电动机综合保护器的设计--毕业论文.pdf

0.4kV 交流电动机综合保护器设计 摘要 交流电动机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻 重的作用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失，因此在分 析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电 动机保护装置己经成为必要。 近年来，随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，各种类型的微控 制器、数字信号处理器、以及其它嵌入式处理器在电动机保护领域得到了 广泛的应用。本文围绕基于微控制器的电动机综合保护装置的研究这一任 务而展开，开发了适用于各种现场环境的交流电机测量、监控、保护一体 化装置。本文的主要研究内容概括如下。 1分析了电动机运行的基本原理、电动机故障特征以及保护原理。 2给出了电动机保护装置的实现方案。本装置可实现以下故障保护： 短路保护、堵转保护、过流保护、不平衡保护、断相保护、过压保护、欠 压保护、漏电保护以及过热保护等功能。 3以STC90C58AD单片机为核心控制器设计了电动机保护硬件单元，并 配以液晶显示器等外围设备构成电动机保护系统。 4在软件系统的设计上，根据STC90C58AD单片机的编程结构特点，采 用模块化编程思想，将系统功能分解成较小的功能模块，然后用子函数和 中断处理函数等实现了电动机保护功能。 最后，通过实验对电动机保护器的可靠性进行检验，实验表明，此电 动机保护器的测量精度，灵敏度以及保护性能均达到了设计要求。 关键词： 电动机保护，单片机，故障诊断，数据采集。 0.4kV 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 become necessary. In recent years, with the microelectronic technology, computer 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 microcontroller-based motor protection device of this task are commenced, the development environment for a variety of on-site AC motor measurement, monitoring, protection integrated devices. The main contents of this paper are summarized below. 1. Of the basic principles of operation of the motor, the motor characteristics and fault protection principle. 2. Gives a motor protection device implementations. The device can achieve the following fault protection: short circuit protection, stall protection, overcurrent protection, unbalance protection, phase protection, overvoltage protection, undervoltage protection, leakage protection, and thermal protection. 3. In STC90C58AD microcontroller as the core controller design with motor protection hardware units, and with liquid crystal displays and other peripherals constitute Motor Protection System. 4. In the design of software systems, based on structural characteristics STC90C58AD microcontroller programming, modular programming ideas, functional decomposition of the system into smaller modules, and then use the subroutine and interrupt handling functions such as to achieve a motor protection. Finally, the motor protection through experiments to test the reliability of the experiment show that this motor protection measurement accuracy, sensitivity and protection performance meet the design requirements. Keywords: motor protection, SCM, fault diagnostics, data acquisition. 