畢業(yè)論文----大功率電動(dòng)機(jī)故障產(chǎn)生原因

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文簡(jiǎn)述了大功率電動(dòng)機(jī)故障產(chǎn)生原因、診斷方法，在分析了目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種集過(guò)載、欠載、斷相、三相不平衡等故障保護(hù)于一體的智能型電機(jī)綜合保護(hù)電路，并將電器元件構(gòu)成的傳統(tǒng)保護(hù)電路與電子元件構(gòu)成的保護(hù)電路進(jìn)行了比較，詳細(xì)地介紹了所設(shè)計(jì)的多功能電子保護(hù)電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、保護(hù)功能和特點(diǎn)

2、以及存在問(wèn)題。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 大功率電動(dòng)機(jī)；多功能保護(hù)；集成電路 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper introduces briefly the cause of disturbance, diagonal method of multi-functional pr

3、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 pape

4、r states mainly circuit structure, basic working principle and protecting function of the multi-functional protecting circuit. It describes characters and existing problems of the multi-</p><p>　　Keywords: L

5、arge-power motors；Multi-functional protecting circuits； 　Integrated circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景1</p>&

6、lt;p>　　1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r………………………………………………………...3</p><p>　　1.3 論文綜述7</p><p>　　2 本課題研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　2.1 本課題研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　2.1.1 大功率電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分析8</p><p>　　2.

7、1.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求8</p><p>　　2.1.3 電路的構(gòu)成9</p><p>　　2.1.4 本課題研究的內(nèi)容的技術(shù)要求9</p><p>　　3 本課題相關(guān)知識(shí)介紹11</p><p>　　3.1 相關(guān)知識(shí)介紹11</p><p>　　3.1.1 集成運(yùn)算放大器特點(diǎn)11</p&

8、gt;<p>　　3.1.2 光電耦合器15</p><p>　　3.1.3 EWB15</p><p>　　3.2 計(jì)數(shù)器和雙D觸發(fā)器介紹17</p><p>　　3.2.1 74HC4020 14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器17</p><p>　　3.2.2 C4013--一雙上升沿D觸發(fā)器18</p&g

9、t;<p>　　4 系統(tǒng)保護(hù)方案的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1 保護(hù)方案的原理框圖23</p><p>　　4.2 傳感器及信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1 傳感器部分23</p><p>　　4.2.2 信號(hào)檢測(cè)電路部分24</p><p>　　4.3 保護(hù)

10、電路及起?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)及工作原理27</p><p>　　4.4 指示電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　5 硬件搭接及調(diào)試31</p><p><b>　　結(jié) 論32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b&

11、gt;　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p>　　附錄I 多功能保護(hù)系統(tǒng)的電路圖35</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題提出的背景</p><p>　　大功率電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的電動(dòng)機(jī)總?cè)萘考s占全部用電設(shè)備總?cè)萘康?5%以上，而耗電

12、量約占總發(fā)電量的70%以上。其中0.55～100KW的中小型異步電動(dòng)機(jī)的用電量占全國(guó)總發(fā)電量的40%左右。然而電動(dòng)機(jī)的故障率也居各種電氣設(shè)備之首。日本電氣協(xié)會(huì)PM研究會(huì)對(duì)供電1000KW以上的652個(gè)工廠中的異步電動(dòng)機(jī)、特殊電動(dòng)機(jī)、變壓器及其它等14種電氣設(shè)備故障率進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果表明故障率最高者為電動(dòng)機(jī)，高達(dá)38.1%。全國(guó)每年燒毀電動(dòng)機(jī)的數(shù)量在20萬(wàn)臺(tái)次以上，總?cè)萘考s4000萬(wàn)KW，直接損失達(dá)16億元左右，間接損失高達(dá)百億元。因

13、修復(fù)電動(dòng)機(jī)每年消耗電磁線5000萬(wàn)Kg。生產(chǎn)銅線需33.4KWh電能，每年為此需消耗16.7億KWh電。由此可見(jiàn)，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)而言，電動(dòng)機(jī)不但是為數(shù)眾多、應(yīng)用面廣的動(dòng)力設(shè)備，而且又是最為薄弱的環(huán)節(jié)。</p><p>　　近年來(lái)，新材料、新工藝的大量使用，電動(dòng)機(jī)正朝著功率與體積之比值越來(lái)越大的方向發(fā)展。大型電動(dòng)機(jī)的單臺(tái)價(jià)值可高達(dá)百萬(wàn)元，由于保護(hù)技術(shù)落后，其燒損情況也十分嚴(yán)重。這種情況在國(guó)內(nèi)外各行各業(yè)中普遍存在，直接經(jīng)

14、濟(jì)損失巨大。而大型電動(dòng)機(jī)往往又是重要生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)力和重要輔機(jī)設(shè)備，若其損壞還將中斷重要的生產(chǎn)過(guò)程，影響安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，其間接損失是難以估價(jià)的。大型電動(dòng)機(jī)的故障診斷與保護(hù)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。</p><p>　　同時(shí)由于絕緣技術(shù)的不斷發(fā)展，在電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上使功率增大，減小體積，使新型電動(dòng)機(jī)的熱容量越來(lái)越大，過(guò)負(fù)荷能力越來(lái)越強(qiáng)。負(fù)荷能力的減弱原因主要是以下幾個(gè)方面：①由所拖動(dòng)的機(jī)械

15、設(shè)備造成。如排灌機(jī)械水路阻塞，機(jī)軸不同心等，造成電機(jī)負(fù)荷過(guò)大，甚至堵轉(zhuǎn)。②由于電機(jī)本身工作條件低劣而造成的。如通風(fēng)不良，周圍環(huán)境溫度過(guò)高，電機(jī)機(jī)械部分故障等原因引起的電機(jī)過(guò)熱，絕緣水平降低．甚至短路。③由于供電電網(wǎng)質(zhì)量不佳，如電壓過(guò)低、三相不平衡等原因造成的電機(jī)電流增加等。再由于生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種方式。因此對(duì)電機(jī)保護(hù)裝置提出了更高的要求。另外，電機(jī)的應(yīng)用面更加廣泛，經(jīng)常工作

16、于環(huán)境極為惡劣的場(chǎng)合，如潮濕、高溫、多塵、腐蝕等場(chǎng)合，再加上電機(jī)修造上的不規(guī)范，設(shè)備管理上的疏漏。所有這些，造成了現(xiàn)在的電機(jī)比過(guò)去更容易損壞。 因此，研究有效的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法與設(shè)備，使其既能對(duì)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的各種故障實(shí)施可靠的保護(hù)，又能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，是減小生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益必需解決的問(wèn)題之一。從某種程度上講，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、控制同等重</p><p>　　傳統(tǒng)

17、的電機(jī)保護(hù)裝置以熔斷器、熱繼電器為主。熔斷器是使用最早、最簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置。其實(shí)，熔斷器主要是用于短路故障時(shí)，保護(hù)供電線路，減小故障范圍的擴(kuò)大。認(rèn)為熔斷器可以保護(hù)電機(jī)短路或過(guò)載，是不科學(xué)的。豈不知，這樣更容易造成電動(dòng)機(jī)因斷相運(yùn)行而損壞電機(jī)。    熱繼電器是應(yīng)用最廣的電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置。熱繼電器是用于電動(dòng)機(jī)或其它電氣設(shè)備、電氣線路的過(guò)載保護(hù)的保護(hù)電器。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，如拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行工作過(guò)程中

