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脱毛机机械结构设计【含CAD图纸、说明书】,含CAD图纸、说明书,脱毛,机械,结构设计,CAD,图纸,说明书
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利用传感器对异步电机进行故障监测和保护摘要保护交流电机在使用过程中由于过电压、过电流、超负荷、过热、欠电压对电机的损坏，对于防止工业事故非常重要。在过去的保护方式中使用接触器，电压、电流继电器等部件对异步电机能进行保护。虽然这种方式能起到一定的保护作用，然而这种机械式保护方式已经成为传统无法适应现代技术发展的需求。在现代技术中，出现了通过使用计算机和可编程集成电路（PLC）为基础的保护电路，这种电路能完全代替传统的机械部分对电机进行保护。然而，以PIC为基础的计算机保护方式，PIC本身无法响应模拟量参数，需要通过数模卡（ADC）进行数模转换。在本设计研究中，采用了一种新的方法，通过使用可编程逻辑控制器（PLC）对电机进行保护。在该方法中，所有接触器、定时器、继电器和转换卡都被逻辑基础电路取代掉。而且，在该系统下，对电机的电压、电流、转速、温度等关键性参数进行实时监测与预警，并能通过屏幕显示出来。实验结果表明，基于PLC的保护方式相对于基于PIC的计算机传统保护方式而言，不仅开发费用少、精度高、更安全而且由于加有显示器，使得监测可视化等优点。关键字：自动化设计， 故障监测， 异步电动机保护， 可编程控制1 引言现今交流异步电机做为执行机构广泛用于许多工业生产当中。在正常使用情况下，电机的运行安全可靠的。但是当遇到不可靠因素的影响时会造成电机损坏，同时造成工业生产损失。本文研究的异步电机故障检测技术是一种快速的电机故障检测技术。它不仅能保护电机本身同时还能有效避免在工业生产过程中电机的损坏造成的意外事故。总的来说监测技术按类分可以分为传统技术和数字技术。传统的三相异步电机的保护系统，由机械式和电起式结构组成。在以前的传统保护方式中纯在很多的缺陷，由于是机械形式所以无法检测电路上的故障，如定子线圈的绝缘层顺坏。而且，由于机械设备需要人为控制，这不仅影响生产效率，而且纯在着操作安全隐患。到目前为止，有很多研究人员对异步电机的监控方式进行了研究，并在其研究成果中对其电机的保护方式进行了说明 。环顾该领域技术，目前最为先进，最为前沿的保护方式是通过使用计算机微处理器技术，对异步电机定子故障进行检测和保护的数字式保护方式。通过对电机的损坏原因进行详细，电机损坏的原因主要包括：包括滚珠轴承的失败，速度的连锁效应，气隙偏心，转子偏心，转子轴转速波动、轴承损坏、不平衡的电压故障，线圈匝间损坏，定子绕组温度异常，基于微控制器的数字保护器损坏。研究发现影响电机的参数较多，如果对电机的一两个变量进行检测控制，无法准确实现对电机的保护。因此，要实现对电机的保护控制，需要对多个量同时检测控制，这使得在学习用计算机对电机进行保护方式研究带来了研究困难。通过测量获取电机的电压、电流、温度和速度的数据，并将数据传入计算机，最后由计算机对数据分析后进行电机的保护。这种方式，虽然将所有的电机参数都考虑进去了，但是由于数据采集后需要进行数模转换（ADC），这不仅仅使得检测控制设备变得庞大，同时也增加了研制成本。如果通过使用可编程集成电路（PIC）为基础的保护系统。虽然在单片机的帮助下可以通过各种方式对异步电机的相电流，相电压，电机转速和电机线圈温度异常引起的故障进行保护，但是却无法将这一系列过程通过显示器显示出来。当今，可编程逻辑控制器（PLC）广泛使用在工业自动化的保护系统中。在PLC系统中配置有适合直接使用在工业自动化系统中的专用的I/O口。通过专用的I/O口，可以将输入组件，如压力、水平、温度传感器直接连接到系统中。同时控制线路的驱动组件如接触器和电磁阀也能直接连接到PLC的输出端。