【正文】 小功率交流電動機綜合保護器設(shè)計 摘 要 交流電 動 機是一種應(yīng)用最廣泛的動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用 ，但是其高故障率對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，因此在分析傳統(tǒng)電動機保護裝置不盡完善的基礎(chǔ)上，研制功能完善、可靠性高的電動機保護裝置己經(jīng)成為必要。 近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種類型的微控制器、數(shù)字信號處理器、以及其它嵌入式處理器在電動機保護領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文的主要研究內(nèi)容概括如下。 2．給出了電動機保護裝置的實現(xiàn)方案。 3．以 STC90C58AD單片機為核心控制器設(shè)計了電動機保護 硬件 單元，并配以液晶顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成電動機保護系統(tǒng)。 最后 ，通過實驗對 電動機保護器 的可靠性 進行 檢驗 ， 實驗表明，此 電動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能均達到了設(shè)計要求。供電系統(tǒng) 70％的電能是通過電動機消耗的。電動機所帶的負載種類繁多，且往往是整個設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動機的安全、穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。電動機的故障或不正常運行輕 則影響設(shè)備功能重則造成設(shè)備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟損失，電動機保護器的研究就顯得十分必要。而且這一數(shù)字還在不斷增長。 因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟的角度來看，電動機保護器的研究有著深遠的意義。 這種電動機保護器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成，控制方式主要分為以下四種： (1)熔斷器一交流接觸器一熱繼電器； (2)斷路器一交流接觸器一熱繼電器；(3)熔斷器一斷路器： (4)熔斷器 一斷路器一交流接觸器一熱繼電器。熱繼電器在電子技術(shù)尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應(yīng)原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 程度和電流的大小成正比，當(dāng)電流超過熱繼電器整定電流的一定時間就會啟動其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達到保護基十單片機控制的電動機保護器設(shè)計的目的。由于上述缺點電動機容易長期運行在輕微過載狀態(tài)，使電動機繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動機使用壽命。正因為如此，這種傳統(tǒng)的電動機保護方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它的身影。此類保護器從保護取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流取樣型。我國電子式保護器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動機保護的要求。由于整個保護器是由眾多分立元件集合而成，任何一個元件的性能都回對整 個系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。 b. 無法實現(xiàn)參數(shù)存儲、通信等功能。 c. 另外，整個保護裝置中的元件、節(jié)點眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點，導(dǎo)致保護器調(diào)試困難。智能電機保護器作為一種實 時控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時間范圍北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 內(nèi)，對故障信號做出響應(yīng)，及時準確地實施保護。 隨著微電子技術(shù)的深入發(fā)展，大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路成果同新月異?；谥悄苄涂刂破鞯碾妱訖C保護器與前兩種保護方式相比具有先天的優(yōu)勢。它可以同時對電動機進行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進行保護。智能型電動機保護器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動機保護器的主要發(fā)展方向?，F(xiàn)在，隨著集成電路技術(shù)的不斷進步，各種由大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的微處理器不斷涌現(xiàn)。它們活躍在我們生活的各個領(lǐng)域，大到大型設(shè)備、航空航天設(shè)備，小至手機、家電等等都可以找到它們的身影。該單片機片上還有極其豐富的外設(shè)資 源，這包括 4 路 外部中斷 ， 8 路十位高速 AD 轉(zhuǎn)換器，集成 MAX810 專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用 。針對電動機保護裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 具體任務(wù)，主要做了以下幾個方面的工作： (1) 參閱大量文獻資料，剖析原有電動機保護裝置平臺，深入理解電動機運行的基本原理，掌握電動機運行的特點以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動機智能保護器的設(shè)計 任務(wù)。設(shè)計的重點是處理器模塊，通信模塊，電源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量模塊和保護模塊。 （ 4） 通過實驗對裝置的可靠性進行驗證。 第二章主要介紹了電動機的基本運行原理，電動機各種故障的特征分析以及相應(yīng)的故障判斷方法和保護措施。以微控 制器模塊為核心，分別介紹了保護裝置的各硬件模塊電路設(shè)計。 第五章 通過試驗檢測驗證了本論文設(shè)計的電動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能達到了設(shè)計要求。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 電動機保護原理 異步電動機的運行原理 交流電機分為異步電動機和同步電動機，其中異步電動機，即感應(yīng)電機，由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的主要動力設(shè)備。 異步電動機的基本運行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。 根據(jù)電路等效的原理，將電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢保持不變，電磁功率及損耗保持不變。 圖 電動機等效電路原理圖 其中： Ul 是電動機定子側(cè)線電壓， r1， x1 是電動機定子繞組電阻、電抗， Lm 為電動機的勵磁電抗， r2， x2 是電動機折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻、電抗。 造成繞組損壞的主要原因有： (1)在長時間的電、熱、機械和化學(xué)作用下，繞組的 絕緣老化損壞，定轉(zhuǎn)子繞組匝北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 間短路或是對地短路。 (3) 電源電壓過低使得電動機啟動轉(zhuǎn)矩不夠，電動機不能順利啟動或者是在短時間內(nèi)重復(fù)啟動，電動機長時間承受過大的啟動電流導(dǎo)致電機過熱。 (5)某些大型電機冷卻系統(tǒng)故障或是長時間工作在高溫高濕環(huán)境下造成電機故障。 從電氣角度分析，引起電動機繞組損壞的常見故障分為對稱故障和非對稱故障兩大類。