18、，若機(jī)械出現(xiàn)不正常的情況或電路異常使電動(dòng)機(jī)遇到過(guò)載，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降、繞組中的電流將增大，使電動(dòng)機(jī)的繞組溫度升高。若過(guò)載電流不大且過(guò)載的時(shí)間較短，電動(dòng)機(jī)繞組不超過(guò)允許溫升，這種過(guò)載是允許的。但若過(guò)載時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)載電流大，電動(dòng)機(jī)繞組的溫升就會(huì)超過(guò)允許值，使電動(dòng)機(jī)繞組老化，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺妱?dòng)機(jī)繞組燒毀。所以，這種過(guò)載是電動(dòng)機(jī)不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應(yīng)原理，在出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)不能承受的過(guò)載時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)電路，為電動(dòng)機(jī)

19、提供過(guò)載保護(hù)的保護(hù)電器。 使用熱繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)時(shí)，將熱元件與電動(dòng)機(jī)的定子繞組串聯(lián)，將熱繼電器的常閉觸頭串聯(lián)在交流接觸器的電磁線圈的控制</p><p>　　在能滿足保護(hù)要求的情況下首先考慮最簡(jiǎn)單保護(hù)裝置，只有當(dāng)簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置不能滿足要求時(shí)，或?qū)ΡＷo(hù)特性提出更高要求時(shí)，才考慮應(yīng)用復(fù)雜的保護(hù)裝置。理想的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)滿足可靠、經(jīng)濟(jì)、方便等要素，具有較高的性能價(jià)格比。而電子式多功能保護(hù)器具有體積小

20、、重量輕、功能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　電動(dòng)機(jī)故障診斷和保護(hù)技術(shù)的發(fā)展可劃分為保護(hù)理論的發(fā)展和保護(hù)器的發(fā)展。</p><p>　　從時(shí)間上劃分，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展大致可劃分為三代:</p><p>　　第一代是以傳統(tǒng)的機(jī)電式繼電器為主，包括:熔斷器、熱繼電器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)及雙金屬片式溫度繼電器等。</p>

21、<p>　　熔斷器是最古老、最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的保護(hù)電器。它的主要缺點(diǎn)在于只適用于電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)，而不能用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。在保護(hù)三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，也常常由于某一相熔斷器熔體熔斷而造成三相異步電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行。故IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）規(guī)定，凡安裝熔斷器的場(chǎng)合，必須加設(shè)斷相保護(hù)。</p><p>　　熱繼電器作為傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置己有80多年歷史。在結(jié)構(gòu)和性能上經(jīng)歷了3～4代日臻完善的發(fā)展過(guò)程。它是

22、利用電流流過(guò)熱元件時(shí)的熱效應(yīng)引起雙金屬片彎曲使機(jī)構(gòu)動(dòng)作的。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、有較好的反時(shí)限特性。比較適合于恒定負(fù)載、連續(xù)運(yùn)行情況下的過(guò)載保護(hù)。但是，若用來(lái)保護(hù)頻繁起動(dòng)或重載起動(dòng)以及發(fā)生過(guò)多次短時(shí)過(guò)載的電動(dòng)機(jī)，保護(hù)效果欠佳。另外，只能對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載實(shí)現(xiàn)保護(hù)，不具備短路保護(hù)功能（由于存在熱慣性)，斷相保護(hù)的可靠性要受異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不斷開(kāi)發(fā)出具有斷相保護(hù)功能的三極熱繼電器，在一定程度上改善了斷相保護(hù)

23、的效果。熱繼電器保護(hù)的準(zhǔn)確度較差，一是由于保護(hù)特性有一定的分散性，且不太穩(wěn)定。二是對(duì)環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素比較敏感。熱繼電器盡管存在著許多不足之處，但由于其成本低，使用簡(jiǎn)便，目前在小型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)中仍被廣泛地選用。</p><p>　　電機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種具有過(guò)載和短路保護(hù)等保護(hù)功能的電機(jī)保護(hù)裝置，一定程度上可取代熔斷器和熱繼電器的組合。它最突出的特點(diǎn)是在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)不會(huì)造成異步電動(dòng)機(jī)的斷相運(yùn)行，并且

24、分?jǐn)嗪蟮耐C(jī)時(shí)間短。第一代電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)中的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)仍采用雙金屬片結(jié)構(gòu)，存在著與熱繼電器相同的弊端。</p><p>　　雙金屬片式溫度繼電器是一種埋置在電動(dòng)機(jī)繞組中，直接反映電動(dòng)機(jī)溫度的保護(hù)裝置。從理論上講，溫度保護(hù)是提高電動(dòng)機(jī)可靠性最直接、最有效的方法，對(duì)任何原因造成的繞組溫度過(guò)高均能實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)。因此，特別適用于由于通風(fēng)不良、環(huán)境溫度過(guò)高、起動(dòng)次數(shù)過(guò)于頻繁、變動(dòng)或沖擊性負(fù)載等原因引起的電動(dòng)機(jī)過(guò)

25、熱保護(hù)。但是，由于其體積較大，安裝工藝比較復(fù)雜，動(dòng)作緩慢、返回時(shí)間長(zhǎng)，不適合在小型電動(dòng)機(jī)中使用。</p><p>　　第二代是采用電子元件和中小規(guī)模集成電路的電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。它包括電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器及電子式溫度繼電器等等。電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置是由電子元器件組成，基本上無(wú)可動(dòng)部件（故稱靜止型），不存在機(jī)械

26、誤差和磨損。因此，動(dòng)作速度快、精度和靈敏度高，壽命較長(zhǎng)，耐沖擊和振動(dòng)，整定簡(jiǎn)便。我國(guó)這種裝置的研制始于20世紀(jì)80年代，到20世紀(jì)90年代初期，一批保護(hù)原理各異、性能良好、價(jià)格較低廉的產(chǎn)品己陸續(xù)研制、生產(chǎn)并開(kāi)始推廣應(yīng)用。雖然各種電子式保護(hù)裝置的原理各不相同，但一般均具有過(guò)載、斷相、短路、三相不平衡等多種保護(hù)功能。電子式保護(hù)裝置從總體上來(lái)看，其性能價(jià)格比己接近或優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)電式保護(hù)裝置。早期因價(jià)格過(guò)于昂貴的束縛也隨著電子元器件價(jià)格的降低而

27、逐漸消失。迄今為上被保護(hù)對(duì)象也已從以大、中型電機(jī)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詾閿?shù)眾多的中、小型電動(dòng)機(jī)為主。可以預(yù)料它在中、小型電機(jī)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用勢(shì)頭不會(huì)減弱。由于電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置屬于純硬件電路結(jié)構(gòu)，各種功能（特別是它的保護(hù)特性）都是由相應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)的。所以，仍存在著擴(kuò)展功能不夠靈活，保護(hù)特性不易改變，靈敏度及電流的整定范圍受到硬件的限制和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控不夠完善等一些缺陷。</p><p>　　電子式溫度繼電器是

