畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)利用單片機(jī)和雙向可控硅設(shè)計(jì)智能開關(guān)及其保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)_第1頁
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文檔簡介

1、摘 要本論文研究了一種礦用智能開關(guān)及其綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。提出了使用無觸點(diǎn)的可控硅代替常用的有觸點(diǎn)開關(guān),介紹電動(dòng)機(jī)保護(hù)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài),闡述了礦用電動(dòng)機(jī)的故障特征,研究了礦用電動(dòng)機(jī)的四種故障(過載、短路、斷相及漏電)及其保護(hù)原理。設(shè)計(jì)了以8051f020單片機(jī)為主控芯片的智能開關(guān)及其綜合保護(hù)裝置。具體進(jìn)行了信號(hào)輸入電路、保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示電路、可控硅開關(guān)控制電路、cpu系統(tǒng)主控電路的硬件設(shè)計(jì)。保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)漏電、斷路、過載和斷相故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)。本論文的重點(diǎn)是嘗試了使用可控硅作為開關(guān),實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)良好的啟動(dòng)關(guān)斷特性,體現(xiàn)了一些有觸點(diǎn)開關(guān)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。然后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)工作的介紹。首先介

2、紹實(shí)驗(yàn)接線調(diào)試步驟,接著針對(duì)過載、短路、斷相及漏電保護(hù)作了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明,此保護(hù)裝置的各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。最后得出全文的結(jié)論,總結(jié)了使用可控硅開關(guān)的可行性,本保護(hù)裝置功能及特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:可控硅,8051單片機(jī),綜合保abstract in this paper, what is discussed is a design of intelligence switch and it comprehensive protection equip of mineral product. it put forward using the non-contact scr inste

3、ad of the commonly used by a contact switch , introduced domestic and foreign development tendency of electric motor protects, elaborated breakdown character of the mineral product electric motor, studied four kinds of breakdowns (overload, short-circuits, breaks and leakage) and the protection prin

4、ciple of mineral product electric motor.an intelligent switch and synthetic protective device, with the master chip of 8051f020 single chip micro-controller, is designed. the hardware of circuit, including circuits of inputting signal, protecting actuation, and lcd manifestation, switch controller,

5、and primary dominating cpu system, is designed. the protective device accomplished real-time monitor and protection on breakdowns of short-circuit, overload, breaks and leakage. this paper will focus on the use of scr as an attempt to switch to achieve a good motor shutdown of the launch, reflected

6、a number of advantages compared with contacts switch. then work of experiments is introduced. first, we introduce the paces of debugged work ofexperiments, then, examine experiments of protection of overload, short-circuits, breaks and leakage, and obtains results. experiment results show that each

7、function of the protective device achieves the designed target.finally, the conclusion is drought, the advantage of switch, function and character of the device is summarized, and the shortage of design is pointed out.key words: silicon controlled rectifier,8051f020 single chip micro-controller,synt

8、hetic protective device目 錄1 緒論11.1 課題的研究背景11.2 智能開關(guān)及其保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的目的及意義11.3 課題研究的主要內(nèi)容及主要工作22 智能開關(guān)原理及常見故障特征分析32.1 開關(guān)原理簡介32.1.1 開關(guān)現(xiàn)狀32.1.2 雙向可控硅交流開關(guān)32.2 電動(dòng)機(jī)故障分類概述52.3 對(duì)稱分量法62.4 故障特征分析及保護(hù)判據(jù)82.4.1 漏電故障特征及保護(hù)原理82.4.2 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)92.4.3 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)102.4.4 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)102.4.5 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)112.4.6 欠壓和過壓故障特征分析及

9、保護(hù)判據(jù)143 智能開關(guān)及其保護(hù)方案的設(shè)計(jì)173.1 開關(guān)及其控制回路的設(shè)計(jì)方案173.2 漏電保護(hù)的方案173.3 過電流保護(hù)方案193.3.1短路保護(hù)設(shè)計(jì)方案203.3.2過載保護(hù)方案203.4 斷相保護(hù)方案223.5 欠壓和過壓保護(hù)方案224 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)244.1 智能開關(guān)及其保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)組成244.2 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)244.2.1 電路結(jié)構(gòu)分析244.2.2主要元器件介紹274.2.3 硬件電路設(shè)計(jì)274.2.4 小結(jié)304.3 cpu主系統(tǒng)設(shè)計(jì)304.3.1 電路結(jié)構(gòu)分析304.3.2 主要元器件介紹314.3.3 硬件電路設(shè)計(jì)324.3.4 小結(jié)334.4 顯示電路的設(shè)計(jì)3

10、34.4.1 電路結(jié)構(gòu)分析334.4.2 主要元器件介紹344.4.3 硬件電路設(shè)計(jì)344.4.4 小結(jié)344.5 開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)354.5.1 電路結(jié)構(gòu)分析354.5.2 主要元器件介紹354.5.3 硬件電路設(shè)計(jì)364.5.4 小結(jié)375 實(shí)驗(yàn)385.1 實(shí)驗(yàn)調(diào)試385.2 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)385.2.1開關(guān)檢測實(shí)驗(yàn)385.2.2開關(guān)綜合保護(hù)實(shí)驗(yàn)385.3小結(jié)396 結(jié)論41致 謝42參考文獻(xiàn)43附錄 44附錄 b451 緒論1.1 課題的研究背景煤礦井下工作環(huán)境特殊,空間狹窄,濕度大(達(dá) 90%以上),有易燃易爆的瓦斯和煤塵,所以,煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別,這就對(duì)煤礦電器有特殊要求,如

