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1、摘要本文简述了大功率电动机故障产生原因、诊断方法，在分析了目前国内外电动 机保护电路的研究进展与现状的基础上，设计了一种集过载、欠载、断相、三相不 平衡等故障保护于一体的智能型电机综合保护电路，并将电器元件构成的传统保护 电路与电子元件构成的保护电路进行了比较，详细地介绍了所设计的多功能电子保 护电路的电路结构、工作原理、保护功能和特点以及存在问题。关键词: 大功率电动机；多功能保护；集成电路AbstractThis paper introduces briefly the cause of disturbance, diagonal method of multi-functional pr
2、otecting circuit for large-power motors. The traditional protecting circuit composed of electronic magnetic components and the protecting circuit composed of electronic components are compared in the article and the paper states mainly circuit structure, basic working principle and protecting functi
3、on of the multi-functional protecting circuit. It describes characters and existing problems of the multi-functional protecting circuit, too.Keywords: Large-power motors；Multi-functional protecting circuits； Integrated circuit目录1 绪 论 11.1 课题提出的背景 11.2 国内外的发展状况.31.3 论文综述 72 本课题研究内容 82.1 本课题研究内容 82.1.
4、1 大功率电机的运行状态分析 82.1.2 保护电路的设计要求 82.1.3 电路的构成 92.1.4 本课题研究的内容的技术要求 93 本课题相关知识介绍 113.1 相关知识介绍 113.1.1 集成运算放大器特点 113.1.2 光电耦合器 153.1.3 EWB 153.2 计数器和双 D 触发器介绍 173.2.1 74HC4020 14 位二进制串行计数器 173.2.2 C4013双上升沿D触发器184 系统保护方案的设计 234.1 保护方案的原理框图 234.2 传感器及信号检测电路设计 234.2.1 传感器部分 234.2.2 信号检测电路部分 244.3 保护电路及起停
5、控制电路设计及工作原理 274.4 指示电路设计 305 硬件搭接及调试 31结 论 32致 谢 33参考文献 34附录 I 多功能保护系统的电路图 351绪论1.1 课题提 出的背景大功率电机在国民经济各行业中获得了广泛的应用。我国的电动机总容量约 占全部用电设备总容量的 75%以上，而耗电量约占总发电量的 70%以上。其中 0.55100KW的中小型异步电动机的用电量占全国总发电量的40%左右。然而电动 机的故障率也居各种电气设备之首。日本电气协会 PM 研究会对供电 1000KW 以上 的 65 2个工厂中的异步电动机、特殊电动机、变压器及其它等1 4种电气设备故障 率进行了调查分析，结
6、果表明故障率最高者为电动机，高达 38.1%。全国每年烧 毁电动机的数量在20万台次以上，总容量约4000万KW,直接损失达16亿元左 右，间接损失高达百亿元。因修复电动机每年消耗电磁线5000万Kg。生产铜线 需33.4KWh电能，每年为此需消耗16.7亿KWh电。由此可见，对生产系统而言, 电动机不但是为数众多、应用面广的动力设备，而且又是最为薄弱的环节。近年来，新材料、新工艺的大量使用，电动机正朝着功率与体积之比值越 来越大的方向发展。大型电动机的单台价值可高达百万元，由于保护技术落后， 其烧损情况也十分严重。这种情况在国内外各行各业中普遍存在，直接经济损失 巨大。而大型电动机往往又是重
7、要生产过程的动力和重要辅机设备，若其损坏还 将中断重要的生产过程，影响安全生产和产品质量，其间接损失是难以估价的。 大型电动机的故障诊断与保护，长期以来一直是学术界和工程界的研究热点和难 点问题。同时由于绝缘技术的不断发展，在电动机的设计上使功率增大，减小体积， 使新型电动机的热容量越来越大，过负荷能力越来越强。负荷能力的减弱原因主 要是以下几个方面：由所拖动的机械设备造成。如排灌机械水路阻塞，机轴不 同心等，造成电机负荷过大，甚至堵转。由于电机本身工作条件低劣而造成的。 如通风不良，周围环境温度过高，电机机械部分故障等原因引起的电机过热，绝 缘水平降低.甚至短路。由于供电电网质量不佳，如电压
8、过低、三相不平衡等 原因造成的电机电流增加等。再由于生产自动化程度的提高，要求电动机经常运 行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式。因此对电机保护装置提 出了更高的要求。另外，电机的应用面更加广泛，经常工作于环境极为恶劣的场 合，如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合，再加上电机修造上的不规范，设备管理 上的疏漏。所有这些，造成了现在的电机比过去更容易损坏。因此，研究有效的电动机保护方法与设备，使其既能对电动机可能出现的各 种故障实施可靠的保护，又能充分发挥电动机的过载能力，是减小生产过程中的 经济损失，提高经济效益必需解决的问题之一。从某种程度上讲，电动机的保护 与电动机的设计、制造、控制
9、同等重要。传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器是使用最早、最简单 的保护装置。其实，熔断器主要是用于短路故障时，保护供电线路，减小故障范 围的扩大。认为熔断器可以保护电机短路或过载，是不科学的。岂不知，这样更 容易造成电动机因断相运行而损坏电机。热继电器是应用最广的电机过载保护装置。热继电器是用于电动机或其它电 气设备、电气线路的过载保护的保护电器。电动机在实际运行中，如拖动生产机 械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则 电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。若过载电流 不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是