因此许多工厂通过使用PLC技术，实现自动化控制，不仅减少了生产成本同时也提高了产品质量和产品的合格率。有几篇论文发表了关于用PLC对异步电动机进行控制。其中讲到关于三相异步电机功率因素控制方法，通过采用可编程控制器（PLC）在可控制范围内进行调压调频可以实现提高电机的功率因素。而且通过使用以可编程控制器（PLC）为基础的监测系统，能通过变频控制实现对异步电机电机高精度很定转速控制。不仅如此，使用PLC在对速度进行控制的控制系统中，通过对速度闭环控制，能很好的实现横转速变负载和恒负载变转速控制。下面介绍通过使用基于PLC系统实现对异步电机的检测和保护方法。在此方法中通过使用PLC成功解决了异步电机在操作过程中由异常相电流，相电压，转速和电机绕组温度造成故障。在该系统的研究中，如果仅仅使用可编程控制器（PLC）制作保护系统，其花费的成本会变得很大。但是如果合理选取PLC可以在不额外加入其它的微处理器的情况下，实现电机自动化系统控制。本文对这PLC进行了详细的介绍。其中第二部分介绍了PLC。第三部分详细介绍了系统在实际运行时的硬件，软件和实测结果。第四部分讲述了电机故障检测与保护的实验研究。第五部分对该研究进行了总结。2 可编程逻辑控制器可编程控制器（PLC）作为一种小型的计算机，能实现对实际项目进行自动化控制，如控制在工厂组装生产线上的机械进行自动化生产。同时也能通过编程方式实现对工程设备进行可靠的检测控制。这是因为，PLC上配置有许多的I/O口，供信号端口接入，并能够加载在PLC中存储器中的程序，实现通过程序控制各个部件的输入输出。PLC的基本构造说明如图1所示。在该保护设计研究中，PLC能够通过模拟量测量异步电机的电流、电压、温度和电机转速。并通过程序不间断的监视这些输入信号，控制电机输出。西门子s7-200系列224的CPU可编程控制器具有14位数字输入/10位数字输出地址。内置4096字节的程序存储器。使用STEP 7Micro/Win 32软件编程平台。程序清单编辑器(STL)和梯形图(LAD)辅助设计。与电脑下载程序，需要控制调节与电脑的波特率。其连线设定匹配的波特率参照使用手册。开关传感器输入 单元硬件输出继电器继电器电磁阀程序设计器接口 （P C）图1 可编程序控制器(PLC)的基本结构图2模拟和数字可编程序控制器(PLC)模块模拟模块通常工作在8位或者12的操作系统下，连接有一个或者一个以上的模拟传感器，主要功能是分析处理模拟信号。例如，电磁(EM)235模块12-bit系统在输入端能连接四个模拟传感器，其端口分别表示为A、B、C、D。每个通道首先对数据进行分析处理，然后将模拟信号转换为数字信号。由于PLC智能判断逻辑信号无法直接读取识别模拟信号。所以模拟模块需要在PLC下处理模拟信号。在这模拟模块中，电机的相电流、相电压、温度和电机转速能通过模拟模块测量。如图2，为可编程序控制器(PLC)的电路元件接线方式。3 异步电动机的控制系统图3 保护系统原理说明图如图3所示，通过一个框图说明该保护系统。其中检测装置包含电流、电压、转子速度和绕组温度测量装置。其保护系统可以分为：硬件部分，仪表装置，软件部分三大类。这些部件将在下面介绍。A：硬件 用于保护系统研究硬件组成：三相异步电机，功率为1.5kw，转速为2800r /min；三相电压变压器，变压范围220/5v；三相变流器，电流比1000:1；温度传感器，敏感系数1/10 mV；编码器，每转360个脉冲；积分电路真有效值至直流转换器；西门子S7 CPU 224、200系列PLC。B：仪表如图5所示，在保护系统中电源部分包含电动机电流、电压采集卡，变流器和变压器。运算电路包括运算放大器，增益电位器和一个用来改变电流值过滤器电路。在该系统中，采集卡的输出端用于接入积分电路真有效值至直流转换器，其结构如图5。在积分电路真有效值至直流转换器中使用的是AD536A集成电路。AD536A集成电路是一个完整的单片集成电路，能正确执行积分电路真有效值至直流转换。同时提供系统模块单元比，这比混合模块单元更加完善性能更好而且更便宜。