电气工程及其自动化毕业论文三相电动机智能保护器的设计与研究.docx
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电气工程及其自动化毕业论文三相电动机智能保护器的设计与研究
三相电动机智能保护器的设计与研究
摘要
本文介绍基于PLC的三相异步电动机智能保护器的设计和研究，德国西门子公司生产的S7-200是一种小型的可编程控制器，在工业现场实现检测、监测、控制自动化方面有出色的表现。
选取西门子生产的S7-200型号，使用电压电流互感器进行对电机运行过程中的电压电流的交直流变换进而利用扩展模块EM235对电压电流信号实时采集与监控，记录电机运行时长，同时对故障过程中电压和电流进行运算以分析故障原因，实现电压电流保护，发出报警信号切除电机。
使用北京亚控公司开发的组态王6.55软件组建模拟监控画面，上位机和PLC通讯，显示电机运行状态并能实现要求的功能。
关键词：
电机故障；电机保护；智能保护器；西门子S7-200
1引言5
2电动机故障及保护原理7
2.1电动机故障分析的意义7
2.2异步电机的常见故障7
2.2.1电动机过热7
2.2.2绕组接地7
2.2.3电压不正常8
2.2.4断相运行8
2.3电机保护原理8
2.3.1电机发热保护8
2.3.2负序电流保护、缺相保护8
2.3.3接地（零序）保护9
2.3.4过载、堵转保护9
2.3.5过压、欠压保护9
2.4传统继电保护装置的弊端9
2.5电机保护器的常见类型10
3系统的硬件设计11
3.1智能保护器各部分硬件结构设计11
3.1.1三相鼠笼式电动机11
3.1.2电流互感器11
3.1.3电压互感器11
3.1.4PT100温度传感器及温度变送器12
3.1.5整流滤波电路12
3.1.6EM23515
3.1.7交流接触器17
3.1.8PLCS7-20018
4系统的软件电路设计20
4.1软件设计电路概述20
4.2PLC部分程序21
4.2.1定时中断连接子程序21
4.2.2数据采集程序22
4.2.3数据处理程序22
4.2.4相序检测程序23
4.2.5电压不平衡子程序24
4.2.6过欠压、过电流（堵转、速断）子程序26
4.2.7过热保护子程序27
4.2.8电机运行时长检测子程序28
5组态监控与结果分析29
5.3建立系统的设备配置30
5.4建立系统的数据库以及命令语言30
5.5模拟实验结果分析32
1引言
电动机（motor）是把电能转换成机械能的一种装备，它是利用定子绕组通电产生旋转磁场并作用于转子，相互作用形成磁电动力旋转扭矩。
按磁场与转速关系的差异可以分为同步电机和异步电机。
异步电机包括单相异步电机、三相异步电机，是工业生产运行时一项极其重要与关键的机械设备。
三相异步电动机（Triple-phaseasynchronousmotor）是由定子和转子组成的，定子和转子之间是相对运动所需要的气隙。
其中定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
三相异步电动机的定子装有三相对称绕组，当接至三相交流电源时，流入定子绕组的三相对称电流在电机的气隙内产生一个以同步转速n的旋转磁场。
它的旋转磁场的转速高于转子转速，磁场因与转子绕组间存在着相对运动而产生电流和电动势，并与转子绕组相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。
与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。
按转子结构的不同，可以分为笼式和绕线式两种构造。
三相异步电动机是工业生产运行时一项极其重要与关键的机械设备。
在工业生产环节中，必须保持电动机在工作状态下能够安全可靠的运行，我们必须弄清可能发生的故障及其原理，采取可靠及时的保护措施，预防事故的伴生与扩大。