11、體積要小,易于搬運(yùn),堅(jiān)固、耐擠,耐砸,防潮防水濺,防爆1。在用電安全與控制方面,如漏電保護(hù)、保護(hù)接地、過流保護(hù),就地、遠(yuǎn)方控制等同其它電器均有不同的要求。研究礦用電器帶有明顯的行業(yè)特色。針對(duì)煤礦電器的特殊性,近年來我國先后完成了國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“礦井高低壓電網(wǎng)三級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)及裝置的研究”、“快速斷電煤電鉆變壓器綜合保護(hù)裝置”,煤炭部項(xiàng)目“礦用隔爆型自適應(yīng)無功補(bǔ)償與綜合控制裝置”,橫向項(xiàng)目“礦用局扇節(jié)能型瓦斯自動(dòng)排放裝置研究”等,并且投入使用后保護(hù)效果顯著2。近年來,我國的電力部門引進(jìn)了不少國外的智能化電器設(shè)備,但是,適合于我國煤礦井下特殊環(huán)境的智能化電器設(shè)備的研究工作尚未進(jìn)行,智能化

12、電器設(shè)備的研制成功和推廣應(yīng)用,將使我國煤礦電網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,推動(dòng)煤礦電器設(shè)備的更新?lián)Q代。礦用智能化電器的關(guān)鍵是在防爆技術(shù)的基礎(chǔ)上,以微電腦為核心的控制與綜合保護(hù)器,本課題進(jìn)行的就是智能開關(guān)及其綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與研究工作。1.2 智能開關(guān)及其保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的目的及意義目前,我國煤礦井下使用的煤電鉆均使用有觸點(diǎn)開關(guān)控制,它存在著重量達(dá)、體積大、造價(jià)高、開關(guān)壽命短、操作不方便等缺點(diǎn)。因此研究一種新型控制開關(guān)以取代老式控制器是很有意義的。近幾年,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,大功率雙向可控硅不斷涌現(xiàn),并廣泛應(yīng)用在變流、變頻領(lǐng)域,可控硅應(yīng)用技術(shù)日益成熟。傳統(tǒng)的控制電路中交流接觸器的主要作用是充當(dāng)控制開關(guān),雙向

13、可控硅可以雙向?qū)ú⒕哂辛己玫拈_關(guān)特性,是目前較理想的交流開關(guān)器件4。用雙向可控硅替代交流接觸器有不少優(yōu)點(diǎn):(1)雙向可控硅為無觸點(diǎn)式開關(guān),無火花、壽命長、體積小、無噪音;(2)接觸器工作時(shí),其控制回路需要消耗一定的電能,而可控硅為弱電控制,控制回路耗電微乎其微;(3)接觸器控制電路中,操作者接觸的器件電壓都較高,不安全,而雙向可控硅控制電路中操作者只接觸515 v的直流低壓電源,非常安全;(4)雙向可控硅為弱電控制強(qiáng)電,弱電電路更新方便,較容易設(shè)計(jì)出滿足各種要求的控制電路。隨著煤礦技術(shù)的不斷發(fā)展,煤礦機(jī)械化、現(xiàn)代化程度不斷提高,井下電器設(shè)備的使用量越來越大,對(duì)電氣設(shè)備的保護(hù)要求與來越高。煤礦

14、井下大量使用中小型低壓交流電動(dòng)機(jī),與其配套使用的隔離磁力啟動(dòng)器經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展,長期以來一直使用熔斷器和熱繼電器兩種保護(hù)3。由于保護(hù)的可靠性極差,已陸續(xù)淘汰。后來研制并推廣使用的單片機(jī)綜合保護(hù)器,在保護(hù)功能上有了較大發(fā)展,除了過載、斷路保護(hù)外,還增加了短相和漏電閉鎖保護(hù),但它大部分采用分立元件和傳統(tǒng)保護(hù)原理,可靠性和穩(wěn)定性仍然較差,加之元件質(zhì)量不過關(guān)、維修人員素質(zhì)低,井下環(huán)境惡劣和過負(fù)荷運(yùn)行等因素,使得井下電動(dòng)機(jī)的燒損仍然比較嚴(yán)重。單片機(jī)綜合開關(guān)保護(hù)器,在以上兩種保護(hù)基礎(chǔ)上,技術(shù)更加先進(jìn)、功能更加齊全、保護(hù)更加可靠。同時(shí),由于井下環(huán)境惡劣,加之操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯(cuò)誤,輸電線路的斷裂等原

15、因,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電或單相接地故障,若故障不及時(shí)排除,長期運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致三相或兩相短路。單相接地、相間短路產(chǎn)生的電弧能量會(huì)引起瓦斯、煤層爆炸,直接危及人生安全和煤礦生產(chǎn)。為避免事故發(fā)生,保障人身安全,研究新型開關(guān)及綜合保護(hù)裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.3 課題研究的主要內(nèi)容及主要工作本課題所研究的是針對(duì)煤礦設(shè)計(jì)的一種微機(jī)智能開關(guān)綜合保護(hù)裝置。其核心是利用可控硅作為開關(guān),使用單片機(jī)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行控制。具體完成了系統(tǒng)裝置的硬件及軟件設(shè)計(jì),進(jìn)行了基本的實(shí)驗(yàn)調(diào)試并對(duì)裝置所能完成的功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。開篇首先介紹了本課題研究的目的和意義,開關(guān)綜合保護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及課題的理論依據(jù)。在下面的內(nèi)容中將

