硕士论文-基于单片机的电动机过载保护技术的研究

硕士论文-基于单片机的电动机过载保护技术的研究内容摘要：

有 近 50 种规格。 在 电动机的断相、过载、欠载、三相不平衡、 逆相、堵转、漏电、接地和短路 等故障中发挥着重要作用 [2， 6]。 由于采用了集成电路和电子元器件，电子式过载保护继电器相比于传统的热继电器 动作速度快，精度和灵敏度高；可靠性好，不会出现拒动或误动。 80 年代末，随着微处理 器 技术的发展，国外一些发达国家开始研制以单片机为核心的电动机过载保护继电器。 德国西门子公司 研制的 3UB1 系列继电器 率先用单片机来完成对负载电流的采样、比较和选择工作点，从而对电动机进行可靠的保护 [7, 8]。 这种继电器能提供过载、 断相和三相电流不平衡保护。 此外，日本富士公司的具有过载、断相和反相保 护的 QA 系列继电器，美国 ABB 公司的 SPEM 继电器 在 过载、三相电流不平衡、断电保护和自我监控等 方面均具有完善的 功能 [9]。 基于单片机的电动机过载保护技术的研究 4 我国在新型 过载保护继电器研究方面起步较晚，开始于 80 年代中期。 不过进入 90 年代，越来越多的国内生产厂家涉足该领域， 将先进的技术运用到继电器的研究中， 不断创新 ，使其智能化水平不断提高。 例如济南中兴电器公司研制 GDH30 系列电动机保护器采用微处理器作为核心部件，对信息的采集、处理、显示全部自动化，性能稳定、可靠，显示直观、准确，具有过流、缺相、三相不平衡、堵转等保护功能，另有故障预报警、 各项参数可设定等辅助功能 [10]。 南京建威科技公司研制的 KSL521系列智能电动机保护控制装置主要应用于 690V 以下低压电动机控制系统，对电动机的过载、短路、长延时起动、堵转、欠压、过压等故障予以保护，并集合三相电量检测、显示、数字输入 /输出和网络通讯于一身，实现数据的远方管理及“四遥”功能。 此外， 苍南三维仪表有限公司 研制生产的典型产品DZJ 系列电动机智能监控器 均是在 综合保护技术的基础上发展起来的 [2]。 新型的 智能化保护装置 运用微电子技术和计算机技术，将电动机运行状态的测量、保护、通信集成于一体，使其可 以选择最佳模式进行控制与保护，实现与中央控制器的双向通信，提高控制系统的信息化、自动化程度， 有效的实现电动机的保护。 具有功能强大、集成度高、反应灵敏、动作准确、误差率低等优点， 智能化保护继电器已成为 21 世纪重要的 发展 趋势 [6]。 167。 14 本文的研究 内 基于微处理器技术、计算机技术和通信技术的成熟程度和应用的广泛度， 同时在借鉴国内外相关资料的基础上， 本文提出 了利用单片机实现电动机的过载保护。 微处理器具有强大的计算能力、逻辑分析能力、记忆能力和通信能力 ，借助于这些优点设计出来的电动机过载保护装置，不仅可以为电 动机提供更加可靠灵活的保护，还可以提高工业生产的自动化水平。 本课题的研究内容有如下几方面： （ 1） 分析电动机过载 的原因和 保护装置的 工作原理 ； （ 2） 分析过载保护算法和模型； （ 3） 设计以单片机 89S52 为主控芯片的电动机保护装置 设计 ， 其中 还 包括： 数据采集 模块 、 时钟和计时模块 、 报警和显示电路； （ 4） 利用汇编语言实现 软件 的设计。 采用模块化分别设计，分 为主控电路程序 、 数据采集处理部分子程序 、 报警中断 显示 子程序等几部分。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章 电动机保护 原理 电动机的故障通常可分为两大类：对称故障和不对称故障。 （ 1） 对称故障 主要包括 对称 过载、堵转、三相短路等， 主要特征是三相电流基本对称但电流幅值增大， 由此引起的热效应 和机械应力 是造成电动机损害的主要原因 [11,12]，因此以过流程度作为这类故障的判定依据：过载时电流一般是额定电流的 ～ 5 倍；堵转时是 5～ 7 倍额定电流；三相短路时电流大约为 8～ 12 倍 ； （ 2） 不对称故障 主要有断相、相间短路、 三相 不平衡 运行、 单相接地 等， 在故障早期没有特别明显的过电流或过热表现，主要 特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。 根据对称分量法分析，负序分量和零序分量在电动机正常运行时没有 或很小，一旦出现必然表示发生了不对称故障。 因此利用电流中的负序分量和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性。 167。 21 对称分量法 对称分量法是一种基于电工基础的叠加原理的变换方法。 以三相系统为例，对称分量法是把一组不对称的电流或电压，分解成同频率的三组对称的三相电流或电压，即正序、负序和零序，再进行分析的方法 [13]。 本设计中，采用的方法就是对单片机所采集到的线电流进行计算。 （ 1） 正序 三相正序分量的幅值相等，相位为 A 相超前 B 相 120176。 ， B 相超前 C相 120176。 ； （ 2） 负序 三相负序分量 的幅值相等，相位为 A 相落后 B 相 120176。 ， B 相落后 C相 120176。 ，即与正序相反； （ 3）零序 三相零序分量的幅值和相位均相同。 具体关系如图 所示。 图 图 图 图 对称分量 Symmetrical ponents IA IC IB (a) IA IC IB (b) IA0 IB0 IC0 (c) 基于单片机的电动机过载保护技术的研究 6 图 正序分量 图 负序分量 图 零序分量 根据对称分量法，一组不对称的三相电流 AI 、 BI 、 CI 可分解为三组对称的三相电流，分别为正序电流 AI 、 BI 和 CI ； 负序 电流 AI 、 BI 和 CI ； 零序电流 0AI 、 0BI 和 0CI。 