电动机可能发生的故障及不正常状态主要有电压不正常、过电流（单相电流接地）、过载（堵转）、断相（相序失衡）还有内部绝缘破坏等。
只有知晓故障发生的原理，才能针对每种故障提出可行的保护方案，构造简单易于实现且又准确可靠地保护过程。
电动机在经过了以热继电器和熔断器为主的传统继电保护装置后，继电保护装置开始采用多种多样的微型处理器和微型计算机，实现各路信号实时监控与处理分析。
保护装置更加灵活，事故预测防范能力更加优化，整体设备朝着更加数字化、智能化、集成化的方向发展。
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）现多称做可编程序控制器（ProgrammableController）“逻辑”二字的去除很大程度上体现了可编程控制器在产品定位上已经被革新。
作为现场控制比较成功的一款产品，发展到今天，各项技术已相当成熟，其PLC系列及衍生产品已是百花齐放，能够适应各种大中小工业现场自动化控制的场景，目前的PLC系列越来越集成化、模块化。
德国西门子公司生产的S7-200是一种超小型的可编程控制器，在工业现场实现检测、监测、控制自动化方面有出色的表现。
本次课题主要研究了电机的过电流故障、过欠压故障、堵转故障、相序失衡故障、过热故障发生时，如何通过PLC实现保护，实体电路着重实现电机自启动、运行过程中过压保护、欠压保护、电压故障恢复功能、长时故障停机等操作。
主要思路是在PLC扫描周期内产生中断通过EM235进行数据采集送入可编程控制器进行数据处理与逻辑分析并在发生故障后通过PLC的输出控制接触器切断电动机并产生报警信号，等到故障排除再启动电机，程序同时具有电机延时过电流保护、电流速断保护、过欠压保护、电压不平衡保护、过流欠压正常自恢复的功能，另外对电机运行时长进行检测与显示。
用实验室小型电动机带负载一体机以及调压器接互感器来模拟电动机运行的状态，用以检验设计的预期效果；电动机模拟高压电机的各种故障，找出电动机故障的准确判据，确定各种故障的保护措施，实现对电动机的各种保护功能，采用软硬件相结合的抗干扰措施，使保护装置动作迅速可靠。
使用北京亚控公司开发的组态王6.55软件组建模拟监控画面，上位机和PLC通讯，显示电机运行状态并能实现要求的功能。
2电动机故障及保护原理
2.1电动机故障分析的意义
对于三相异步电动机的保护来说，存在着几处需要克服的难点。
一是在电动机启动初期和整个过程中，我们需要正确实时的采集到规范后且可以比较的电压电流信号。
本次设计针对数据的实时采集的方法是利用互感器进行变压通过整流电路得到交流变直流的信号送入PLC扩展模块EM235，并通过程序产生中断比较得出与实际电压电流信号最接近的数值。
二是我们需要利用程序的比较处理及时采取正确的措施，切除故障，保证电机安全正常运行。
要实现以上两点必须清楚故障发生时电流电压信号与PLC扩展模块能够采集到的电压电流信号与各类故障易于实现保护的关系。
2.2异步电机的常见故障
实际运转中的电机一般是很少出问题的，它配备有各种保护，因为一旦电机问题将带来无法挽回的损失，特别是大中型工厂是不允许电机故障的。
合理的保护方案来自于对故障和不正常状态的探究比较。
对电动机运行历史的总结中，我们要清楚发生故障的类型和原理才能更好地探究保护方案，电动机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内得匝间短路、定子绕组单相接地、转子一点或两点接地。
不正常工作状态有定子绕组过电流，过负荷、不对称短路不对称负荷引起的负序过电流、突然甩负荷时的定子绕组过电压等。
下面介绍几种典型的电机故障类型和不正常的运行状态。
2.2.1电动机过热
电源电压太高，负荷电流升高、定子绕组过热；电机磁通密度随之增加，则铁损增加导致铁心过热。
