电动机直接起动的保护控制系统的制作方法

1.本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种电动机直接起动的保护控制系统。


背景技术：

2.电动机可用于航天、汽车、电力以及化工等多领域，各领域中的诸多设备多采用电机直接起动控制，直接起动是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下起动，具有起动转矩大、起动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的起动方式，电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以直接启动。对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，启动瞬间的转矩力非常大，会对电机内部损伤，影响电动机的使用寿命，其次大功率电机的启动会对电网造成冲击，所以大容量的电动机需要采用降压启动以减少电流对电网的冲击，譬如：y/δ变换启动、自耦变压器启动等，但降压启动造成控制装置电路的复杂度、且对于操作及维修人员难度加大，不利于操作与检修。


技术实现要素：

3.本发明提供一种电动机直接起动的保护控制系统，以实现电动机直接起动或对电动机进行保护。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种电动机直接起动的保护控制系统，包括：主电路、驱动电路、采样电路、显示模块以及用以控制前述电路和模块的保护控制装置，所述保护控制装置包括控制器；
5.所述主电路上对应的连接主断路器qf、保护控制装置、接触器kma后接入电动机；
6.所述驱动电路包括继电器、开关量输入电路di和开关量输出电路do，所述开关量输入电路di的子电路di3和子电路di5中对应地连接有启动按钮sb3和复位按钮sb4，以对应地向所述控制器发出电动机启动信号或复位信号；
7.所述采样电路包括从所述主电路采样模拟量信息的内置互感器、漏电互感器、电压电阻或接触器，以对应的向所述控制器发送采样数字信号；
8.所述控制器包括：
9.保护分析模块，对采样电流或电压数字信号进行保护分析并输出保护信息；
10.脱扣控制模块，根据对最先达到脱扣条件的保护信息发出脱扣命令；启动控制模块，根据所述驱动电路的开关量输入电路di发来的启动信号，进入开关量输出电路do处理，并对应地控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，以对应地控制接触器kma，使得电动机直接起动。
11.作为进一步改进，根据保护信息的类型，对其他保护信息的信号进行延时处理。所述保护信息包括但不限于热过载保护、缺相保护、不平衡保护、接地保护、漏电保护、短路保护、堵转保护、欠压保护、过压保护、欠载保护、起动超时保护、外部故障保护、相序保护、定
时限过载保护、反时限保护、接触器分断保护。
12.作为进一步改进，若脱扣控制模块的信号采集层采集到的分类等级高的保护信号与其他任一信号同时到达时，则通过脱扣控制模块进行判断后发出命令对分类等级高的保护信号优先处理。
13.作为进一步改进，当所述保护分析模块采集到到一相或两相的电流信号小于电机额定电流、最大电流大于电机额定电流时，发送保护信号至脱扣控制模块，并控制电动机发生断线或缺相，以对电动机形成缺相保护。
14.作为进一步改进，所述保护信号对电动机形成不平衡保护；
15.当电机发生三相不平衡时，若不平衡率达到保护设定值时，控制器发出停车或报警的指令；
16.不平衡率的计算方法如下:当iav》ir1时：
17.当iav《ir1时：
18.其中：i电机运行电流，iav为三相电流平均有效值，ir1为电机满负荷电流；动作特性：运行不平衡率＜动作设定值不动作，运行不平衡率≥动作设定值动作；延时特性：定时限,固定延时设定的延时时间后动作。
19.作为进一步改进，所述保护信号对电动机形成接地保护；接地保护的电流信号取于内部互感器电流矢量和，用于保护相线对电机金属外壳的短路保护；
20.动作特性：i＜iq时不动作，i≥iq、时间大于tq时动作，
21.其中：i为运行中的接地电流，iq为电流定值，tq为接地整定延时时间。
22.作为进一步改进，所述保护信号对电动机形成漏电保护，用于非直接接地的保护，以保人身安全；
23.动作特性：i＜iq时不动作，i≥iq、时间大于tq时动作，