16、討論礦用電動(dòng)機(jī)的故障特征及其保護(hù)原理。簡要介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后介紹了本裝置的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程及故障保護(hù)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過程,最后對(duì)本論文做了總結(jié)。2 智能開關(guān)原理及常見故障特征分析2.1 開關(guān)原理簡介2.1.1 開關(guān)現(xiàn)狀 就目前而言, 煤礦中對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)施行開關(guān)自動(dòng)控制, 主要還是采用交流接觸器、繼電器等觸點(diǎn)電器。由于觸點(diǎn)電器一般都是通過電磁銜鐵在電磁力作用下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電路通斷的, 所以在電器通斷的瞬間, 不可避免地要出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。某些電動(dòng)機(jī)通常是帶負(fù)荷起動(dòng)的。如: 鼓風(fēng)機(jī)等, 在起動(dòng)的瞬間, 電流往往要超過電動(dòng)機(jī)額定電流的七以上, 所以一些大功率的電動(dòng)

17、機(jī), 在通斷電路時(shí), 拉弧就更為嚴(yán)重。因此這種現(xiàn)象使觸點(diǎn)電器的適用范圍受到工作環(huán)境的限制, 特別是對(duì)頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。由于頻繁通斷電路, 久而久之觸點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生灼傷, 嚴(yán)重時(shí)使觸點(diǎn)粘連, 影響觸點(diǎn)電器的使用壽命和電動(dòng)機(jī)的工作可靠性。如果應(yīng)用雙向可控硅開關(guān)取代交流接觸器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)行無觸點(diǎn)控制, 能較好地克服觸點(diǎn)電器的不足, 其性能具有以下優(yōu)點(diǎn): 1、無拉弧現(xiàn)象,不會(huì)因弧光短路而發(fā)生火光, 有利于安全生產(chǎn)。2、不需要觸點(diǎn)電器的電磁線圈, 可以極大地降低電耗,節(jié)約能源。3、靈敏度高, 運(yùn)行可靠, 可以頻繁起動(dòng),可降低電動(dòng)機(jī)由于開關(guān)故障造成的損失, 提高經(jīng)濟(jì)效益。4、有利于交流電動(dòng)機(jī)的控制電子化

18、, 提高運(yùn)行可靠程度。5、不需要觸點(diǎn)接通電路, 可以為國家節(jié)約大量制造觸點(diǎn)的貴重金屬。2.1.2 雙向可控硅交流開關(guān)雙向可控硅可看作為“雙向閘流管”,因?yàn)樗茈p向?qū)ā?duì)標(biāo)準(zhǔn)的雙向可控硅,電流能沿任一方向在主端子 mt1 和 mt2 間流動(dòng),用 mt1 和門極端子間的微小信號(hào)電流觸發(fā)。如圖2-1所示gmt2mt1 圖2-1 雙向可控硅(1)導(dǎo)通和閘流管不同,雙向可控硅可以用門極和 mt1 間的正向或負(fù)向電流觸發(fā)。(vgt,igt 和 il 的選擇原則和閘流管相同,)因而能在四個(gè)“象限”觸發(fā),如圖 2-2 所示:圖4-5 雙向可控硅觸發(fā)象限g+g+g-g-mt2-mt2-mt1+mt1+mt1+

19、mt1+mt2+mt2+ 圖4-6 雙向可控硅v/i特性曲線在負(fù)載電流過零時(shí),門極用直流或單極脈沖觸發(fā),優(yōu)先采用負(fù)的門極電流,理由如下。若運(yùn)行在 3+象限,由于雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu),門極離主載流區(qū)域較遠(yuǎn),導(dǎo)致下列后果:1 高 igt - 需要高峰值 ig;2由 ig 觸發(fā)到負(fù)載電流開始流動(dòng),兩者之間遲后時(shí)間較長 要求 ig維持較長時(shí)間;3低得多的 dit/dt 承受能力 若控制負(fù)載具有高di/dt 值,門極可能發(fā)生強(qiáng)烈退化;4高 il 值(1-工況亦如此)對(duì)于很小的負(fù)載,若在電源半周起始點(diǎn)導(dǎo)通,可能需要較長時(shí)間的ig,才能讓負(fù)載電流達(dá)到較高的 il。在標(biāo)準(zhǔn)的 ac 相位控制電路中,如燈具調(diào)光器

20、和家用電器轉(zhuǎn)速控制,門極和 mt2 的極性始終不變。這表明,工況總是在 1+和 3-象限,這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同。這導(dǎo)致對(duì)稱的雙向可控硅切換,門極此時(shí)最靈敏。說明:以 1+,1-,3- 和 3+標(biāo)志四個(gè)觸發(fā)象限,完全是為了簡便,例如用 1+取代“mt2+,g+”等等。這是從雙向可控硅的 v/i 特性圖導(dǎo)出的代號(hào)。正的 mt2相應(yīng)正電流進(jìn)入 mt2,相反也是(見圖 4-6)。實(shí)際上,工況只能存在 1 和 3 象限中。上標(biāo)+和-分別表示門極輸入或輸出電流。(2)斷開要斷開閘流管的電流,需把負(fù)載電流降到維持電流 ih之下,并歷經(jīng)必要時(shí)間,讓所有的載流子撤出結(jié)。在直流電路中可用“強(qiáng)迫換向”,而在

21、交流電路中則在導(dǎo)通半周終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。(負(fù)載電路使負(fù)載電流降到零,導(dǎo)致閘流管斷開,稱作強(qiáng)迫換向。)然后,閘流管將回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。假如負(fù)載電流不能維持在 ih之下足夠長的時(shí)間,在陽極和陰極之間電壓再度上升之前,閘流管不能回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。它可能在沒有外部門極電流作用的情況下,回到導(dǎo)通狀態(tài)注意,ih 亦在室溫下定義,和 il 一樣,溫度高其值減小。所以,為保證成功的切換,電路應(yīng)充許有足夠時(shí)間,讓負(fù)載電流降到 ih 之下,并考慮可能遇到的最高運(yùn)行溫度。由于雙向可控硅用于交流電路,自然在負(fù)載電流每個(gè)半周的終點(diǎn)斷開,除非門極電流設(shè)置為后半周起點(diǎn)導(dǎo)通。(3)雙向可控硅的安裝方法對(duì)負(fù)載小,或電流持續(xù)時(shí)間