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 电动机保护器研究的背景及意义. 1 1.2 电动机保护器的历史和现状. 1 1.2.1 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式. 1 1.2.2 普通电子式电动机保护器. 2 1.2.3 智能型电动机保护器 . 3 1.3 微处理器的发展特点 . 4 1.4 电动机保护器设计的主要工作和论文的各章节安排. 4 第 2 章 电动机保护原理 . 6 2.1 异步电动机的运行原理. 6 2.2 电动机故障分类 . 7 2.3 电动机保护原理分析 . 8 2.4 电动机故障特征分析及保护判据. 9 2.4.1 短路故障特征分析及保护判据. 9 2.4.2 堵转故障特征分析及保护判据 10 2.4.3 断相故障特征分析及保护判据 10 2.4.4 过载故障特征分析及保护判据 12 2.4.5 欠压和过压故障特征分析及保护判据 16 2.5 本章小结 . . 18 第 3 章 电动机保护器硬件电路设计 19 3.1 概述 . . 19 3.1.1 电动机保护器硬件系统的技术要求 19 3.1.2 保护装置硬件设计综述 20 3.1.3 各模块研究 21 3.2 中央处理模块 . . 21 3.2.1 STC90C58AD单片机的主要特点. 21 3.2.2 处理模块电路设计 22 3.3 键盘、显示模块 . . 23 3.3.1 键盘设计 23 3.3.2 显示设计 24 3.4 电源模块 . . 26 3.5 数据采集模块 . . 27 3.6 报警和保护动作执行模块. . 28 3.7 通信模块 . . 29 3.8 本章小结 . . 30 第 4 章 电动机保护器系统软件设计 31 4.1 程序设计语言选择 . . 31 4.2 保护器软件系统整体设计. . 32 4.3 保护器主程序设计 . . 33 4.4 键盘子程序设计 . . 35 4.5 显示子程序设计 . . 36 4.6 定时器及数据采集子程序设计. . 37 4.7 参数调整子程序设计 . . 38 4.8 故障处理子程序设计 . . 41 4.9 系统菜单式操作界面设计. . 41 第 5 章 电动机保护器实验及可靠性验证 42 5.1 电动机保护器测量精度测试实验. . 42 5.2 电动机保护器过流保护实验（分段保护）. . 42 5.3 电动机保护器电压保护实验. . 43 5.4 电动机保护器轻载保护实验. . 44 5.5 电动机保护器实验总结. . 44 第 6 章 总结及展望 45 参考文献 . 46 致谢. 47 附录 1 电动机保护器原理图 错误！未定义书签。 附录 2 电动机保护器 PCB图 错误！未定义书签。 1 第 1 章 绪论 1.1 电动机保护器研究的背景及意义 在重要的工矿企业中， 0.4kV交流电动机作为原动力和执行器，得到了 广泛应运。供电系统 70的电能是通过电动机消耗的。由于交流电机具有 结构简单、制造方便、运行可靠以及价格低廉等优点，因而被广泛应用。 电动机所带的负载种类繁多，且往往是整个设备中的关键部分，因而，电 动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。 在实际的生产环境中，由于电网波动，负载冲击以及外界环境高温、 高湿、粉尘等的影响，导致电动机的安全运行受到很大的威胁。电动机的 故障或不正常运行轻则影响设备功能重则造成设备损坏和其它安全事故， 引起重大的经济损失，电动机保护器的研究就显得十分必要。据有关方面 统计，全国每年电动机损毁数量在300万台以上，仅电动机的维修费用就在 百亿元以上，因电动机不正常工作所造成的耗电量高达数十亿KWh ，间接经 济损失更是数目惊人。而且这一数字还在不断增长。 另外，由于现代电动机设计、生产技术的提高，电动机的体积越来越 小，导致电机内部电流密度显著增加；再加上现代化的生产工艺往往要求 电动机经常在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种状态下切换运 行，电动机出现故障的概率更加难以确定，故障后导致的后果也更加严重。 因此，无论从安全的角度还是从经济的角度来看，电动机保护器的研 究有着深远的意义。 1.2 电动机保护器的历史和现状 1.2.1 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式 热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电动机过 载保护器，是长期以来我国电动机保护器所采取的主要技术方法。 2 这种电动机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成，控制 方式主要分为以下四种： (1) 熔断器一交流接触器一热继电器；(2) 断路器 一交流接触器一热继电器；(3) 熔断器一断路器： (4) 熔断器一断路器一交 流接触器一热继电器。