电机过流保护及三相电缺相保护.docx

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电机过流保护及三相电缺相保护

电机过流保护及三相电缺相保护

一、方案论证

随着各行业现代化步伐加快，煤矿企业如今也慢慢步入电气化时代，尤其是近几年煤矿企业加大了对矿井的设备投入，这就为保障井下的各种电器设备安全正常的运行提出了更高的要求。

电器设备的正常运行直接关系到煤矿的生产和井下工人的生命安全！

为此，我们提出设计相关电器设备的保护电路。

而在井下常发生的电器事故中，设备的过载运行和三相电机的缺相运行是最常见的电器事故，且井下的大部分由外因素引起的火灾都是由上述两个因素造成的。

特别是缺相运行的检测，因三相负载在缺相时仍能工作，且不易被发现，例如三相电动机。

如果不及时发现故障电路采取相应的措施，会严重影响井下设备的正常运行，更严重着则会引发火灾，设备永久损坏！

所以，我们设计与这两个方面相关的电路保护——“过流保护”、“三相电缺相保护”。

这两个保护电路在井下对电器设备的安全运行是必不可少的，具有很强的实用性！

二、方案设计

1.过流保护

过流保护首先要检测井下供电电缆的电流，而检测电流有多种方案——电阻分压、电流互感器、电流继电器。

然后经采集的信号进行处理，若信号本身是直流则直接接相应的保护动作电路，若是交流则要多加一级交流有效值转换电路。

而后就是实现电路的电器自锁，保证电路稳定可靠工作。

流程图如下：

2.缺相保护

缺相保护首先要实现的是相位缺失的检测，这里同样有多种方案可供选择，主要的常用类型为：

电容中性点检测法、电阻中性点检测法（只适用于三相四线制）、二极管整流法、互感器+二极管整流法。

它们都是为了实现一个开关信号的检测去实现驱动开关元件动作。

流程图如下：

三、具体内容

1.过流保护

1）电流的检测方案比较

●电阻分压

原理：

将精密电阻串于负载电路，把电阻上的电压作为检测信号，然后接后级电路。

优点：

电阻相比较而言便宜且工作相当稳定可靠。

缺点：

温漂对电阻影响较大

●电流互感器

原理：

经互感器检测交流信号，然后接放大电路。

优点：

检测精度高。

缺点：

体积稍大、成本高。

●电流继电器

原理：

靠电磁耦合，驱动继电器触点动作。

优点：

可靠，安全，容易实现自锁

缺点：

体积大

2）方案的选择

首先，电阻分压法只适用于小功率电路保护，若用于大功率电路，则要求电阻的功率非常大，不合实际，所以排除电阻分压法。

其次，虽然电流继电器适用电流范围比电阻分压法大，但要用于矿井下高达数十安、数百安的电流，则需要用到大功率（数百安）电流继电器，如此则继电器体积太大，所以也被排除。

最后，电流互感器为最佳选择，它能实现电流初级与次级的变比，将大电流转化为小电流，非常适合于大电流的检测。

这使得它的成本相对于它所控制的设备来说成本几乎可以忽略。

3）信号处理

互感器检测到的信号为交流电流信号，需转化为电压控制信号，所以要加一级流压转换电路。

然后，将再将其转化为直流信号。

传统方法交直转化为整流桥直接整流，这种方法精度低，动态性差。

这里选用真有效值转换电路，其原理为，电压真有效值转换公式为：

4）基准比较电压

基准比较电压的实现可以利用德州仪器公司（TI）生产的TL431。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。

TL431可等效为一只稳压二极管。

1）驱动及自锁

自锁实现了过载发生时能及时断开电路，电路断开后能保证电路不再闭合，保证电路安全可靠工作，不会出现电路反复动作。

2.缺相保护

1）缺相信号检测方法的比较

●电容中性点检测法

原理：

在三线制三相电中，从三相线路中，每相通过电容各引出一根线。

并接在一点，形成人为的中性点。

当三相负载正常工作时，中性点对地电压为零。

当负载缺相运行时，中性点发生偏移，中性点对地电压发生变化。

利用这个开关量来检测负载是否在正常工作。

优点：

原理简单、检测电路简单、改善了电路的功率因数

缺点：

后级需加整流电路

●二极管整流法

原理：

从三相线路中，每相通过二极管各引出一根线。

并接在一点，形成人字形的整流电路。

当三相负载正常工作时，人字形节点电压

为三相电的相电压有效值

当三相电中任意一相断开时，人字形节点电压

为三相电的相电压有效值

通过上述两个电压大小的不同可以用来判断设备是否缺相运行。

优点：

简单、可靠、减少后级整流电路

●电阻中性点检测法

原理：

，从三相线路中，每相通过电阻各引出一根线。

并接在一点，形成人为的中性点。

原理与电容中性点一样.