28、一種將溫度傳感器埋置于電機(jī)繞組內(nèi)，借助于電子裝置對(duì)電機(jī)繞組溫度進(jìn)行保護(hù)的一種電動(dòng)機(jī)保護(hù)電器。溫度傳感器多采用溫度系數(shù)大、靈敏度高、體積小和具有明顯的開(kāi)關(guān)特性正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻。由于傳感器安置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫升較高的部位，直接反映電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度。因此，從理論上講，電子式溫度繼電器可以保護(hù)由各種原因引起的繞組溫度過(guò)高的電機(jī)。我國(guó)已于1993年4月1日頒布了《旋轉(zhuǎn)電機(jī)裝入式熱保護(hù)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13599-92)。然而，由于溫

29、度傳感器存在著熱慣性（盡管西門子公司宣稱其生產(chǎn)的PTC熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)已低于2秒），在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)及短路時(shí)存在著一定的保護(hù)滯后。另外，安裝位置的復(fù)雜性(至今未見(jiàn)有繞組溫度最高點(diǎn)的確切描述)、保護(hù)溫度選擇的不確定性和傳感器維護(hù)的困難，使得其應(yīng)用受到一定的限制。</p><p>　　第三代是采用微處理器的智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。進(jìn)入80年代以來(lái)，微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)在原理上的概念更新、裝置上的結(jié)構(gòu)變革、性能

30、上的完善、功能上的擴(kuò)展等方面起著強(qiáng)大的推動(dòng)作用。微處理器技術(shù)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)保護(hù)領(lǐng)域后，使基于微處理器的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置具有了優(yōu)異的保護(hù)特性、完善的功能擴(kuò)展和智能化的監(jiān)視與控制。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外一些著名的電器公司紛紛推出以為微處理器為核心的智能化電機(jī)保護(hù)器。如:德國(guó)SIEMENS公司的3UB1系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國(guó)ABB公司的SPEM繼電器、英國(guó)GEC-ALSHOM公司的GEMSTART智能控制繼電器。國(guó)內(nèi)也有許

31、多單位在進(jìn)行研制(如上海電器科學(xué)研究所，南京自動(dòng)化研究所等)。各類產(chǎn)品雖然型號(hào)各異、名稱不同，但其核心功能是一致的。除基本的保護(hù)功能外，一般還具有自檢、自診斷、故障參數(shù)(如故障值、故障類型等)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定(包括保護(hù)方式的選擇，保護(hù)特性的改變等)多種功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于微機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些公司又提出了兼有監(jiān)控、保護(hù)功能的智能化保護(hù)器。它能與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護(hù)</p&g

32、t;<p>　　電機(jī)的故障診斷和保護(hù)理論，多年來(lái)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。其發(fā)展過(guò)程可歸納為四個(gè)方面。</p><p>　　電機(jī)常規(guī)保護(hù)理論。電動(dòng)機(jī)常規(guī)保護(hù)理論的基本原理是以電流幅值的增加作為故障判據(jù)的。從原理上講，它只能反應(yīng)對(duì)稱故障，對(duì)非對(duì)稱故障(如:斷相、接地、不平衡運(yùn)行等)不能及時(shí)有效地保護(hù)。究其原因，一是各類非對(duì)稱故障不一定出現(xiàn)明顯的過(guò)電流，只有電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率大于70%時(shí)，健全相才會(huì)出現(xiàn)過(guò)流;二

33、是非對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害不只表現(xiàn)在過(guò)流引起的過(guò)熱效應(yīng)，更主要的是負(fù)序電流效應(yīng)，因此僅以過(guò)流來(lái)反映故障嚴(yán)重程度是不夠的。</p><p>　　基于對(duì)稱分量法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論。非對(duì)稱故障電流從理論上可將其分解為正序、負(fù)序和零序電流分量。其中正序分量可以反映電動(dòng)機(jī)過(guò)流程度，負(fù)序分量和零序分量則反應(yīng)非對(duì)稱故障電流的程度。因此，通過(guò)檢測(cè)負(fù)序和零序電流分量來(lái)判別各類非對(duì)稱故障具有很高的靈敏度及可靠性。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研制的微機(jī)

34、型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置大多基于對(duì)稱分量法。然而，基于對(duì)稱分量法對(duì)電機(jī)內(nèi)部故障的分析只能定性，不能定量。</p><p>　　基于先進(jìn)信號(hào)處理方法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論。Fourier變換的頻譜分析技術(shù)是較早應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)故障診斷的信號(hào)處理方法。20世紀(jì)80年代提出的小波理論在電動(dòng)機(jī)故障診斷中也有不俗的表現(xiàn)。人工智能技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)口等先進(jìn)信號(hào)處理方法在電動(dòng)機(jī)故障診斷中也在進(jìn)行應(yīng)用研究。</p><p

35、>　　基于多回路理論的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論。1987年由清華大學(xué)高景德教授、王祥晰教授等建立并發(fā)展起來(lái)的交流電機(jī)多回路理論為電機(jī)內(nèi)部故障的定量分析提供了一套全新方法。多回路理論以每個(gè)電機(jī)繞組為研究對(duì)象，能夠考慮多種諧波及繞組不對(duì)稱等特殊情況，特別適合于研究電機(jī)內(nèi)部故障的機(jī)理和定量分析。在實(shí)際應(yīng)用中得到了較好的結(jié)果。</p><p>　　交流電機(jī)多回路理論和各種先進(jìn)信號(hào)處理方法結(jié)合業(yè)已成熟的微機(jī)保護(hù)技術(shù)，可以將電動(dòng)

36、機(jī)的在線監(jiān)測(cè)、預(yù)防控制、缺陷報(bào)警、故障診斷、故障保護(hù)及事故后故障分析、故障定位等功能綜合于一體，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、診斷與綜合保護(hù)。這也是今后電機(jī)保護(hù)的發(fā)展方向。</p><p><b>　　1.3 論文綜述</b></p><p>　　本文第一章緒論部分介紹了本課題的背景與國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并提出本課題的研究目標(biāo)。第二章對(duì)本課題研究?jī)?nèi)容及要求進(jìn)行了詳細(xì)的介

37、紹。第三章主要對(duì)本課題研究?jī)?nèi)容的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了介紹。第四章詳細(xì)論述了大功率電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)保護(hù)方案的原理及設(shè)計(jì)過(guò)程。第五章講述了系統(tǒng)硬件搭接及調(diào)試，并對(duì)系統(tǒng)作了全面的評(píng)價(jià)。</p><p>　　本課題研究的難點(diǎn)在于保護(hù)電路及起停電路的設(shè)計(jì)及電路板的焊接與電路調(diào)試。</p><p>　　2 本課題研究?jī)?nèi)容</p><p>　　2.1 本課題研究?jī)?nèi)容</p>

38、<p>　　2.1.1 大功率電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分析</p><p>　　大功率電機(jī)常常會(huì)因多種原因出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài)。這些不正常的運(yùn)行狀態(tài)包括： 欠載、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)超時(shí)、斷相、三相不平衡等。欠載運(yùn)行會(huì)引起電機(jī)定子電流低于其額定工作電流，使大功率電機(jī)造成機(jī)器損傷。而其它異常的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)引起電機(jī)定子電流超過(guò)其額定工作電流，長(zhǎng)時(shí)間在這種狀態(tài)下運(yùn)行，輕者造成電機(jī)絕緣老化、壽命降低，重者造成電機(jī)嚴(yán)重?zé)龤?。?/p>

