毕业设计(论文)-基于PLC的电机智能保护器.doc
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1、摘 要 编号 毕毕业业论论文文 题 目基于 PLC 的电动机智能保护器设计 学生姓名 学 号 系 部电气工程系 专 业电气自动化 班 级 指导教师 顾问教师 二一年七月 摘 要 摘摘 要要 电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位, 它的使用几乎渗透到了各行各业,是工业、农业和国防建设及人民生活正常进 行的重要保证,因而确保电动机的正常运行就显得十分重要,而在使用中造成 电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜,据不完全统计全国每年仅因 电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度,电动机烧毁的数量达 20 万台次以上, 容量约 0.4 亿千瓦,因维修所耗的电磁线约 5000
2、万公斤,修理费达 20 亿元, 而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的 保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。传 统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。我们知道,热继电器具有结构简 单,成本低廉,体积小,使用方便的优点。但热继电器保护功能单一,精度低, 动作不稳定,发热时间常数小。简单地说,热继电器样样都好,就是保护性能 不可靠,这是其致命弱点,也正因为此,保护性能可靠的电机智能保护器是最 近十多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置,本文实现 基于 PLC 的电动机智能保护系统。 通过 PLC 的控制,采用梯形图编程,
3、通过实验实现电动机的运行稳定可靠, 可以根据电机的故障做出相应的保护,从而可以有效的解决缺相,过载,欠流, 相失衡,相序,接地,短路,过欠压等问题。 关键词关键词:电动机 智能保护 PLC 目 录 I 目目 录录 摘摘 要要I 目目 录录II 第一章第一章 电动机保护概述电动机保护概述.1 1.1 电动机的概述.1 1.2 电动机运行中出现的故障分析及处理方法.2 1.2.1 电动机可能出现的故障.3 1.2.2 电动机故障处理方法.3 1.3 电动机保护器的常见类型.6 1.4 电动机传统保护方式.7 1.4.1 传统保护的缺点.7 1.4.2 电动机保护的重要意义.7 第二章第二章 电动机
4、智能保护电动机智能保护.9 2.1 智能保护的概述.9 2.2 智能保护器系列简介.9 2.2.1 智能保护装置的工作原理.9 2.2.2 智能保护装置的外观10 2.2.3 智能保护装置的安装10 2.2.4 智能保护装置的功能与参数.10 2.2.5 智能保护装置的调试11 2.2 智能保护器的优点.12 2.3 智能保护的发展趋势.12 第三章第三章 PLC 用于保护器的控制设计用于保护器的控制设计13 3.1 可编程控制器的简介.13 3.1.1 可编程控制器的概念13 3.1.2 可编程控制器的发展历史.13 3.1.3 可编程控制器的主要特点.14 3.2 可编程控制器的工作原理及
5、基本结构.15 3.2.1 可编程控制器的工作原理.15 3.2.2 可编程控制器的基本结构.16 第四章第四章 系统的硬件设计系统的硬件设计.18 4.1 PLC 的选型介绍.18 目 录 II 4.2 三菱 FX2N-48MR 编程器符号的介绍.18 4.3 硬件连接图.19 4.3.1 PLC 的供电线路.19 4.3.2 系统接线图20 4.3.3 模拟调试21 第五章第五章 软件电路的设计软件电路的设计.23 5.1 设计任务及要求.23 5.1.1 I/O 分配表.23 5.1.2 梯形图设计.23 第六章第六章 总结与展望总结与展望.27 6.1 结论.27 6.2 PLC 的国
6、内外状况及未来展望.27 致致 谢谢.29 参考文献参考文献.30 附录附录 1 FX2N 的技术指标的技术指标31 附录附录 2 三相异步电动机常见故障及处理方法三相异步电动机常见故障及处理方法33 0 第一章第一章 电动机保护概述电动机保护概述 1.11.1 电动机的概述电动机的概述 电动机是一种将电能转化成机械能,并可再使用机械能产生动能,用来 驱动其他装置的电气设备。按运动方式分两种类型。一种是旋转式器件,它 主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢 或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动,这些机器中有些类型 可作电动机用,也可作发电机用。 电动机按