24.i为运行中的漏电电流，iq为电流定值，tq为漏电整定延时时间。
25.作为进一步改进，所述保护信号对电动机形成短路保护，以避免电机相间或绕组短路烧毁电机；
26.动作特性：
27.三相电流最大值≥短路电流定值时动作；
28.三相电流平均值＜短路电流定值时不动作；
29.延时特性：定时限,固定延时设定的延时时间后动作。
30.作为进一步改进，所述保护信号对电动机形成反时限保护，且根据下式计算：
31.t＝k/[(i/ie)2–
1]
[0032]
其中，t：动作时间，k：发热时间常数，i：电机运行电流，ie：电机额定电流，反时限延时动作时间与电流大小有关，电流大，动作时间短，电流小，动作时间长。
[0033]
作为进一步改进，电动机控制过程包括如下步骤：
[0034]
s1、初始化所述控制器，通过初始化所述控制器的启动控制模块建立与外部终端的信息连接，获得系统设定预值的初始信息；
[0035]
s2、控制器根据所述系统设定预值，建立与所述采样电路的连接，获取所述采样电路的模拟量信息，并转换为数字量信息；
[0036]
s3、检测所述数字量信息是否满足所述系统设定预值，并对应地控制电机的起动或发出报警信息；所述s3中检测的数字量信息若不满足所述系统设定预值，则根据检测的初始信息发出信号至开关量输入电路di处理后、进入开关量输出电路do处理，以控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，进而控制接触器kma，实现电机的直接起动；信号沿开关量输出电路do的输出端对应输出至主电路的接触器kma，控制主电路接触器的kma吸合，电机以对应地速度直接起动。
[0037]
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明电动机直接起动的保护控制系统通过处理模块获取采样电路的模拟量信息，进而转换为数字量信息，并通过处理模块对数字量信息进行检测判断，以控制电机的直接起动或发出报警信号并跳闸，防止启动电流冲击电网和电动机，运行可靠，且无需设计复杂的降压电路，便于工作人员操作和检修。
附图说明
[0038]
图1为本发明电动机直接起动的保护控制系统的电路原理图；
[0039]
图2为本发明电动机直接起动的保护控制系统的控制方法流程图；
[0040]
图3为本发明电动机直接起动的保护控制系统的显示模块示意图；
[0041]
图4为本发明电动机直接起动的保护控制系统的脱扣控制模块的逻辑控制流程图；
[0042]
图5为本发明电动机直接起动的保护控制系统的脱扣控制模块的另一实施例逻辑控制流程图；
[0043]
图6为本发明电动机直接起动的保护控制系统的对电动机形成反时限保护状态的反时限特性曲线；
[0044]
图7为本发明电动机直接起动的保护控制系统的对电动机形成反时限保护状态的反时动作曲线表。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明。
[0046]
请参阅图1所示，在一些电动机直接起动的保护控制系统的实施例中，包括主电路、驱动电路、采样电路以及用以控制前述电路和模块的保护控制装置，主电路接线并对应的连接主断路器qf、保护控制装置、接触器和开关k3后接入电机，电机上接线端与主电路的接触器kma连接；驱动电路包括继电器、开关量输入电路di和开关量输出电路do，主电路上连接有内置互感器，内置互感器的每一接线端对应地与控制电路连接；保护控制装置包括控制器，控制器包括：保护分析模块，以对采样电路进行分析检测，对采样电流或电压数字信号进行保护分析并输出保护信息；启动控制模块，根据所述驱动电路的开关量输入电路di发来的启动信号，进入开关量输出电路do处理，并对应地控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，以对应地控制接触器kma或启动复位；脱扣控制模块，根据对最先达到脱扣的保护信息发出脱扣命令。
[0047]
主电路包括三相火线a、b、c和零线n，以形成三相交流电，三相火线a、b、c上分别引
出接线并对应的连接主断路器qf、内置互感器、漏电互感器和接触器kma后接入电机，电机的一组接线端对应地连接三相火线a、b、c上的接触器kma，三相火线a、b、c上对应地连接有内置互感器的主电路与控制电路之间形成一采样电路，具体地，内置互感器的上接线端与微电路的连接处对应地形成a相电流ia、b相电流ib、c相电流ic，内置互感器的下接线端与微电路的连接处形成额定电流in，内置互感器的下端与微电路的连接处对应地形成有a相电压ua、b相电压ub、c相电压uc，a相电流ia、b相电流ib、c相电流ic、额定电流in、a相电压ua、b相电压ub、c相电压uc对应地与控制电路的微电路连接，以使主电路与控制电路之间形成采样电路。