22、短(小于 1 秒鐘)的雙向可控硅,可在自由空間工作。但大部分情況下,需要安裝在散熱器或散熱的支架上。雙向可控硅固定到散熱器的主要方法有三種,夾子壓接、螺栓固定和鉚接。前二種方法的安裝工具很容易取得。很多場合下,鉚接不是一種推薦的方2.2 電動(dòng)機(jī)故障分類概述由于礦井下環(huán)境惡劣,電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中可能發(fā)生的故障是多種多樣的,它與設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量、使用條件、工作方式以及使用維護(hù)等因素密切相關(guān),故障原因也比較復(fù)雜。三相異步電動(dòng)機(jī)的常見故障可分為對(duì)稱故障與不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障有對(duì)稱過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等,它的主要特征是三相仍基本對(duì)稱,但電流幅值增大,對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)。因此,

23、對(duì)稱故障可以由電流過流程度來反映。不對(duì)稱故障主要包括斷相、相間短路、匝間短路、三相不平衡等。這是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中常見的一類故障。這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是負(fù)序電流引起的負(fù)序效應(yīng),可能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問題,如果有過電流出現(xiàn),還會(huì)使繞組發(fā)熱。此類故障明顯特征是電動(dòng)機(jī)定子電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。根據(jù)對(duì)稱分量原理,當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),其定子電流可以分解為正序、負(fù)序和零序分量,其中負(fù)序和零序電流在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒有或很小,一旦出現(xiàn)必然表示出現(xiàn)了故障7。因此利用電流中的負(fù)序和零序分量來鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性,再加之反應(yīng)對(duì)稱故障的檢測電

24、流幅值的方法,就可以構(gòu)成能涵蓋三相異步電動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)行環(huán)境下所有類型的故障診斷與保護(hù)。2.3 對(duì)稱分量法分析三相異步電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱故障的常用工具是對(duì)稱分量法。應(yīng)用對(duì)稱分量法分析三相異步電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行問題時(shí),可使計(jì)算簡化。所謂對(duì)稱應(yīng)滿足下列條件:( 1 ) 各相量的幅值必須相等; ( 2 )相鄰兩相量之間的相位差必須相等, 其相角,其中m為相數(shù),k為整數(shù)。在三相系統(tǒng)中,任一組不對(duì)稱電壓或電流相量都可以按一定的方法分解為零序、正序和負(fù)序三組對(duì)稱分量;反之,三組零序、正序和負(fù)序?qū)ΨQ分量疊加,可得一組不對(duì)稱的向量。下面以電流為例加以說明。 圖2- 1 三相不對(duì)稱相量及其各對(duì)稱分量 (a)零序分量; (

25、b)正序分量; (c)負(fù)序分量; (d)合成不對(duì)稱相量 (1)零序分量、(取k=0,則)。零序分量如圖2-1(a)所示,它們是同相位的,即 = (2-1)(2)正序?qū)ΨQ分量、(取k=1,)。正序分量如圖2-1(b)所示,它們的相位關(guān)系有 = = (2-2)式中運(yùn)算符號(hào)=cos+jsin。(3)負(fù)序?qū)ΨQ分量、(取k,)。負(fù)序分量如圖2-1(c)所是示,它們的相位關(guān)系有 = = (2-3)將這對(duì)稱分量疊加,可得一組不對(duì)稱相量、如圖2-1 (d )所示,并有如下關(guān)系=+ =+ (2-4) =+根據(jù)式(2-4 )由一組不對(duì)稱相量、可求得各組對(duì)稱分量 =(+)=(+) (2-5)=(+) = = (2-

26、6) = = = (2-7) = 可以證明,三相異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載對(duì)稱且正常運(yùn)行時(shí),負(fù)序電流基本為零。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流,因此可以通過檢測不對(duì)稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流。通過負(fù)序電流來反映斷相等不平衡故障。2.4 故障特征分析及保護(hù)判據(jù)2.4.1 漏電故障特征及保護(hù)原理煤礦井下供電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)絕緣的低壓供電系統(tǒng),若發(fā)生單相或兩相漏電故障,則流入地中的電流只能通過電網(wǎng)三相對(duì)地電容和對(duì)地絕緣電阻而與變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成回路。由于供電系統(tǒng)對(duì)地阻抗很高,故流入大地的電流也常不足1a,所以過流保護(hù)裝置不動(dòng)作,必須設(shè)計(jì)單獨(dú)的漏電保護(hù)裝置。1煤電鉆供電系統(tǒng)漏電故障的理論分析煤電鉆供電單元

27、發(fā)生單相漏電時(shí)的電路如圖2-2所示。變壓器b中性點(diǎn)不接地, rg為a相漏電的過渡電阻,其變化范圍為011 k,ra=rb=rc=r為各相對(duì)地絕緣電阻, ca=cb=cc=c為各相對(duì)地電容。對(duì)于漏電回路,變壓器、線路及大地對(duì)地 bugaucuaugcugb3i0rgu0igbcacccbrcrbra 圖2-2 單相漏電電路電容。對(duì)于漏電回路,變壓器、線路及大地的阻抗均為歐姆數(shù)量級(jí)及以下,遠(yuǎn)小于絕緣電阻r和容抗 ( =1/2fc,其中f是工作頻率,一般f=50 hz)。應(yīng)用對(duì)稱分量法得故障相的漏電電流為iga= (2-8)式中ua單相電壓; z0零序阻抗, z0=。故障相的對(duì)地電壓為uga=iga