电压过低时，特别是电机负载较重甚至堵转，这时候机械能的输出极少，大部分电能转换成热能散失使电机过热。
概括来说引起电机过热的原因主要是三相电源电压不平衡、三相电流不平衡、过载等引起的。
电压电流不平衡会引起负序分量的产生，负序分量会感应出涡流、畸变磁场产生转矩脉动。
2.2.2绕组接地
绕组短路，常见的有相间短路、单相匝间短路、单相接地短路。
单相匝间短路的后果是故障相的电流升高，如果匝数很多，三相电流极不平衡，电机不对称运行产生负序分量及负序磁场，转矩脉动，使电机发热更加严重；单相接地短路也是电机经常发生的
故障，由于保护接地故障造成没有正常接地，电机发生短路，全系统的电容电流流过故障点。
单相接地故障的影响取决于系统的运行方式也就是中性点是否接地。
采取中性点直接接地或者经过低阻抗接地的方式我们称作大电流运行方式。
110KV以上电力系统和三相四线制配电网中常采用大电流接地方式。
顾名思义当系统发生接地故障时故障电流很大，需要立即切除故障，而小电流方式中则可以允许系统带故障运行2到3小时。
2.2.3电压不正常
对于本次课题选用的380V的三相电机，按照电机运行可承受的10%的波动范围，带电运行时电压极大值不可超过418V，单相电压不超过240V。
电机的极小值不能低于340V单相不可低于200V。
一般认为:
三相交流电动机应能在三相电压系统的电压负序分量不超过正序分量的1%（长期运行），或不超过1.5%（不超过几分钟的短时运行）且零序分量不超过正序分量1%的条件下运行。
2.2.4断相运行
电机断相一般指运行状态下的三相电压缺相，一般启动过程中电源电压缺相的话，电机是启动不起来的。
造成电机缺相的原因一般是因为电机绕组断开或者在供电线路中途某个开关、熔断器故障断开了。
接触不良也可能诱发电机断相，电源电压本身缺相一般很少发生。
电机缺相后，合成转矩变小，电机转速瞬间下降，持续发热。
这是因为负序电流在电机气隙中建立了负序旋转磁场，它相对于正向的转子转速为2倍的同步转速，相当于感生出100Hz的倍频电流，它会使转子端部、护环内表面等电流密度很大的部位过热，造成转子的局部灼伤合成扭矩制动电机。
这种状态如果持续运行，将会使电机发生相对严重的破坏和损失，伴生其他故障，甚至烧毁电机的三相绕组。
2.3电机保护原理
2.3.1电机发热保护
电机发热保护多采用热继电器配合熔断器使用，另外还有通过在电机绕组中埋置温度探头的方法，常见的探头如铂电阻等，其原理是先测量探头的电阻，通过电阻和温度的对应关系、输出信号由数字信号或者模拟量，也有输出电压或者电流来体现。
通过测取输出信号与输入信号的特定关系经过程序处理来获得电机的实际温度值。
2.3.2负序电流保护、缺相保护
总的来说，三相电压不平衡如电机的高压侧断相或者负载三相负载电流不对称如单相接地故障是导致三相电流中性点偏移，在电机中产生较大负序电流的主要原因。
定时限负序过电流保护和反时限负序过电流保护是常见的两种负序过电流保护。
负序电流不足够大时一般采用两段式定时限负序过电流保护，一般做为后备保护其整定值应按照躲过电动机长期运转允许的负序电流值和最大负荷下的负序过滤器的不平衡电流。
反时限负序电流保护随电流增加保护时间减小的特性，一般作为主保护，保护特性只有中间部分具有反时限特性，在极小和极大极限值时设置上限定时限、下限定时限两部分。
2.3.3接地（零序）保护
从理论的角度讲，接地电流出现的直接原因是电机三相电压不平衡或者电机绕组负载不平衡。
在三相四线供电的380伏电网中，当电动机离开电源不太远时，多采用接零保护。
正常运行的电力系统是三相对称的，零序、负序分量理论上为零。
此类系统在发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压基本保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再继续运行1~2小时。