热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装 置。热继电器在电子技术尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品， 利用的是双金属片热效应原理：双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆 合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲 的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就 会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保护基十单片机控制的 电动机保护器设计的目的。 热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点；同时，它也 有一定的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和对轻微 堵转、过载保护欠佳的缺点。由于上述缺点电动机容易长期运行在轻微过 载状态，使电动机绕组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化， 影响电动机使用寿命。另外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定的 分散性，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降， 严重时还会导致误动作。正因为如此，这种传统的电动机保护方法正在被 逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。 1.2.2 普通电子式电动机保护器 从上个世纪七八十年代开始，随着半导体技术、电子技术的发展及广 泛应用，一批的基于分立电子元件和中小规模集成电路的新型电动机保护 产品应运而生。此类保护器从保护取样方式上大致分为电压取样型和电流 取样型。电压取样型电动机保护器主要针对电动机工作电压进行相应的检 测来对电动机进行保护；电流取样型电动机保护器通过对电动机的线电流 的变化检测来对电动机进行保护。我国电子式保护器是由晶体管型发展至 集成电路型，装置功能基本满足电动机保护的要求。但是设计思路的限制 导致这些电动机保护器仍有一些难以克服的缺陷，这主要表现在： 3 a. 精度不高。由于整个保护器是由众多分立元件集合而成，任何一个 元件的性能都回对整个系统产生很大影响。各个元器件之间连线繁杂，在 复杂电磁环境中极易受到干扰，对温度的敏感性也很高，这常常导致保护 器不能正常工作。 b. 无法实现参数存储、通信等功能。受器件功能影响，在由分立元件 构成的电动机保护器上无法实现像参数记录，实时通信这样的高端功能， 这也限制了这类保护器的应用范围。 c. 另外，整个保护装置中的元件、节点众多，大大增加了系统的故障 点，导致保护器调试困难。 1.2.3 智能型电动机保护器 目前，微机化的智能电机保护器开始逐渐取代传统的保护器，成为电 机保护器的主流。智能电机保护器作为一种实时控制装置，要求系统必须 在明确的有界时间范围内，对故障信号做出响应，及时准确地实施保护。 实时性是保护器系统的关键性能，它决定了对电动机故障的检测灵敏度以 及输出保护信号的准时性，直接影响了电动机的安全运行。 随着微电子技术的深入发展，大规模乃至超大规模集成电路成果同新 月异。以微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等为代表的智能 型控制器不断进步，在国民经济的各个领域都取得了重大成果。基于智能 型控制器的电动机保护器与前两种保护方式相比具有先天的优势。这种智 能化电动机保护装置具有处理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各 种非常复杂的算法和各种保护功能；由于能够方便地实现自检测试功能从 而减少了装置的维修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护不正确动作， 提高了保护的可靠性。它可以同时对电动机进行断相、过载、短路、欠压、 三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有显示、通信、故障记录等 功能。智能型电动机保护器正以其优异的性能取得各大原始设备生产商的 青睐，它将是电动机保护器的主要发展方向。 4 1.3 微处理器的发展特点 自第一个微处理器问世以来，微处理器技术水平得到了十分迅速的提 高，从早期的四位机 4004到七十年代末出现的 8位机8051、MC6800 再到现在 32位机、 16位机、8位机多种处理器并举。现在，随着集成电路技术的不断 进步，各种由大规模集成电路芯片构成的微处理器不断涌现。当今微处理 器市场上高端三十二位机与低端的八位机在各自的应用领域大展身手。它 们活跃在我们生活的各个领域，大到大型设备、航空航天设备，小至手机、 家电等等都可以找到它们的身影。 