毕业设计（论文）三相电源监视（电动机保护器）.doc

毕业设计（论文）课题名称： 三相电源监视（电动机保护器） 学生姓名： 专业班级： 分 院： 学 号： 指导教师： 2005年 5 月 15 日三相电源监视 (电动机保护器)摘 要：我介绍的是一个电子式三相电源监视器（又称相序保护器、电压继电器以下简称监视器）主要用于交流50/60Hz，额定电压460V以下的电路中，作为对三相电动机输入电源的电压过高、电压过低、缺相、逆相、三相电压不平衡提供继电保护。关键词：电动机 三相电源 保护 电压取样 【Abstract】What I introduce is the three mutually electronic of the power monitor(mutually preface protection the machine, electric voltage calls the monitor as follows after the electric appliances) mainly useds for frequency the 50/60 Hz, the sum voltage 460 V the following, to protect the three mutually motor inputs the electric supply to lead high,the electric voltage lead low ,lack mutually, negative mutually,three mutually voltage unbalance. 【Keywords】electric motor 、 three mutually of the power 、 protection 、voltage sampling目 录摘 要 （2）一、引言（4）二、电动机保护装置及其发展趋势（5） 三、电动机保护在国民经济和节能事业中的重要意义（6）四、电动机保护器产品介绍（8）（一） 串芯式电流型保护器（8）1、电机绕组烧毁原因及保护措施（8）（1）过热保护（8）（2）过流保护（8）（3）断相保护（8）2、对电动机保护的要求（9）3、设计线路图（9）4、电路工作原理（10）（二） 三相电源型保护电路的设计（10）1、缺相保护电路（11）2、三相不平衡过压欠压保护电路（12）3、逆相保护电路（12）4、温度检测保护电路（13）5、电压显示电路（13）五、总结（14）六、谢辞（14）七、参考文献（14）一、 引言：1、为何要开发万能电子式，断相、过压、欠压、逆相、过流、三相不平衡、电动机保护器？大家知道，电动机是工农业生产的主要动力源。电动机根据功率大小，可以分为小型、中型、大型三个档次。一般对于中，大型电动机来说，由于电动机本身代价较高，因此保护设施往往比较完备，目前大都已采用了性能优越的电子式电动机保护器组装于控制箱、控制柜中进行保护控制。所以电机烧毁现象日趋减少。另外由于大型电机用途单一，因此也无需考虑多重控制功能于一体的控制箱。然而，对于占有应用分额95%以上的，容量在7.5千瓦以下的小型电动机来说，诸如：风机电机、小泵电机、机床电机及各种农用机械电机，潜水泵等等均属此例，目前大多数还是处于在无任何保护设施或仅用一个空气开关、或热继电器保护条件下控制工作，特别是农村，仅用一只闸刀就可以控制工作。因此最终总因为保护无效而导致电机烧毁事故发生，难怪在市面上还有那么多电机修理店，生意如此兴旺也就不足为奇了。那么为什么这类小型电动机，到目前为止还是得不到有效的高性能电子式保护控制呢？分析原因，有两个方面。一是小型电动机由于本身造价不高，如果采用价格较高的电子式保护器，再配备交流接触器、按钮、控制盒加起来少说也要好几百元钱，前期一次性投入较大，很多用户觉得不划算。二是因为组装这些保护控制电路或控制箱，不但麻烦，而且需要有一定的电工技能才行。而目前大多数普通电工还缺乏这方面组装技能，还得请技能较高的电工进行现场调试后 方能投入正常使用。只是这两个原因制约了目前电子式电动机保护器的推广应用。 针对上述情况，如何使得这些小型电机也能普遍得益于高性能电子式电机保护器保护呢？出路在于技术创新，在于如何制造出成本相对较低，性价比较高。而且使用又如同普通闸刀一样方便的，新一代电机保护控制器，这就是我们为什么研制万能电机保护启动器的原因。2、电子式电源监视电动机保护器有哪些优点？（1） 低成本的造价，极优的保护特性，极高的性价比，多功能的控制。