7、使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电 动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转 速与转子旋转转速不保持同步速) 。电动机主要由定子与转子组成。通电导 线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。 电动机工作原理是磁场对电流受力的作用,使电动机转动。 它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运 动,这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。电 动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到兆瓦级。电动机的使用和控制非常 方便,具有自起动 、加速、制动、反转、机械抱闸等能力,能满足各种运 行要求;电动机的工
8、作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也 较小。由于它的一系列优点,所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及 家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。 各种电动机中应用最广的是交流异步电动机(又称感应电动机 ) 。它 使用方便 、运行可靠 、价格低廉 、结构牢固,但功率因数较低,调速也 较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机(见同步电机) 。同步电动 机不但功率因数高,而且其转速与负载大小无关,只决定于电网频率。工作 较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器,结构复 杂,价格昂贵,维护困难,不适于恶劣环境。20 世纪 70 年代以后,随着电 力电子技术的发展,交流
9、电动机的调速技术渐趋成熟,设备价格日益降低, 已开始得到应用 。电动机在规定工作制式(连续式、短时运行制、断续周 期运行制)下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额 定功率,使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性 与电机的特性相匹配,避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多,能适 应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而 变化。从能量消耗的角度看,调速大致可分两种 : 保持输入功率不变 。通过改变调速装置的能量消耗,调节输出功率以调节电动机的转速。控 制电动机输入功率以调节电动机的转速。 三相异步电机工作原理 第一章 电动机保护概述
10、 1 异步电机的工作原理如下:当导体在磁场内切割磁力线时,在导体内产 生感应电流, “感应电机”的名称由此而来。 感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。 三组绕组问彼此 相差 120 度,每一组绕组都由三相交流电源中的单相供电。 电动机使用了电流的磁效应原理,发现这一原理的是丹麦物理学家奥斯 特。 电动机的发展 1831 年,美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机。 受到亨利的启发,一位名叫威廉里奇的人设计并造出了一台可以转动的电 动机。里奇的这架电动机类似于我们今天在实验室里组装的直流电动机模型。 到了 19 世纪 40 年代,俄国科学家雅科比使电动机变得更为实用了。 他用电磁铁替
11、代永久磁铁进行工作。这种新型电动机当时被装在一艘游艇上, 载着几名乘客驶过了涅瓦河。此事引起了极大的轰动。此后,出生于克罗地 亚的美国人特斯拉于 1888 年,制造出了第一台感应电动机,他在各种电动 机中,算是被应用最广的一种。感应电动机会将交流电快速输入一组称为 “定子”的外线圈,继而产生一个旋转磁场。转轴内的一组线圈则称为“转 子” ,它会被定子的旋转磁场感应出电流,然后转子会因电流变化而转变成 电磁铁。 英国物理学家亨利于法拉第同时作出电磁感应的伟大发现,1830 年 8 月,亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象,这比法拉第发现电磁感应现 象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁
12、铁,没有及时发表这 一实验成果,也没有及时的去申请专利,失去了发明权。可是亨利从不计较 个人名利,他认为知识应该为全世界人类所共享,从未与法拉第争过发现权, 仍然专心致志地献身于科学事业。亨利的高尚品德受到世人的称赞。所以最 后,人们还是将电磁感应现象的发现归于法拉第。特别值得一提的是,亨利 实验装置法拉第感应线圈更接近于现代通用的变压器。 单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组,转子是鼠笼 式的。 单相电不能产生旋转磁场.要使单相电动机能自动旋转起来,我们可在 定子中加上一个起动绕组,起动绕组与主绕组在空间上相差 90 度,起动绕 组要串接一个合适的电容,使得与主绕组的电流在相位
13、上近似相差 90 度, 即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差 90 度的电流通入两个在空间上 相差 90 度的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,在这个旋转磁场 作用下,转子就能自动起动. 2 1.21.2 电动机运行中出现的故障分析及处理方法电动机运行中出现的故障分析及处理方法 绕组是电动机的组成部分,老化,受潮、受热、受侵蚀、异物侵入、外力的冲 击都会造成对绕组的伤害,电机过载、欠电压、过电压,缺相运行也能引起绕组故 障。绕组故障一般分为绕组接地、短路、开路、接线错误。现在分别说明故障 的检查方法及处理方法。 1.2.11.2.1 电动机可能出现的故障电动机可能出现的故障 (1)绕组
14、接地 (2)绕组短路 (3)绕组断路 (4)绕组接错 (5)电动机过热甚至冒烟 1.2.21.2.2 电动机故障处理方法电动机故障处理方法 (1)绕组接地 1检查方法: a通过目测绕组端部及线槽内绝缘物观察有无损伤和焦黑的痕迹,如 有就是接地点。 b万用表检查法。用万用表低阻档检查 ,读数很小,则为接地。 c兆欧表法。根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组电阻的绝缘电 阻,若读数为零,则表示该项绕组接地 ,但对电机绝缘受潮或因事故而击穿 , 需依据经验判定 ,一般说来指针在 “0”处摇摆不定时 ,可认为其具有一定的 电阻值。 d试灯法。如果试灯亮 ,说明绕组接地 ,若发现某处伴有火花或冒烟 ,
15、 则该处为绕组接地故障点。若灯微亮则绝缘有接地击穿。若灯不亮,但测试 棒接地时也出现火花 ,说明绕组尚未击穿 ,只是严重受潮。也可用硬木在外壳 的止口边缘轻敲 ,敲到某一处等一灭一亮时 ,说明电流时通时断 ,则该处就是 接地点。 e电流穿烧法。用一台调压变压器 ,接上电源后 ,接地点很快发热 ,绝 缘物冒烟处即为接地点。应特别注意小型电机不得超过额定电流的两倍,时 间不超过半分钟;大电机为额定电流的20%-50%或逐步增大电流 ,到接地点 刚冒烟时立即断电。 f分组淘汰法。对于接地点在铁芯心里面且烧灼比较厉害,烧损的铜线 与铁芯熔在一起。采用的方法是把接地的 单相绕组分成两半 ,依此类推,最
16、后找出接地点。 第一章 电动机保护概述 3 此外,还有高压试验法、磁针探索法、工频振动法等 ,此处不一一介绍。 2.绕组接地处理方法: a绕组受潮引起接地的应先进行烘干 ,当冷却到 6070左右时,浇 上绝缘漆后再烘干 。 b绕组端部绝缘损坏时 ,在接地处重新进行绝缘处理 ,涂漆,再烘干。 c绕组接地点在槽内时,应重绕绕组或更换部分绕组元件。最后应用不同 的兆欧表进行测量,满足技术要求即可。 (2) 绕组短路 1.检查方法: a外部观察法。观察接线盒、绕组端部有无烧焦 ,绕组过热后留下深褐 色,并有臭味。 b探温检查法。空载运行 20 分钟(发现异常时应马上停止 ),用手背摸 绕组各部分是否超
17、过正常温度。 c通电实验法。用电流表测量 ,若某相电流过大 ,说明该相有短路处。 d电桥检查。测量个绕组直流电阻 ,一 般相差不应超过 5%以上,如超过,则电阻小的一相有短路故障。 e短路侦察器法。被测绕组有短路 ,则钢片就会产生振动。 f万用表或兆欧表法。测任意两相绕组相间的绝缘电阻,若读数极小或 为零,说明该两相绕组相间有短路。 g电压降法。把三绕组串联后通入低压安全交流电 ,测得读数小的一组 有短路故障。 h电流法。电机空载运行 ,先测量三相电流 ,在调换两相测量并对比 , 若不随电源调换而改变 ,较大电流的一相绕组有短路。 2.短路处理方法 : a短路点在端部。可用绝缘材料将短路点隔开