本论文所介绍的电动机保护器所采用的STC90C58AD单片机是宏晶科技 推出的新一代超强抗干扰 / 高速/ 低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051单片机。该单片机片上还有极其丰富的外设资源，这包括 4路外部中断， 8路十位高速 AD 转换器，集成 MAX810 专用复位电路，因此十分适合于电机监 控等相关应用。 1.4 电动机保护器设计的主要工作和论文的各章节安排 本课题的主要目的是研制基于STC90C58MCU的电动机智能保护器， 包括 装置硬件系统的设计、软件系统的开发调试。针对电动机保护装置的发展 方向，结合课题的具体任务，主要做了以下几个方面的工作： (1) 参阅大量文献资料，剖析原有电动机保护装置平台，深入理解电 动机运行的基本原理，掌握电动机运行的特点以及容易出现的问题，明确 电动机智能保护器的设计任务。 (2) 设计保护装置的硬件电路。 设计的重点是处理器模块， 通信模块， 电源模块，键盘模块，显示模块，数据采集模块，开关量模块和保护模块。 (3) 设计保护装置的软件系统。 （4） 通过实验对装置的可靠性进行验证。 根据研究工作的需要，各章节安排如下： 第一章综述课题的目的和意义，电动机保护装置的发展历史和现状， 5 微处理器的发展以及简单介绍了本论文的主要工作。 第二章主要介绍了电动机的基本运行原理，电动机各种故障的特征分 析以及相应的故障判断方法和保护措施。 第三章论述了电动机保护器的硬件系统设计。以微控制器模块为核心， 分别介绍了保护装置的各硬件模块电路设计。 第四章以硬件设计为基础，介绍了电动机保护器的软件设计。 第五章通过试验检测验证了本论文设计的电动机保护器的测量精度， 灵敏度以及保护性能达到了设计要求。 第六章对电动机保护器的设计进行总结以及对其未来发展的展望。 6 第 2 章 电动机保护原理 2.1 异步电动机的运行原理 交流电机分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机，即感应电 机，由于其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，是工农业生产交 通运输等领域的主要动力设备。本论文以异步电动机为例阐述电动机保护 器的设计。 异步电动机的基本运行原理是：三相对称绕组通以三相对称电流就会 产生圆形旋转磁场，该圆形旋转磁场的转速为同步速，转向取决于通电相 序。旋转磁场在闭合的转子绕组中产生感应电流，转子即在电磁力的作用 下做旋转运动，转速小于同步速。 根据电路等效的原理，将电动机的转子侧折算到定子侧，并保持在折 算前后磁势保持不变，电磁功率及损耗保持不变。折算后的电动机等效电 路原理图如图 2.1 所示。 图 2.1 电动机等效电路原理图 其中： Ul 是电动机定子侧线电压， r1，x1 是电动机定子绕组电阻、 电抗，Lm为电动机的励磁电抗， r2 ，x2 是电动机折算到定子侧的转子电 阻、电抗。 7 2.2 电动机故障分类 对电动机来说，其故障形式从机械角度可以分为绕组损坏和轴承损坏 两方面。 造成绕组损坏的主要原因有： (1) 在长时间的电、热、机械和化学作用下，绕组的绝缘老化损坏，定 转子绕组匝间短路或是对地短路。 (2) 电网供电质量差，电源电压三相不平衡、电压波动大、电网电压 波形畸变、高次基于单片机控制的电动机保护器设计谐波严重或者电动机 断相运行。 (3) 电源电压过低使得电动机启动转矩不够，电动机不能顺利启动或 者是在短时间内重复启动，电动机长时间承受过大的启动电流导致电机过 热。 (4) 因机械故障或其它原因造成电动机转子堵转。 (5) 某些大型电机冷却系统故障或是长时间工作在高温高湿环境下造 成电机故障。 造成轴承损坏的原因有很多： (1) 机械负荷太大 (2) 润滑剂不合适 (3) 恶劣工作环境对轴承的损坏 由于本论文主要研究的是通过电气测量手段来检测电动机的运行状 况，并根据实时采集到保护器的数据适时做出保护动作，因此主要分析解 决绕组故障。 从电气角度分析，引起电动机绕组损坏的常见故障分为对称故障和非 对称故障两大类。对称故障主要有：三相短路、堵转、对称过载等，这类 故障对电动机的损坏主要是机械应力和电流增大引起的热效应使绕组发热 甚至烧毁。不对称故障主要有断相、三相不平衡、单相接地、相问短路等， 不对称故障在故障早期没有特别明显的过电流或过热表现，但若不及时查 找故障原因排除故障则可能造成严重后果。当发生对称故障或严重的相间 8 短路故障时，电动机的转子处于堵转状态，绕组电流大，电机发热严重特 别容易烧毁电机。这类故障的主要特征是三相基本对称，但同时出现过电 流，故障的严重程度基本反应在过电流的程度上，因此检测过电流的程度 可作为这类故障的判断依据。对称故障的保护可通过常规的过流保护手段 来实现对于严重的三相短路的保护应该采用快速跳闸；堵转故障的保护应 该采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸，反 时限特性与电动机的温升指数特性相配合。详细情况如表1所示。 表2.1 电动机对称故障 故障类型零序负序过电流其他特征保护特性 对 称 故 障 过载无无（1.2 6）In C III ba 反时限 堵转无无（68）In C III ba 短时限 短路无无（810）In C III ba 速断 当电动机内部绕组发生故障如匝问短路，接地短路等，往往在初期并 不会引起显著的电流增大、电机过热，但若不及时处理就会导致事故扩大， 进而引起电机过热，转自启动力矩降低等一系列问题，严重时可能导致电 动机严重损坏乃至报废。