而且能通过输入积分电路包括直流和交流部分直接计算各种复杂波形19。在图5中，电位计和滤波电路，被用在积分电路真有效值至直流转换器改变电流和电压值。转换后的电流和电压通过积分电路真有效值至直流转换器移交给PLC的模拟模块。在系统中，为了测量电机的转速，在电机轴上连接增量式编码器，其编码灵敏度为每转360个脉冲20，如图6。在编码器的末端，利用转换电路将该编码器输出经过脉冲宽度调制(PWM)被转换为直流电压值，如图7。在线圈中使用LM-35传感器检测电机的温度。LM-35传感器是一种线性的传感器元件，测量敏感系数为10mv/1C 21。通过测量获得的温度信号经过放大整流之后被输入到PLC。电机正常运行时最大允许环境温度为40 C，如果超过这个值，PLC将控制电机停止运行。 图4 系统总体全图 图5 视图的测量卡和积分电路真有效值 图6 连接到电机轴上的增量式编码器 图7 . 将电流转换为电压的PWM电路C 软件设计PLC通过Microwin平台下进行软件开发设计，方便电机保护系统的开发。PLC系统提供了基于主机终端的软件工具软件开发环境，在此环境能进行软件开发，验证，测试和系统分析。首先，由序人员用高级语言编写程序。然后，通过软件转化为二进制指令代码，最后将程序存储在RAM中或可擦写可编程只读存储器(EPROM)中。通过CPU进行连续解码并执行指令。CPU的功能是运行存储器中的程序，并根据程序控制是控制操作I/O口的读写，其中连接在PLC上的每个输入输出I/O口都有唯一的地址用于识别。其中保护系统的程序流程图如图8。通过程序控制PLC进行数据输出并能将这异步电机的三相电压(V1、V2，V3)，三相交流电（I1，I3，(12)，电机转度(nr)和温度(TC)的数据显示在屏幕上。显示情况如图3中所示。 开始+ 读取输入和储存数 显示V1,V2,V3,I1,I2,I3,N5,T6在电脑上是V1,V2,V3,I1,I2,I3,Nr=0否执行梯形程序否程序是否在最大至最小区间停止电机，给屏幕报警信息是 更新输出否是否电机停止 停止是图8程序流程图如图图表1给出了电机变量及参数。PLC软件总长度大约是500语句。PLC执行每条布尔指令需要0.37s。因此，每次编译软件需要花费185s。通过传感器能在1s中内对电机进行5000次故障检测。根据控制程序，读取这写数据并进行计算。表1电机变量及参数图变量符号输入单元电压方面1V1模拟模块1输入A伏电压方面2V2模拟模块1输入B伏电压方面3V3模拟模块1输入C伏电流方面1I1模拟模块1输入D安培电流方面2I2模拟模块2输入A安培电流方面3I3模拟模块2输入B安培速度Nr模拟模块2输入C转绕组温度Tc模拟模块2输入D度电机瞬态时间（连续不断的被程序控制的时间）设置为100ms。如果瞬态时间超过设置时间，该程序去控制程序，让发送控制电机电流信号，控制电机停止运行。最后程序运行结果将现实在屏幕上。当程序连续运行时，每200ms更新一次运行结果。软件中瞬态时间和更新时间可以根据电机的负载和电流情况进行更改。在无需人的干预下通过软件直接将相电压、相电流、转子速度和电机温度显示在屏幕上。程序将在规定的范围内运行，在允许的范围内，不断采集数据。如果没有读到新有效值，该程序将循环读取信号并计算，直到读到新的电压，电流，速度、温度(V1、V2、V3，I3、 I1、I2、I3，Tc)。这时程序将对采集到的三相电压，三相电流、电机转速以及温度与他们的正常值进行比较，如果系统发生出现任何故障，将通过PLC发送信号控制电机停止运行，并将故障信息记录显示在屏幕上。当一个未定义系统发生故障时，电机停止而没有任何显示。如果出现这种情况，数据人员仍能描述和创建造成错误数据文档，并通过数据文件能重现历史故障。如果电机仍然处于故障中，系统将空电机不能被重启，直到故障排除。4 通过实验对电机进行故障检测和保护计算机借口程序被写在Winlog软件的SCADA程序包中。根据“Modbus”协议获取PLC与电脑的端口通信协议。