俗话说：一分钱一分货，便宜没好货。既要马儿跑的快，又要马儿不吃草，天下哪有这么好的事。但是你只要想一想，过去一份电报是那么的贵，而如今一份电子邮件又只需花几分钱，而后者无论在信息量上传递速度上都有是前者所无可比拟的。什么道理，说穿了一句话：科学技术是第一生产力，所有这些都是科技的造化罢了。电子式电源监视电动机保护器采用最新微电脑芯片为核心，以充分发掘芯片资源为指导思想，终究使产品达至理想的高科技含量，那么它的性能优越，保护性能好！控制功能多，应用范围广，安装操作方便等优点。（2） 保护功能齐全。除电机必备的断相、过压、欠压、过流、逆相、三相不平衡功能外，还可根据用户要求附带漏电保护功能等等。其次对电机的主要保护参数及动作延时要求，如电流倍率、过流动作时间、过欠压动作时间、起动时间可按要求定做。（3） 整定电流免调、使用方便，一般产品出厂设置：对7.5千瓦内的所有电机，在第一次通电使用时，在确保电机正常运转的前提下，本保护起动器能自动完成电流测试，并将整定电流自动调到默认设置的1.5倍电流值下投入工作，可免去人工调试的麻烦。二、电动机保护装置及其发展趋势（一）、应用电子型电动机保护器淘汰JR016热继电器势在必行早在1994年11月22日，国家经贸委就发出第6号令公布淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录中要求立即淘汰JR016系列热继电器。1996年国家“八部委”联合发出机械科（1996）768号文件 关于公布机械工业第十六批淘汰落后机电产品的通知淘汰了（1954）年以来一直大批生产使用的JR016系列热继电器。1982年至1998年原国家机械工业部会同国家经贸委、计委、科委、技术监督局等有关部委联合公布了十七批淘汰耗能高、落后的机电产品项目，其中包括有JR016系列热继电器。通知要求1997年12月31日以前停止生产、销售和使用。1998年国家“八部委”又联合发出机械科（1998）272号文件关于公布机械工业第十八批节能机电产品推广项目的通知把电子型电机保护装置列为节能机电产品和替代热继电器的更新换代产品。1999年1月22日经国务院批准，国家经贸委第6号令公布了淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录中规定JR016系列热继电器是立即淘汰产品。1999年7月20日国家质量技术监督局发出了质技监局监发（1999）174号关于依法核查全国39家企业生产经销国家明令淘汰产品的通知对还在生产经销热继电器的非法单位给予严厉的查处，净化了电机保护市场，充分表明国家对电机保护的研究开发与推广应用工作的重视，势在必行的替代热继电器。（二）、生产、销售和使用的热继电器的法律责任中华人民共和国节约能源法和中华人民共和国产品质量法，这两部法律都明确规定不准生产、销售和使用国家明令淘汰的产品。1 对违反此规定生产，销售的要现令停止生产、销售，没收违法产品和非法所得，并处15倍罚款，直到取消营业执照。2 对使用单位要没收明令淘汰的产品，现令停止整顿或者关闭企业。3 对设计部门在工程设计时仍采用国家明令淘汰的产品，一律视为劣质设计，项目审批单位不予审批，违者追究设计、审批人员的责任。4 对各成套产品生产企业，一律不得采购和使用淘汰产品作为配套产品，配套件，否则，按不合理产品处理，其产品不得出厂，并依法追究企业领导者的责任。（三）、国内电动机保护装置的状况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，靠温度变化时间动作的。而热继电器装在动力线上，靠电流热效应运作。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。4、 电动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。同样可以检测线电压变化,采取三相电压波形来控制电压高低,逆相等保护5、 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，自琐和远传报警，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。同时可监控、监测256台电动机工作等功能。三、 电机保护在国民经济和节能事业中的重要意义电动机保护器是发电、供电、用电系统的重要器件。是跨行业，量大面广、节能效果显著的机电产品。