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問短路等，不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，但若不及時查找故障原因排除故障則可 能造成嚴重后果。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，故障的嚴重程度基本反應(yīng)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)。詳細情況如表 1 所示。因此，必須實時檢測電動機的運行狀況，保證及時發(fā)現(xiàn)電動機的運行異常，采取全面有效的保護措施保證電動機的可靠運行。 根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個不對稱的向量可以唯一分解成三組對稱的向量：正序分量，負序分量和零序分量。對稱分量的計算公式如下（以 A 相為例）。 由式 （ ） 可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時才有零序電流分量。 根據(jù)前面對故障的分析，電動機在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時，電動機的三相電流都會發(fā)生變化。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 電動機故障特征分析 及保護判據(jù) 短路故障特征分析及保護判據(jù) 電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，危害性很大．短路故障包括定予繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接．此時，負載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電 動機遭受嚴重損壞． 電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進行速斷保護。在進行短路保護時，通過檢測電動機 A， B， C 三相線電流來實現(xiàn)，超過整定值后，直接進行斷電保護． 設(shè) maxI 為檢測到電動機三相電流 cba III ， 的最大值，即 （ ） 短路保護的原則是，當(dāng)在很短的時限內(nèi)檢測 到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數(shù)，一般取 8～ 10， eI 為電動機額定線電流）時，就認為電動機有短路故障，應(yīng)進行速斷保護。電動機堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴重的過載故障。因此在檢測到電動機處于堵轉(zhuǎn)故障時，保護系統(tǒng)應(yīng)及時動作，保 證電動機不因堵轉(zhuǎn)而燒壞． 堵轉(zhuǎn)保護信號可取自于電動機線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。 ），（ CIIII bam a x m a x?北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 由于電動機起動電流也能達到額定電流的 4～ 7 倍，為區(qū)分電動機的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，一般采用躲過電動機起動時間 (8～ 16 秒 )的方法來實現(xiàn)。 斷相故障特征分析及保護判據(jù) 電動機斷相故 障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。當(dāng)電動機繞組斷相，啟動電動機時就會有嗡嗡聲而不能啟動。正 序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負序電流產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗 。 根據(jù)電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表 所示，其中： SI — 電動機正常啟動電流； CBA III , — 電動機線電流； eI — 電動機額定線電流； e。 , — 電動機定予繞組相電流。 根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。通常有以下方法： (1)對于前兩種情況可以通過在一定時限內(nèi)檢測電動機線電流是否為零的方法來實現(xiàn)，即對某相電流一個周波內(nèi)連續(xù)采樣 n 點的瞬時值均為零，或通過計算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對于第③種斷相故 障，可以通過檢測不對稱電流計算出正序、負序、零序電流。實際上對于第③類斷相故障可以通過計算得出 A 相的正、負序電流有如下關(guān)系： e2 33231 IIIII CBAA ????? ）（。 ?? （ ） 即 2/ ??? AA II 。 過載故障特征分析及保護判據(jù) 電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行中因負荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。電動機過載運行主要由以下幾種原因造成： (1)負荷增加： (2)機械設(shè)備故障或未安裝好； (3)電動機本身機械故障； (4)電動機容量選擇偏??； (5)電動機修理時繞組線徑選擇偏小； (6)雙機拖動負荷分配不均； (7)電動機端電壓過低等。電動機溫升特性的數(shù)學(xué)模北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 型是推導(dǎo)電動機容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點。 電動機是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質(zhì)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。 C? )； G—— 定子物體的質(zhì)量 (kg)； ? —— 散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、每秒時間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W／ 2m 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。式 ()為一階線性微分方程，其通解為 ： tCGSASQ ??? ??? e （ ） 式中 A—— 待定常數(shù)，由初始條件 00 ??t? 確定，即認為負荷不變化時，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。 圖 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)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(dǎo)，這時電動機產(chǎn)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。 （ 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 ： tCGSe tCGS ?? ??1 （ ） 將式（ ）代入式（ ）并整理可得 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 11)/(t 222e ???? ? TII T () 式中： eII/?? 稱為電動機的過載倍數(shù) rICGT e2??為一常數(shù)，若電 動機的最大容許溫升為 max? ，則式（ ）為 11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。其實在實際生產(chǎn)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(chǎn)。設(shè)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(chǎn)，這樣的保護也就失去意義了。 （ 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。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)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。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大， 定子電流必然相應(yīng)增大乜