39、傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置中，保護(hù)電路是由電器元件構(gòu)成的,其動(dòng)作時(shí)間誤差大，保護(hù)精度低，整定困難。例如，熱繼電器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便,有較好的反時(shí)限特性,比較適合于恒定負(fù)載和電機(jī)連續(xù)運(yùn)行情況下的過(guò)載保護(hù)。但是對(duì)于頻繁起動(dòng)、重載起動(dòng)和變負(fù)荷的大功率電機(jī)其保護(hù)功能就不理想。另外熱繼電器由于存在熱慣性, 因此只能對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載實(shí)現(xiàn)保護(hù)，不具備短路保護(hù)功能，斷相保護(hù)也不可靠；短路保護(hù)是由熔斷器完成,其缺點(diǎn)是由于某一相熔斷器熔體熔斷后會(huì)造成三相異

40、步電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行，因此還要安裝斷相保護(hù)器。由于電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子式多功能保護(hù)器已經(jīng)出現(xiàn)并投入使用。電子式多功能保護(hù)器具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.1.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　調(diào)查研究表明:損壞的電動(dòng)機(jī)中有90％以上是由于電機(jī)在異常情況下運(yùn)轉(zhuǎn)造成的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。由于三相電源缺相、斷相、過(guò)載、過(guò)壓、堵轉(zhuǎn)造成電動(dòng)機(jī)燒毀

41、，成為電動(dòng)機(jī)毀壞的主要原因之一。</p><p>　　因此，要求保護(hù)系統(tǒng)能對(duì)以上出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)三相電機(jī)的每相電流，并把每相檢測(cè)電流與整定值進(jìn)行比較來(lái)判定出現(xiàn)的為何種情況。當(dāng)三相檢測(cè)電流低于欠載整定值時(shí)，說(shuō)明電機(jī)處于欠載狀態(tài)。這時(shí)應(yīng)通過(guò)控制系統(tǒng)使電機(jī)停機(jī)并發(fā)出欠載指示信號(hào)。欠載后需多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)出指示信號(hào)并切斷主電路可人為調(diào)定；當(dāng)三相檢測(cè)電流超過(guò)過(guò)載整定值時(shí)，說(shuō)明電機(jī)過(guò)載運(yùn)行。過(guò)載運(yùn)行要切

42、斷主電路停機(jī)并發(fā)出過(guò)載警報(bào)。至于過(guò)載后需要多長(zhǎng)的時(shí)間切斷主電路并發(fā)出警報(bào)，可根據(jù)過(guò)載百分比和電機(jī)的過(guò)載能力通過(guò)控制電路人為調(diào)定；當(dāng)至少有一相檢測(cè)電流低于欠載整定電流而另有一相檢測(cè)電流超過(guò)過(guò)載整定電流時(shí)，說(shuō)明電機(jī)斷相或三相不平衡運(yùn)行。這種運(yùn)行要立即切斷主電路，并發(fā)出警報(bào)；當(dāng)電路發(fā)生短路，要立即通過(guò)主控電路切斷電源并發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　2.1.3 電路的構(gòu)成</p><p>　　

43、保護(hù)電路主要由起?？刂齐娐?，傳感器電路，信號(hào)檢測(cè)電路，信號(hào)傳遞控制電路，指示報(bào)警電路，主電路控制電路，上電復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，直流電源等構(gòu)成。</p><p>　　傳感器部分由電流互感器、電流電壓變換器、整流濾波電路構(gòu)成，共三組。電流互感器可根據(jù)不同功率的電動(dòng)機(jī)按標(biāo)準(zhǔn)系列選取。電壓電流變換器把電流互感器給出的電流信號(hào)變換成合適的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)橋式整流、電容濾波變換成比較平穩(wěn)的與三相電機(jī)的電流大小成比例直流電壓信

44、號(hào)，然后送給由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。比較之后的值以高低電平形式傳遞給信號(hào)檢測(cè)電路，穩(wěn)壓管在比較器輸入端起保護(hù)作用，信號(hào)檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成的遲滯比較器組成。</p><p>　　指示電路和主控電路主要由三級(jí)管、晶閘管、交流接觸器、指示燈等構(gòu)成。上電復(fù)位和時(shí)鐘電路均由運(yùn)放和電阻電容組成。</p><p>　　2.1.4 本課題研究的內(nèi)容的技術(shù)要求</p>

45、<p>　　該控制與保護(hù)系統(tǒng)要求由模擬和數(shù)字電路構(gòu)成：</p><p><b>　　技術(shù)要求：</b></p><p>　　1.動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　2.因?yàn)槟撤N原因，電機(jī)可能欠載運(yùn)行。電機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間欠載運(yùn)行。因此要有欠載保護(hù)，一旦欠載要延時(shí)停機(jī)，同時(shí)發(fā)出欠載信號(hào)。停機(jī)至預(yù)定時(shí)間后自動(dòng)再啟動(dòng)。欠載后多長(zhǎng)時(shí)間

46、停機(jī)，或停機(jī)后經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間再啟動(dòng)，可人為調(diào)定。</p><p>　　3.由于某些原因，電機(jī)可能會(huì)過(guò)載，過(guò)載要自動(dòng)停機(jī)并計(jì)時(shí)，以便使操作人員了解停機(jī)時(shí)間，過(guò)載不能自動(dòng)啟動(dòng)，要經(jīng)人工排故障后手動(dòng)起動(dòng)。 過(guò)載程度能自動(dòng)檢測(cè)，輕度過(guò)載可時(shí)間長(zhǎng)些停機(jī)，重度過(guò)載短時(shí)間內(nèi)要停機(jī)，過(guò)載要發(fā)出過(guò)載警報(bào)信號(hào)。</p><p>　　4. 當(dāng)至少有一相檢測(cè)電流低于欠載整定電流而另有一相檢測(cè)電流超過(guò)過(guò)載整定電流時(shí)，

47、說(shuō)明電機(jī)斷相或三相不平衡運(yùn)行。這種運(yùn)行要立即切斷主電路，并發(fā)出警報(bào)；當(dāng)電路發(fā)生短路，要立即通過(guò)主控電路切斷電源并發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　5..電機(jī)能手動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)起動(dòng)。</p><p>　　大功率電動(dòng)機(jī)多功能保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮下面幾個(gè)方面的問(wèn)題:</p><p><b>　?、胚m應(yīng)性：</b></p><p>

48、　　由于電動(dòng)機(jī)的種類繁多，加之不同廠家生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)也有差別。因此，大功率電動(dòng)機(jī)多功能保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該有較好的適應(yīng)性，即通過(guò)簡(jiǎn)單方便的設(shè)置就可使保護(hù)系統(tǒng)滿足不同的保護(hù)特性的要求。</p><p><b>　?、茰?zhǔn)確性：</b></p><p>　　為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)自身的過(guò)載能力，同時(shí)還要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)。要求保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作要準(zhǔn)確。不準(zhǔn)確的動(dòng)作或造成電動(dòng)機(jī)的損壞，或不

49、能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，造成不必要的跳閘斷電，影響生產(chǎn)。</p><p><b>　?、强煽啃裕?lt;/b></p><p>　　可靠性則要求保護(hù)系統(tǒng)在無(wú)故障時(shí)不能產(chǎn)生誤動(dòng)作，而在故障發(fā)生時(shí)又不能拒絕動(dòng)作，特別是在堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)失敗和短路時(shí)。要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)確、可靠地完成規(guī)定的保護(hù)功能，設(shè)計(jì)的合理性以及制造時(shí)的工藝保證是非常重要的。</p><p&