几乎渗透到所有用电领域：是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。中华人民共和国节约能源法规定：“节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”、“节能发展经济的一项长远战略方针”。节能是系统工程。据不完全统计，全国运行的1KW320KW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数百亿元左右，造成停工停产损失竟达100亿元。仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降、耗电量大、性能变差直接影响企业正常生产。按上述情况举例说明：（一） 全国每年因维修电动机浪费电磁线约1亿万公斤，若少生产1亿万公斤电磁线（每公斤需要电33.4度）每年就可节约用电33.4亿度。（二） 电动机保护器与企业经济效益关系计算公式如下：QS电动机修理费保护器可靠系数电机拆装费停工损失保护器购买费保护安装费（电动机修理费保护器可靠系数保护器购买费）（电机拆装费停工损失保护安装费）（直接经济效益）（间接经济效益）例如：有一台55KW电动机，若烧坏后修理费为2500元，配置一台使用可靠系数为98%，售价为490元电动机保护器，它使电机免遭烧毁而产生的直接经济效益QZ为：QZ电动机修理费保护器可靠系数保护器购买费250098%4901960（元）直接节省比例：P1960/2500100%78.4%计算结果：用户购买电动机保护器的结果，能够节省了1960元，节省比例为78.4%。电动机功率修理费（大约）购买电动机保护器费用相对节省费用10KW900元350元550元20KW1300元380元920元30KW1800元490元1310元60KW3000元590元2410元90KW5000元690元4310元注：此处假设保护器的可靠系数为100%（三） 在工农业生产用电动机械设备中，经常存在电动机长期“大马拉小车”和变载运行中的长期空载，造成了电能的有功和无功的严重损耗。我公司生产BHQC型以及多功能节能电动机保护器根据电动机在轻（空）载时，降低其端电压，能提高其功率因数和工作效率的原理。通过自动跟踪检测电机运行电压和电流的相位，根据相位分析电机负载状态，自动调整电机动行电压，使电机磁通量有效配合电机负载转矩，有效降低电机无功损耗，有功损耗、励磁损耗，提高电机工作效率，达到节能降耗目的。利用Y转换将电机轻（空）载时端电压降低为原来的3/3倍，电机铁损也降为原来的1/3（因电机的铁损与端电压的平方成正比）同时电机的电流也随之下降，因铜损与电流的平方成正比，所以铜损也随之下降，达到了节能的目的。举例说明：JO2524三相异步电机有关数字如下：Pe=10KW Ve=380V ne=1452转/分 Mfz=0.1Me在运转中如果将定子绕组由“”形改为“Y”联接后，COS由0.2996提高到0.634，效率由66.7%提高到79.7%。定子输入功率由1514W降到1255W。 如每天轻载20小时，每年按300个工作日，则每年节约电能： A=（1.514-1.255）×20×300=1554度。该装置节电效果显著，空载时，可将空载起动电流下将70%以上，使输入功率降低70%左右，空载运行功率降低47.6%，空载节电50%以上最高可达68%，特别是对那些经常处于低负载以及负载变化频繁的电动机，平均节电率在（16-40）%，提高了功率因数，降低了电网线损及变压器铜损，不失为一种较理想的电机节电起动综合装置。 因此，保护器不仅能保证工农业正常生产，提高生产效率和经济效益，而且在节能事业中也有着重要意义。四、电动机保护器产品介绍（一） 串芯式电流型保护器1、机绕组烧毁原因及保护措施针对三相异步电动机定子绕组烧毁的原因，一般采用的保护技术有过热保护、过流保护和断相保护。（1）、过热保护 部分观点认为无论什么原因造成的故障最终都将导致电机定子绕组过热而烧毁。因此，只要防止电机绕组过热，也就保护了电机。但事实上，电机本身有绝缘耐热等级不同的区别。最高允许温升A级105、E级120、B级130、F级155、H级180在同样的环境温度、工作条件、温升的情况下，有的电机会损坏，有的却不会损坏。同时对于造成电机过热原因中的轴承损坏、定转子相擦、通风不畅等该属电工定期检查和巡视检查必须发现解决的，不属保护技术主要的讨论范围。