如图3 1 0 所示。 1 4 3 智能开关的主电路及保护功能 a i a = 0 图3 9 电源缺少一相 l ia c - 0 山 图3 1 0 绕组断开一楣 电动机处在断相状态下运行时，一相线电流为零，另两相线电流增大，使电动机负 载相对增加，电动机负担加重，电流剧增，温度升高，加速设备绝缘层氧化直至烧毁电 动机。此外，电动机断相使工作电流出现严重的不平衡，产生正序电流、负序电流和零 序电流。负序电流产生制动转矩，零序电流增加损耗，使电动机的负荷加重，尤其是断 相运行时，各相绕组发热情况相差很大，造成电动机断相运行乃至烧坏，应实行故障保 护。据国内和苏联的资料统计，矿用电动机因断相运行烧毁约占1 4 ，因此断相保护的 效果也是判断保护装置好坏的重要标志【2 3 1 。 电源缺少一相运行：对于星形或三角形接法的电动机，电源缺少一相时如图3 5 所 示，此时a 相电流i a = 0 ，其实当电动机星型接法时出现断开一相绕组的情况时，也可 以得出同样的结论。绕组断开一相运行：对于电动机三角形接法而言，当绕组断开一相 时，正常的绕组通过的电流为线电流，当带的负载不变时，电动机绕组的电流会增大， 导致线电流也增大1 7 3 2 倍。 ( 2 ) 断相故障保护的整定值 根据以上分析，断相故障出现后，本课题把电动机的断相分为电源缺少一相和绕组 断开一相分别讨论；当电源断开一相时，以检测到的故障线路电流为零作为保护的整定 值。当电动机三角形接法且绕组断开一相时，以检测到的线电流幅值增大为判据，本课 题将其作为过载故障的一种形式处理。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 3 2 5 欠压和过压保护功能 ( 1 ) 欠压、过压故障分析 根据三相异步电动机的电磁转矩公式f 2 4 l ： 卜k 器 5 ) 、1- ri ，11 n ， 式中：丁一电磁转矩 k 一常数 明一定子电压 恐一电动机转子电阻 局d 一电动机转子感抗 s 一转差率 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，会影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行。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，当电压降低到一定程度，使得起 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， 下列电动机一般需装设欠压保护： 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。 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。 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。 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，如果定子绕组一相接地短路，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【1 1 。 ( 2 ) 欠压、过压故障保护的整定值 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o 7 以， 1 6 3 智能开关的主电路及保护功能 则认为有欠压故障产生，应进行断电保护。 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1 3 以， 则认为有过压故障产生，应进行断电保护。 3 3 本章小结 本章的论述主要分为两部分：第一部分，简单叙述了智能开关的主电路开关器件双 向可控硅的开关特性、驱动原理。它作为性能优良的无触点交流开关可以替代交流接触 器，因此交流接触器的控制部分的继电器也将被取代，使得控制电路简化。第二部分分 析了漏电、短路、过载、断相、过压、欠压故障的特征，并且给出了各种故障下保护的 整定值，使得各种保护方案有理可依。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 4 智能开关硬件设计 从图2 1 可以看到智能开关的组成。本章分别就信号输入电路、单片机系统、人机 接口( 显示电路) 、驱动电路、以太网通信电路五部分展开讨论。每一部分包含电路结 构分析、元器件功能介绍、硬件电路设计三个方面的内容。 4 1 信号输入电路设计 4 1 1 电路结构分析 ( 1 ) 漏电保护信号输入 从第3 2 节中漏电故障的理论分析得知，如果发生系统绝缘降低，那么操作人员接 触到电缆或设备时就可能发生触电事故，所以必须在接通电动机的电源之前，检测供电 系统绝缘电阻的大小，如果绝缘电阻小于表3 1 规定的值就可能发生漏电事故，此时不 能闭合开关对设备送电，这种漏电保护也称漏电闭锁。 对于漏电保护，本课题采用经典的附加直流电源法。如图4 1 所示，在电路中附加 一个直流电源后形成一个回路：电源j 下极一大地绝缘电阻、电容一线路一s k ( 三相电 抗器) 一l k ( 零序电抗器) 一阻抗继电器一电源负极。一旦绝缘电阻下降，继电器线 圈带电使得其常开触点闭合，因此将漏电检测回路继电器的常开触点作为单片机一位 v o 口的输入信号，如果该位检测到高电平就可以判断设备绝缘电阻下降，必须闭锁开 关【l 引。下图4 1 为漏电闭锁取样电路。 u a u b u c 智能 开关t tt r b r c 1 c fc bc c + 硭i o _ 至 瓢型h 。 图4 1 漏电闭锁信号取样电路 1 8 4 智能开关硬件设计 ( 2 ) 电动机工作电压、电流信号输入 本课题的智能开关保护的电动机是交流3 8 0 v 、6 6 0 v 电源供电，然而模拟信号的处 理装置单片机属于弱电系统，不能直接接入强电信号，必须使用电压、电流互感器将一 次回路的高电压、大电流线性的变换为二次低电压、小电流信号作为单片机系统的输入 信号。通过电力互感器变换后的信号一般为标准值：电压互感器二次侧为1 0 0 v ；电流 互感器二次侧为1 a 或5 a 2 5 1 。然后将标准信号接入电路板上的电压、电流信号变换器， 这样不仅可以实现隔离作用，还可以对标准信号调理，以适合单片机的a d 输入电气特 性。经过信号变换器的信号还不能直接接入单片机的a d ，因为a d 转换器只能接受 幅值在一定范围变化的电压信号，因此在模拟信号进入到a d 通道前，必须设置信号调 理电路，使各类信号经过调理、滤波后，变成幅值大小合适的交流电压信号并送入a d 转换器进行处理。信号的调理电路的两部分为：第一部分，集成运算放大器组成的减法 电路；第二部分，r c 网络组成的一阶无源滤波器，取定r 和c 后可以计算得到截止频 率为1 0 0 h z 。通过调理电路后模拟量信号变换成幅值和极性符合a d 输入要求的电压 信号。本课题使用的a d 为单片机自带的具有采样保持功能的1 2 位转换器，采样保持 功能可以使得采样转换结果更准确。其电压输入范围是0 2 4 3 v 2 6 1 。 互感器按其用途和性能特点可分为测量用互感器和保护用互感器，本课题为了实现 电动机在不正常运行和故障状态下使用单片机系统采集电动机电流、电压信号，然后发 出停机指令给驱动电路停止电动机运行，同时实现故障监视和故障记录。由于本课题需 要采集短路电流，在短路情况下c t 不得饱和，所以我