优点：

简单、可靠

缺点：

后级要加整流电路

●互感器+二极管整流法

原理：

从三相线路中，每相通过电流互感器各引出一根线。

然后每相各接接两个并联整流二极管。

后级电路与二极管整流法一样。

优点：

可靠、安全

缺点：

体积大、费用高

2）方案选择

通过比较各项指标，选择电容检测法。

理由如下：

✧性能可靠

✧改善电路功率因数

✧有利于整体电路的设计，简化电路结构

✧价格便宜

3）信号处理

由前级传输过来的是交流信号，需要进行整流变为直流信号。

由于是一个开关检测信号，两个状态量之间有很大的差别，因此不需要像过载保护那样将信号经严格的真有效值转换，只需有两个逻辑电平即可。

所以这里直接用整流全桥进行整流。

4）控制开关电路

控制开关电路可以用比较器+驱动来实现，也可以直接利用此信号来驱动，此时要加一个稳压管来实现开关量的选择。

这里我们直接选用第二个方法。

5）自锁的实现

自锁的实现，要利用控制三相电用电设备的交流接触器，将开关控制量串与其中，使交流接触器失去其自锁能力，从而实现电器的自锁。

四、方法步骤

1、查找文献

经查找相关的文献资料发现，现有的关于这方面的资料很多，其中以王志华发表在《机床电器》上的《电源缺相保护电路的探讨》最为详尽。

另外傅智河发表的《新颖节能的三相电动机缺相报警保护》中提出了利用电容检测缺相的方法，相比传统的做法，这种方法新颖，且对电网起到一定的补偿作用！

我们综合比较了所有相关电路，力求提出一个更为切合实际更为优化的电路。

2、电路的设计与仿真

◆过流保护电路设计

a）流压转换

将电流互感器检测过来的电流信号转化为电压信号。

电路图如下：

输出电压u=i*R2

b）真有效值转换电路

以下真有效值转换电路，经实际电路测试，精度很高，可以直接使用。

也可以用真有效值转换芯片如：

HCNR200、AD673、AD536。

c）基准电压

基准电压精确才能保证电路性能高。

用Tl431实现电路如下图：

Vout=（R2+R3）*2.5/R3

d）电路自锁

电路必须保证能自锁，以下电路能实现电路的自锁：

当有信号时激发Q2导通，同时Q1也被激发导通。

此时，即使去掉激发信号，Q2和Q1仍能保持导通。

实现电路的自锁。

◆缺相电路设计

a）信号检测

三相电任意两相之间电压为380V，如果发生缺相，在对称负载电路中中性点对地电压U=110V。

用此电压驱动交流接触器线圈K动作。

电路原理如下图：

b）自锁电路

利用接触器构成自锁电路，如下图：

按下SB按钮KM得电，线圈动作，KM自锁。

缺相时K动作，KM失去自锁功能。

这样不管ABC三相中任意一相断开，电路都能及时动作保护。

◆参数计算仿真

将设计好的电路用Proteus仿真，逐一计算元件参数。

✓过载参数

设计的过载保护电流为三安，选用电流互感器变比为10:

1，

则检测传送的安全阀值电流有效值为0.3A，经电阻为10

的电阻，变为3V的电压信号。

所以基准电压应设定为3V。

又因tl431输出电压U=（R２+R３）*2.5/R３=3V且要保证,1ma<（VCC-Vout）/R１<500ma，取ＶＣＣ＝５Ｖ

得出　　　5R1=R2

　　　　　　　　　　　　　４

＜Ｒ３＜２Ｋ

　　　　　　　　　　　取Ｒ２＝２Ｋ，Ｒ３＝１０Ｋ，Ｒ１＝１Ｋ

✓缺相参数

　　　　　　　　　　　电容在作为缺相检测时没有容量要求，只有电压要求，这里选额定工作电压的３～４倍取４８０Ｖ。

　　　　　　　　　另外电容在做功率补偿时，

为补偿前功率角，

为补偿后功率角。

◆实物制作调试

　　　　　　　　　　　将仿真好的电路用ｐｒｏｔｅｌ软件制作电路板，焊接电路。

逐一调试各个模块电路功能，最后联调电路。

　　　　　　　　　　　　过载保护电路在通过３Ａ电流时，保护装置动作，并自锁。

缺相保护装置则直接进行软件仿真，当电路缺相时，装置动作，保护了设备。

五、设计结论

　　　　本设计按最初设计要求达到了预期目的，完成了设计任务，方案切实可行。

通过对电路的设计、仿真、焊接、调试，将理论成功运用于实践，用理论知识指导设计实践，不仅仅停留在书本的知识，多查阅资料，多浏览各大电气网站，从中学习借鉴别人的经验，达到事半功倍。