协议如下：通道：配置:Modbus RTU端口:COM1波特率:19200停止位:1数据位:8溢出时间(ms):1000查询暂停(ms):20如图9，给出了电机保护系统开发软件的目录。通过实验开发研制电机故障检查和保护系统，其程序的菜单有6个按钮包括start、stop、alarm and reset、groups、ime axis和aspect。1) Start是用来启动电机。2) Stop时用来停止电机转动。3) Alarm and reset是用于当电机处于任何故障时停止电机运行。即使电机转为正常状态，电机也不会自己自动启动。要想启动电机，首先要保证重启按钮亮着，其次必须人为的点击重启按钮。groups是用来人为建立特定需要的图解图组。例如，如果用户想看三相情况的图形，就能依靠groups按钮功能将所需要的图解组合显示在电脑屏幕上。4)Time axis是用于调节时间分割。因此，时间轴可在调节范围内调节时间，如图10。5)Aspect是用于设置线条的厚度。图9 软件开始板面截图电压和电流的绘制图表被插入在目录中。此外，软件平面还给出了8个不同的三相电流和电机电压状态按钮。也显示了电机变量包括三相电压、三相电流、电机温度和电机转速。图10 显示时间范围。 电机在启动前，要通过键盘手动输入电机运行时三相电压、三相电流、电机温度、电机转速允许的最大最小值，只有当这些值被输入后电机才能被启动。当点击图标motor，屏幕上显示相应的设置菜单如图11。电机选用的电压电流波形可通过示波器显示。通过该软件实验获取的数据将在电脑运算分析用于电机保护系统软件的开发设计。此外，计算机屏幕每隔200ms新刷一次。图11 程序运行页面截图。电机保护设置是基于规定的控制理论，用于电机故障检测和电机保护。本设计通过实验的方式开发设计系统。在系统中的温度传感器仅用于检测定子电流故障，忽视了转子的温度。在图表II中显示可能检测出来的错误。表2电机故障各项分析表故障类型I1I2I3V1V2V3NrTc电机停止或三阶段是不存在的*1相绕组不导电0NNNNNN*2相绕组不导电N0NNNNN*3相绕组不导电NN0NNNN*全部绕组不导电000NNNN*1阶段是从电源切断0NNNNN*2阶段是从电源切断N0NNNN*3阶段是从电源切断NN0NNN*有可能是在1相短路NN*有可能是在2相短路NN*有可能是在3相短路NN*电压超过1期的上限NNNNNN*电压超过2期的上限NNNNNN*电压超过3期的上限NNNNNN*电压是在阶段1和2的上限NNNNN*电压是在阶段1和3的上限NNNNNN*电压是在阶段2和3的上限NNNNN*电压是在阶段1，2和3的上限NNNN*电压低于1期的下限NNNNNN*电压低于2期的下限NNNNNN*电压低于3期的下限NNNNNN*电压低于1和2期的下限NNNNN*电压低于1和3期的下限NNNNN*电压低于2和3期的下限NNNNN*电压低于1，2和3期的下限NNNN*有可能是一个与电动机的通风问题NNNNNNN三个阶段是切断电机不起动0000*1阶段的线圈切断或三与接线盒的问题0NNN*2阶段的线圈切断或三与接线盒的问题0NNN*3阶段的线圈切断或三与接线盒的问题0NNN*图表中， 、和符号分别代表了I1， I2， I3， V1， V2， V3， nr 和TC在进行数值比较时小于、大于、大于或等于和小于或等于。星号(*)表示没有数值。N表示该值为标准正常值。该系统会自动记录出现的任何故障，并将发生故障的日期和时间显示在屏幕上。当警报解除后，通过按复位按钮重新启动保护系统。如果仍然处于警报当中，按了复位按钮系统也不会被启动。在上表2中，记录显示了30种电机故障时的各项数据。每次检查都将电机的三相电压、三相电流、三相电压，电机温度和电机转速与正常值进行了比较。如果出现任何故障，计算机将发出控制信号控制电机停止运
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