【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有 近 50 種規(guī)格。 在 電動(dòng)機(jī)的斷相、過(guò)載、欠載、三相不平衡、 逆相、堵轉(zhuǎn)、漏電、接地和短路 等故障中發(fā)揮著重要作用 [2， 6]。 由于采用了集成電路和電子元器件，電子式過(guò)載保護(hù)繼電器相比于傳統(tǒng)的熱繼電器 動(dòng)作速度快，精度和靈敏度高；可靠性好，不會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)。 80 年代末，隨著微處理 器 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研制以單片機(jī)為核心的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)繼電器。德國(guó)西門子公司 研制的 3UB1 系列繼電器 率先用單片機(jī)來(lái)完成對(duì)負(fù)載電流的采樣、比較和選擇工作點(diǎn)，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠的保護(hù) [7, 8]。這種繼電器能提供過(guò)載、 斷相和三相電流不平衡保護(hù)。 此外，日本富士公司的具有過(guò)載、斷相和反相保 護(hù)的 QA 系列繼電器，美國(guó) ABB 公司的 SPEM 繼電器 在 過(guò)載、三相電流不平衡、斷電保護(hù)和自我監(jiān)控等 方面均具有完善的 功能 [9]。 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 4 我國(guó)在新型 過(guò)載保護(hù)繼電器研究方面起步較晚，開(kāi)始于 80 年代中期。不過(guò)進(jìn)入 90 年代，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家涉足該領(lǐng)域， 將先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用到繼電器的研究中， 不斷創(chuàng)新 ，使其智能化水平不斷提高。例如濟(jì)南中興電器公司研制 GDH30 系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用微處理器作為核心部件，對(duì)信息的采集、處理、顯示全部自動(dòng)化，性能穩(wěn)定、可靠，顯示直觀、準(zhǔn)確，具有過(guò)流、缺相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能，另有故障預(yù)報(bào)警、 各項(xiàng)參數(shù)可設(shè)定等輔助功能 [10]。 南京建威科技公司研制的 KSL521系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置主要應(yīng)用于 690V 以下低壓電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、短路、長(zhǎng)延時(shí)起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、欠壓、過(guò)壓等故障予以保護(hù)，并集合三相電量檢測(cè)、顯示、數(shù)字輸入 /輸出和網(wǎng)絡(luò)通訊于一身，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方管理及“四遙”功能。 此外， 蒼南三維儀表有限公司 研制生產(chǎn)的典型產(chǎn)品DZJ 系列電動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控器 均是在 綜合保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 [2]。 新型的 智能化保護(hù)裝置 運(yùn)用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量、保護(hù)、通信集成于一體，使其可 以選擇最佳模式進(jìn)行控制與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)與中央控制器的雙向通信，提高控制系統(tǒng)的信息化、自動(dòng)化程度， 有效的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的保護(hù) 。 具有功能強(qiáng)大、集成度高、反應(yīng)靈敏、動(dòng)作準(zhǔn)確、誤差率低等優(yōu)點(diǎn)， 智能化保護(hù)繼電器已成為 21 世紀(jì)重要的 發(fā)展 趨勢(shì) [6]。 167。 14 本文的研究 內(nèi) 基于微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的成熟程度和應(yīng)用的廣泛度， 同時(shí)在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上， 本文提出 了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。微處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、邏輯分析能力、記憶能力和通信能力 ，借助于這些優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來(lái)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置，不僅可以為電 動(dòng)機(jī)提供更加可靠靈活的保護(hù)，還可以提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。 本課題的研究?jī)?nèi)容有如下幾方面： （ 1） 分析電動(dòng)機(jī)過(guò)載 的原因和 保護(hù)裝置的 工作原理 ； （ 2） 分析過(guò)載保護(hù)算法和模型； （ 3） 設(shè)計(jì)以單片機(jī) 89S52 為主控芯片的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置 設(shè)計(jì) ， 其中 還 包括： 數(shù)據(jù)采集 模塊 、 時(shí)鐘和計(jì)時(shí)模塊 、 報(bào)警和顯示電路； （ 4） 利用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 軟件 的設(shè)計(jì)。采用模塊化分別設(shè)計(jì)，分 為主控電路程序 、 數(shù)據(jù)采集處理部分子程序 、 報(bào)警中斷 顯示 子程序等幾部分。 河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 第二章 電動(dòng)機(jī)保護(hù) 原理 電動(dòng)機(jī)的故障通?？煞譃閮纱箢悾簩?duì)稱故障和不對(duì)稱故障。 （ 1） 對(duì)稱故障 主要包括 對(duì)稱 過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等， 主要特征是三相電流基本對(duì)稱但電流幅值增大， 由此引起的熱效應(yīng) 和機(jī)械應(yīng)力 是造成電動(dòng)機(jī)損害的主要原因 [11,12]，因此以過(guò)流程度作為這類故障的判定依據(jù)：過(guò)載時(shí)電流一般是額定電流的 ～ 5 倍；堵轉(zhuǎn)時(shí)是 5～ 7 倍額定電流；三相短路時(shí)電流大約為 8～ 12 倍 ； （ 2） 不對(duì)稱故障 主要有斷相、相間短路、 三相 不平衡 運(yùn)行、 單相接地 等， 在故障早期沒(méi)有特別明顯的過(guò)電流或過(guò)熱表現(xiàn)，主要 特征是電動(dòng)機(jī)定子電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。 根據(jù)對(duì)稱分量法分析，負(fù)序分量和零序分量在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有 或很小，一旦出現(xiàn)必然表示發(fā)生了不對(duì)稱故障。因此利用電流中的負(fù)序分量和零序分量來(lái)鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 167。 21 對(duì)稱分量法 對(duì)稱分量法是一種基于電工基礎(chǔ)的疊加原理的變換方法。以三相系統(tǒng)為例，對(duì)稱分量法是把一組不對(duì)稱的電流或電壓，分解成同頻率的三組對(duì)稱的三相電流或電壓，即正序、負(fù)序和零序，再進(jìn)行分析的方法 [13]。 本設(shè)計(jì)中，采用的方法就是對(duì)單片機(jī)所采集到的線電流進(jìn)行計(jì)算 。 （ 1） 正序 三相正序分量的幅值相等，相位為 A 相超前 B 相 120176。， B 相超前 C相 120176。； （ 2） 負(fù)序 三相負(fù)序分量 的幅值相等，相位為 A 相落后 B 相 120176。， B 相落后 C相 120176。，即與正序相反； （ 3）零序 三相零序分量的幅值和相位均相同。具體關(guān)系如圖 所示。 圖 圖 圖 圖 對(duì)稱分量 Symmetrical ponents ??IA ??IC ??IB (a) ??IA ??IC ??IB (b) ?IA0 ?IB0 ?IC0 (c) 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 6 圖 正序分量 圖 負(fù)序分量 圖 零序分量 根據(jù)對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相電流 ?AI 、 ?BI 、 ?CI 可分解為三組對(duì)稱的三相電流，分別為正序電流 ??AI 、 ??BI 和 ??CI ； 負(fù)序 電流 ??AI 、 ??BI 和 ??CI ； 零序電流 ?0AI 、 ?0BI 和 ?0CI 。 ??AI 、 ??BI 和 ??CI ， ??AI 、 ??BI 和??CI 以及 ?0AI 、 ?0BI 和 ?0CI 稱為三相電流 ?AI 、 ?BI 和 ?CI 的對(duì)稱分量。有如下關(guān)系： () 或者 () 其中： 23211 2 0 je j ???? ?? ， 23212402 je j ???? ?? （ 1） 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組 中 通 過(guò) 對(duì)稱的三相電流 ?AI 、 ?BI 和 ?CI ，且 ??? ? AA II ， 00 ?? ??? AA II ，即繞組中沒(méi)有負(fù) 序和零序分量。 （ 2） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流。 當(dāng)發(fā)生對(duì)稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，特別容易燒毀電動(dòng)機(jī)。這類故障的主要特征是三相基本 對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流，故障嚴(yán)重程度基本反映在過(guò)電流的程度上，因此檢測(cè)過(guò)電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對(duì)稱故障的保護(hù)可通過(guò)常規(guī)的過(guò)流保護(hù)手段實(shí)現(xiàn)；對(duì)于嚴(yán)重的三相短路保護(hù)應(yīng)采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)采用短時(shí)限跳閘；而對(duì)于對(duì)稱過(guò)載應(yīng)采用定時(shí)限跳閘或反時(shí)限跳閘，利用反時(shí)限特性與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。 綜合起來(lái)， 電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障可由表 說(shuō)明 [14,15]。 ??????????????????????????????????????????????????0200200AAACCCCAAABBBBAAAAIIIIIIIIIIIIIIIIII??????????????????? ????????? ????????? ?????????????????CBAACBAACBAAIIIIIIIIIIII313131022????河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 表 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障特性分析 Table Analysis of mon fault of motor 故障類型 零序 負(fù)序 故障特征 保護(hù)特性 對(duì)稱故障 過(guò)載 無(wú) 無(wú) eCBA IIII ??? 反時(shí)限 堵轉(zhuǎn) 無(wú) 無(wú) ? ?eCBA I～I(xiàn)II 53??? 定時(shí)限 短路 無(wú) 無(wú) eCBA IIII 8??? 速斷 不對(duì)稱故障 非接地 斷相 無(wú) 有 eCBA IIII ???? ,0 定時(shí)限 不平衡 無(wú) 有 CBA III ?? 定時(shí)限 相間短路 無(wú) 有 ACB III ??? 速斷 接地 單相接地 有 有 CBA III ?? 速斷 注： eI 為電動(dòng)機(jī)的額定電流。 167。 22 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn) 故障 的保護(hù)措施 221 過(guò)載 保護(hù) 過(guò)載是指 電 動(dòng) 機(jī) 負(fù)荷 加大，造成電機(jī)輸出力矩加大， 運(yùn)行 時(shí)電流超過(guò) 額定 值 ， 引起發(fā)熱的現(xiàn)象。