微機保護裝置在異步電動機中的應用

楊 濤

(鐵嶺供電公司昌圖縣分公司，遼寧 鐵嶺 112500)

微機保護裝置在異步電動機中的應用

楊 濤

(鐵嶺供電公司昌圖縣分公司，遼寧 鐵嶺 112500)

分析了異步電動機熱過載保護原理和不平衡故障時產生負序電流熱效應原因。針對此情況進行了微機保護的需求分析，并以此為依據應用8098單片機構成微機保護裝置。闡述了微機保護裝置的實現方式，并提出主要電路和程序的設計思路與方法。同時以該保護裝置在風機控制系統中的應用為實例，詳細論述了該微機保護裝置的實用方法和所能達到的效果，通過與傳統熱繼電器保護裝置的對比，分析了微機保護裝置的優勢所在。

異步電動機;熱過載保護;負序電流熱效應;單片機

異步電動機的過載保護［1］通常采用熱繼電器完成。熱繼電器原理是利用負載電流流過經校準的電阻元件使雙金屬熱元件加熱后產生彎曲，從而使繼電器的觸點在電動機繞組燒壞以前動作。這種繼電器功能少，無斷相保護，對電動機發生通風不暢、掃膛、堵轉、長期過載、頻繁啟動等故障不起保護作用。這主要是因為熱繼電器動作曲線和電動機實際保護曲線不一致，失去了保護作用。這種繼電器重復性能差，大電流過載或短路故障后不能再次使用，調整誤差大、易受環境溫度的影響誤動或拒動，功耗大、耗材多、性能指標落后。熱繼電器對過載保護能起到一定的保護作用，但不能確定是由于什么原因引起的過載 (如斷相、短路或不平衡負載等引起的故障)，因此不能發出相應的動作指令。部分電動機的過載保護也是利用熱繼電器，在電動機運行中出現繼電器動作而終止電動機運行，只能判斷是熱載保護動作卻不能判斷是什么原因引起的故障，給查找故障原因帶來麻煩，尤其是75 kW以上的大型電動機熱載動作時，查找故障原因更困難。本文分析了熱過載保護的構成原理，根據此原理設計了單片機保護電路和應用軟件。同時完成該單片機設計的保護電路在部分異步電動機中的應用。

1 熱過載保護的理論分析

1.1 電流構成電動機保護的依據

電動機的任何運行工況都可以通過其運行電流具體反映出來。當平衡過載時電流增大，而電動機發生堵轉或三相短路時電流將大幅度增大，啟動時間過長則是電動機在規定的啟動時間內沒能實現正常啟動，即電流在規定啟動時間之后仍保持很大的值 (遠大于正常運行的額定值)。在電動機發生斷相、短路 (除三相對稱短路外)等故障時都將造成三相電流不平衡，根據矢量分析理論，將產生負序分量，電動機單相接地或絕緣破壞時將產生零序分量。由上述分析可知，電動機在故障及異常運行時，三相電流將發生較大變化，而各種變化又都在正序電流、負序電流和零序電流中表現出來。因此 應該以三相電流中的正序分量 負序分量和零序分量作為電動機保護的構成依據。原則上，過載保護應綜合計及正序電流和負序電流的作用;不平衡和斷相保護由負序電流構成;短路 (含三相對稱短路)由正序電流構成;接地或絕緣破壞由零序電流構成;堵轉則可由正序速斷—過載保護聯合構成，啟動時間過長則可由正序速斷和專門時間回路聯合構成。

1.2 熱過載保護理論

過載保護屬于熱保護，它與發熱的溫升有關。因此有必要分析電動機溫升的問題。設電動機繞組正常運行電流為I0，繞組的銅損為P0，當電流增大到I，則繞組的銅損由P0增大到P。若銅損產生的熱量毫無損失地儲存在繞組中，根據電動機原理，繞組的溫度按指數規律由θ0上升到θ，在指數規律的線性段近似認為溫度θ隨時間t線性上升。則在Δt時間內繞組的溫升為