另外，电机升温、降温是个缓慢变化的过程，因此我们认为只有对大中型、重要岗位工作的电机加装温升监视和过热保护装置才是必要的。并应根据不同耐热等级，在电机内部设置超温报警而后跳闸的装置。至于小型电机采用过热保护装置并不一定合算。（2）、过流保护 对于负载几乎恒定不变的电机，过流保护是没有必要的。但有的电机负载经常变化，经常发生过载、堵转以至烧毁电机绕组。对于这样运行的电机必须加装过流保护装置。三相异步电动机虽有较强的过载能力，但对电机过载实行反时限特性保护，是必要的，也是公众认可的。（3）、断相保护 电动机损坏，大多数是断相运行造成的，而人们对断相运行给电机造成什么样的危害，应采取什么样的保护方式合适，至今尚没有比较一致的意见。很长一段时间比较普遍的观点认为；断相运行将导致电机绕组过热而损坏；认为“利用温度传感器监视电动机绕组温升，是当前最直接和最可靠的断相保护万案”。（见电子报1986年1观页电动机断相保护讨论小结入国际电工委员会IEC2021低压电动机起动器）中规定之在电动机两相由额定电流升至1、15倍额定电流，而第三相由09倍额定电流降至0时，起动器应在2h内动作。至于断相电流为数倍额定电流情况下动作时间，可以查具体起动器的断相特性曲线。例如，某一起动器，在一定条件下，2倍额定电流时，40s动作，3倍额定电流时 18s动作，6倍电流时，大于5s动作（见电子报1984年14页）。另一种观点认为电机断相运行将导致断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势，极易使电机绕组间击穿而损坏（见电世界1991年第342页三相异步电动机断相过电压分析 实际调查中，不少维修电工抱怨电机质量欠佳，匝间短路造成电机损坏。于是，我们从电路原理上分析电感线圈断电后产生的反电势，结论是反电势很高。并在通化市电机厂实验室，对空载运行的电机做断相运行实验，实验中发生的多起电机损坏，经解剖证实系由匝间击穿短路引起的，而电机定于绕组根本没有发热。 由于对断相运行给电机造成的危害认识不同，因此在对电机实行断相保护时产生了两种不同的意见：认为断相给电机造成过热损坏的观点要对电机实行过热保护或过流反时限特性保护，由此产生了热继电器方案、热敏电阻方案、断相过流延时保护方案以及其他一些方案；认为断相给电机绕组造成高压反电势击穿的观点，对断相采取瞬时动作保护方案，于是一些电子式保护器问世。 我们认为断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势给电机造成的危害远大于过热给电机造成的危害，况且断相故障又不能自动排除，因此对电机的断相保护应瞬时动作保护而不是反时限特性保护和过热保护。保护器应采取动作灵敏的电子式而不是动作缓慢的机电式。至于断相后延时几秒跳闸的做法是无积极意义的。2、对电动机保护器的要求实践证明，结合用户的需求，在设计电动机保护器时应符合下列要求：（1）、采用电流取样 这既可兼顾过流和断相保护的不同特点，又可充分反映不管哪里断相都要在供电线路电流上反映出来的事实；避免了其它取样方案的缺点和局限性。采用电压取样虽造价低廉，但只能保护电源到取样接入处之间的断相，保护不了取样接入处到电机之间的断相。采用中性点或人造中性点对零线电流或电压取样，由于单相负载的投入或切除，必然会使中性点电压或零线电流变化，这将使保护整定值难以确定。（2）、选用反应灵敏的电子式保护器方案 确保断相起动时拒绝合问，运行断相时瞬时跳闸。至于对断相实行延时保护和过热保护的观点是陈旧的、片面的。（3）、用保护器的常闭触点动作实行保护 这就是要求保护器在主回路不工作和正常工作时执行继电器不动作，而在电机起动和工作中发生故障时动作。这样的保护器适宜于与计算机输出和逻辑群控电路、多速及正反转电机以及与各种主开关接口，使用无局限性。（4）、有较宽的电流适应范围 电机空载电流约为额定电流的03倍，起动电流约为额定电流7倍。对于综合保护器应有从低到高起码20倍或30倍的电流容许范围，对于单一断相保护器，电流适应范围应更大。（5）不使用供电电源 保护器不使用供电电源，可使其通用于任何场合。因世界各国供电电压不尽相同，同时可防止海护器一旦本身电源故障将导致保护器处于无电之状态，而造成继电器不会动作，起不到保护作用（6）、保护器内对断相和过流应分别控制 以免互相牵扯拒动或误动。（7）、过热保护探头应装在电动机紧帖外壳。3、设计线路图4、电路工作原理：电动机三跟相线经过三个线圈，线圈感应出电流，第一提供LED灯指示每一相工作正常。