现如今集成电路飞速发展，针对不同功能的芯片应有尽有，使线路更简单，故障点数目减少，更趋于智能化。

但对最基本的理论知识一定要从原理上弄透彻，万变不离其宗，一切皆是有最基本的原理发展而来的。

通过本次实训，充分体会到了团队合作的意义，个人能力也得到了提高。

六、附表及元件明细

总电路图两张：

见附页

元件明细

　　　　　主要元件：

TL４３１稳压块一块、OP０７运放、SSR-H480D125固态继电器两个

　　　　　　12v小继电器一个

ｎ型ｐ型三极管若干、电阻若干、电容若干、按钮若干

七、参考文献

　　【１】姜华、王金波《三相电动机缺相保护实用方法》

【２】胡开金《浅析三相电动机缺相运行的危害及对策》

【３】马兴宝《关于三相电动机的缺相保护》

【４】潘慧宇《三相电机断相保护措施的探讨》

【５】傅智河《新颖节能的三相电动机缺相报警保护》

【６】王志华《电源缺相保护电路的探讨》

【７】任健旺《井下电钳工电气防爆检查工》煤炭工业出版社

【８】靳占亭《矿井变配电工》煤炭工业出版社

【９】刘延绪《煤矿井下供电的三大保护》煤炭工业出版社

课程设计总结

两周的课程设计即将结束，我们一组六个同学分工合作，通过上网及到图书馆查阅相关资料，结合我们平时所掌握的理论与实践知识，在老师的指导下基本上顺利地完成了这次的课程设计任务。

因为考虑到我们专业所选方向偏于煤矿，所以我们的课题设计内容基本上都是关于煤矿方向的有关设计。

我们所选定的设计课题是“电机过流保护与三相电缺相保护”在查找相关资料时我们看到随着各行业现代化步伐加快，煤矿企业如今也慢慢步入电气化时代，尤其是近几年煤矿企业加大了对矿井的设备投入，这就为保障井下的各种电器设备安全正常的运行提出了更高的要求。

电器设备的正常运行直接关系到煤矿的生产和井下工人的生命安全！

为此，我们提出了设计相关电器设备的保护电路。

而在井下常发生的电器事故中，设备的过载运行和三相电机的缺相运行是最常见的电器事故，且井下的大部分由外因素引起的火灾都是由上述两个因素造成的。

特别是缺相运行的检测，因三相负载在缺相时仍能工作，且不易被发现，例如三相电动机。

如果不及时发现故障电路采取相应的措施，会严重影响井下设备的正常运行，更严重着则会引发火灾，设备永久损坏！

所以，我们设计了与这两个方面相关的电路保护——“过流保护”、“三相电缺相保护”。

这两个保护电路在井下对电器设备的安全运行是必不可少的，具有很强的实用性！

这两周的课程设计我们基本上都是按照最初的计划步骤一步一步来完成的。

查阅资料：

通过上网，在校图书馆相关网站，多个电气网站是上，利用课余时间到图书馆书库翻阅相关文献，搜集与我们课程设计相关资料，为更好更完善的设计做铺垫。

电路的设计制作与调试：

在熟悉了课程设计的总体内容后，就要着手电路的设计，这就要建立在掌握相关理论的基础只上了。

完成电路的设计后需要对所设计的电路进行调试，不断地调试，不断地改进，我们组最终是做出了一个实际电路，这也是我们的最大成果。

这些做完后时间也所剩无几，最后一步就是做系统的总结报告：

将我们的设计过程方法梳理一下，以报告的形式给出，这样我们的整个课程设计就算是基本完成了。

通过这次课程设计，在大量查阅相关资料的基础上，我学到了许多实用而且比较先进的设计知识。

其中更大一部分是在二十一世纪电气工程这个网站上，这个网站上面高手们互相发问，互相切磋，我们可以学到许多使用的东西。

我们设计过程中的一些问题也可以在这上面得到解决。

这次课程设计让我的理论知识水平和动手实践水平都得到了很大的提高。

当然我们团队的相互合作功不可没。

八、附图一

过流保护电路