AI 、 BI 和 CI ， AI 、 BI 和CI 以及 0AI 、 0BI 和 0CI 称为三相电流 AI 、 BI 和 CI 的对称分量。 有如下关系： () 或者 () 其中： 23211 2 0 je j   ， 23212402 je j   （ 1） 电动机正常运行时，定子绕组 中 通 过 对称的三相电流 AI 、 BI 和 CI ，且   AA II ， 00   AA II ，即绕组中没有负 序和零序分量。 （ 2） 当电动机发生不对称故障时，则会出现负序电流。 当发生对称故障或严重的相间短路故障时，电动机的转子处于堵转状态，绕组电流大，特别容易烧毁电动机。 这类故障的主要特征是三相基本 对称，但同时出现过电流，故障严重程度基本反映在过电流的程度上，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实现；对于严重的三相短路保护应采用快速跳闸；堵转故障的保护应采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸，利用反时限特性与电动机的温升指数特性相配合。 综合起来， 电动机的常见故障可由表 说明 [14,15]。 0200200AAACCCCAAABBBBAAAAIIIIIIIIIIIIIIIIII   CBAACBAACBAAIIIIIIIIIIII313131022河北工业大学硕士学位论文 7 表 电动机常见故障特性分析 Table Analysis of mon fault of motor 故障类型 零序 负序 故障特征 保护特性 对称故障 过载 无 无 eCBA IIII  反时限 堵转 无 无  eCBA I～III 53 定时限 短路 无 无 eCBA IIII 8 速断 不对称故障 非接地 断相 无 有 eCBA IIII  ,0 定时限 不平衡 无 有 CBA III  定时限 相间短路 无 有 ACB III  速断 接地 单相接地 有 有 CBA III  速断 注： eI 为电动机的额定电流。 167。 22 电动机常见 故障 的保护措施 221 过载 保护 过载是指 电 动 机 负荷 加大，造成电机输出力矩加大， 运行 时电流超过 额定 值 ， 引起发热的现象。 电流的增加会使电 动 机的温升 超过额定 值 ，导致绕组绝缘降低，电阻增加，严重时会烧毁绕组。 因过载对电动机的损坏主要是由于过电流引起的，所以故障严重程度可通过过电流的程度来判断。 过载保护是指电流超 过电气设备限定范围，而有一定烧毁危险时保护装置能在一定时间内切断 线路，保护设备不受损坏 的过程。 电动机的过载与输电线路或其它设备的过载不同，因为 电动机过载将导致电动机 过热，但又允许在低倍过载情况下运行一定时间，故电动机的过载特性 一定要 具有 良好的反时限 性 [16]，如图 所示。 基于单片机的电动机过载保护技术的研究 8 t0IeI 图 过载保护反时限特性曲线 Inverse time characteristic curve of overload protection 时间与电流 的关系通 常用数学模型 表示： 1r IQT () 其中， I 是以启动电流倍数表示的故障电流； Q 、 r 为常数。 Q 的量纲为时间， ()式表明动作时间 T 是输入电流 I 的函数，当 I 1 时， T 为负，不动作；当 I 1 时， T 为正，动作。 显然， I 越大，T 越小， 表明时间 T 与电流 I 成反时限特性。 另外，电动机的过载保护还应具有模拟和记忆电动机热积累的功能。 电动机在多次重复短时间过载，而每次过载时间均小于容许时间的情况下， 保护装置不会动作，但由于电动机自身热积累的结果可能使电动机烧毁 ,所以电动机保护应具有模拟和记忆电动机热积累的功能 [14]。 2211 等效电流的计算 幅值相同的正序电流 I+和负序电流 I在电动机内部产生的热量并不相同。 定子绕组的 I+和 I产生 的旋转磁场对定子自身而言为正反同步速度 ； 但对正常运行的转子来说 (设转差率 s≈ 0)， 前者差不多相对静止 ， 后者近似为 2倍同步速度。 假设对应的转子正序电阻 (折合到定子侧 )近似为直流电阻 R1， 对应的转子负序电阻 (折合到定子侧 )为交流电阻 R2，对异步电动机有 [17,18]：  RKRR12 ～ 6 () 即与 I+大小相同的 I产生的损耗为 I+的 KR倍。 因此，当有负序电流出现时，转子损耗将显著增加，特别是在转子中产生 倍频电流流过转子表面，导致转子局部过热而烧毁。 为了反映正、负序电流的不同发热效应，英国 GEC公司提出了一个反映上述发热效应的“等效电流” eqI [11,19]： 2222112 IKIKIeq  () 式中： K1为正序电流发热系数，电动机起动过程中由定值按电动机负荷能力整定，一般设为 ，河北工业大学硕士学位论文 9 电动机运行过程中自动设为 1； K2 为负序电流发热系数， K2=（ 3～ 6），一般设为 6； I1为正序电流分量； I2为负序电流分量。 等效电流 eqI 不仅适用于过载保护，还适用于过流保护， 根据等效电流 eqI ，将过流 保护分为三段[20]： 2212 过载 特性与 热积累 前面已经介绍过 电动机过载将导致电动机过热 ,但其低倍过载又允许一定时限 ,所以电动机过载特性具有反时限特性。 如图。 电动机发热理论研究表明 ,电动机持续运行的容许负荷主要取决于定子绕组的温度 ,故将定子 电流的大小作为电动机过载的主要依据。 电动机发热过程温度变化曲线如图 所示 [21]。 t0IeI t00w 图 过载保护反时限特性曲线 图 电动机发热过程温度变化曲线 Inverse tim。