第二将输入感应电压整流滤波提供LM339电源电压（LM339正常工作电压在230伏之间）。第三提供取样电压，当缺相时一条相线无电流流过，所以感应不出电压，取样电压为零LM339输出低电平动作，当过电流时，过电流取样电压高于基准电压输出为低电平动作。这样就做到了无外电压借电的目的。（二） 三相电源电压型保护电路的设计DSP芯片TMS320F240内部具有PDPINT(功率驱动保护)与NMI(不可屏蔽中断)外部中断功能,其中PDPINT作用时，自动封锁PWM输出脉冲，用于各种保护功能十分方便,但是有最大为T(采样周期)的延时，所以只能用于超温、缺相、过欠压等不是极具破坏性的非正常工况。对于过流保护，本文选用NMI引脚，这种外部中断功能优先级最高，并且不可屏蔽，中断的最大延时时间1us，保证了可靠地对直流侧过流进行保护。对于具体的实现电路，如下述。1、缺相保护电路：工作原理：三相电网电压通过电阻电容并阻降压，再接一个1K多的小电阻分压后由二极管整流滤波输入。后再经电阻分压取得三相取样信号，R11、R13、R15电阻相接接地。当电网电压正常没有断相时，分压取样电压11、7、9脚电压高于基准电压10、6、8脚。当电网电压断相时电压降低，R11、R13、R15中心点不为零三相不平衡，每相相线于接地点降于190伏，电压降低，所以断相的一要公压取祥电压低于基准电压，输出脚任意一脚输出低电平接地电容C14是断相延迟电容，通过电阻放电5脚电位低于4脚时，输出2脚变低电平接地，所以光耦接地发光，三极管导通。2、三相不平衡过欠压保护电路工作原理：三相电网电压通过电阻电容降压整流滤波再并联稳压后得到12伏直流电压提供LM339和LED指示灯。另一路两个电阻分压再经二极管整流滤波得到直流电压，再经两个电阻分压后取样输出接LM339三个正相输入端，基准电压和取样电压进行比较，N接中线。当电网电压正常时输出无动作。当有某种原因导致一跟相线电压升高或降低时，基准电压也同时降低和升高，一相降低，两相取样电压不变，降低的那相小于基准电压，输出变低电平。同理当一相电压升高时，两相不变，那样使得电源电压也同样升高，所以两相不变的电压低于基准电压，输出变为低电平，光耦输出动作信号。3、欠过压保护电路工作原理：两比较器6、7脚接基准电压5伏，输入取祥电压正相输入端5.5伏，反相输入端4.5伏，两个比较器输出为高电平，当电压降低时正相输入端降为小于5伏输出变低电平动作，当电压升高时反相输入端升高到5伏以上输出端变低电平动作。这样就起到了过欠压的目的。4、逆相保护电路当相序U、V、W正确接上正相时，继电器吸合有180伏以上的电压，当逆相时继电器闭合电压降底到4、5十伏。5、温度检测保护电路 在本系统中对温度的检测是通过AD590来实现的。其电路如下图所示： 由于温度变化较缓慢，其输入可直接由单片机采集处理，温度超限值由软件设定。同时，由于AD590精度较高，其采集的数据也被用作监控界面中检测温度变化曲线的数据。6、电压显示 工作原理：这是采用 31/2 位 A/D 转换集成电路 ICL7107 为核心的通用数字电压表头 , 满量程输入信号为 DC ± 199.9mV,( 也可以通过改变积分电阻电容的数值成为满量程 DC ± 1.999V). 通过其各种各样的前级电路配合 , 可以成为测量显示电流、电压、电阻、压力、温度等等化学量、物理量的廉价优质数字显示仪表，其高精度、高可靠、无视差、耐振动等等显著优点，是传统指针仪表望尘莫及的。利用一个转换开关手动切换三相电压来显示各相电压或者用模似开关用单片机来切换输入量，方便的用按扭来控制需要显示那一相电压的值，改变其输入量可以显示三相电流量。五、结论同所有的产品一样，电机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。虽然电机保护器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，例如：电动机保护器仍没有国家标准，导致市场上产品良莠不齐，这就说明电机保护器成长之路还很漫长，我们期待着电机保护行业的健康发展。六、谢辞：非常感谢老师作为我这篇论文的指导老师，在课题研究与写作过程中给了我很大的帮助。参考文献新型电源电路应用实例 编著： 薛永毅 王淑英 何希才 电子工业出版社实用电子制作集锦 编著： 徐建儒 张莹 人民邮电出版社电子报 电子制作 低压电器 电世界 电气时代 电气传动 电气资讯 机床电器 实用电子文摘等各类杂志