【文章內容簡介】 的理論基礎，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點。電動機在運行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機械損耗，它們會轉變?yōu)闊崃浚徊糠滞ㄟ^機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加熱電動機，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。電動機是由多種材料組成的非均質發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復雜。但實際測定表明，電動機的發(fā)熱曲線與均質發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質發(fā)熱體，且忽略電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。因此，依據(jù)均質固體發(fā)熱理論，異步電動機定子繞組過負荷運行時的熱平衡微分方程為： （）dtrdtdt2e??SCGIQ????）（式中：Q——定子物體每秒鐘內所產生的熱量(W) ；I——電動機過載狀態(tài)下的定子電流(A)；——電動機額定定子電流(A)；er——電動機定子繞組電阻( )；?C——定子物體材料的比熱，即使 lkg 物體溫度升高 1 所需的熱量(J/Kg )；C?C?12G——定子物體的質量(kg)；——散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、每秒時間內所散發(fā)的熱量焦耳?數(shù)(W ／ )；2mC?S——散熱表面積 ( )；2——定子繞組溫升( )。??式()左邊是在時間間隔 dt 中，定子繞組由于過負荷而發(fā)出的熱量 Qdt。右邊CGd 是電動機溫度升高 d 度所吸收的熱量， S dt 是 dt 時間內散失在周圍介質???中的熱量。式() 為一階線性微分方程，其通解為： （）tCGSAQ?????e式中 A——待定常數(shù)，由初始條件 確定，即認為負荷不變化時，定子繞0t組溫度與周圍介質的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式()得出待定常數(shù) A 為: SrIQAe?)(2??將A代入式（）可得 （））（ tCGSerI??1)(2這就是異步電動機的溫升數(shù)學模型。13電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當時間 t=O 時，電動機的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導，這時電動機產生的全部損耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。隨著電動機溫度上升的增加，它與周圍介質的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機的溫度就不再升高，它所產生的全部熱量散發(fā)到周圍介質中，即達到穩(wěn)定溫升。（2）電動機反時限過載保護特性對式()中的指數(shù)項進行泰勒級數(shù)展開，取前兩項可得： （）tCGSetS???1將式（）代入式（）并整理可得 ()1)/(t22e??TI式中： 稱為電動機的過載倍數(shù)eI/??為一常數(shù)，若電動機的最大容許溫升為 ，則式（）為rICGTe2? max? （）112max2??????rICGTte式（）反應了電動機過載倍數(shù) 與電動機容許過載時間t的關系，即 ，???f?t14我們把這種關系稱為電動機的容許過載特性。從圖中可以看出，電動機過載倍數(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。1——電動機容許過載特性；2——定時限過載保護特性；3——階段式定時限過載保護特性；4——反時限過載保護特性；電動機在設計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短時過載能力。其實在實際生產中，電動機負載往往會有一定的波動，這也要求電動機具有一定短時過載能力，不會因短時過載而停機，影響正常生產。電動機過載保護動作時問 t 與過載倍數(shù) 的關系稱為電動機過載保護特性。設計?過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產，這樣的保護也就失去意義了。圖 中可以看出，定時限過載保護和階段式定時限過載保護都不能像反時限過載保護特性那樣充分利用電動機的過載能力，因此在設計過載保護特性時應具有優(yōu)良的反時限特性。（3）電動機反時限過載保護的實現(xiàn)對于圖 中曲線 4 所表示的連續(xù)的反時限過載保護特性，可以通過取有限個有代表性的特征點來實現(xiàn)，即對電動機過載區(qū)間劃分為若干個子過載區(qū)間，對于每一個子過載區(qū)間采用定時限的保護方法來實現(xiàn)，如表 所示。15表23 某電動機反時限過載保護的分段式實現(xiàn)e/I??