28、rg= (2-9)設(shè)電鉆電網(wǎng)每相對(duì)地電容c=05f,每相對(duì)地電阻r=35 k,人體電阻rr=1 k,電網(wǎng)線電壓為380v,根據(jù)式(1)可以算出此時(shí)的人身觸電電流為35 ma,其值大于人體安全電流30ma,這表明,因此必須設(shè)置觸電保護(hù)。兩相漏電的電氣簡圖如圖2-3所示。圖中在g處有a、b兩相分別經(jīng)過渡電阻rg接地,在煤電鉆供電系統(tǒng)中,這種漏電故障發(fā)生的概率較低,約占漏電故障總數(shù)的5%左右。 圖2-3 兩相漏電故障當(dāng)兩相漏電過渡電阻rg0時(shí),電網(wǎng)就發(fā)生兩相接地短路,成為短路加漏電的復(fù)合型故障。當(dāng)單相漏電過渡電阻rg0時(shí),由于系統(tǒng)中性點(diǎn)絕緣,雖被稱之為單相接地短路,卻完全不屬于短路的范圍,只是一種最

29、嚴(yán)重的漏電故障,在實(shí)際的煤電鉆供電系統(tǒng)中,即使故障rg=0時(shí),接地電流也不大于1 a,故常稱為單相接地。在工程實(shí)際中,煤電鉆供電系統(tǒng)發(fā)生兩相漏電故障的概率遠(yuǎn)不如單相漏電高,單相漏電故障占故障漏電總數(shù)的85%左右,而且有相當(dāng)一部分單相漏電故障若不及時(shí)切除,將發(fā)展成更嚴(yán)重的短路故障,所以單相漏電故障是煤電鉆供電系統(tǒng)漏電故障的主流。2漏電保護(hù)的判據(jù)可以通過檢測線路的漏電電流的大小,就可以判斷出線路的絕緣狀況以及是否有漏電,從而對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)形控制。(具體方法見第3章漏電保護(hù)設(shè)計(jì)方案)2.4.2 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障,危害性很大。短路故障包括定子繞組的相間短路

30、和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障,它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞,使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降,影響其它用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障,該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對(duì)稱,使故障相的相電流增大,嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀,使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接。此時(shí),負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓,負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路,這會(huì)使電動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞。電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流,危害性很大,應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定啟動(dòng)電流,一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的8-10倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí),通過檢測電

31、動(dòng)機(jī)a,b,c三相線電流來實(shí)現(xiàn),超過整定值后,直接進(jìn)行斷電保護(hù)。設(shè)為檢測到電動(dòng)機(jī)三相電流,的最大值,即= max(,)短路保護(hù)的原則是,當(dāng)在一定時(shí)限內(nèi)檢測到= k(為短路過流倍數(shù),一般取810,為電動(dòng)機(jī)額定線電流)時(shí),就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障,應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。2.4.3 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),會(huì)成過熱而燒壞。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對(duì)稱短路故障,也是最嚴(yán)重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的4-7倍,這么高的故障電流極易把電動(dòng)機(jī)燒損。因此在檢測到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時(shí),保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動(dòng)作,保證電動(dòng)機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞。堵轉(zhuǎn)保護(hù)

32、信號(hào)可取自于電動(dòng)機(jī)線電流,當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值,并達(dá)到整定時(shí)限時(shí),立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)電流,即額定電流的4-7倍。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的一倍,為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng),保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后,一般采用躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間(816秒)的方法來實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流,以免誤動(dòng)作,使電動(dòng)機(jī)無法正常啟動(dòng)。2.4.4 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對(duì)稱故障。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),沒有振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能

33、啟動(dòng)。根據(jù)對(duì)稱分量法,電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的三相不對(duì)稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩,負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,零序電流增加損耗。帶動(dòng)同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,因此電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)加重,電流劇增,引起損耗增加,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損。根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子繞組的不同接法,斷相故障電流表現(xiàn)也不同,詳見表21序號(hào)斷相示意圖 啟動(dòng)情況 滿載情況斷相類型序號(hào) ia=0ib=ic=1073ieia=0ib=ic=0.886is 電動(dòng)機(jī)星形接法斷一相 1 ia=0ib=ic=1073ieia=0ib=ic=0.886is 電動(dòng)機(jī)三角形形接法斷一相 2注:is 電動(dòng)機(jī)正常

34、啟動(dòng)電流;ia、ib、ic 電動(dòng)機(jī)線電流;ie 電動(dòng)機(jī)額定線電流由表21分析可以看出,電動(dòng)機(jī)斷相故障主要有兩類情況:當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以形連接時(shí),無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部,故障相的線電流均為零;對(duì)于形連接的電動(dòng)機(jī),發(fā)生外部線路斷相時(shí),故障相的線電流為零。根據(jù)以上分析,斷相故障出現(xiàn)后,電動(dòng)機(jī)的線電流不平衡,因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號(hào)源。對(duì)于這兩種情況可以通過在一定時(shí)限內(nèi)檢測電動(dòng)機(jī)線電流是否為零的方法來實(shí)現(xiàn),即對(duì)某相電流一個(gè)周波內(nèi)連續(xù)采樣n點(diǎn)的瞬時(shí)值均為零,或通過計(jì)算某相電流的有效值為零,則為斷相故障。2.4.5 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)電動(dòng)機(jī)過載也稱過負(fù)荷,是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行

