基于PLC系统的电动机故障保护系统毕业设计论文

1
摘要
本文介绍了国内电机故障诊断系统设计，以及存在问题，同时介绍了可编程控制器的工作原理，选型依据。

设计了一种基于PLC电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子S7-200 PLC以及同类型的S7-300 S7-400PLC，根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，并且编写系统运行的梯形图。

准备开机时，按下开机按钮后，首先检测断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机无法启动，并且声光报警。

如果断路器初始状态为断开，断路器合闸，电机开始启动。

在启动过程中，若发生一级故障，PLC进行相应的保护动作。

启动完成后，“电机开/关指示灯”亮，电机正常运行。

运行过程中，PLC依次循环检测电机是否发生相间短路、断相、低电压、单相接地、过负荷、过电流等故障，若有发生，PLC进行相应保护动作。

关机时，PLC接到关机命令后，断路器跳闸，“电机开/关机指示灯”灭。

故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。

本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。

关键词：故障诊断PLC 电机
1.引言
电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。

对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。

PLC作为一种成熟稳定可靠的控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用。

PLC系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运行。

一个完善的PLC系统除了能够正常运行，满足工业控制的要求，还必须能在系统出现故障时及时进行故障诊断和故障处理。

故障自诊断功能是工业控制系统的智能化的一个重要标志，对于工业控制具有较高的意义和实用价值。

故障诊断一般有两种途径:故障树方法和专家系统方法。

故障树方法利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，由错误的输出找到可能的输入错误。

这种方法比较适用于系统结构相对简单，各部分耦合少的情况。

专家系统方法通过建立系统故障的知识库与推理机，计算机借助现场的数据利用知识库和推理机进行深入的逻辑推理，找出故障原因。

这种方法适用于系统结构复杂，各部分耦合强的大型工业系统。

PLC是现在应用较多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源及强大的功能指令，编制故障检测报警程序，不仅可以替代继电器实现相应功能，还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性。

2 电动机保护装置的各种保护原理及故障判据
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。

对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。

不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。

因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

2.1 电动机保护装置常见保护形式
掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。

作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。

现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保
护形式介绍如下：
1. 低压线路漏电保护：当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。

(参考值AC220V为5KΩ，AC120V为3KΩ，AC24V为2KΩ)
2. 电机温度保护：由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机
绕组温度达到155℃时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转，电机冷却后自动复位。

对应热敏电阻阻值为1.8KΩ～2KΩ。

3. 对称故障保护：对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。

4. 不对称故障保护：电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间
短路、不平衡运行、接地短路等。

不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。

因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要的[30][31]。

2.2 矿用隔爆三相异步电动机的故障保护
由于矿井下工作环境比较恶劣，电动机发生故障的几率也比较大，针对这种情况和用户的实际需要投入了以下几种保护：过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠电压和过电压保护等保护形式。

下面对几种主要保护的原理和实现方法分别加以详细的阐述。

2.2.1 过载保护
由于负载转矩过大，电动机转速下降以提高电磁转矩，电机定子电流超过额定电流，导致电动机过载，如果持续时间过长，将导致电动机过热而被烧坏。

但是如果是短时过载，电动机积累的热量能够及时散发，根据过载程度的不同，电动机过载运行是可以保持一段不同的时间。

过载保护按照反时限特性动作。

2.2.2 短路故障分析及保护判据[15]
由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7倍以上。

为了保证在起动过程中保护可靠的不动作，整定值在起动和运行过程中采用
了不同的算法。

a. 异步电动机起动过程中的速断保护：
欲使电动机能满载地起动，要求1d I 必须大于电动机满载起动电流qd I ，即： e qd b qd b d I K K I K I ==1 …………………………………………………………(2-20) 式中：b K ——保证电动机满载启动系数，取1.2～1.4。

qd K ——电动机起动电流系数，一般取4～7。

e I ——电动机的额定线电流。

b. 异步电动机运行中的速断保护
在电动机运行过程中，2d I 的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，短路保护可以按电动机的额定电流的倍数整定，即：
e d KI I =2 ……………………………………………………………………(2-21) 式中K 的值一般取为8-10，这样可以保证三相异步电动机在起动结束后的运行过程中不会频繁跳闸，保证掘进机的正常工作。

2.2.3 单相接地故障分析及保护判据
在变压器中性点不接地的矿井下的供电系统中，当一相(如A 相)发生直接接地故障，便有单相接地电流在接地点流过，并经其它两相的绝缘电阻r 和电容c 流回电源。