動作時間t/s （具體可設定為某一列）?60 120 180 120 300348 96 144 192 2208.36 72 120 168 202224 60 96 120 ?8 20 30 40 6026 10 20 30 40過流反時限保護 .3 7 14 20 25 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據(jù)根據(jù)三相異步電動機的電磁轉矩公式： （）2021)s(XRUKT??式中:T——電磁轉矩 K——常數(shù) ——定子電壓1U ——電動機轉子電阻和啟動感抗20XR， s——轉差率電動機的電磁轉矩與電網(wǎng)供電電壓有關。當電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉矩相應發(fā)生變化，進而影響到定子電流變化，從而影響到電動機正常運行。（1）欠壓保護在電動機負載和轉子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉矩下降，電動機轉速下降，旋轉磁場對轉子的相對轉速增大，磁通切割轉子導條的速度增大，因此轉子繞組中感應出的電動勢和產生的轉子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉子電流增大，定子電流必然相應增大乜”，溫升增高。如果電動機長時間在低電壓工作會使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉。低電壓也會使電動機起動16轉矩下降，當電壓降低到能使起動轉矩小于負載轉矩時，電動機就無法啟動。電動機要不要裝設欠壓保護有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復需要自動起動的重要電動機，不裝設低壓保護。下列電動機一般需裝設欠壓保護：①當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復時，為保證重要電動機自啟動而需要斷開的次要電動機；②電源電壓短時降低或短時中斷后，根據(jù)生產或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動機；③需要自啟動，但為保證人身和設備的安全，在電源電壓長時間消失后，需從電網(wǎng)中自動斷開的電動機。欠壓保護的整定原則是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均低于保護整定值，則認為有故障產生，應進行斷電保護．（2）過壓保護過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然也可能是伴隨其它故障的產生而產生的，如對于負載星形連接且無中性線的電動機，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負載的電壓增大。電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，進而縮短電動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。過壓保護的整定原則是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產生，應進行斷電保護。 本章小結本章從異步電動機的模型入手，首先介紹的異步電動機的基本運行原理，電動機運行時內部的基本電磁關系以及電動機的等效電路圖。然后對異步電動機的典型常見故障的類型以及發(fā)生的原因從理論上進行了深入細致的分析，在此基礎之上，重點分析了造成電動機損壞的電氣原因，分析了電動機對稱故障和不對稱故障的特征并引入了對稱分量法的部分理論。最后，在理論分析基礎之上本文敘述了構成電動機智能保護器的基本原理，并詳細介紹了電動機保護判據(jù)。包括：短路故障、堵轉故障、斷相故障、過載故障 、欠壓和過壓故障特征分析及保護判據(jù)。17第 3 章 電動機保護器硬件電路設計本章將詳細討論電動機智能保護器的硬件電路設計，本論文的硬件系統(tǒng)以STC90C58AD 單片機為核心，并配以外圍電路構成。考慮到電動機智能保護器的應用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設計和芯片選型方面充分考慮了該保護器的實際需要及抗干擾性能。硬件電路的設計是整個系統(tǒng)設計的基礎硬件，設計的好壞不僅直接影響硬件系18統(tǒng)本身功能的實現(xiàn)，而且對以后的軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)有很大的影響。所以硬件電路的設計不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)時更簡單方便。 概述 電動機保護器硬件系統(tǒng)的技術要求電動機智能保護器的工作環(huán)境中通常存在大量的機電設備，這些機電設備在啟動、運行、停止時都會產生大量的電磁干擾。這導致電動機智能保護器的工作環(huán)境復雜，對抗干擾性能要求較高。而且在電動機產生故障時能夠及時準確地發(fā)出保護命令，這就對保護器的硬件電路設計提出如下的要求。(1) 抗高溫、低溫能力強。保護器系統(tǒng)電路中元件的性能會隨溫度變化而變化，在較高溫度或較低溫度時有可能產生誤動作，故保護器系統(tǒng)所有的元器件都應選用工業(yè)級器件。(2) 抗強電磁干擾能力強。