CN102655321A

CN102655321A - 一种电动机故障保护装置

Info

Publication number: CN102655321A
Application number: CN2012100379413A
Authority: CN
Inventors: 宋建军; 郑丽君; 闫世军; 宋渊; 高云广; 耿蒲龙
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-09-05

Abstract

本发明公开了一种电动机故障保护装置，用于解决现有电动机保护装置采样精度差，保护动作时间长，可靠性低，无计量功能等问题，本发明由三相变压器，三相电流互感器，真空接触器，相电压采样调理单元，相电流采样调理单元，交流采样单元，微控制器单元，A/D信号采样单元，通信单元，键盘单元，开关量输入单元和开关量输出单元组成，本发明在保证电动机安全运行外，还可以对电动机使用的电能进行计量，方便用户及时掌握电动机的能耗和运行效率；通过本装置的键盘单元，可以对电动机的工作参数进行设定，显示屏可以实时显示电动机运行参数、故障信息，以便井下工作人员可以及时了解所保护电动机的运行状况。

Description

一种电动机故障保护装置

技术领域

本发明涉及一种电动机故障保护装置，尤其是一种适用于煤矿井下综采工作面大功率采煤设备的高性能电动机故障保护装置。

背景技术

目前，电动机故障保护装置主要有模拟式保护和数字式保护两种。模拟式保护是通过电压、电流互感器采样，然后经整流送至鉴幅、比较电路实现对电动机的故障保护，其动作指标误差大、运行可靠性低，故障显示采用发光二极管，显示信息量少，无法实时了解电动机运行状况。数字式保护主要是以数字处理单元为核心的保护装置，可靠性高、动作指标准确，但市场上成熟的数字式保护装置主要采用直流采样方式，其测量精度受整流电路精度和稳定性的影响较大；滤波回路时间常数大，实时采集性较差，动作响应速度慢，硬件较复杂，可靠性低，普遍无计量功能，不能满足高压大功率电动机对保护可靠性和动作指标的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿用电动机故障保护装置，用于解决现有电动机保护装置采样精度差，保护动作时间长，可靠性低，无计量功能等问题，提高大功率电动机保护的可靠性与实时性，并且准确计量电能消耗，使其运行更加安全、可靠、经济。

本发明所采用的技术方案是：一种电动机故障保护装置，包括三相变压器，三相电流互感器，真空接触器，相电压采样调理单元，相电流采样调理单元，交流采样单元，微控制器单元，A/D信号采样单元，通信单元，键盘单元，开关量输入单元和开关量输出单元，三相变压器是采用星形接法环氧浇注型三相同步变压器，输入接矿井三相交流电网，输出接相电压采样调理单元输入，三相电流互感器是环氧浇注型穿心式，变比为400:1的三相电流互感器，输入接矿井三相交流电网，输出接相电流采样调理单元输入，真空接触器输入接三相交流电网，输出接矿用电动机，交流采样单元，输入分别与相电压采样调理单元的输出和相电流采样调理单元的输出相连，输出接微控制器单元，微控制器单元将复位电路、JTAG接口及电源模块与CPU连接。A/D信号采样单元经过跟随电路、分压电路及保护电路与微控制器单元的CPU相连接，通信单元是由两路RS485通信接口电路组成，其输出与液晶屏和远程通讯接口相连接，开关量输入单元与CPU的I/O口相连接，开关量输出单元是与CPU的I/O口相连接，所述键盘单元是由二极管与16个按键组成的4×4键盘，其输出与CPU的I/O口相连接。

相电压采样调理单元由A相电压采样调理模块、B相电压采样调理模块及C相电压采样调理模块组成，相电流采样调理单元由A相电流采样调理模块、B相电流采样调理模块及C电流采样调理模块组成。