50、gt;　　本課題在設(shè)計(jì)上充分的考慮了以上這些問(wèn)題。</p><p>　　3 本課題相關(guān)知識(shí)介紹</p><p>　　3.1 相關(guān)知識(shí)介紹</p><p>　　3.1.1 集成運(yùn)算放大器特點(diǎn)</p><p>　　運(yùn)算放大器（常簡(jiǎn)稱為“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)

51、算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。</p><p>　　在檢測(cè)系統(tǒng)中，測(cè)量電路或敏感元件的輸出信號(hào)等，一般都是比較小的，不能直接用來(lái)顯示，記錄，控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為此，當(dāng)非電量（電

52、量）轉(zhuǎn)換或通過(guò)電橋檢測(cè)后的電信號(hào)，往往需要用放大器進(jìn)行放大。</p><p>　　運(yùn)放+RC構(gòu)成的有源濾波器相比純使用RC實(shí)現(xiàn)的無(wú)源濾波器最主要的特點(diǎn)就是帶有一定的增益，這樣可以使信號(hào)的濾波特性曲線更陡，即頻率特性更明顯，也就是效果更好，另外它的輸出信號(hào)也比較強(qiáng)，適合于弱信號(hào)的濾波處理，再有就是可以匹配阻抗。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前放大電路一般都采用運(yùn)算放大器進(jìn)行。運(yùn)

53、算放大器是由集成電路組成的模擬電子器件，其特點(diǎn)是輸入阻抗高增益大，可靠性高，價(jià)格低廉，且使用方便，因而深受用戶厚愛(ài)。</p><p>　　運(yùn)算放大器是一種對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的放大器。從電路的結(jié)構(gòu)上講，運(yùn)算放大器實(shí)際上是一個(gè)高增益的直接耦合放大器。</p><p>　　目前，廣為使用的差分式運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其符號(hào)如圖：</p><p>　　圖3.

54、1理想運(yùn)算放大器</p><p>　　圖3.1中3是輸出端，“1”是反相輸入端，標(biāo)有“—”號(hào)，表示信號(hào)Vn從該端輸入時(shí)，輸出端信號(hào)與輸入信號(hào)反相。“2”是同相輸入端，標(biāo)有“+”號(hào)，表示信號(hào)Vp從該端輸入時(shí)，輸出端信號(hào)與輸入信號(hào)同相。利用這種基本增益器件構(gòu)成的各種電路幾乎實(shí)現(xiàn)人們過(guò)去所知道的各種所有基本電路的功能，因而，在電子技術(shù)中，獲得廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　眾所周知，一個(gè)理想的

55、運(yùn)算放大器具有如下性質(zhì)：</p><p>　?、?開(kāi)環(huán)電壓增益無(wú)窮大。</p><p>　?、?輸入阻抗無(wú)窮大。</p><p>　?、禽敵龅淖杩沟扔诹?。</p><p><b>　?、葞挒闊o(wú)窮大。</b></p><p><b>　?、筛蓴_噪聲等于零。</b></p

56、><p>　　當(dāng)然，實(shí)際的集成電路運(yùn)算放大器不可能有這樣理想的性質(zhì)。但是，如果把“無(wú)窮大”當(dāng)作“很高，很高”把“零”當(dāng)作“很低，很低”，就與實(shí)際的運(yùn)算放大器很接近了。例如,實(shí)際運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益可達(dá)104～106倍。因此，可以當(dāng)成“無(wú)窮大”來(lái)處理。</p><p>　　反相放大器和同相放大器：</p><p><b>　?、欧聪喾糯笃?lt;/b>&l

57、t;/p><p>　　基本原則1：無(wú)電流進(jìn)入正、負(fù)輸入端。這意味著通過(guò)R1的電流必須等于通過(guò)Rf的電流。因此，利用歐姆定律可導(dǎo)出兩個(gè)方程式：</p><p>　　Vi-Vx=i*Rf （3-1）</p><p>　　Vx-Vo=i*Rf （3-2）</p>

58、<p>　　基本原則2：輸入端之間的電壓為零。因?yàn)檎斎攵私拥兀汶娢唬┧?，?fù)輸入端也應(yīng)該為零電位。</p><p>　　因此， Vx由式（3-1）式（3-2）變成：</p><p>　　Vi=i*Ri (3-3) </p><p>　　-Vo=i*Rf

59、 （3-4）</p><p><b>　　經(jīng)代數(shù)變換可得：</b></p><p>　　i=Vi/Ri (3-5)</p><p>　　i=-Vo/Rf (3-6)</p>&l

60、t;p>　　令式（3-5）式（3-6）兩式相等，則結(jié)果為：</p><p>　　i=Vi/Ri=-Vo/Rf （3-7）</p><p><b>　　或：</b></p><p>　　Vo/Vi=-Ri/Rf （3-8） </p><p

61、>　　圖3.2 基本反相放大器電路</p><p><b>　　⑵同相放大器</b></p><p>　　基本原則1：無(wú)電流進(jìn)入正，負(fù)輸入端，因此，流過(guò)R1和Rf的電流均為i，利用歐姆定律可導(dǎo)出兩個(gè)方程式：</p><p>　　Vo-Vx=i*Rf

62、 （3-9）</p><p>　　Vx-Vo=i*Ri （3-10）</p><p>　　基本原則2：輸入端之間的電壓為零，就是說(shuō)Vi=Vx將此式代入式(3-9)式（3-10），得：</p><p>　　Vo-Vi=i*Rf

63、 （3-11）</p><p>　　V1-Vo=i*Ri （3-12）</p><p>　　從上面兩個(gè)式子解得的i分別為：</p><p>　　i=(Vo-Vi)/RF=Vo/Rf-Vi/Rf （3-13）</p><p>　　i= Vi/Ri

64、 （3-14）</p><p>　　令式（3-13）式（3-14）兩式相等，得： </p><p>　　i= Vo/Rf-Vi/Rf= Vi/Ri (3-15)</p><p>　　求解 Vo/Vi 最后結(jié)果為：</p><p>　　Vo/Vi=1+Rf/Ri

65、 (3-16)</p><p>　　式(3-16)就是同相放大器的基本增益表達(dá)式。</p><p>　　圖3.3基本同相放大器電路</p><p>　　同相放大器與反相放大器相比，有一個(gè)很重要的差別：在同相放大器中，Vn≈Vp≠ 0 相當(dāng)于集成運(yùn)算放大器輸入端加有共模信號(hào)，而在反相放大器中，Vn≈Vp=0 輸入端不出現(xiàn)共模

66、信號(hào)。</p><p>　　3.1.2 光電耦合器</p><p>　　光電耦合器是實(shí)現(xiàn)光電耦合的基本器件，在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小（2pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。它將發(fā)光元件（發(fā)光二極管）與光敏元件（光電三極管）相互絕緣地組合在一起，如圖3.4（a）所示。發(fā)光元件為輸入回路，它將電能轉(zhuǎn)換成光能；光敏元

