【正文】 設(shè)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。1 22m a x2 ???? ??? rI CGTt e （ ） 式（ ）反應(yīng)了電動機過載倍數(shù) ? 與電動機容許過載時間 t的關(guān)系，即 ? ??f?t ，我們把這種關(guān)系稱為電動機的容許過載特性，如圖 1所示。隨著電動機溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)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(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達到穩(wěn)定溫升。將初始條件代入式 ()得出待定常數(shù)北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 A 為 : S rIISQA e?? )( 22 ????? 將 A代入式（ ）可得 ）（ tCGSe eS rII ??? ??? 1)( 22 （ ） 這就是異步電 動機的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖 。 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(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。 C? )； S—— 散熱表面積 ( 2m )； ? —— 定子繞組溫升 ( C? )。因此，依據(jù)均質(zhì)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： dtdr d tdt 2e2 ??? SCGIIQ ???? ）（ （ ） 式中： Q—— 定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量 (W)； I—— 電動機過載狀態(tài)下的定子電流 (A)； eI —— 電動機額定定子電流 (A)； r—— 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 C? 所需的熱量 (J/Kg但實際測定表明，電動機的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別 。 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(zhuǎn)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。 （ 1） 電動機溫升特性 電動機定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱 為溫升。其突出特點是電動機的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機長時間過載運行會引起電動機繞組過熱而燒損。， 因此可以通過正、負序電流的這個比值來判斷電動機的第③類斷相故障。 ?? （ ） e2 33131 IIIII CBAA ????? ）（。通過負序電流來反映斷相等不平衡故障。由于斷相故障類型不同，線電流表現(xiàn)也各異，因此保護判據(jù)也不一樣。 表 22 電動機斷相故障電流表值 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 由表 分析可以看出，電動機斷相故障主要有三類情況：①當電動機繞組以 Y形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對于△形連 接的電動機，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時，電動機故障相的相電流為零，但線電流不為零。I — 電動機額定相電流； CBA III 。帶動同樣負載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負載轉(zhuǎn)矩和由負序電流產(chǎn)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機負擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動機燒損。 根據(jù)對稱分量法，電動機斷相運行時的三相不對稱電流可分解為正序、負序和零序電流。電動機對稱運行時，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)， 沒有振動。從而 可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。堵轉(zhuǎn)保護的電流整定值一般可取電動機的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的 4～ 7 倍。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達到電動機額定電流的 4～ 7 倍，這么高的故障電流極易把電動機燒損。 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護判 據(jù) 電動機因機械原因、負荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運轉(zhuǎn)而進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。短路保護的整定值應(yīng)大于電動機最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機額定電流的 8～ lO 倍。定子繞組的相間短路是電動機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。根據(jù)這一結(jié)論論文對發(fā)電機常見故障的保護措施進行了分析。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點不引出的星型接法，三相電流之和總為零，沒有零序電流分量。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A 相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負序電流、零序電流；算子 J120ea? 。 各序分量獨立存在，在不同 分量的作用下，系統(tǒng)的各個元件呈現(xiàn)出不同的特性。 電動機保護原理分析 電動機保護原理的研究是保證電動機智能保護器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認真地研究和比對發(fā)現(xiàn)對 “ 稱分量法 ” 可以對電動機的三相電流進行詳細的描述，可以為故障的診斷提供準確的信息。 表 21 電動機對稱故障 故障類型 零序 負序 過電流 其他特征 保護特性 對 稱 故 過載 無 無 （ ～ 6） In CIII ?? ba 反時限 堵轉(zhuǎn) 無 無 （ 6～ 8） In CIII ?? ba 短時限 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 障 短路 無 無 （ 8～ 10） In CIII ?? ba 速斷 當電動機內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問短路，接地短路等，往往在初期并不會引起顯著的電流增大、電機過熱，但若不及時處理就會導(dǎo)致事故擴大，進而引起電機過熱，轉(zhuǎn)自啟動力矩降低等一系列問題 ，嚴重時可能導(dǎo)致電動機嚴重損壞乃至報廢。對稱故障的保護可通過常規(guī)的過流保護手段來實現(xiàn)對于嚴重的三相短路的保護應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護應(yīng)該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時限跳閘或反時限跳閘，反時限特性與電動機的溫升指數(shù)特性相配合。當發(fā)生對稱故障或嚴重的相間短路故障時，電動機的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機發(fā)熱嚴重特別容易燒毀電機。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對稱過載等，這類故障對電動機的損壞主要是機械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀。 造成軸承損壞的原因有很多： (1)機械負荷太大 (2)潤滑劑不合 適 (3)惡劣工作環(huán)境對軸承的損壞 由于本論文主要研究的是通過電氣測量手段來檢測電動機的運行狀況，并根據(jù)實時采集到保護器的數(shù)據(jù)適時做出保護動作，因此主要分析解決繞組故障。 (4) 因機械故障或其它原因造成電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。 (2) 電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電源電壓三相不平衡、電壓波動大、電網(wǎng)電壓波形畸變、高次基于單片機控制的電動機保護器設(shè)計諧波嚴重或者電動機斷相運行。 電動機故障分 類 對電動機來說，其故障形式從機械角度可以分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。折算后的電動機等效電路原理圖如圖 所示 。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速小于同步速。本論文以異步電動機為例闡 述電動機保護器的設(shè)計。 第六章 對電動機保護器的設(shè)計進行總結(jié)以及對其未來發(fā)展的展望。 第四章以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了電動機保護器的軟件設(shè)計。 第三章論述了電動機保護器的硬件系統(tǒng)設(shè)計。 根據(jù)研究工作的需要，各章節(jié)安排如下： 第一章綜述課題的目的和意義，電動機保護裝置的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，微處理器的發(fā)展以及簡單介紹了本論文的主要工作。 (3) 設(shè)計保護裝置的軟件系統(tǒng)。 (2) 設(shè)計保護裝置的硬件電路。 電動機保護器設(shè)計 的主要工作和論文的各章節(jié)安排 本課題的主要目的是研制基于 STC90C58MCU 的電動機智能保護器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。 本論文所介紹的電動機保護器所采用的 STC90C58AD 單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾 /高速 /低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機。當今微處理器市場上高端三十二位機與低端的八位機在各自的應(yīng)用領(lǐng)域大展身手。 微處理器的發(fā)展特點 自第一個微處理器問世以來，微處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，從早期的四位機 4004 到七十年代末出現(xiàn)的 8 位 機 805 MC6800 再到現(xiàn)在 32 位機、 16 位機、8 位機多種處理器并舉。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。這種智能化電動機保護裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點， 可以實施各種非常復(fù)雜的算法和各種保護功能；由于能夠方便地實現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護不正確動作，提高了保護的可靠性。以微控制器、數(shù)字信號處理器、可編程邏輯控制器等為代表的智能型控制器不斷進步，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都取得了重大成果。實時性是保護器系統(tǒng)的關(guān)鍵性 能，它決定了對電動機故障的檢測靈敏度以及輸出保護信號的準時性，直接影響了電動機的安全運行。 智能型電動機保護器 目前，微機化的智能電機保護器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護器，成為電機保護器的主流。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動機保護器上無法實現(xiàn)像參數(shù)記錄，實時通信這樣的高端功能，這也限制了這類保護器的應(yīng)用范圍。各個元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護器不能正常工作。但是設(shè)計思路的限制導(dǎo)致這些電動機保護器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在： a. 精度不高。電壓取樣型電動機保護器主要針對電動機工作電壓進行相應(yīng)的檢測來對電動機進行保護；電流取樣型電動機保護器通過對電動機的線電流的變化檢測來對電動機進行保護。 普通電子式電動機保護器 從上個世紀七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批的基 于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動機保護產(chǎn)品應(yīng)運而生。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動作曲線與電動機實際保護曲線不協(xié)調(diào)，使電動機有效功率下降，嚴重時還會導(dǎo)致誤動作。 熱繼電器具有反時限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點；同時，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后 效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護時滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護欠佳的缺點。熱繼電器是用于保護電動機因過載引起過電流的裝置。 電動機保護 器 的歷史和現(xiàn)狀 以熔斷器、熱繼電器為主的機械式保護方式 熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進技術(shù)開發(fā)的金屬片機械式電動機過載保護器，是長期以來我國電動機保護器所采取的主要技術(shù)方法。 另外，由于現(xiàn)代電動機設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動機的體積越來越小，導(dǎo)致電機內(nèi)部電流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動機經(jīng)常在頻繁的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)以及變負荷等多種狀態(tài)下切換運行，電動機出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴重。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，全國每年電動機損毀數(shù)量在 300 萬臺以上，僅電動機的維修費用就在百億元以上，因電動機不正常工作所造成的耗電量高達數(shù)十億 KWh，間接經(jīng)濟損失更是數(shù)目驚人。 在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導(dǎo)致電動機的安全運行受到很大的威脅。由于交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠以及價格低廉等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 電動 機保護 ； 單片機 ；故障診斷； 數(shù)據(jù)采集 2021 屆 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文） AC motor integrated protection design Abstract AC motor is the most widely used power equipment, in the national economy plays an important role, but its high failure rate on the industrial and agricultural production caused huge economic losses, so the analysis of traditional motor protection devices are not perfect on the basis of , developed functional, highly reliable motor protection devices have bee necessary. In recent years, with the microelectronic technology, puter technology, the rapid development of various types of microcontrollers, digital signal processors, embedded processors and other protected areas in the motor has been widely applied. This paper focuses on a microcontrollerbased motor protection device of this task are menced, the development environment for a variety of onsite AC motor measurement, mo