2.3.4过载、堵转保护
过载是导致电动机损坏的主要原因，较常采用的是定时限过电流保护和反时限电流保护。
针对过载常采用定时限电流保护，而对于堵转，一般采取的是反时限过电流保护。
过载引起的温升太高，除危及绝缘外，还使定子和转子电阻变大，引起损耗和转矩改变；由于定子和转子发热分布不均而使气隙减少，导致运转可靠性降低甚至“扫堂”。
堵转是对电机破坏性很大的故障，需将电机迅速从电源切除。
2.3.5过压、欠压保护
系统过电压的危害非常大，如系统操作过电压、单相接地振荡过电压、直接雷击、感应雷击等，其直接的危害就是造成绝缘损坏、电机发热。
欠压保护是为了限制电机自起动，防止电机过载而烧毁。
当系统电压降到一定程度，电动机将疲软、堵转，这个数值可称为临界电压，并与电动机类型和负载大小有关。
过压、欠压保护，在技术上容易实现,但对保护电机的意义却非常重大。
2.4传统继电保护装置的弊端
传统继电保护的装置对传统工业乃至现代工业、电力系统都有着不可替代的作用。
从最初的热继电器、熔断器用于过载保护，传统继电装置的发展已经百花盛放，出现了包括机械式、电磁式等基于不同物理量的继电保护装置。
早期的继保装置制作复杂、整定困难、功能单一、灵敏度不高，无法构成复杂的保护。
而现在在这些弊端上已经有所大幅提升，可以使用各种继保装置形成成套设备构成复杂保护、多种保护，但个头较大，维修困难、不易被监控，大多以采集模拟信号为主。
本课题就是针对传统继电器电机保护的弊端，设计较为智能的保护装置以保护电机。
利用工业现场常用的微型处理器PLC控制，通过准确的数据采集和特定的程序处理对电动机运行的整个过程进行完整的监控与保护，有效判断出电机发生的故障及时切除电机发出报警信号，所以基于PLC的综合保护器在继电保护中的应用非常可靠。
2.5电机保护器的常见类型
继电器：
传统的继电器比如热继电器、电磁继电器等适用于普通小容量交流电机过载保护，运行条件良好，不存在频繁启动等恶劣工况的场合；随着技术、理论的革新，越来越多的新的继电器不断涌现，在精度、整定、功能，可靠性上也越来越优化。
电子型：
20世纪70至80年代，研制出一种模拟电子式电动机保护装置，为电动机的可靠运行提供了相对的可靠的保障。
此类保护器从保护取样方式上大致分为：
电压取样型电动机保护器，主要针对电动机工作电压进行相应的检测来对电动机进行保护；电流取样型电动机保护器通过对电动机的线电流的变化检测来对电动机进行保护。
但是精度不高、无存储和通讯等功能，而且调试困难。
电路一般采用模拟式，检测三相电流值，采用定时限或反时限工作特性。
保护功能包括过载、缺相、堵转等，可以显示故障类型等。
但是其采样电路没法保持较好的线性关系。
随着对采样精度的要求越来越高，模拟式的电子型保护器逐渐被淘汰。
智能型：
在对精度、人机交互更方便的要求下，电动机保护器趋于智能化的发展。
使用微型计算机，实现电机智能化综合保护，集保护、测量、通信、显示为一体。
用户可以及时方便的得到电压电流信号，随时了解电机运行的状态，并预测电机未来运行可能出现的不正常状态。
国内外大型的电气公司都有自己富有特色的智能保护器，且在不断发展，随着保护理论的发掘，未来的保护器会越来越数字化、智能化。
可靠性，灵敏性也将全面提高。
3系统的硬件设计
根据对每种电动机运行中的故障分析，在对其原理有了一定了解的基础上，设计了保护的软硬件部分。
其原理大致如下：
在整个设计中，以S7-200型PLC作为中心，以扩展模块EM235为数据采集模块，利用PLC的软件分析，判断故障是否发生以及切断故障。
整体硬件设计思路如下：
首先将电压电流互感器采集到的电信号经过整流得到交流变直流电信号以及PT100温度传感器采集到的电信号通过EM235进行A/D转换，送入PLC。
运行程序，与设定值比较后再输出信号，从而达到对继电器的控制，从而实现电机的智能保护。