67、件為輸出回路，它將光能再轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了兩部分電路的電氣隔離，從而可有效地抑制電干擾。在輸出回路常采用復(fù)合管（也稱達(dá)林頓結(jié)構(gòu)）形式以增大放大倍數(shù)。</p><p>　　圖3.4 光電耦合器及其傳輸特性</p><p>　?。╝）內(nèi)部組成 （b）傳輸特性</p><p>　　光電耦合器的傳輸特性如圖3.4（b）所示，當(dāng)描述當(dāng)發(fā)光二極管的電流為一個(gè)常量ID時(shí)，集電

68、極電流Ic與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系，即</p><p>　　Ic=f(uCE)|ID (3-17)</p><p>　　因此，與晶體管的輸出特性一樣，也是一族曲線。當(dāng)管壓降uCE足夠大時(shí)，iC幾乎僅決定于iD,與晶體管的ß相類似，在c-e之間電壓一定的情況下，iC的變化量與iD的變化量之比稱為傳輸比CTR，即</p>

69、;<p>　　CTR=ΔiC/ΔiD|uCE (3-18)</p><p>　　不過(guò)CTR的數(shù)值比ß小的多，只有0.1～1.5。</p><p>　　3.1.3 EWB</p><p>　　ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下簡(jiǎn)稱EWB）：EWB軟件是交互圖像技術(shù)有限公司（INT

70、ERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA軟件，但在國(guó)內(nèi)開(kāi)始使用卻是近幾年的事，現(xiàn)在普遍使用的是在WIN95環(huán)境下工作的EWB5.0（在國(guó)內(nèi)曾見(jiàn)過(guò)6.0的演示版，注：EWB5.0也可以在WINDOWS3.1環(huán)境下使用，但需安裝WING32工具），相對(duì)其它EDA軟件而言，它是個(gè)較小巧的軟件，只有16M，功能也比較單一，就是進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，但你絕對(duì)不可小瞧它，它的仿真功能十分強(qiáng)

71、大，可以幾乎100％地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫(kù)中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫(kù)中沒(méi)有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入，在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，未接觸過(guò)它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地使用該軟件，對(duì)于電子設(shè)計(jì)工作者來(lái)說(shuō)，它是

72、個(gè)極好的E</p><p>　　3.2 計(jì)數(shù)器和雙D觸發(fā)器介紹</p><p>　　3.2.1 74HC4020 14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器</p><p>　　圖3.5 74HC4020計(jì)數(shù)器引腳圖　</p><p>　　由14個(gè)主從觸發(fā)器構(gòu)成，其中12級(jí)輸出有引出端；每個(gè)觸發(fā)器的輸出饋入到下一個(gè)出發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器的輸出頻率是前面一個(gè)觸

73、發(fā)器輸出頻率的一半；時(shí)鐘輸入端負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)前進(jìn)一步，復(fù)位是異步的。</p><p><b>　　功能表:</b></p><p>　　表3.1 74HC4020</p><p>　　3.2.2 C4013--一雙上升沿D觸發(fā)器</p><p><b>　　簡(jiǎn)要說(shuō)明:</b></p&

74、gt;<p>　　CC4013由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時(shí)鐘輸入和Q及Q輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過(guò)將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位與時(shí)鐘無(wú)關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。</p><p>　　CC4013提供了l4引線多層陶瓷雙列直插(D)、熔封陶瓷

75、雙列直插(J)、塑料雙列直插(P)和陶瓷片狀載體(C) 4種封裝形式。</p><p><b>　　引出端符號(hào)</b></p><p>　　1D—2D 數(shù)據(jù)輸入端</p><p>　　1CP—2CP 時(shí)鐘輸入端</p>

76、<p>　　1SD—2SD,1RD—2RD 直接復(fù)位端</p><p>　　1Q—2Q 原碼輸入端</p><p>　　1Q—2Q 反碼輸入端</p><p>　　VDD

77、 正電源</p><p>　　VSS 地</p><p><b>　?、磐扑]工作條件：</b></p><p>　　電源電壓范圍：3V～15V</p><p>　　輸入電壓范圍：0V～VDD</p&

78、gt;<p><b>　　工作溫度范圍：</b></p><p>　　M類：-55℃～125℃</p><p>　　E類：-40℃～85℃</p><p><b>　?、茦O限值：</b></p><p>　　電源電壓：-0.5V～18V</p><p>　　輸入

79、電壓：-0.5V～VDD+0.5V</p><p>　　輸入電流：±10mA</p><p>　　儲(chǔ)存穩(wěn)定：-65℃～150℃ </p><p><b>　?、沁壿嫹?hào)：</b></p><p>　　圖3.6 CC4013 邏輯符號(hào)</p><p><b>　　⑷邏輯圖：&l

80、t;/b></p><p>　　圖3.7 CC4013 邏輯圖</p><p><b>　　功能表：</b></p><p>　　表3.2 C4013功能表</p><p><b>　　靜態(tài)特性： </b></p><p>　　表3.3 靜態(tài)特性工作表</p&g

81、t;<p>　　動(dòng)態(tài)特性（TA=25℃）：</p><p>　　表3.4 動(dòng)態(tài)特性工作表</p><p>　　4 系統(tǒng)保護(hù)方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 保護(hù)方案的原理框圖</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)保護(hù)方案的原理圖</p><p>　　4.2 傳感器及信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p>

82、;<p>　　4.2.1 傳感器部分</p><p>　　我們知道，在控制與保護(hù)電路中，提取信號(hào)和怎樣提取信號(hào)是非常重要的，不能提取正確反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)，就不能對(duì)電機(jī)進(jìn)行正確的控制和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。因此，提取信號(hào)是電機(jī)保護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　下圖所示是我們采用的提取信號(hào)的方法，也就是系統(tǒng)的傳感器部分。</p><p>　　圖4.2

83、 傳感器電路</p><p>　　用電流互感器來(lái)感應(yīng)電機(jī)上的電流大小。設(shè)變比為10：1，即當(dāng)流過(guò)電機(jī)的電流為50A時(shí)，感應(yīng)端產(chǎn)生的電流為5A，再通過(guò)電流—電壓變換器，將5A的電流轉(zhuǎn)換為3V左右的交流電壓。這樣就完成了提取信號(hào)的功能。</p><p>　　傳感器部分主要由電流互感器、電流電壓變換器、整流濾波電路構(gòu)成，共三組。電流互感器可根據(jù)不同功率的電動(dòng)機(jī)按標(biāo)準(zhǔn)系列選取。電壓電流變換器把電流

84、互感器給出的電流信號(hào)變換成合適的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)橋式整流、電容濾波變換成比較平穩(wěn)的與三相電機(jī)的電流大小成比例直流電壓信號(hào)，然后送給由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。</p><p>　　在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中利用了運(yùn)放的比較功能來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)工作中的電流實(shí)際值與限定的額定值進(jìn)行比較。</p><p>　　4.2.2 信號(hào)檢測(cè)電路部分</p><p>　　信

85、號(hào)檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成的遲滯比較器組成。三個(gè)比較器為一組，其輸出端與電源UC、電阻R1相連構(gòu)成“與門”電路，如圖所示：</p><p>　　圖4.3 信號(hào)檢測(cè)電路</p><p><b>　　比較器：</b></p><p>　　在模擬信號(hào)的處理中，有時(shí)要比較和判別兩個(gè)信號(hào)的大小。比較器的作用，就是將兩個(gè)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行比較，輸出一個(gè)二進(jìn)制