本发明的有益效果是：可以直接将采集的三相电压、三相电流、功率因数及电量等电动机运行参数传至微控制器单元，解决常规电动机保护装置中直流采样的实时性差、采样精度低、灵敏度不高的缺点；本发明的微控制器单元对交流采样单元与A/D采样单元采集的数据进行融合、判断和处理，实现过压、欠压、过载、断相、相不平衡、漏电等故障保护功能；本发明在保证电动机安全运行外，还可以对电动机使用的电能进行计量，方便用户及时掌握电动机的能耗和运行效率；通过本装置的键盘单元，可以对电动机的工作参数进行设定；显示屏可以实时显示电动机运行参数、故障信息，以便井下工作人员可以及时了解所保护电动机的运行状况。

附图说明

图1是本发明装置的组成结构图；

图2为本发明装置的微控制器单元原理图；

图3为本发明装置的相电压采样调理调理单元原理图；

图4为本发明装置的交流采样单元原理图；

图5为本发明装置的通信单元原理图；

图6为本发明装置的A/D信号采样单元原理图；

图7为本发明装置的开关量输出单元原理图；

图8为本发明装置的开关量输入单元图原理图；

图9本发明装置的键盘单元原理图。

具体实施方式

如图1所示为本发明装置的组成结构图。三相交流电网负责给电动机供电，三相真空接触器负责接通和切断电动机的工作电流。三相变压器对三相交流电源隔离降压后接至三路相电压调理模块的输入端。三相电流互感器将工作负荷线路中的一次大电流变换为数值较小的二次电流送给三路电流调理模块的输入端。交流采样单元采集经过调理单元处理的相电压、相电流，把采集到的数据传送至微控制器单元。A/D采样单元可以采集漏电闭锁信号和漏电保护信号，检测供电电缆及电动机的绝缘状况，防止发生漏电事故。所述的开关量输入单元输入信号包括电动机的启停信号、急停信号及真空接触器通断状态信号。所述的开关量输出单元实现对真空接触器的控制。所述的通信单元可以连接显示屏和整个矿井远程控制中心通讯的串口，方便矿井远程监控电动机的运行状态。所述的键盘单元对本装置的工作参数进行设置。

如图2所示为本发明装置的微控制器单元原理图，其中CPU（U1）采用美国Cygnal公司的C8051F040型单片机。该芯片上集成了两个多通道ADC模块，两个12位DAC模块，两个电压比较器，UART0与UART1，5个通用的16位定时器、64kB的FLASH存储器，与MCS－51指令集完全兼容的高速CIP－51内核，峰值速度可达25MIPS。还设有8个8位I/O口，这64个多功能的I/O端口每个引脚都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式，方便用户使用。另外，4个低端I/O端口可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字资源配置在I/O端口引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。最小系统包括电源模块（U2）、复位电路、晶振及JTAG电路，都与CPU相应管脚连接。

如图3所示为本发明装置的相电压调理单元原理图。本装置共设有三路相电压调理电路，相电压的输入UA、UB、UC和UN为三相变压器的副边输出，T2为精密型交流电压互感器，DC1为瞬态抑制二极管，使装置免受浪涌脉冲的损坏，R126与R127将电压信号转换为电流信号，R127为低温漂精密采样电阻，R129与R130滤除共模干扰，R128除提供限流保护外，还同C52构成低通滤波器，除去所需频率外很宽频带的噪声，R131、C53作用同上。开关S1可以调整电压与电流相位差180度，方便现场连线与调试。

如图4所示为本发明装置的交流采样单元原理图。本装置的交流采样单元采用CS5463芯片。三路相电压、相电流的采集共需三路（U33、U34、U35）采集单元。CS5463是一个包含两个△∑模数转换器（ADC），高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成芯片。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率及功率因数。这种方式相比较AD+MCU的交流采样方式，可以大大减少MCU的计算量，且不需要对交流采样等算法进行设计、编码和调试，节省开发时间，同时提高了装置的稳定性。CS5463的串行接口部分集成了一个带有发送/接受缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作。该芯片的串行接口为全双工同步串行总线（SPI）。一路交流采样的电压通道VIN+与VIN-为相电压调理电路的输出，电流通道IIN+与IIN-为相电流调理电路的输出。本装置中微控制器单元根据SPI通信机制，使用I/O口模拟SPI通信时序，实现对三路采集单元的控制及数据读取。