因此，必须实时检测电动机的运行状况，保证及 时发现电动机的运行异常，采取全面有效的保护措施保证电动机的可靠运 行。 2.3 电动机保护原理分析 电动机保护原理的研究是保证电动机智能保护器性能高低的关键，在 参阅了国内外大量文献的基础上，经过认真地研究和比对发现对 “称分量 法”可以对电动机的三相电流进行详细的描述，可以为故障的诊断提供准 确的信息。 根据三相对称分量法的理论， 三个不对称的向量可以唯一分解成三组 对称的向量：正序分量，负序分量和零序分量。各序分量独立存在， 在不 同分量的作用下， 系统的各个元件呈现出不同的特性。对称分量的计算公 9 式如下（以 A相为例） 。 (2.1) 式中， 1A I， 2A I， 0A I分别是 A相电流用对称分量法分解所得的正 序电流、负序电流、零序电流；算子 J120 ea。 由式（ 2.1 ）可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序电流分 量。如果系统采用三角形接法或是中性点不引出的星型接法，三相电流之 和总为零，没有零序电流分量。 根据前面对故障的分析，电动机在发生对称故障和不对称故障时，电 动机的三相电流都会发生变化。 根据这一结论论文对发电机常见故障的保 护措施进行了分析。 2.4 电动机故障特征分析及保护判据 2.4.1 短路故障特征分析及保护判据 电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大短路故障包 括定予绕组的相间短路和一相绕组匝间短路。定子绕组的相间短路是电动 机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显 著下降，影响其它用电设备的正常工作。一相匝间短路是较常见的短路故 障，该故障初期仅表现为三相电流不对称，使故障相的相电流增大，严重 的情况会导致匝间线圈绝缘全部烧毁，使电动机的一相绕组全部短接此 时，负载星形联接的非故障相将承受线电压，负载三角形联接的将产生相 间短路，这会使电动机遭受严重损坏 电动机相间短路故障最明显的特征是三相供电线路的故障相会出现大 电流，危害性很大，应进行速断保护。短路保护的整定值应大于电动机最 10 大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8lO倍。在进行短路保护时， 通过检测电动机 A，B，C 三相线电流来实现，超过整定值后，直接进行断电 保护 设 max I为检测到电动机三相电流 cba III，的最大值，即 （2.2 ） 短路保护的原则是，当在很短的时限内检测到 eZD kIIImax（k 为 短路过流倍数，一般取810， e I 为电动机额定线电流）时，就认为电动 机有短路故障，应进行速断保护。 2.4.2 堵转故障特征分析及保护判据 电动机因机械原因、负荷过大等转子被卡死或低速运转而进入堵转状 态时，会造成过热而烧坏。电动机堵转是最轻的对称短路故障，也是最严 重的过载故障。堵转电流一般可以达到电动机额定电流的47倍，这么高 的故障电流极易把电动机烧损。因此在检测到电动机处于堵转故障时，保 护系统应及时动作，保证电动机不因堵转而烧坏 堵转保护信号可取自于电动机线电流，当线电流超过堵转电流整定值， 并达到整定时限时，立即进行断电保护。堵转保护的电流整定值一般可取 电动机的稳定启动电流，即额定电流的47倍。 由于电动机起动电流也能达到额定电流的47倍，为区分电动机的堵 转故障与正常启动，保护算法上要能够判别电动机是起动时间内还是在起 动时间后，一般采用躲过电动机起动时间(816秒) 的方法来实现。从而可 有效地躲过电动机的起动电流，以免误动作，使电动机无法正常启动。 2.4.3 断相故障特征分析及保护判据 电动机断相故障是最常见、最严重的一种不对称故障。电动机对称运 行时，其转轴所受到的转矩平稳，没有振动。当电动机绕组断相，启动电 动机时就会有嗡嗡声而不能启动。根据对称分量法，电动机断相运行时的 ），（ C IIII bamax max 11 三相不对称电流可分解为正序、负序和零序电流。正序电流产生正向转矩， 负序电流产生反向制动转矩，零序电流增加损耗。带动同样负载的正向转 矩要克服负载转矩和由负序电流产生的反向制动转矩，因此电动机负担加 重，电流剧增，引起损耗增加，导致电动机烧损。 根据电动机定子绕组的不同接法，断相故障电流表现也不同， 详见表 2.2 所示，其中： S I电动机正常启动电流； CBA III,电动机线电流； e I 电动机额定线电流； e 。 I电动机额定相电流； CBAIII 。 ,电动机定予绕组相电流。 表 2.2 电动机断相故障电流表值 由表2.2 分析可以看出，电动机断相故障主要有三类情况：当电动机 绕组以Y形连接时，无论断相发生在线路上或者绕组内部，故障相的线电流 均为零；对于形连接的电动机，发生外部线路断相时，故障相的线电 流为零；若形连接的电动机发生绕组内部断相时，电动机故障相的相 电流为零，但线电流不为零。 根据以上分析，断相故障出现后，电动机的线电流不平衡，因此可以 通过检测线电流来作为断相故障的信号源。由于断相故障类型不同，线电 12 流表现也各异，因此保护判据也不一样。