最后及时反馈故障并设置了报警装置及时报警，可以将电机故障对工业生产实践的破坏降到最低。
与此同时利用组态王6.55软件的仿真，对电机运行的情况进行故障仿真与监控，实现对故障的显示与提醒。
3.1智能保护器各部分硬件结构设计
3.1.1三相鼠笼式电动机
三相鼠笼式异步电动机因其结构简单、成本低廉、动力大而成为当前世界上运用最多的机械动力，选用它作为实验对象具有典型意义。
在本次毕业设计中，选用了实验室常用的小型Y/△型三相鼠笼异步电机作为实验材料，电机额定电压380V。
3.1.2电流互感器
电流互感器根据电磁感应原理。
和普通变压器一样，电流互感器的组成部分有铁心和电枢绕组。
电流互感器接近于电路状态运行不可开路，否则会造成二次侧电压过高，容易发生危险安全事故。
二次绕组的匝数要比一次的大很多，二者之间存在磁场的作用关系。
本次设计选用一个电流互感器模拟单相接地故障。
电流互感器的接法参考标准接法P1面为电源进线穿心端，S1、S2为正负端。
试验中，采用电流互感器串电阻，将电流信号转变成电压信号。
因为EM235的电流采集信号范围为20mA以下。
电流变化范围太小且我拥有的电流互感器是30/5的，电机实际工作电流为1A左右，无法满足直接输入电流信号。
实际中使用的是一个电流变电压的互感器，是另外一个同学资助的。
型号是10A/5V。
鉴于电机单相电流为1A左右，互感器穿心匝数最好串绕10匝。
3.1.3电压互感器
电压互感器的基本结构和变压器很相似，两个绕组都装在或绕在铁心上。
两个绕组之间以及绕组与铁心之间都有绝缘，使两个绕组之间以及绕组与铁心之间都有电气隔离。
电压互感器在运行时，一次绕组并联接在线路上，二次绕组并联接仪表或继电器。
因此在测量高压线路上的电压时，尽管一次电压很高，但二次却是低压的，可以确保操作人员和仪表的安全。
二次绕组的匝数比一次匝数小很多，接近于开路运行，不可以短路运行，短路运行有极大的冲击电流，使用时并接即可。
本次设计中采用了三个220/6的变压器分别测量三相电压模拟过欠压保护、自恢复过程中的过欠压保护以及相序失衡的检测保护。
3.1.4PT100温度传感器及温度变送器
PT100温度传感器主要用于工业过程温度参数的测量和控制，是一种可以将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。
利用PT100实现温度保护有两种方案，一种是利用热电偶扩展模块EM231，另外一种则是配合变送器直接将温度信号转换为EM235可以接受的电信号。
3.1.5整流滤波电路
由于EM235的采集频率跟不上工频。
故需要整流滤波电路将交流信号变为较为稳定的直流信号。
通过PLC的程序处理得到一个较为合理的数字信号。
实际处理中，采集到的信号偶尔会有一个尖峰。
此时需要清除寄存器的值重新赋零比较。
整流滤波电路如图3-1所示。
图3-1整流滤波电路
两个整流桥的数据检测如表3-1所示。
表3-1整流桥数据检测
C=2200µF
C=3300µF
AC
/V
DC
/V
AC
/V
DC
/V
1.21
1.38
0.9
1.4
1.858
1.9
1.27
1.58
3.1
3.592
1.90
2.31
续表3-1
C=2200µF
C=3300µF
AC
/V
DC
/V
AC
/V
DC
/V
3.342
3.752
3.15
3.27
4.32
5.16
4.70
5.27
5.02
6.04
5.09
6.10
6.16
7.63
6.66
7.90
7.42
9.39
8.0
9.76
AC/DC变换数据拟合趋势显示公式如图3-2所示。
图3-2AC/DC变换
如图3-2所示，经过数据拟合趋势预测，求得最接近于整流滤波的数据转换的数学公式为：
y=1.376x-0.835（C=2200µF）与y=1.329x-0.880（C=3300µF）。
试验验证中出现了采用2200µF电容的整流桥电压有所缓慢升高，处于持续充电中。