35、中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作電流大于額定電流,溫升高于額定值,如果電動(dòng)機(jī)長時(shí)間過載運(yùn)行會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過熱而燒損。電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成:(l)負(fù)荷增加;(2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好;(3)電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械故障;(4)電動(dòng)機(jī)容量選擇偏??;(5)電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏小;(6)雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均;(7)電動(dòng)機(jī)端電壓過低a電動(dòng)機(jī)的溫升特性電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動(dòng)機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作,是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ),有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中能量損耗主要有

36、銅損、鐵損和機(jī)械損耗,它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?,一部分通過機(jī)體散失到周圍空氣中,一部分積存在機(jī)體中加熱電動(dòng)機(jī),使其溫度上升,最終超過環(huán)境溫度。電動(dòng)機(jī)是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體,其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實(shí)際測定表明,電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計(jì)算和分析,一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體,且忽略電動(dòng)機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗,即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決于其銅損。因此,依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論,異步電動(dòng)機(jī)定子繞組過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱平衡微分方程為: = (-)=+ (2-10)式中: q 定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量(w);i 電動(dòng)機(jī)過載狀態(tài)下的定子電流(a);ie 電動(dòng)機(jī)額定定子電流(a

37、); r 電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻(q);c 定子物體材料的比熱,即使1kg物體溫度升高1所需的熱量(j/kg. ); 散熱系數(shù),即每平方米表面、每度溫差、每秒時(shí)間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(w/.);s 散熱表面積(); 定子繞組溫升()。式(2-10)左邊是在時(shí)間間隔dt中,定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)出的熱量qdt。右邊cg是電動(dòng)機(jī)溫度升高度所吸收的熱量,是dt時(shí)間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。式(2-10)為一階線性微分方程,其通解為 (2-11)式中a一待定常數(shù),由初始條件確定,即認(rèn)為負(fù)荷不變化時(shí),定子繞組溫度與圍介質(zhì)的溫度相等,初始溫升為零。將初始條件代入式(2-11)得出待定常數(shù)a為將a代入式(2-1

38、1)可得 (2-12)這就是異步電動(dòng)機(jī)的溫升數(shù)學(xué)模型,其特性曲線如圖2-4所示。圖2-4 電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性曲線電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋:當(dāng)時(shí)間t=0時(shí),電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同,兩者之間不存在熱傳導(dǎo),這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度,所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動(dòng)機(jī)溫度上升的增加,它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大,散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加,溫升增加變慢,直到散熱量等于發(fā)熱量時(shí),電動(dòng)機(jī)的溫度就不再升高,它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中,即達(dá)到穩(wěn)定溫升。b電動(dòng)機(jī)反時(shí)限特性對(duì)式(2-12)中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,取前兩項(xiàng)可得 (2-13)將式(2-1

39、3)代入式(2-12)并整理可得 (2-14)式中:稱為電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù) 為一常數(shù),若電動(dòng)機(jī)的最大容許溫升為,則式(2-14)為 (2-15)式(2-15)反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)p與電動(dòng)機(jī)容許過載時(shí)間t的關(guān)系,即t=f(),我們把這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的容許過載特性,如圖2-3曲線l所示。從圖中可以看出,電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)越大,其容許過載時(shí)間就越短,即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。 圖2-5 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性曲線1 電動(dòng)機(jī)容許過載特性; 2 定時(shí)限過載保護(hù)特性3 階段式定時(shí)限過載保護(hù)特性; 4 反時(shí)限過載保護(hù)特性 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量,因此電動(dòng)機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中,電動(dòng)機(jī)負(fù)載往

40、往會(huì)有一定的波動(dòng),這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定的過載能力,不會(huì)因短時(shí)過載而停機(jī),影響正常生產(chǎn)。電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間t與過載倍數(shù)p的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí),要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過載能力,不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一過載就立即進(jìn)行保護(hù),頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn),這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖2-5中可以看出,定時(shí)限過載保護(hù)和階段式定時(shí)限過載保護(hù)都不能像反時(shí)限過載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力,因此在設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的反時(shí)限特性。2.4.6 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式 (2-16)式中:t 電磁轉(zhuǎn)矩k常數(shù)u1定子電壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和

41、啟動(dòng)感抗s 轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)的電磁矩相應(yīng)發(fā)生變化,進(jìn)而影響到定子電流的變化,從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。1欠壓保護(hù)在電動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下,電網(wǎng)電壓降低時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩下降,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,旋轉(zhuǎn)磁場對(duì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速增大,磁通切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的速度增大,因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。和變壓器的原理一樣,轉(zhuǎn)子電流增大,定子電流必然相應(yīng)增大,溫升增高。如果電動(dòng)機(jī)長時(shí)間在低電壓工作會(huì)使電動(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降,當(dāng)電壓降低到能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)就無法啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)要不要

42、裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對(duì)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)需要自動(dòng)起動(dòng)的重要電動(dòng)機(jī),不裝設(shè)低壓保護(hù)。下列電動(dòng)機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù):(1)當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后又恢復(fù)時(shí),為保證重要電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)而需要斷開的次要電動(dòng)機(jī);(2)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷后,根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求,不允許或不需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī);(3)需要自啟動(dòng),但為保證人身和設(shè)備的安全,在電源電壓長時(shí)間消失后,需從電網(wǎng)中自動(dòng)斷開的電動(dòng)機(jī)。欠壓保護(hù)的整定原則是:若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值,則認(rèn)為有故障產(chǎn)生,應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2過壓保護(hù) 過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的,當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的