86、值。</p><p>　　對(duì)理想的比較器，當(dāng)Vp≥Vn時(shí)，同相比較器輸出高電平，當(dāng)Vp<Vn時(shí)輸出低電平。反相比較器則相反。下面以同相比較器為例，說(shuō)明實(shí)際比較器的特性。</p><p>　　圖4.4 同相比較器</p><p><b>　　比較器特性：</b></p><p>　　理想比較器意味著在輸出過(guò)渡期間，比

87、較器的增益無(wú)窮大，當(dāng)其增益為Av時(shí)，實(shí)際比較器的電壓傳輸特性如圖4.5所示。</p><p>　　對(duì)同相比較器其數(shù)字表達(dá)式為：</p><p>　　圖4.5 同相比較器特性</p><p>　　實(shí)際的比較器的性能主要用下列參數(shù)描述：</p><p>　?、欧直婺芰蚺R界敏感值；</p><p><b>　?、?/p>

88、輸入失調(diào)電壓；</b></p><p>　?、撬俾驶騻鬏斞舆t時(shí)間;</p><p>　　⑷輸入共模范圍比較器的分辨能力定義為</p><p>　　△ V=(VOH-VOL)/AV=VIH-VIL (4-2)</p><p>　　式(4-2)中 Av--比較器增益，即過(guò)渡曲線的斜率。</p

89、><p>　　比較器的輸入失調(diào)電壓Uos，定義為當(dāng)Vp和Vn相連時(shí)，為使Uout等于零而在輸入端所加的電壓值如圖4.6：</p><p>　　圖4.6 比較器的失調(diào)電壓Vos</p><p>　　比較器的傳輸延遲時(shí)間，表明輸入達(dá)到一定值后，輸出狀態(tài)改變的快慢程度，由輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)得延時(shí)Tp來(lái)度量。Tp為0.5（VIH+VIL）的時(shí)間,如圖4.6所示。比較器的輸入共模

90、范圍是指在這個(gè)范圍內(nèi)，比較器能連續(xù)輸入電壓值。</p><p>　　圖4.6 同相比較器的時(shí)間響應(yīng)</p><p>　　圖4.7 同相比較器的時(shí)間響應(yīng)</p><p>　　4.3 保護(hù)電路及起停控制電路設(shè)計(jì)及工作原理</p><p>　　信號(hào)傳遞控制電路主要由非門、與非門、計(jì)數(shù)器、或非門、D觸發(fā)器等構(gòu)成；起?？刂浦饕晒怆婑詈掀鞯仍葮?gòu)成。

91、如圖：</p><p>　　圖4.7 起停電路及保護(hù)電路</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　首先上電復(fù)位，高電平有效。D觸發(fā)器F1、F2、F3、F4置“1”，F(xiàn)5置“0”。計(jì)數(shù)器C1、C2置“0”。非門14輸出為“0”。電路做好電機(jī)起動(dòng)準(zhǔn)備。</p><p>　　按起動(dòng)按鈕SB2，通過(guò)D

92、觸發(fā)器F5的Q端使起動(dòng)指示電路的指示燈亮。端輸出通過(guò)非門13、與非門12、非門15、與非門10、非門14和主控電路使電機(jī)起動(dòng)。光電耦合器2的輸出至與非門7、與非門8、與非門9、與非門11的連線是任何原因停機(jī)后再起動(dòng)的起動(dòng)信號(hào)線，且使其它D觸發(fā)器保持初始狀態(tài)。光電耦合器2的輸出至與非門3的連線是確保在電機(jī)起瞬間C1輸出為“0”，防止因電機(jī)起動(dòng)電流遠(yuǎn)超過(guò)額定電流而出現(xiàn)假過(guò)載信號(hào)傳送。</p><p>　　欠載信號(hào)由A

93、組比較器進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)出的欠載信號(hào)經(jīng)非門1、與非門1送至計(jì)數(shù)器C1的R端。計(jì)數(shù)器C1作為欠載信號(hào)延時(shí)控制器，當(dāng)R端接收到欠載信號(hào)后，在時(shí)鐘脈沖的作用下開(kāi)始計(jì)數(shù)延時(shí)，至預(yù)定時(shí)間把信號(hào)經(jīng)或非門1送至D觸發(fā)器F1，F(xiàn)1的Q端輸出的欠載信號(hào)通過(guò)非門12送給欠載報(bào)警電路報(bào)警，其端把欠載信號(hào)一路通過(guò)非門11經(jīng)與非門12、非門15、與非門10、非門14送給主控電路使電機(jī)斷電，一路送回或非門1的另一輸入端，實(shí)現(xiàn)欠載信號(hào)的鎖定。</p>&

94、lt;p>　　既要充分發(fā)揮電機(jī)的過(guò)載能力又要對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)不至損毀電機(jī)，可以選擇幾組比較器對(duì)過(guò)載信號(hào)進(jìn)行分級(jí)檢測(cè)實(shí)行保護(hù)，以提高過(guò)載保護(hù)的反時(shí)限特性。為了說(shuō)明過(guò)載保護(hù)原理,圖中設(shè)二級(jí)保護(hù)，即過(guò)載信號(hào)由C組和D組比較器進(jìn)行檢測(cè)。要求每組比較器根據(jù)電機(jī)過(guò)載能力進(jìn)行整定，力求保護(hù)準(zhǔn)確。輕度過(guò)載可以通過(guò)延時(shí)控制電路時(shí)間長(zhǎng)些切斷主電路和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。嚴(yán)重過(guò)載，時(shí)間短些切斷主電路和報(bào)警。例如D組比較器檢測(cè)到輕度過(guò)載信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)非門4，與

95、非門3送計(jì)數(shù)器C2。C2計(jì)數(shù)延時(shí)較長(zhǎng)時(shí)間后把信號(hào)送給與非門4,再經(jīng)與非門6、或非門3送至D觸發(fā)器F4。D觸發(fā)器F4的Q端把過(guò)載信號(hào)經(jīng)與非門10、非門14送給主控電路切斷電機(jī)電源。其端把過(guò)載信號(hào)送給過(guò)載報(bào)警電路。端與或非門3另一入端相連實(shí)現(xiàn)過(guò)載信號(hào)鎖定。嚴(yán)重過(guò)載，信號(hào)由C組比較器進(jìn)行檢測(cè)，然后將信號(hào)經(jīng)延時(shí)控制電路在短時(shí)間內(nèi)由D觸發(fā)器F4把信號(hào)分別送給過(guò)載報(bào)警器和主控電路切斷電機(jī)電源并實(shí)現(xiàn)信號(hào)自鎖。</p><p>

96、　　電機(jī)斷相或三相不平衡運(yùn)行，欠載檢測(cè)電路A和過(guò)載檢測(cè)電路D同時(shí)輸出檢測(cè)信號(hào)，并且分別經(jīng)非門1和非門4，送給與非門2，再經(jīng)非門6、或非門2至 D觸發(fā)器F3。F3輸出端Q把信號(hào)經(jīng)非門8送給報(bào)警電路，其端把信號(hào)經(jīng)非門7、與非門10、非門14 送給主控電路切斷電機(jī)電源。端與或非門2另一入端相連實(shí)現(xiàn)信號(hào)鎖定。</p><p>　　短路信號(hào)由B組檢測(cè)電路檢測(cè)。當(dāng)電機(jī)三相電路發(fā)生短路時(shí)，檢測(cè)出的短路信號(hào)經(jīng)非門2送至D觸發(fā)器F