18、 ,也可重包绝缘线 ,再上 漆重烘干。 b短路在线槽内。将其软化后 ,找出短路点修复 ,重新放入线槽后 ,再 上漆烘干。 c对短路线匝数少于 1/12 的每相绕组 ,串联匝数时切断全部短路线 , 将导通部分连接 ,形成闭合回路 ,供应急使用。 d绕组短路点匝数超过 1/12 时,要全部拆除重绕。 (3) 绕组断路 1.检查方法: a观察法。断点大多数发生在绕组端部 ,看有无碰折 。 4 b万用表法。利用电阻档 ,对“Y”型接法的将一根表棒接在 “Y”形的 中心点上,另一根依次接在三相绕组的首端 ,无穷大的一相为断点; “” 型接法的断开连接后,分别测每组绕组 ,无穷大的则为断路点。 c试灯法。
19、方法同前 ,灯不亮的一相为断路。 d兆欧表法。阻值趋向无穷大 (即不为零值 )的一相为断路点。 e电流表法。电机在运行时 ,用电流表测三相电流 ,若三相电流不平衡、 又无短路现象 ,则电流较小的一相绕组有部分断路故障。 f电桥法。当电机某一相电阻比其他两相电阻大时 ,说明该相绕组有部 分断路故障; g电流平衡法。对于 “Y”型接法的,可将三相绕组并联后 ,通入低电压 大电流的交流电 ,如果三相绕组中的电流相差大于 10%时,电流小的一端为断 路;对于“”型接法的,先将定子绕组的一个接点拆开 ,再逐相通入低压大 电流,其中电流小的一相为断路。 h断笼侦察器检查法。检查时 ,如果转子断笼 ,则毫伏
20、表的读数应减小。 2.断路处理方法 : a断路在端部时 ,连接好后焊牢 ,包上绝缘材料 ,套上绝缘管 ,绑扎好, 再烘干。 b绕组由于匝间、相间短路和接地等原因而造成绕组严重烧焦的一般应 更换新绕组。 c对断路点在槽内的 ,属少量断点的做应急处理 ,采用分组淘汰法找出 断点,并在绕组断部将其连接好并绝缘合格后使用。 d对笼形转子断笼的可采用焊接法、冷接法或换条法修复。 (4)绕组接错 1.检查方法: a滚珠法。如滚珠沿定子内圆周表面旋转滚动 ,说明正确,否则绕组有 接错现象。 b指南针法。如果绕组没有接错 ,则在一相绕组中,指南针经过相邻的 极(相)组时,所指的极性应相反 ,在三相绕组中相邻的
21、不同相的极 (相)组也 相反;如极性方向不变时 ,说明有一极 (相)组反接;若指向不定 ,则相组内 有反接的线圈。 c万用表电压法。按接线图 ,如果两次测量电压表均无指示 ,或一次有 读数、一次没有读数 ,说明绕组有接反处。 d常见的还有干电池法、毫安表剩磁法、电动机转向法等。 2.处理方法: a一个线圈或线圈组接反 ,则空载电流有较大的不平衡 ,应进厂返修。 第一章 电动机保护概述 5 b引出错误的线应正确判断首尾后重新连接。 c减压启动接错的应对照接线图或原理图 ,认真校对重新接线。 d新电机下线或重接新绕组后接线错误的 ,应送厂返修。 (5)电动机过热甚至冒烟 1.过热故障原因: a电源
22、电压过高,使铁心发热大大增加。 b电源电压过低,电动机又带额定负载运行,电流过大使绕组发热。 c定子、转子铁心相擦,电动机过载或频繁起动。 d笼形转子断条。 e电动机缺相,两相运行。 f.环境温度高,电动机表面污垢多,或通风道堵塞。 g电动机风扇故障,通风不良。 h定子绕组故障(相间、匝间短路;定子绕组内部连接错误) 。 2.电机过热处理方法: a降低电源电压(如调整供电变压器分接头) ,若是电机 Y、接法错误引 起,则应改正接法。 b提高电源电压或换相供电导线。 c消除擦点(调整气隙或锉、车转子) ,减载,按规定次数控制起动。 d检查并消除转子绕组故障。 e恢复三相运行。 f清洗电动机,改善
23、环境温度,采用降温措施。 g检查并修复风扇,必要时更换。 h检查定子绕组,消除故障。 1.31.3 电动机保护器的常见类型电动机保护器的常见类型 热继电器:普通小容量交流电机,工作条件良好,不存在频繁启动等恶劣 工况的场合;由于精度较差,可靠性不能保证,不推荐使用。 电子型:检测三相电流值,整定电流值采用电位器或拔码开关,电路一般 采用模拟式,采用反时限或定时限工作特性。保护功能包括过载、缺相、堵转 等,故障类型采用指示灯显示,运行电量采用数码管显示。 智能型:检测三相电流值,保护器使用单片机,实现电机智能化综合保护, 集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定,通过操作面板按 钮来
24、操作,用户可以根据电机具体情况在现场对各种参数修正设定;采用数码 管作为显示窗口,或采用大屏幕液晶显示,能支持多种通讯协议,如 Mudbug、Provirus 等,价格相对较高,用于较重要场合;目前高压电机保护均 采用智能型保护装置。 6 热保护型:在电机中埋入热元件,根据电动机绕组的温度进行保护,保护 效果好;但电机容量较大时,需与电流监测型配合使用,避免电机堵转时温度 急剧上升时,由于测温元件的滞后性,导致电机绕组受损。 磁场温度检测型:在电机中埋入磁场检测线圈和测温元件,根据电机内部 旋转磁场的变化和温度的变化进行保护,主要功能包括过载、堵转、缺相、过 热保护和磨损监测,保护功能完善,缺
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