此时，A 相导线对地电压为零，B 、C 两相对地变成了线电压。

但电源线电压仍然平衡，并不影响负荷继续工作。

不过，从矿井的安全出发，为了防止瓦斯煤尘爆炸，要求立即切断供电电源。

由于三相电网对地电压不
再平衡，三相电压之和不为零，因而出现了零序电压0U 和零序电流0
I 。

由于我国矿井下大中型电动机一般采用小电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。

在中性点非直接接地电网中的高压电动机，当容量小于2MW ，而接地电容电流大于10A ；或容量等于2MW 及以上，而接地电容电流大于5A 时，应装设接地保护。

提高接地保护的灵敏度，可采用一次零序电流互感器检测零序电流，其电流dz I .0按大于被保护回路的电容电流整定，即：
max .0.03C dz I K I ⋅=……………………………………………………………(2-24)
式中： K ——可靠系数，取4～5；
m a .03C I ——当外部发生接地故障时，过流被保护回路的最大接地电容电流。

2.2.4 欠压和过压故障分析及保护判据[17][18]
根据三相异步电动机的电磁转矩公式可知，电动机的电磁转矩与电网供
电电压有关。

当电网电压上下波动时，电动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行，所以必须有欠电压和过电压保护。

a. 欠压保护
当电源电压由于某种原因降低到额定电压75％或长时间低于额定电压85％时，称为系统欠电压。

电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。

转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。

因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。

欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。

b. 过压保护
当电源电压由于某种原因超过额定电压15％时,称为系统过电压。

过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。

电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。

过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。

2.2.5 矿用电动机的其他保护
矿用电动机的其他保护还包括起动超时保护、频繁起动保护、超温保护、漏电闭锁保护等。

a. 起动超时保护：对于直接起动的电动机，刚起动时，起动电流比较大，经过一段时间，电流将下降到额定电流或以下的水平。

起动超时保护设定了一个稍大于额定电流的动作值，它在电动机起动时投入，经过适当的延时(延时时间可设定)，检测线路的电流，并与动作值比较，如果仍然大于动作值，则起动超时保护动作，可作为短路保护的后备保护。

b. 频繁起动保护：起动过于频繁将使电动机绕组长时间流过数倍于额定电流的起动电流。

由于热积累效应，会导致电动机过热，使绕组绝缘加速老化，甚至烧坏电机。

频繁起动保护主要用于限制电动机在一定时间内的起动
次数，它可以根据电机的负载情况和散热条件来整定允许起动的次数。

电动机第一次起动时就开始计时并记录电动机起动次数，如果电动机起动次数达到整定值，而计时未结束，电动机将被闭锁，直到计时结束才能再次起动电动机，并重新计时和记录起动次数。

c. 超温保护：超温保护是通过电动机内部安装的温度传感器直接对绕组温度进行测量，当温度达到整定的阈值时分断电动机线路，并报警。

温度阈值可以整定。

这种保护方式适合用于井下散热条件极差的大容量电动机，防止电动机在额定负载情况下长时间积热而烧坏。

详细的电路和算法将在第4章硬件的温度检测模块部分进行详细介绍。

d. 漏电闭锁保护：采用附加直流电源检测回路绝缘电阻的阻值的保护原理，漏电闭锁保护将在第4章硬件的粘连漏电检测模块部分进行详细介绍。

3 微机保护的数据采集
掘进机综合保护装置采集的信号分为数字量和模拟量信号两类。

其中数字量信号包括断路器、隔离开关等设备的辅助接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。

这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装置相连。

而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。

模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。

数据采集电路内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是综合保护装置中很重要的电路。

保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。

3.1 保护装置的数据采集电路
3.1.1 电压形成回路
综合保护装置要从被保护的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入范围的要求，将互感器的二次侧数值变换为4～20mA的电流信号或1～5V范围内的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。

在互感器的选择上有铁芯电流互感器和空芯电流互感器。

其中铁芯电流互感器受其铁磁性能的影响，即使在设计时确定的工作很理想，在小电流时测量线性度很好，但在大电流时铁芯易于饱和，线性度差，测量范围小。

采用空芯电流互感器准确度高线性误差在±1％以内，测量范围广绝缘水平高，用于高压大电流电动机具有明显的优点，但是在小电流时，信号较小测量误差大。

转换信号不失真这点对微机保护是。