如图5所示为本发明装置的通信单元原理图。用于图1所示装置中显示屏的连接及预留给矿井远程通讯中心。其中UART0用于连接显示屏，UART1预留给矿井远程通讯中心。UART0中的RX0和TX0连接至CPU的串口引脚，MAX485芯片的A、B引脚连接至另一台通讯设备。通讯芯片采用MAXIM公司生产的MAX485芯片。

如图6所示为本发明装置的A/D信号采样单元原理图。外部信号接到IN输入端，运放U30接成电压跟随形式，电阻R101与R102为分压电阻，使该输入信号满足A/D采样通道的电平范围，U31为保护芯片对进入到A/D采样通道的信号限幅，以免采样信号过大损坏CPU。本装置中设置了两路A/D采样，分别采集漏电闭锁信号与漏电保护信号。

如图7所示为本发明装置的开关量输出单元原理图。U7为或非门，防止一路I/O口因干扰或故障而引起的误动，U10为光电耦合芯片，其将或非门5V电平信号转换成24V电平，控制继电器K1的吸合与分断。

如图8所示为本发明的开关量输入单元图，信号通过光电耦合芯片U19，进入C8051F040的I/O口，通过光电隔离可以阻止外部干扰，C72为安规电容。本装置中共设置了四路开关量输入电路，分别接收电动机启停按钮，急停按钮，故障复位按钮及真空接触器通断状态的输入信号。

如图9所示为本发明装置的键盘单元原理图，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4接C8051F040的相应I/O口，键盘扫描程序通过判断扫描码来决定按键键位，16（K1-K16）个按键可以满足装置工作参数的设置要求。

Claims

1.一种电动机故障保护装置，其特征在：包括三相变压器，三相电流互感器，真空接触器，相电压采样调理单元，相电流采样调理单元，交流采样单元，微控制器单元，A/D信号采样单元，通信单元，键盘单元，开关量输入单元和开关量输出单元，所述三相变压器输入接矿井三相交流电网，输出接相电压采样调理单元输入，所述三相电流互感器输入接矿井三相交流电网，输出接相电流采样调理单元输入，所述真空接触器输入接三相交流电网，输出接矿用电动机，所述交流采样单元，输入分别与相电压采样调理单元的输出和相电流采样调理单元的输出相连，输出接微控制器单元，所述微控制器单元将复位电路、JTAG接口及电源模块与CPU连接，所述A/D信号采样单元经过跟随电路、分压电路及保护电路与微控制器单元的CPU相连接，所述通信单元是由两路RS485通信接口电路组成，其输出与液晶屏和远程通讯接口相连接，所述开关量输入单元与CPU的I/O口相连接，所述开关量输出单元是与CPU的I/O口相连接，所述键盘单元是由二极管与16个按键组成的4×4键盘，其输出与CPU的I/O口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动机故障保护装置，其特征在于：所述三相变压器是采用星形接法环氧浇注型三相同步变压器。

3.根据权利要求1所述的一种电动机故障保护装置，其特征在于：所述三相电流互感器是环氧浇注型穿心式，变比为400:1的三相电流互感器。

4.根据权利要求1所述的一种电动机故障保护装置，其特征在于：所述相电压采样调理单元由A相电压采样调理模块、B相电压采样调理模块及C相电压采样调理模块组成。

5.根据权利要求1所述的一种电动机故障保护装置，其特征在于：所述相电流采样调理单元由A相电流采样调理模块、B相电流采样调理模块及C电流采样调理模块组成。