97、2的R端，使F2置“0”。F2的Q端一路經(jīng)非門10把短路信號(hào)送給短路報(bào)警電路，一路和F2的D端相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)鎖定。端把短路信號(hào)經(jīng)非門9、與非門10、非門14 送給主控電路切斷電源。</p><p>　　與非門10的輸出經(jīng)非門5、與非門1至計(jì)數(shù)器C1的R端的連線的設(shè)置，是阻止各種原因停機(jī)后假欠載信號(hào)的傳送和報(bào)警</p><p>　　4.4 指示電路設(shè)計(jì)</p><p>

98、;　　指示電路主要由光電耦合器、光電二極管等組成。電路如圖所示：</p><p><b>　　圖4.8指示電路</b></p><p>　　當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)保護(hù)電路的分析之后，如為欠載、過(guò)載、短路或三相不平衡之一時(shí)，高電平信號(hào)輸入到對(duì)應(yīng)的指示電路中，信號(hào)輸入到光電耦合器，光電耦合器原理圖中的二極管有0.7V的壓降就導(dǎo)通，二極管導(dǎo)通則三極管也導(dǎo)通。于是光電二極管導(dǎo)通發(fā)光，實(shí)現(xiàn)

99、電路報(bào)警，說(shuō)明電路是處于欠載、過(guò)載、短路或三相不平衡之一的不正常工作狀態(tài)。</p><p>　　5 硬件搭接及調(diào)試</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目要求進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成原理圖后，根據(jù)原理圖列寫實(shí)驗(yàn)元件，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)元件與原理圖設(shè)計(jì)接線電路圖，根據(jù)各器件的基本功能選擇好器件和電路面板，將元器件選置在適當(dāng)?shù)奈恢?，進(jìn)行焊接。</p><p&g

100、t;　　焊接完成后進(jìn)行電路的調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的故障主要是由于焊接過(guò)程中焊錯(cuò)點(diǎn)，焊點(diǎn)過(guò)大造成焊點(diǎn)之間連接以及元器件正負(fù)極焊反等造成的，在老師的耐心幫助與指導(dǎo)下都進(jìn)行了修改，使電路正常運(yùn)行。</p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，很多理論成立的知識(shí)在實(shí)踐中有可能不會(huì)出現(xiàn)理想的效果，這些有可能是器件不理想的原因，還有可能是系統(tǒng)的誤差和干擾使實(shí)驗(yàn)出不來(lái)理想的效果。由于設(shè)計(jì)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，保護(hù)電路的主控電

101、路只是理論實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有進(jìn)行硬件的搭接。在實(shí)驗(yàn)中，主要實(shí)現(xiàn)欠載、過(guò)載、斷相與三相不平衡及短路的指示功能。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　電機(jī)保護(hù)電路是以電流值的變化作為故障判別依據(jù)而設(shè)計(jì)的，它不但反映對(duì)稱故障，對(duì)非對(duì)稱故障(如斷相、不平衡運(yùn)行等)也能及時(shí)有效地保護(hù)。由于保護(hù)電路是由集成電子元件組成，而且都是靜止部件，優(yōu)點(diǎn)是不存在機(jī)械

102、誤差和磨損，耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，可靠性高，整定簡(jiǎn)便。且精度和靈敏度高，可在發(fā)生短路、斷相、過(guò)載等情況時(shí)，短時(shí)間內(nèi)停機(jī)，不存在保護(hù)滯后現(xiàn)象。從電路結(jié)構(gòu)、工作原理可見(jiàn)該保護(hù)電路對(duì)大功率電機(jī)有較強(qiáng)的適用性。由于電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路屬于純硬件電路結(jié)構(gòu)，各種功能都是由相應(yīng)硬件搭接的電路實(shí)現(xiàn)的，所以必定存在著功能擴(kuò)展受到局限，保護(hù)特性不易改變，靈敏度及電流的整定范圍受到硬件的限制和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控不夠完善等一些問(wèn)題。如要提高其保護(hù)特性，必然要設(shè)計(jì)更

103、復(fù)雜的電路，投入更多的元器件，從而增加產(chǎn)品成本</p><p>　　該控制與保護(hù)系統(tǒng)是由模擬電路與數(shù)字電路構(gòu)成，其實(shí)現(xiàn)的功能滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)命題的要求，解決了對(duì)三相電動(dòng)機(jī)更加可靠地進(jìn)行保護(hù)的問(wèn)題。主要的結(jié)論有:</p><p>　?、艅?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　?、齐姍C(jī)一旦欠載要延時(shí)停機(jī)，同時(shí)發(fā)出欠載信號(hào)。欠載后多長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，或停機(jī)后經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間再啟動(dòng)，可

104、人為調(diào)定。</p><p>　?、请姍C(jī)出現(xiàn)過(guò)載要自動(dòng)停機(jī)并計(jì)時(shí)，輕度過(guò)載可時(shí)間長(zhǎng)些停機(jī)，重度過(guò)載短時(shí)間內(nèi)要停機(jī)，過(guò)載要發(fā)出過(guò)載警報(bào)信號(hào)。</p><p>　　⑷當(dāng)至少有一相檢測(cè)電流低于欠載整定電流而另有一相檢測(cè)電流超過(guò)過(guò)載整定電流時(shí)，說(shuō)明電機(jī)斷相或三相不平衡運(yùn)行。這種運(yùn)行要立即切斷主電路，并發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　⑸當(dāng)電路發(fā)生短路，要立即通過(guò)主控電路切斷電源

105、并發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多的數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)。在老師的細(xì)心指導(dǎo)和幫助下完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)自動(dòng)化知識(shí)有了更進(jìn)一步的了解。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在***老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題、研究方法到論文撰寫的整個(gè)過(guò)程，老師都給予了我耐心的指導(dǎo)和細(xì)致

106、的關(guān)懷；在本論文完成期間，老師淵博的專業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)一直影響、激勵(lì)著我，并將使我終身受益。在此謹(jǐn)向***老師致以深深的敬意和衷心的感謝。</p><p>　　同時(shí)要感謝自動(dòng)化所有同學(xué)是他們?cè)趯W(xué)業(yè)和生活等各方面上都給予了我諸多的幫助和支持，使我獲益頗深。</p><p>　　最后，感謝***學(xué)院的培養(yǎng)和教育，感謝父母給予的關(guān)愛(ài)與鼓勵(lì)，以及經(jīng)濟(jì)上的支持，使學(xué)業(yè)得以

107、順利完成。</p><p><b>　　！</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?、?李銀華 王新華 江 泳．電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo)．北京航空航天大學(xué)出版社．2005.6 </p><p>　?、?邊 冰 郭香云．用單片機(jī)捕捉功能實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)保護(hù) 電氣應(yīng)用．

108、2004.11</p><p>　　⑶ 王新賢．通用集成電路速查手冊(cè).山東科學(xué)技術(shù)出版社．2002.5 </p><p>　?、?李瓊?cè)穑畤?guó)外最新應(yīng)用電路設(shè)計(jì)精選[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社．1998.8</p><p>　?、?高欽和．可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì). 人民郵電出版社．2004.7 </p><p>　?、?李