繼電器的閉合與斷開，電動機的運行等都會在空間激發(fā)高頻電磁場，產生大量的強電磁干擾，影響電子設備正常運行甚至導致設備失效，因此在進行硬件電路設計時應該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。(3) 處理器運算速度快。由于裝置需要進行大量的數(shù)據(jù)輸入輸出以及數(shù)據(jù)運算，為保證保護器動作的快速性和準確性必須采用運算速度快的微處理器。(4) 采樣精度高。電動機保護器需要實時檢測電動機的運行數(shù)據(jù)，表征電動機狀態(tài)的參量必須得到精確的測量。 保護裝置硬件設計綜述電動機保護的功能最終是通過硬件來實現(xiàn)的，硬件系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到保護器的性能指標。而實際的電動機保護器還不得不考慮成本因素，本文本著低成本、高性能的原則，查閱了大量微控制器資料，通過認真論證比較最終決定以國內宏晶科技推出的基于新一代增強型 8051 內核的 STC90 系列單片機作為核心控制器。電動機智能保護器的硬件系統(tǒng)以 STC90C58 單片機為核心控制器，采用模塊化設計方法，根據(jù)這一思想本裝置主要分成六大模塊：處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤、顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和開關量輸出模塊，系統(tǒng)硬件模塊結構圖如19圖 3．1 所示： 系統(tǒng)框圖 各模塊研究(1)處理器模塊。處理器模塊使用 STC90C58AD 單片機，利用片上 AD 模塊對三相電壓電流以及電動機溫度進行檢測，根據(jù)保護算法進行保護決策。(2)鍵盤、顯示模塊。該模塊是本保護器的人機交互接口，鍵盤主要用來設定電動機的參數(shù)、額定值。顯示器則用來顯示電動機的運行狀態(tài)和報警信息。(3)電源模塊。給微處理器提供標準 5V 電源，給其它模塊提供合適電平的電源。(4)數(shù)據(jù)采集模塊。將電動機的運行參數(shù)經過信號處理和電平變換之右逡入處理器的 AD 轉換模塊。(5) 報警和保護動作執(zhí)行模塊。電動機智能保護器故障報警和保護動作的執(zhí)行通道，可以將微處理器的保護決策送至繼電器、斷路器等電氣設備完成低電壓控制高電壓的工作。(6)通信模塊。將電動機及電動機保護器的狀態(tài)信息送到 PC 機上，便于技術人員實時監(jiān)控和進行歷史數(shù)據(jù)分析。 中央處理模塊處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊電源 報警和保護動作執(zhí)行模塊通信模塊鍵盤顯示模塊20處理器模塊采用 STC90C58AD 單片機。STC90C58AD 單片機是宏晶科技生產的高速／低功耗／超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，但速度快 8～12 倍，內部集成 MAX810 專用復位電路。4 路 PWM，8 路高速十位 AD 轉換器，針對電機控制，強干擾場合。 STC90C58AD 單片機的主要特點（1）增強型 8051 內核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051；（2）工作電壓范圍：(5V 單片機)/(3V 單片機)；（3）工作頻率范圍：040MHz，相當于普通 8051 的 0～80MHz ，實際工作頻率可達 48MHz；（4）片上集成 256+4096 字節(jié) RAM；（5）通用 I/O(35/39 個)，復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口/ 弱上拉；P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻；（6）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（RXD/ ，TXD/ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成；（7）內部集成 MAX810 專用復位電路，增強系統(tǒng)抗干擾性能；（8）共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器.（9）8 路 10 位 A/D 轉換；（10）工作溫度范圍：40～+85 (工業(yè)級)/0～75 （商業(yè)級）；C?C? 處理模塊電路設計根據(jù)前面的分析，控制器處理模塊電路圖設計如圖 所示。21圖 處理模塊硬件電路圖 鍵盤、顯示模塊人機接口是本電動機保護器的重要組成部分，通過它可以實現(xiàn)人機交互，進行電動機參數(shù)設定，顯示電動機運行狀態(tài)以及報警等功能。 鍵盤設計鍵盤是典型的輸入設備，其功能是為了輸入數(shù)據(jù)、命令以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤由選擇鍵和功能鍵組成。本裝置鍵盤采用 2 x 3 矩陣式非編碼鍵盤，共 6 鍵，分別為：（1）1～2 為左鍵（在定制輸入確認鍵按下后作為數(shù)字的減小鍵)和右鍵(在定制輸入確認鍵按下后作為數(shù)字的增大鍵)；（2）3～4 為上下選擇鍵，用于選擇菜單以及在輸入設定數(shù)據(jù)時