式 (3)再適當考慮散熱等因素的影響并加以修正，即構成了電動機的熱過載保護判據。

1.3 負序電流的熱效應

電動機出現不對稱故障或三相電壓不對稱時，將有負序電流流過定子繞組，它在電動機中產生逆轉子旋轉方向的旋轉磁場。在額定轉速時，其速度近似轉子轉速的2倍，即轉子感應電流的頻率近于100 Hz，這時轉子電阻表現為其交流電阻Rac。而正序電流的旋轉磁場相對于轉子轉速近似為零，即轉子感應電流的頻率很低，相對應轉子電阻表現為其直流電阻Rdc。對于鼠籠電動機，轉子對負序電流和對正序電流所表現的電阻之比:

由于轉子損耗 主要是銅損 與其電阻成正比，故數值相同的負序電流產生的損耗近于正序電流損耗的K倍。因此，當有負序電流出現時轉子損耗將顯著增大，這也要求在考慮電動機過載保護時對負序電流予以足夠重視。

1.4 熱過載保護的實現

通過裝置內部的電動機發熱模型，可以在電動機各種運行工況下，提供準確的過熱保護。裝置經過交流采樣，分別計算出電動機的正序電流分量和負序電流分量后，形成等效電流Ieq提供給發熱模型回路。從而獲得與計及了正序和負序電流的等效Ieq相對應的總的熱效應。熱過載保護的等效電流Ieq表達式如下:

式中:Ieq為等效電流;I1為電動機正序電流分量;I2為電動機負序電流分量;K1=0.5(在啟動時間內);K1=1(在啟動時間后，這樣可以使過熱保護躲過巨大的電動機啟動電流);K2=3～10，級差為1。

K1隨啟動過程的變化為的是躲過啟動電流，K2用于改變負序電流在發熱模型中的熱效應。考慮負序電流效應，電動機運行時間和電流曲線由式(3)變為

式中:Ieq為等效電流，是以電動機整定電流為基準的標么值;τ1為發熱時間常數，可以在150～2 400 s，級差150 s調整。當電動機停轉時，電動機散熱效果變差，為了補償這種情況，獲得精確的發熱模型，借助于運行電平檢測回路，散熱時間常數自動增至1.5、2、3或4.5倍。

熱過載保護分2段，即提供跳閘輸出和報警信號輸出。

2 硬件電路和軟件應用

2.1 系統硬件組成原理

系統可由小型PLC系統實現，PLC從傳統的繼電器回路發展而來［2］，強調邏輯運算能力，小型PLC系統更是如此;由于PLC系統具有通用性設計，使其成本提高。通過專用化設計，使保護系統具有靈活、易用、成本低、體積小、易維護的特點，因此保護系統采用單片機方式實現，其硬件原理框圖如圖1所示。

將生活中出現的物理現象融入到教學中，可以勾起學生對生活當中存在的想象進行回憶，調動學生對物理產生學習興趣，積極思考問題并將存在的想象進行探究.課堂教學時老師把生活中出現的現象進行提問，學生對其問題進行思考探究，可以幫助學生養成在生活當中學會善于探索、觀察、理解、思考物理知識的習慣，激發學生的學習動力，提升學生的學習能力.將生活當中存在的問題通過所學的物理知識進行解釋，使學生深刻理解學習物理知識的重要性.加強生活實際和物理知識相結合，可以強化學生的邏輯思維及學習能力.高中物理生活化教學應考慮到學生認知水平、生活環境等，提出的物理問題學生能夠獨立的解決.

圖1 硬件原理圖

系統采用8098 16位單片機作為核心部件［3］，外部擴展1片27128、1片6264、1片2864。27128用來存放程序;2864用于存放保護定值、工作信息及口令等;6264用于存放測量數據、計算數據等。為了保護動作計時準確，選MC146818時鐘片作為時鐘源。打印機選用TPuP-40A作為故障數據、保護定值、時間等打印。選用8279芯片作為鍵盤和顯示口接口，顯示器又由8位LED數碼管構成，它可顯示正常三相電壓量、三相電流量、有功、無功、時鐘、定值等。鍵盤由功能鍵和數字鍵組成，以實現人機對話、保護定值設定及口令輸入。為了檢測電動機運行狀態，通過光電耦合把電動機位置接點引入單片機。