[0048]
采样电路包括从主电路采样模拟量信息的内置互感器、漏电互感器、电压电阻或接触器kma，以对应的向控制器发送采样数字信号，并通过控制器对应地模块处理。具体为：保护分析模块，对采样电流或电压数字信号进行保护分析并输出保护信息。启动控制模块，驱动电路的开关量输入电路di发来的启动信号，进入开关量输出电路do处理，并对应地控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，以控制接触器kma闭合，使得电机直接启动。
[0049]
控制电路上设有控制器，以对采样电路进行分析检测，以通过控制器建立与主电路的采样电路的连接，获取采样电路的模拟量信息，并转换为数字量信息。进而发出信号至开关量输入电路di处理后、进入开关量输出电路do处理，以控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，进而控制接触器kma或保护控制装置，实现电机的直接起动或对电动机形成保护状态。
[0050]
开关量输入电路di的子电路di3以及子电路di5中对应地连接有启动按钮sb3和复位按钮sb4，复位按钮sb4可在编程模式下用于移动数据代码的更改位置，当发生外部故障并修复后，用于复位，开关量输出电路do中对应地子电路do12中均连接有紧急停车按钮sb2，以手动控制停止。数字输入电路di的子电路的di1连接有断路器qf，用于感应故障信号的输入，并对应地控制数字输出电路do的断路器qf跳闸，形成保护电路，防止启动电流过大冲击电网和电动机。
[0051]
根据保护信息的类型，对其他保护信息的信号进行延时处理，所述保护信息包括热过载保护、缺相保护、不平衡保护、接地保护、漏电保护、短路保护、堵转保护、欠压保护、过压保护、欠载保护、起动超时保护、外部故障保护、相序保护、定时限过载保护、反时限保护、接触器分断保护等。
[0052]
请结合参阅图4以及图5所示，采样电路的某一信号到达控制器的脱扣控制模块后，通过脱扣控制模块的信号采集层采集并判断后发出命令，对电动机形成对应的保护控制，具体包括：
[0053]
缺相保护：当检测到一相或两相电流小于0.05电机额定电流，最大电流大于0.2电机额定电流时动作；电机发生断线或缺相，防止电机过热或烧毁，延时特性：定时限,固定延时设定的延时时间后动作；定时限保护的动作时限比相邻线路的动作时限均大至少一个预设时间参数，定时限延时动作的时间是固定的，与电流大小无关，该时间参数预设2ms，使得缺相保护延时2ms。
[0054]
不平衡保护：当电机发生三相不平衡时，若不平衡率达到保护设定值时，控制器发出停车或报警的指令；
[0055]
不平衡率的计算方法如下:
当iav》ir1时：当iav《ir1时：
[0056]
其中：i电机运行电流，iav为三相电流平均有效值，ir1为电机满负荷电流；动作特性：运行不平衡率＜动作设定值不动作，运行不平衡率≥动作设定值动作；延时特性：定时限,固定延时设定的延时时间后动作，该时间参数预设3ms，不平衡保护延时3ms。
[0057]
接地保护；接地保护的电流信号取于内部互感器电流矢量和，用于保护相线对电机金属外壳的短路保护；
[0058]
动作特性：i＜iq时不动作，i≥iq时间大于tq时动作，
[0059]
其中：i为运行中的接地电流，iq为电流定值，tq为接地整定延时时间。
[0060]
漏电保护：漏电保护需外接漏电电流互感器，外接漏电互感器检测电流的灵敏度较高，用于非直接接地的保护，以保人身安全；
[0061]
动作特性：i＜iq时不动作，i≥iq时间大于tq时动作，
[0062]
i为运行中的漏电电流，iq为电流定值，tq为漏电整定延时时间，譬如：该整定延时时间参数预设2ms，不平衡保护延时2ms。
[0063]
短路保护：为了避免电机相间或绕组短路烧毁电机需要短路保护；动作特性：三相电流最大值≥短路电流定值时动作；三相电流平均值＜短路电流定值时不动作。延时特性：定时限,固定延时设定的延时时间后动作，譬如：该延时时间参数预设4ms，短路保护延时4ms。
[0064]