電流的增加會(huì)使電 動(dòng) 機(jī)的溫升 超過(guò)額定 值 ，導(dǎo)致繞組絕緣降低，電阻增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀繞組。 因過(guò)載對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞主要是由于過(guò)電流引起的，所以故障嚴(yán)重程度可通過(guò)過(guò)電流的程度來(lái)判斷 。 過(guò)載保護(hù)是指電流超 過(guò)電氣設(shè)備限定范圍，而有一定燒毀危險(xiǎn)時(shí)保護(hù)裝置能在一定時(shí)間內(nèi)切斷 線路，保護(hù)設(shè)備不受損壞 的過(guò)程 。 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載與輸電線路或其它設(shè)備的過(guò)載不同，因?yàn)?電動(dòng)機(jī)過(guò)載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī) 過(guò)熱，但又允許在低倍過(guò)載情況下運(yùn)行一定時(shí)間，故電動(dòng)機(jī)的過(guò)載特性 一定要 具有 良好的反時(shí)限 性 [16]，如圖 所示 。 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 8 t0IeI 圖 過(guò)載保護(hù)反時(shí)限特性曲線 Inverse time characteristic curve of overload protection 時(shí)間與電流 的關(guān)系通 常用數(shù)學(xué)模型 表示： 1r ??IQT () 其中， I 是以啟動(dòng)電流倍數(shù)表示的故障電流； Q 、 r 為常數(shù)。 Q 的量綱為時(shí)間， ()式表明動(dòng)作時(shí)間 T 是輸入電流 I 的函數(shù)，當(dāng) I 1 時(shí)， T 為負(fù)，不動(dòng)作；當(dāng) I 1 時(shí)， T 為正，動(dòng)作。顯然， I 越大，T 越小， 表明時(shí)間 T 與電流 I 成反時(shí)限特性。 另外，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)還應(yīng)具有模擬和記憶電動(dòng)機(jī)熱積累的功能。電動(dòng)機(jī)在多次重復(fù)短時(shí)間過(guò)載，而每次過(guò)載時(shí)間均小于容許時(shí)間的情況下， 保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，但由于電動(dòng)機(jī)自身熱積累的結(jié)果可能使電動(dòng)機(jī)燒毀 ,所以電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)具有模擬和記憶電動(dòng)機(jī)熱積累的功能 [14]。 2211 等效電流的計(jì)算 幅值相同的正序電流 I+和負(fù)序電流 I在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量并不相同。定子繞組的 I+和 I產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)定子自身而言為正反同步速度 ； 但對(duì)正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō) (設(shè)轉(zhuǎn)差率 s≈ 0)， 前者差不多相對(duì)靜止 ， 后者近似為 2倍同步速度。假設(shè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子正序電阻 (折合到定子側(cè) )近似為直流電阻 R1， 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子負(fù)序電阻 (折合到定子側(cè) )為交流電阻 R2，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)有 [17,18]： ?? RKRR12 ～ 6 () 即與 I+大小相同的 I產(chǎn)生的損耗為 I+的 KR倍。因此，當(dāng)有負(fù)序電流出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加，特別是在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生 倍頻電流流過(guò)轉(zhuǎn)子表面，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱而燒毀。為了反映正、負(fù)序電流的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國(guó) GEC公司提出了一個(gè)反映上述發(fā)熱效應(yīng)的“等效電流” eqI [11,19]： 2222112 IKIKIeq ?? () 式中： K1為正序電流發(fā)熱系數(shù)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中由定值按電動(dòng)機(jī)負(fù)荷能力整定，一般設(shè)為 ，河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)設(shè)為 1； K2 為負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù)， K2=（ 3～ 6），一般設(shè)為 6； I1為正序電流分量； I2為負(fù)序電流分量。 等效電流 eqI 不僅適用于過(guò)載保護(hù)，還適用于過(guò)流保護(hù)， 根據(jù)等效電流 eqI ，將過(guò)流 保護(hù)分為三段[20]： 2212 過(guò)載 特性與 熱積累 前面已經(jīng)介紹過(guò) 電動(dòng)機(jī)過(guò)載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱 ,但其低倍過(guò)載又允許一定時(shí)限 ,所以電動(dòng)機(jī)過(guò)載特性具有反時(shí)限特性 。如圖 。 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱理論研究表明 ,電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行的容許負(fù)荷主要取決于定子繞組的溫度 ,故將定子 電流的大小作為電動(dòng)機(jī)過(guò)載的主要依據(jù)。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程溫度變化曲線如圖 所示 [21]。 t0IeI t00?w? 圖 過(guò)載保護(hù)反時(shí)限特性曲線 圖 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程溫度變化曲線 Inverse tim