电机综合保护器的分析设计

徐景宝曹文汇

摘要：本文通过对电动机运行中可能出现的各种故障的分析，详细的阐述了电动机在运行中可能出现的过载、堵转和起动超时、缺相和相不平衡、接地和短路等故障的特点。

关键词：异步电动机；微处理器；保护器

1异步电机智能综合保护器结构设计

根据对电动机各种故障运行情况分析及其相应保护方案的设计，确定了异步电机智能综合保护器的整体结构，见图1。

图1电机智能综合保护器结构框图

智能型电动机保护器是依据电流大小判断电动机的工作状态。通过互感器CTm将主线路中的电流信号转换成模拟电压信号。此电压分别送入模拟保护电路、放大器电路和求和电路。放大器以及求和电路的输出送入单片机的ADC模块，在单片机内部进行A角转换后进行算术运算（根据放大器的输出信号来判断过载、断相、短路故障，根据求和电路输出确定接地故障），算术运算的结果与整定值比较后，根据预设定的保护特性确定保护器的输出状态，直接驱动断路器的执行机构和其他辅助继电器，使断路器动作或输出声音、光信号。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并预先存储在EEPROM中，并可在运行可期间随时进行修改。

2电动机保护方案设计

2.1过载保护方案。电机过载特性与保护器特性曲线。电动机的过载保护必须能保护电动机由于过载或启动失败而造成的温度过高。电动机的过载就是电动机在运行中的过电流，当过电流超过一定时间后会引起电动机过热或损坏。在给出电动机过载保护方案前，先考虑一下电动机温升的计算。

把电动机看作单纯发热体考虑，其温度上升过程可表示为:

即：

式中：K-损耗增加倍数；k-电流增加倍数。

电机保护器的保护特性曲线应略低于电动机的过载曲线，这样才能起到即保护电动机，又可避免电动机在过载时频繁停机。

因此，电动机保护器的保护特性曲线必须是一条反时限特性曲线。它表明：电动机保护器在保护电机过载时，保护器的动作时间与过载电流有效值大小有关系，电流越大，动作时间越短，反之越长。

2.2启动过程和堵转保护方案。启动故障时的过载特性与保护器特性曲线。电动机定子给电后，有几种异常情况会导致启动故障：电动机的机械故障、轴承故障、电压过低或断相启动。给电后转子不转，电动机类似于一个二次侧为阻性负载的变压器，电流为满载电流的5~8倍，具体值取决于电机设计和电源阻抗。按典型值6倍考虑，由于集肤效应电阻按增加3倍计算的话，发热量约为正常工作时的108倍。由于温度上升很快，此时可认为是绝热状态下的发热过程，把电动机看作单纯发热体时，温升可按下式计算：

若电流过载倍数为k，t时刻温升达到稳定温升?子fin。则：

2.3断相运行保护方案。（1）断相电流的测量与判据。当电动机绕组以丫形连接时，无论断相发生在线路上或者绕组内部，所断相的线电流均为零。对于△形连接的电动机，发生外部线路断相时，同样所断相的线电流为零。若△形连接的电机发生绕组内部断相时，电动机的线电流不为零，线电流最大值和最小值的比为■。

断相时仍采用（6）式计算各相的电流值。

断相保护的判据：（1）某相电流为零；（2）三相严重不平衡，△形连接的电机发生绕组内部断相时，断相特性参数值：

式中：Imax-电动机三相电流中最大值；Imin-电动机三相电流最小值。

考虑到三相不平衡情况，断相特性参数C6可设置为0.5~1.8。采用I2max和I2min计算可以省去开方运算。

（2）断相保护动作时间选择。断相或不平衡故障采用定时限保护。实际的断相参数值大于设定值C6时，断相采用定时限保。

动作时间设置为：t5=1s，2s，3s，4s，5s，OFF。

总结

本设计的智能型电动机综合保护器能够对电动机的过载运行、断相运行、堵转、接地和短路故障实时监视，并根据设定的保护特性保护电动机。

智能型电机综合保护器的保护特性可以通过键盘输入。需要输入的参数有：Cl、C2、C3、C4、C5、C6和t，等，由这些参数可构成多种保护特性，以适于不同保护电机的需要，拓宽了该保护器的适用范围。

用数码管实时显示电机的电流，便于了解电机当前的运行情况。同时也方便了保护特性的设置与察看。

系统内对短路故障还加入了模拟保护电路。保证了在严重故障出现时的可靠动作。系统中采用了功能强大的PIC16F877单片机，简化了外围电路设计，提高了系统的可靠性。

参考文献

[1]王汝文，宋政湘，等.电器智能化原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]连枝理.低压断路器设计与制造[M].北京：中国电力出版社.

[3]王迎旭.单片机原来与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.