43、,如對(duì)于負(fù)載星形連接且無中性線的電動(dòng)機(jī),如果定子繞組一相短路,會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行,容易對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞,進(jìn)而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命,因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。過壓保護(hù)的整定原則是:若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值,則認(rèn)為有故障產(chǎn)生,應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。3 智能開關(guān)及其保護(hù)方案的設(shè)計(jì)3.1 開關(guān)及其控制回路的設(shè)計(jì)方案隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,大功率可控硅不斷涌現(xiàn),且技術(shù)已日趨成熟。.傳統(tǒng)的控制電路中交流接觸器的主要作用是充當(dāng)控制開關(guān),雙向可控硅可以雙向?qū)ú⒕哂辛己玫拈_關(guān)特性,是目前較理想的交流開關(guān)器件5。用雙向可控硅替代交流接觸器有不少優(yōu):

44、:(1)雙向可控硅為無觸點(diǎn)式開關(guān),無火花、壽命長、體積小、無噪音;(2)接觸器工作時(shí),其控制回路需要消耗一定的電能,而可控硅為弱電控制,控制回路耗電微乎其微;(3)接觸器控制電路中,操作者接觸的器件電壓都較高,不安全,而雙向可控硅控制電路中操作者只接觸515 v的直流低壓電源,非常安全;(4)雙向可控硅為弱電控制強(qiáng)電,弱電電路更新方便,較容易設(shè)計(jì)出滿足各種要求的控制電路。因此本設(shè)計(jì)中開關(guān)主電路使用雙響可控硅,其工作狀態(tài)由單片機(jī)控制。設(shè)計(jì)方案如下9100.2f22vinrin1k654321負(fù)載380vacmoc3081 圖3-1 開關(guān)控制電路圖如圖所示,正常情況下將可控硅串聯(lián)在380v交流回路

45、中作為啟動(dòng)負(fù)載的開關(guān),在可控硅上并聯(lián)電阻和電容是為了保護(hù)其不被擊穿。當(dāng)輸入端有電壓vin輸入時(shí),若能保證輸入電壓滿足15ma,則3081內(nèi)部動(dòng)作,第4拐角有電流輸出,此電流可以作為可控硅的門極觸發(fā)電流,此時(shí)可控硅導(dǎo)通,負(fù)載得電。由于是雙響可控硅,因此可以在交流的正負(fù)半周期連續(xù)向負(fù)載供電。3.2 漏電保護(hù)的方案漏電保護(hù)包括2部分(見圖3-2):送電前的保護(hù)稱為漏電閉鎖,即合上煤電鉆手柄開關(guān)k時(shí),首先通過漏電閉鎖檢測電路檢測漏電狀況,然后由單片機(jī)發(fā)送(或者不發(fā))供電指令;工作時(shí)的保護(hù)稱為漏電保護(hù)。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送了供電指令后,煤電鉆得電,同時(shí)繼電器j得電,漏電閉鎖電路斷開,漏電檢測的任務(wù)由漏電保護(hù)電路

46、完成。cjcjr3r4r5r2r1dd+15v圖漏電保護(hù)電路圖(1)漏電閉鎖漏電閉鎖利用+15 v電源作為直流檢測電源,其檢測回路為:+15 vd1cj1a相d2r1j1(常閉)r20。當(dāng)閉合煤電鉆手柄開關(guān)k時(shí),電纜對(duì)地絕緣電阻與r3串聯(lián)后,并入檢測電路中,因此從r2上取出的檢測電壓可以反映絕緣狀況。檢測電壓經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。如果絕緣電阻7 k,則檢測電壓整定值,單片機(jī)發(fā)出指令,使繼電器無法得電,并且利用軟件置位故障標(biāo)志位,實(shí)行閉鎖。只有重新拉、合一次電源總開關(guān),使單片機(jī)重新初始化,故障標(biāo)志位復(fù)位后,方能解除閉鎖。若絕緣正常,則r2上的壓降為: v式中0.7v為二極管的壓降。

47、將檢測導(dǎo)的電壓輸入單片機(jī)進(jìn)行判斷,可將比較值設(shè)定的大于此電壓值,故;漏電閉鎖不動(dòng)作。若在電網(wǎng)對(duì)地總絕緣電阻rg7k時(shí)閉合2qs,則對(duì)地電阻rg與r3將與r1及r2構(gòu)成串并聯(lián)電路,如圖2所示。此時(shí)因三相手把開關(guān)2qs閉合,故r1的左端在直流電路中是并聯(lián)關(guān)系,并與rg左端相連接。+15vr3rgr2r1 圖3 漏電閉鎖檢測回路則r2上的壓降為: v此時(shí)檢測到的電壓將大于設(shè)定的漏電閉鎖整定值,單片機(jī)經(jīng)過判斷后,發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)閉鎖。(2)漏電保護(hù)漏電保護(hù)取樣電路采用零序?yàn)V序器,由取樣電容、整流橋和取樣電阻組成。當(dāng)發(fā)生漏電時(shí),將形成如下的漏電檢測電路:電網(wǎng)取樣電容整流橋取樣電阻r4、r5大地漏電電阻電網(wǎng)

48、。為避免進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換器的檢測電壓過大,取樣電阻由r4和r5串聯(lián)組成,從r5上取出檢測電壓送入a/d轉(zhuǎn)換器。3.3 過電流保護(hù)方案由于礦井下環(huán)境比較惡劣,電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中很可能會(huì)出現(xiàn)各種故障,尤其像短路這樣的故障對(duì)電機(jī)的損害是極大的,因此對(duì)電流的檢測是必要的,通過對(duì)電流的采集,并與正常情況下的額定值比較,可以在電機(jī)出現(xiàn)過流時(shí)有效地切斷電源,保護(hù)設(shè)備不被損壞。電流采集電路如下itau0urefvccc1r6r5r4r3r2r4 圖3-3 交流電流采集電路圖由于電流采集要考慮非正常運(yùn)行時(shí)的短路電流,其值大約為幾百安培,因此電流采集需要兩極電流互感器,上圖中,i為一次電流互感器的二次側(cè)電流,ta是