a. 模擬量輸入電路

模擬量輸入［4］電路如圖2所示。

本裝置由于要測量三相電壓、二相正常電流、二相保護電流、一個零序電流共9個模擬量，考慮以保護為主、測量為輔及價格便宜原則，選擇8098片內A/D轉換。由圖2可見，通過本裝置的TA/TV把電動機各種電量轉化為適用于本裝置不同功能的信號，然后經過4051多路開關分別切入8098片內A/D轉換。但是由于8098片內A/D只能轉換0～5 V電壓，而輸入信號為變流量。因此，通過2個反相器、1個比較器、2個片內A/D來實現交流采樣。當比較器輸出大于0，表明第一反相器輸出為正 交流的正半周 則由 芯片控制ACH7的A/D采樣;當比較器輸出小于零，表明第二反相器輸出為正 (交流的負半周)，則由8098芯片控制 ACH6的A/D采樣，由 ACH7或ACH6中A/D所轉換的數據再加上比較器的符號，送入6264芯片即完成了交流采樣。

圖2 模擬量輸入電路

b. 保護跳閘電路

保護跳閘電路如圖3所示。此電路防止了在單片機上電、復位時或操作不當造成保護動作，從而在硬件上提高保護出口可靠性。

圖3 保護跳閘電路

2.2 軟件設計

本系統為了保護動作準確迅速，所有軟件全部用8098匯編語言編寫，而且為了易讀，采用模塊化結構［5］。本系統由運行狀態與調試狀態2個獨立的程序構成。運行狀態下完成裝置的保護、監測功能;調試狀態下完成各種運行參數的設定、保護動作整定值的設定等功能。

運行狀態下程序的主要工作分別由保護、監測、鍵盤錄入、顯示及打印3個中斷程序完成。

b. 調試狀態下的運行模式

調試狀態下程序的主要工作處于查詢模式下，用戶無鍵入時顯示日歷時鐘，有鍵入則根據用戶要求顯示、整定、設置或打印相應的量。運行狀態下無中斷激活時程序運行自檢過程，調試狀態下程序一開始便執行自檢程序，之后由查詢用戶鍵入。

3 實際應用效果

將該微機保護應用在風機的熱載保護中，模擬進行不平衡負載、斷相、短路等試驗，保護動作，同時相應的指示燈亮。各類電動機的微機保護裝置正確動作率都達100%，達到最初設計的效果，方便了電動機發生故障后的查找和處理，保證了設備的安全穩定運行。

4 結束語

大型電動機由于受運行環境影響，經常發生熱繼電器動作而停運，由于故障原因不能確定，為故障的排除帶來一定難度;同時由于熱繼電器保護靈敏度低，造成電動機經常燒損，影響了設備的可靠運行。采用微機保護裝置后，很好地解決了上述問題，極大地方便了檢修和故障處理，滿足了安全生產要求。

［1］ 宋志明.電氣主設備繼電保護原理與應用［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［2］ 魏 巍，王 銳.PLC、DCS和FCS的特點及在電廠中的應用［J］.東北電力技術，2009，30(5):37-39.

［3］ 劉海成.單片機應用系統設計與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［4］ 李 華，孫曉民，李紅青.MCS-51系列單片機實用接口技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1993.

［5］ 胡學海.單片機原理及應用系統設計［M］.北京:電子工業出版社，2005.

Application of Microcomputer-based Protection Set to Asynchronous Motor

YANG Tao
(Tieling Power Supply Company Changtu County Branch，Tieling，Liaoning 112500，China)

Analysis is made on principle of thermal overload protection of asynchronous motor and cause of negative-sequence current thermal effect when unbalanced fault occurs.Aimed at this situation，requirement of microcomputer-based protection is examined，and based on which a 8098 single-chip microcomputer-based protection set has been made.The implementation，the primary circuit and programming idea of which is introduced.Taking the example of real application，usage and effectiveness of this set is explained in detail.Advantage of this microcomputer-based protection set is demonstrated by comparing it to traditional protection set in terms of thermal relay.

Asynchronous motor;Thermal overload protection;Negative-sequence current thermal effect;Single-chip Microcomputer

TM343

A

1004-7913(2013)01-0036-04

楊 濤 (1970—)，男，大專，助理工程師，主要從事供電局繼電保護技術研究工作。

2012-11-03)