在另外一些实施例中，请结合参阅图6、图7所示，保护信息对电动机形成反时限保护：为了保护频繁启动、重载或过载严重的电动机，消除过载运行存在的隐患，需要对电动机过载保护。
[0065]
反时限过载保护公式：
[0066]
t＝k/[(i/ie)2–
1]
[0067]
其中，t：动作时间，k：发热时间常数，i：电机运行电流，ie：电机额定电流，反时限延时动作时间与电流大小有关，电流大，动作时间短，电流小，动作时间长。
[0068]
在一个具体的实施例中：设定继电器针对保护信息p1的定时限的延迟时间t为2s，针对保护信息p2的定时限的延迟时间为4s。如果在时间21：10：11收到保护信息p1，21：10：10收到保护信息p2，那么保护信息p1先触发继电器，即在21：10：13执行由保护信息p1所触发的脱扣命令；如果没有保护信息p1，只有保护信息p2，则在21：10：14执行由保护信息p2所触发的脱扣命令；
[0069]
相应的，在另外一个具体的实施例中：设定保护信息p1(分类等级高)的信号延迟时间t为0s，保护信息p2的信号延迟时间为2s，如果在时间21：10：11收到保护信息p1，21：10：10收到保护信息p2，那么保护信息p1先触发继电器，实现优先处理，即在21：10：11执行由保护信息p1所触发的脱扣命令；如果没有保护信息p1，只有保护信息p2，在21：10：12执行由保护信息p2所触发的脱扣命令。
[0070]
若脱扣控制模块的信号采集层采集到的分类等级高的保护的信号与其他任一保护信号或控制启动的信号同时到达时，则通过脱扣控制模块进行判断后发出命令对分类等
级高的保护信号优先处理，对其他保护的信号进行延时处理，本实施例中，分类等级高的保护信号可设定为漏电保护信号，另外预设其他保护信号或控制启动的信号延时时间δt为2毫秒，漏电保护的信号不延时，以实现对同时到达脱扣控制模块信号采集层的信号进行判断后发出命令对漏电保护的信号优先处理。
[0071]
请结合参阅图3，控制电路连接有显示模块10，显示模块10通过db9通信连接线与控制电路连接，显示模块10上设有对应的按键以及显示屏11，以通过启动对应按键使得显示屏出现对应的信息，譬如：显示模块的显示屏可对应地显示电机运行的实时数据、运行状态以及设备参数信息，本实施例中，显示屏采用122*32点阵液晶屏。显示模块10实现电机操作控制和显示功能以及实现参数设定功能。系统运行时，运行按键1秒闪烁一次，表示保护装置工作正常；停车/启动时，停车/启动按键闪烁；故障/告警时，故障/告警按键闪烁，发生故障动作后恒亮；复位时，故障停车后按此按键清除故障指示，退出故障状态。为防止误操作，上述按键双击有效，双击时间间隔小于0.5秒。
[0072]
工作时，请结合参阅图2，初始化处理模块，通过处理模块建立与外部终端的信息连接，获得初始信息，即系统设定的预值，建立与采样电路的连接，获取采样电路的模拟量信息，并转换为数字量信息，处理模块检测所述数字量信息是否满足所述初始信息中系统设定的预值：若不满足初始信息中系统设定的预值，则根据检测的初始信息发出信号至开关量输入电路di处理后、进入开关量输出电路do处理，以控制开关量输出电路do上对应的继电器工作，进而控制接触器kma，实现电机的直接起动；信号沿开关量输出电路do的输出端对应输出至主电路的接触器kma，控制主电路接触器的kma吸合，电机以对应地速度起动，并发送数字量信息至外部终端的显示模块，实现电机的直接起动功能；若满足初始信息中系统设定的预值，数字输入电路di的子电路中的di1连接的断路器qf感应故障信号的输入，子电路中的di1连接的断路器qf断开，报警并输出停止信息，数字输出电路do的断路器qf跳闸以形成保护电路，防止启动电流过大冲击电网和电动机，同时生成故障异常信息，并发送对应数字量信息及故障异常信息至保护控制器并对应至外部终端的显示模块，以通过保护控制器对电动机形成缺相保护、不平衡保护、接地保护以及漏电保护等。
[0073]
综上所述，本发明电动机直接起动的保护控制系统通过处理模块获取采样电路的模拟量信息，进而转换为数字量信息，并通过处理模块对数字量信息进行检测判断，以控制电机的直接起动或发出报警信号并跳闸，防止启动电流冲击电网和电动机，通过保护控制器对电动机形成缺相不平衡保护、接地漏电保护，保证电动机的运行可靠，且无需设计复杂的降压电路，便于工作人员操作和检修。
[0074]
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。