10、允许的。但若 过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老 化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。所以，这种过载 是电动机不能承受的。热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能 承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联 将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并调节整定 电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通 过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使 推杆刚好与人字形拨杆接触，
11、而又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭合状态 交流接触器保持吸合，电动机正常运行。但热继电器功能单一，灵敏度低、误差 大、稳定性差，已为广大电气工作者所认识，所有这些缺陷造成电机保护不可靠。 事实也正是这样；尽管许多设备安装了热继电器，但电机损坏而影响正常生产的 现象仍普遍存在。选用电机保护装置的目的，既能使电动机充分发挥过载能力，又能免于损坏 而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。同时选择保护装置时，必 须考虑几个互相矛盾的因素，即可靠性、经济性、结构简单、操作、维护方便等。在能满足保护要求的情况下首先考虑最简单保护装置，只有当简单的保护装 置不能满足要求时，或对保护特性提出更高要
12、求时，才考虑应用复杂的保护装置。 理想的电动机保护器应满足可靠、经济、方便等要素，具有较高的性能价格比。 而电子式多功能保护器具有体积小、重量轻、功能强、可靠性高等优点。1.2 国 内外的发展状况电动机故障诊断和保护技术的发展可划分为保护理论的发展和保护器的发 展。从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代:第一代是以传统的机电式继电器为主，包括:熔断器、热继电器、电动机保护 用自动开关及双金属片式温度继电器等。熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。它的主要缺点在于只适用于 电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。在保护三相异步电动机时， 也常常由于某一相熔断器熔体熔断而造成三
13、相异步电动机断相运行。故IEC （国 际电工委员会）规定，凡安装熔断器的场合，必须加设断相保护。热继电器作为传统的电动机保护装置己有 80 多年历史。在结构和性能上经历 了 34代日臻完善的发展过程。它是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属 片弯曲使机构动作的。其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时 限特性。比较适合于恒定负载、连续运行情况下的过载保护。但是，若用来保护 频繁起动或重载起动以及发生过多次短时过载的电动机，保护效果欠佳。另外， 只能对电动机的过载实现保护，不具备短路保护功能（由于存在热惯性），断相保 护的可靠性要受异步电动机负载率的影响。近年来，国内外不断开发出具有
14、断相 保护功能的三极热继电器，在一定程度上改善了断相保护的效果。热继电器保护 的准确度较差，一是由于保护特性有一定的分散性，且不太稳定。二是对环境温 度、机械振动等环境因素比较敏感。热继电器尽管存在着许多不足之处，但由于 其成本低，使用简便，目前在小型电动机的保护中仍被广泛地选用。电机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电机保护装 置，一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。它最突出的特点是在进行短路 保护时不会造成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。第一代电动 机保护用自动开关中的电动机过载保护仍采用双金属片结构，存在着与热继电器 相同的弊端。双金属片式温度继电器是一
15、种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的 保护装置。从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法， 对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。因此，特别适用于由于通 风不良、环境温度过高、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电 动机过热保护。但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时 间长，不适合在小型电动机中使用。第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。它包括 电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。电子式电动机保护装置是随 着电子技术的迅速发展应运而生。电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件（故称
16、 静止型），不存在机械误差和磨损。因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较 长，耐冲击和振动，整定简便。我国这种装置的研制始于20 世纪 80 年代，到20 世纪 90 年代初期，一批保护原理各异、性能良好、价格较低廉的产品己陆续研制、 生产并开始推广应用。虽然各种电子式保护装置的原理各不相同，但一般均具有 过载、断相、短路、三相不平衡等多种保护功能。电子式保护装置从总体上来看， 其性能价格比己接近或优于传统的机电式保护装置。早期因价格过于昂贵的束缚 也随着电子元器件价格的降低而逐渐消失。迄今为上被保护对象也已从以大、中 型电机为主转变为以为数众多的中、小型电动机为主。可以预料它在中、小型电