通常有以下方法： (1) 对于前两种情况可以通过在一定时限内检测电动机线电流是否为 零的方法来实现，即对某相电流一个周波内连续采样n点的瞬时值均为零， 或通过计算某相电流的有效值为零，则为断相故障； (2) 对于第种断相故障， 可以通过检测不对称电流计算出正序、负序、 零序电流。通过负序电流来反映断相等不平衡故障。实际上对于第类断 相故障可以通过计算得出 A相的正、负序电流有如下关系： e 2 3 3 2 3 1 IIIIICBAA）（ 。 （2.3 ） e 2 3 3 1 3 1 IIIIICBAA）（ 。 （2.4 ） 即2/AAII 。 ，因此可以通过正、负序电流的这个比值来判断电动机的第 类断相故障。 2.4.4 过载故障特征分析及保护判据 电动机过载也称过负荷，是指电动机正常运行中因负荷过大所引起的 过热现象。其突出特点是电动机的工作电流大于额定电流，温升高于额定 值，如果电动机长时间过载运行会引起电动机绕组过热而烧损。电动机过 载运行主要由以下几种原因造成： (1) 负荷增加：(2) 机械设备故障或未安装好； (3) 电动机本身机械故障； (4) 电动机容量选择偏小； (5) 电动机修理时绕组线径选择偏小；(6) 双机拖 动负荷分配不均； (7) 电动机端电压过低等。 a电动机温升特性 电动机定子绕组温度高出周围环境温度的值称为温升。电动机温升特 性的数学模型是推导电动机容许过载特性数学模型的基础性工作，是电动 机反时限过载保护的理论基础，有利于分析电动机定子绕组的发热特点。 电动机在运行过程中能量损耗主要有铜损、铁损和机械损耗，它们会 转变为热量，一部分通过机体散失到周围空气中，一部分积存在机体中加 13 热电动机，使其温度上升，最终超过环境温度。 电动机是由多种材料组成的非均质发热体，其发热情况比较复杂。但 实际测定表明，电动机的发热曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差 别。为了便于计算和分析，一般将电动机认为是一个均质发热体，且忽略 电动机的铁损和机械损耗，即电动机的温升主要取决于其铜损。因此，依 据均质固体发热理论，异步电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡微分方 程为： dtdrdtdt 2 e 2 SCGIIQ）（2.5 ） 式中： Q 定子物体每秒钟内所产生的热量(W)； I 电动机过载状态下的定子电流(A) ； e I 电动机额定定子电流 (A) ； r 电动机定子绕组电阻 () ； C定子物体材料的比热，即使lkg 物体温度升高 1C所需的热量 (J/Kg ·C)； G 定子物体的质量 (kg) ； 散热系数，即每平方米表面每度温差、每秒时间内所散发的 热量焦耳数 (W 2 m·C) ； S散热表面积 ( 2 m) ； 定子绕组温升 (C) 。 式(2.5) 左边是在时间间隔 dt 中，定子绕组由于过负荷而发出的热量 Qdt。右边CGd 是电动机温度升高 d度所吸收的热量，S dt 是dt 时间内 散失在周围介质中的热量。式(2.5) 为一阶线性微分方程，其通解为： t CG S A S Q e（2.6 ） 式中A待定常数， 由初始条件0 0t 确定，即认为负荷不变化时， 定子绕组温度与周围介质的温度相等，初始温升为零。将初始条件代入式 14 (2.6) 得出待定常数 A为: S rII S Q A e) ( 22 将A代入式（ 2.6 ）可得 ）（ t CG S e e S rII 1 )( 22 （2.7 ） 这就是异步电动机的温升数学模型，其特性曲线如图2.2 所示。 图2.2 电动机过负荷运行时温升特性 电动机的温升特性曲线可以用如下原理来解释：当时间t=O时，电动机 的温度与环境温度相同，两者之间不存在热传导，这时电动机产生的全部 损耗都用来提高电机的温度，所以电机温度上升很快。随着电动机温度上 升的增加，它与周围介质的温度差越来越大，散发到周围介质中的热量也 逐渐增加，温升增加变慢，直到散热量等于发热量时，电动机的温度就不 再升高，它所产生的全部热量散发到周围介质中，即达到稳定温升。 b电动机反时限过载保护特性 对式(2.7) 中的指数项进行泰勒级数展开，取前两项可得： 15 t CG S e t CG S 1（2.8 ） 将式（ 2.8 ）代入式（ 2.7 ）并整理可得 11)/( t 222 e T II T (2.9) 式中： e II /称为电动机的过载倍数 rI CG T e 2 为一常数，若电动机的最大容许温升为 max，则式（ 2.9 ）为 1 1 · 1 22 max 2 rI CGT t e （2.10） 式（2.10）反应了电动机过载倍数与电动机容许过载时间 t 的关系， 即ft，我们把这种关系称为电动机的容许过载特性，如图2.3 曲线1 所示。从图中可以看出，电动机过载倍数越大，其容许过载时间就越短， 即呈现反时限特性。 图2.2 电动机过载保护特性曲线 1电动机容许过载特性；2定时限过载保护特性； 3阶段式定时限过载保护特性；4反时限过载保护特性； 16 电动机在设计时往往留有一定余量，因此电动机可以容许有一定的短 时过载能力。其实在实际生产中，电动机负载往往会有一定的波动，这也 要求电动机具有一定短时过载能力，不会因短时过载而停机，影响正常生 产。 电动机过载保护动作时问t 与过载倍数的关系称为电动机过载保护 特性。