【文章內(nèi)容簡介】 有 近 50 種規(guī)格。 在 電動機(jī)的斷相、過載、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，電子式過載保護(hù)繼電器相比于傳統(tǒng)的熱繼電器 動作速度快，精度和靈敏度高；可靠性好，不會出現(xiàn)拒動或誤動。 80 年代末，隨著微處理 器 技術(shù)的發(fā)展，國外一些發(fā)達(dá)國家開始研制以單片機(jī)為核心的電動機(jī)過載保護(hù)繼電器。德國西門子公司 研制的 3UB1 系列繼電器 率先用單片機(jī)來完成對負(fù)載電流的采樣、比較和選擇工作點，從而對電動機(jī)進(jìn)行可靠的保護(hù) [7, 8]。這種繼電器能提供過載、 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載、斷相和反相保 護(hù)的 QA 系列繼電器，美國 ABB 公司的 SPEM 繼電器 在 過載、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)的電動機(jī)過載保護(hù)技術(shù)的研究 4 我國在新型 過載保護(hù)繼電器研究方面起步較晚，開始于 80 年代中期。不過進(jìn)入 90 年代，越來越多的國內(nèi)生產(chǎn)廠家涉足該領(lǐng)域， 將先進(jìn)的技術(shù)運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 系列電動機(jī)保護(hù)器采用微處理器作為核心部件，對信息的采集、處理、顯示全部自動化，性能穩(wěn)定、可靠，顯示直觀、準(zhǔn)確，具有過流、缺相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能，另有故障預(yù)報警、 各項參數(shù)可設(shè)定等輔助功能 [10]。 南京建威科技公司研制的 KSL521系列智能電動機(jī)保護(hù)控制裝置主要應(yīng)用于 690V 以下低壓電動機(jī)控制系統(tǒng)，對電動機(jī)的過載、短路、長延時起動、堵轉(zhuǎn)、欠壓、過壓等故障予以保護(hù)，并集合三相電量檢測、顯示、數(shù)字輸入 /輸出和網(wǎng)絡(luò)通訊于一身，實現(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)展起來的 [2]。 新型的 智能化保護(hù)裝置 運用微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，將電動機(jī)運行狀態(tài)的測量、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、自動化程度， 有效的實現(xiàn)電動機(jī)的保護(hù) 。 具有功能強(qiáng)大、集成度高、反應(yīng)靈敏、動作準(zhǔn)確、誤差率低等優(yōu)點， 智能化保護(hù)繼電器已成為 21 世紀(jì)重要的 發(fā)展 趨勢 [6]。 167。 14 本文的研究 內(nèi) 基于微處理器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的成熟程度和應(yīng)用的廣泛度， 同時在借鑒國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上， 本文提出 了利用單片機(jī)實現(xiàn)電動機(jī)的過載保護(hù)。微處理器具有強(qiáng)大的計算能力、邏輯分析能力、記憶能力和通信能力 ，借助于這些優(yōu)點設(shè)計出來的電動機(jī)過載保護(hù)裝置，不僅可以為電 動機(jī)提供更加可靠靈活的保護(hù)，還可以提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平。 本課題的研究內(nèi)容有如下幾方面： （ 1） 分析電動機(jī)過載 的原因和 保護(hù)裝置的 工作原理 ； （ 2） 分析過載保護(hù)算法和模型； （ 3） 設(shè)計以單片機(jī) 89S52 為主控芯片的電動機(jī)保護(hù)裝置 設(shè)計 ， 其中 還 包括： 數(shù)據(jù)采集 模塊 、 時鐘和計時模塊 、 報警和顯示電路； （ 4） 利用匯編語言實現(xiàn) 軟件 的設(shè)計。采用模塊化分別設(shè)計，分 為主控電路程序 、 數(shù)據(jù)采集處理部分子程序 、 報警中斷 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 電動機(jī)保護(hù) 原理 電動機(jī)的故障通常可分為兩大類：對稱故障和不對稱故障。 （ 1） 對稱故障 主要包括 對稱 過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等， 主要特征是三相電流基本對稱但電流幅值增大， 由此引起的熱效應(yīng) 和機(jī)械應(yīng)力 是造成電動機(jī)損害的主要原因 [11,12]，因此以過流程度作為這類故障的判定依據(jù)：過載時電流一般是額定電流的 ～ 5 倍；堵轉(zhuǎn)時是 5～ 7 倍額定電流；三相短路時電流大約為 8～ 12 倍 ； （ 2） 不對稱故障 主要有斷相、相間短路、 三相 不平衡 運行、 單相接地 等， 在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，主要 特征是電動機(jī)定子電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。 根據(jù)對稱分量法分析，負(fù)序分量和零序分量在電動機(jī)正常運行時沒有 或很小，一旦出現(xiàn)必然表示發(fā)生了不對稱故障。因此利用電流中的負(fù)序分量和零序分量來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。 167。 21 對稱分量法 對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，對稱分量法是把一組不對稱的電流或電壓，分解成同頻率的三組對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)計中，采用的方法就是對單片機(jī)所采集到的線電流進(jìn)行計算 。 （ 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)的電動機(jī)過載保護(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)對稱分量法，一組不對稱的三相電流 ?AI 、 ?BI 、 ?CI 可分解為三組對稱的三相電流，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 的對稱分量。有如下關(guān)系： () 或者 () 其中： 23211 2 0 je j ???? ?? ， 23212402 je j ???? ?? （ 1） 電動機(jī)正常運行時，定子繞組 中 通 過 對稱的三相電流 ?AI 、 ?BI 和 ?CI ，且 ??? ? AA II ， 00 ?? ??? AA II ，即繞組中沒有負(fù) 序和零序分量。 （ 2） 當(dāng)電動機(jī)發(fā)生不對稱故障時，則會出現(xiàn)負(fù)序電流。 當(dāng)發(fā)生對稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，特別容易燒毀電動機(jī)。這類故障的主要特征是三相基本 對稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障嚴(yán)重程度基本反映在過電流的程度上，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對稱故障的保護(hù)可通過常規(guī)的過流保護(hù)手段實現(xiàn)；對于嚴(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)采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時限跳閘或反時限跳閘，利用反時限特性與電動機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。 綜合起來， 電動機(jī)的常見故障可由表 說明 [14,15]。 ??????????????????????????????????????????????????0200200AAACCCCAAABBBBAAAAIIIIIIIIIIIIIIIIII??????????????????? ????????? ????????? ?????????????????CBAACBAACBAAIIIIIIIIIIII313131022????河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 表 電動機(jī)常見故障特性分析 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 對稱故障 過載 無 無 eCBA IIII ??? 反時限 堵轉(zhuǎn) 無 無 ? ?eCBA I～I(xiàn)II 53??? 定時限 短路 無 無 eCBA IIII 8??? 速斷 不對稱故障 非接地 斷相 無 有 eCBA IIII ???? ,0 定時限 不平衡 無 有 CBA III ?? 定時限 相間短路 無 有 ACB III ??? 速斷 接地 單相接地 有 有 CBA III ?? 速斷 注： eI 為電動機(jī)的額定電流。 167。 22 電動機(jī)常見 故障 的保護(hù)措施 221 過載 保護(hù) 過載是指 電 動 機(jī) 負(fù)荷 加大，造成電機(jī)輸出力矩加大， 運行 時電流超過 額定 值 ， 引起發(fā)熱的現(xiàn)象。電流的增加會使電 動 機(jī)的溫升 超過額定 值 ，導(dǎo)致繞組絕緣降低，電阻增加，嚴(yán)重時會燒毀繞組。 因過載對電動機(jī)的損壞主要是由于過電流引起的，所以故障嚴(yán)重程度可通過過電流的程度來判斷 。 過載保護(hù)是指電流超 過電氣設(shè)備限定范圍，而有一定燒毀危險時保護(hù)裝置能在一定時間內(nèi)切斷 線路，保護(hù)設(shè)備不受損壞 的過程 。 電動機(jī)的過載與輸電線路或其它設(shè)備的過載不同，因為 電動機(jī)過載將導(dǎo)致電動機(jī) 過熱，但又允許在低倍過載情況下運行一定時間，故電動機(jī)的過載特性 一定要 具有 良好的反時限 性 [16]，如圖 所示 。 基于單片機(jī)的電動機(jī)過載保護(hù)技術(shù)的研究 8 t0IeI 圖 過載保護(hù)反時限特性曲線 Inverse time characteristic curve of overload protection 時間與電流 的關(guān)系通 常用數(shù)學(xué)模型 表示： 1r ??IQT () 其中， I 是以啟動電流倍數(shù)表示的故障電流； Q 、 r 為常數(shù)。 Q 的量綱為時間， ()式表明動作時間 T 是輸入電流 I 的函數(shù)，當(dāng) I 1 時， T 為負(fù)，不動作；當(dāng) I 1 時， T 為正，動作。顯然， I 越大，T 越小， 表明時間 T 與電流 I 成反時限特性。 另外，電動機(jī)的過載保護(hù)還應(yīng)具有模擬和記憶電動機(jī)熱積累的功能。電動機(jī)在多次重復(fù)短時間過載，而每次過載時間均小于容許時間的情況下， 保護(hù)裝置不會動作，但由于電動機(jī)自身熱積累的結(jié)果可能使電動機(jī)燒毀 ,所以電動機(jī)保護(hù)應(yīng)具有模擬和記憶電動機(jī)熱積累的功能 [14]。 2211 等效電流的計算 幅值相同的正序電流 I+和負(fù)序電流 I在電動機(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)磁場對定子自身而言為正反同步速度 ； 但對正常運行的轉(zhuǎn)子來說 (設(shè)轉(zhuǎn)差率 s≈ 0)， 前者差不多相對靜止 ， 后者近似為 2倍同步速度。假設(shè)對應(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，對異步電動機(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，轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加，特別是在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生 倍頻電流流過轉(zhuǎn)子表面，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過熱而燒毀。為了反映正、負(fù)序電流的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國 GEC公司提出了一個反映上述發(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)，電動機(jī)起動過程中由定值按電動機(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 電動機(jī)運行過程中自動設(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 不僅適用于過載保護(hù)，還適用于過流保護(hù)， 根據(jù)等效電流 eqI ，將過流 保護(hù)分為三段[20]： 2212 過載 特性與 熱積累 前面已經(jīng)介紹過 電動機(jī)過載將導(dǎo)致電動機(jī)過熱 ,但其低倍過載又允許一定時限 ,所以電動機(jī)過載特性具有反時限特性 。如圖 。 電動機(jī)發(fā)熱理論研究表明 ,電動機(jī)持續(xù)運行的容許負(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機(jī)過載的主要依據(jù)。電動機(jī)發(fā)熱過程溫度變化曲線如圖 所示 [21]。 t0IeI t00?w? 圖 過載保護(hù)反時限特性曲線 圖 電動機(jī)發(fā)熱過程溫度變化曲線 Inverse tim