而使用3300µF的电容的整流桥相对于2200µF较稳定。
但是在电压比较低的时候误差较大，对于是否采用放电电阻以及考虑电容持续缓慢充电对实际电路检测的影响设置了两组对照组。
对照组检测如表3-2所示。
表3-2对照组数据检测
并10千欧电阻
充电完成
AC
/V
DC
/V
AC
/V
DC
/V
1.237
1.077
1.256
1.181
1.855
1.567
1.853
2.02
2.113
1.915
3.17
3.719
2.136
3.293
4.98
6.12
并10千欧电阻
充电完成
AC
/V
DC
/V
AC
/V
DC
/V
4.98
5.76
6.74
8.49
6.17
7.41
8.02
10.19
7.05
8.62
8.38
10.45
对照组检测如图3-3所示。
图3-3整流滤波环节对照
从图3-3可以看出，采用2200µF电容进行滤波，采用电阻以及等待充电完成效果大致类似，区别在于4V以下电压测量稍有区别。
实际上，当我连接所有的实物进行验证时，由于整流电路没有放电回路，而且所用的电容比较大，前期对于整流桥AC/DC转换变化刻度允许量太大，没有考虑电容放电时间对整流电路工作状态的影响。
在实际运行中出现了两个较大问题：
第一个问题是由于没有放电回路，电容充电累积效应使得电压在正常即220伏转向欠压状态200伏或更低的电压状态，整流桥直流侧的输出并没有减小；
第二个问题是由于电容较大，无放电回路使得电容持续充电，整流桥直流侧的输出接近于峰值，即有效值的1.414倍。
于是为了解决直流侧输出电压过高且不能放电的问题，我们在直流侧并联了一个100欧的电阻，理论功率最大1w。
实测中发现并电阻后电容能够有效放电，理论放电时间常数：
τ=R×C=100*2200µF=0.22s（0.33s）。
实测中采用直接检测最初输入与最终输出以规避实验器材带来的影响，检测数据如表3-3所示。
表3-3对照组数据检测
单相电压
/V
直流输出
/V
单相电压
/V
直流输出
/V
200
6.3
230
7.4
220
7.06
240
7.86
整流桥并100欧电阻交-直流端数据拟合如图3-4所示。
图3-4整流桥并100欧电阻
通过对数据拟合图像来看，并100欧电阻后，交直流输出有较好的线性关系，这使得后续程序处理显示正确的测量值电压实际值很有帮助。
3.1.6EM235
西门子公司针对旗下的可编程控制器研发了多种扩展模块，包括模拟量采集模块、热电偶模块、位置扩展模块、压力扩展模块等等。
EM235是S7-200的一个模拟量输入扩展模块。
根据系统I/O端口量，选择S7-200系列的CPU224作为系统主机，并扩展一个EM235模拟量输入/输出模块，其中CPU224有14个数字量（DI）输入端口，10个数字量输出（DO）端口。
EM235可以将由压力、位移、流量产生的电压电流信号经过A/D转换送给CPU。
EM235总共有4路模拟量的输入通道，同时还包括了一路模拟量输出通道，通过其输出的电压、电流信号可以用于后续电路连续的控制。
模拟量输入模块有多种量程和两种极性可供使用者选择，用户可以用模块上的DIP开关进行设置。
双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000~32000，单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0~32000利用组态开关DIP所有全数的输入模拟量设置成相同的输入范围其中个中，开关SW6决定模拟量输入的单双极性，模拟量输入模块的分辨率为12位，输入范围包括0-5V，0-10V，0-20mA量程。
本次设计主要考虑了过欠压设计与单相接地故
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