设计过载保护特性时，要充分利用电动机本身的过载能力，不要因 为电动机一过载就立即进行保护，频繁的断电保护将影响正常生产，这样 的保护也就失去意义了。图 2.2 中可以看出，定时限过载保护和阶段式定时 限过载保护都不能像反时限过载保护特性那样充分利用电动机的过载能 力，因此在设计过载保护特性时应具有优良的反时限特性。 c电动机反时限过载保护的实现 对于图 2.4 中曲线 4所表示的连续的反时限过载保护特性，可以通过取 有限个有代表性的特征点来实现，即对电动机过载区间划分为若干个子过 载区间，对于每一个子过载区间采用定时限的保护方法来实现，如表2.3 所 示。 表2.3 某电动机反时限过载保护的分段式实现 过 流 反 时 限 保 护 e / II 动作时间 t/s （具体可设定为某一列） 2 .160 120 180 120 300 31.148 96 144 192 220 38.1 36 72 120 168 200 44.1 24 60 96 120 180 50.18 20 30 40 60 0.26 10 20 30 40 0 .30.4 7 14 20 25 2.4.5 欠压和过压故障特征分析及保护判据 根据三相异步电动机的电磁转矩公式： 17 2 20 2 2 2 12 )s( s XR UR KT 式中:T电磁转矩 K 常数 1 U 定子电压 202 XR ，电动机转子电阻和启动感抗 s 转差率 电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电 动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流变化，从而影响到电 动机正常运行。 a欠压保护 在电动机负载和转子电阻一定的条件下，电网电压降低时，电磁转矩 下降，电动机转速下降，旋转磁场对转子的相对转速增大，磁通切割转子 导条的速度增大，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将 增大。和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大乜”， 温升增高。如果电动机长时间在低电压工作会使电动机过热甚至烧坏，严 重时还会造成堵转。低电压也会使电动机起动转矩下降，当电压降低到能 使起动转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。 电动机要不要装设欠压保护有一定原则。对电源电压短时降低或短时 中断后又恢复需要自动起动的重要电动机，不装设低压保护。下列电动机 一般需装设欠压保护： (1) 当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时， 为保证重要电动机自启动而需要断开的次要电动机；(2) 电源电压短时降低 或短时中断后，根据生产或工艺的要求，不允许或不需要自启动的电动机； (3) 需要自启动，但为保证人身和设备的安全，在电源电压长时间消失后， 需从电网中自动断开的电动机。 欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低 于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护 18 b过压保护 过电压一般是由电网电压波动造成的，当然也可能是伴随其它故障的 产生而产生的，如对于负载星形连接且无中性线的电动机，如果定子绕组 一相短路，会造成其它两相负载的电压增大。 电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，进而缩 短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。 过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高 于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。 2.5 本章小结 本章从异步电动机的模型入手，首先介绍的异步电动机的基本运行原 理，电动机运行时内部的基本电磁关系以及电动机的等效电路图。然后对 异步电动机的典型常见故障的类型以及发生的原因从理论上进行了深入细 致的分析，在此基础之上，重点分析了造成电动机损坏的电气原因，分析 了电动机对称故障和不对称故障的特征并引入了对称分量法的部分理论。 最后， 在理论分析基础之上本文叙述了构成电动机智能保护器的基本 原理，并详细介绍了电动机保护判据。包括：短路故障、堵转故障、断相 故障、过载故障、欠压和过压故障特征分析及保护判据。 19 第 3 章 电动机保护器硬件电路设计 本章将详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本论文的硬件系 统以STC90C58AD单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑到电动机智能 保护器的应用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分 考虑了该保护器的实际需要及抗干扰性能。 硬件电路的设计是整个系统设计的基础硬件，设计的好坏不仅直接影 响硬件系统本