49、一個(gè)變比為2000/1的電流互感器,r2=r3=r4=r5,可知交電流i經(jīng)過電流互感器在二次側(cè)形成一個(gè)較小的電流信號(hào),此電流信號(hào)經(jīng)過電阻r4將電流轉(zhuǎn)換為電壓并送往減法器,最后在末端形成所需的模擬電壓,其計(jì)算如下 3.3.1短路保護(hù)設(shè)計(jì)方案 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí),將會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流,大約為額定電流的8倍以上,會(huì)在出現(xiàn)故障的瞬間產(chǎn)生巨大的能量,后果是非常嚴(yán)重的。因此,對(duì)短路故障的保護(hù)應(yīng)該馬上動(dòng)作,越快越好。通過將電流采集回路采集的電壓信號(hào)送入單片機(jī)的aoc模塊,在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果與整定值比較后,根據(jù)預(yù)設(shè)定的保護(hù)特性確定單片機(jī)的輸出狀態(tài),直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)回路的執(zhí)行機(jī)

50、構(gòu),即當(dāng) ic8i n時(shí)單片機(jī)停止對(duì)開關(guān)控制回路輸出信號(hào),可控硅截止,電動(dòng)機(jī)失電。3.3.2過載保護(hù)方案1過載保護(hù)原則由于各種原因(機(jī)械設(shè)備故障,電動(dòng)機(jī)功率選擇偏小,雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配 不均,電網(wǎng)電壓過低造成電動(dòng)機(jī)電流過大等),電動(dòng)機(jī)電流將超過其額定值,如果電流增大的數(shù)值不多而且持續(xù)時(shí)間不長,并在電動(dòng)機(jī)允許范圍內(nèi),對(duì)電動(dòng)機(jī)尚不至于引起損壞,但是超出過多而且時(shí)間較長,就將損傷電動(dòng)機(jī)絕緣甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。故電動(dòng)機(jī)過載是指工作中的電動(dòng)機(jī)電流超過額定電流值一定范圍而言,工作電流增加,銅損增加,發(fā)熱量增加,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的最終溫升超過電動(dòng)機(jī)的最高承受能力。對(duì)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)又稱熱保護(hù)。為了防止因電動(dòng)機(jī)過載而造成

51、損壞,必須采取過載保護(hù)措施。礦用電動(dòng)機(jī)因過載燒毀占總燒毀數(shù)的 67.8%,因此過載保護(hù)是衡量保護(hù)裝置性能的重要指標(biāo),過載保護(hù)既要充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力,又要避免過熱使絕緣破壞而損壞電動(dòng)機(jī)。2過載保護(hù)方法電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)方法有定時(shí)限、分段定時(shí)限和反時(shí)限幾種方法。定時(shí)限方法是指固定動(dòng)作時(shí)間過載保護(hù),不管過載電流發(fā)生變化與否,只要過載就延長到一定時(shí)間后動(dòng)作。這種保護(hù)方法的致命缺點(diǎn)就是不能根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。分段式定時(shí)限雖然稍好些,但還沒有從本質(zhì)上解決定時(shí)限保護(hù)的缺點(diǎn),相比之下反時(shí)限保護(hù)較好。反時(shí)限工作原理是當(dāng)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流大于設(shè)定電流時(shí),故障因子開始累加,過載倍數(shù)(電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電

52、流最大一相值與設(shè)定電流值的比值也稱額定電流倍數(shù))越大,累加越快,保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間越短;反之,在尚未到達(dá)保護(hù)器動(dòng)作時(shí)限之前,一旦故障解除,故障因子立即遞減,直至為零。當(dāng)過載倍數(shù)大于 8 時(shí),保護(hù)器判斷為短路。過載反時(shí)限保護(hù)特性和電動(dòng)機(jī)容許過載特性配合緊密,使保護(hù)特性在最大范圍內(nèi)保護(hù)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)多次重復(fù)短時(shí)間過載,若每次過載時(shí)間均小于容許過載時(shí)間,則保護(hù)裝置可能不動(dòng)作,但電動(dòng)機(jī)由于熱積累而可能燒損。因此從原則上講,保護(hù)線路應(yīng)具有模擬和記憶電機(jī)熱積累的功能,才能保護(hù)電動(dòng)機(jī)。3動(dòng)作時(shí)間計(jì)算按國標(biāo)jb3905要求,電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)應(yīng)滿足表3-1的要求。實(shí)際上,表3-1規(guī)定的范圍很寬,在這個(gè)范圍內(nèi)還應(yīng)該包括很多條保護(hù)曲線,以滿足不同電動(dòng)機(jī)的要求。 表3-1 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)性能指標(biāo)下式可以計(jì)算出不同過載電流下保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間 式中:、為常數(shù);k為電流過載倍數(shù),k=i/in。調(diào)節(jié)、,可使保護(hù)特性在一定的范圍內(nèi)變化,適應(yīng)不同保護(hù)特性的要求。3.4 斷相保護(hù)方案 斷相保護(hù)的一般方法是引出不對(duì)稱信號(hào),由鑒幅電路進(jìn)行鑒幅,超過一定門檻后,經(jīng)過數(shù)秒鐘到數(shù)十秒的固定短延時(shí)后,實(shí)現(xiàn)保護(hù)。短延時(shí)的目的是防止偶然瞬間電流不對(duì)稱而引起誤動(dòng)作。斷相保護(hù)的另一種方法就是通過過載保護(hù)來實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)樵谪?fù)載不變的情況下,斷相就意味著過載運(yùn)行??傊?,各種斷相保護(hù)方法,就其原理而言可分為電

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