異步電動機保護裝置的設計

張貴暢

摘 要：異步電動機是一種應用最廣泛的動力設備，在國民經濟中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對工農業生產造成巨大的經濟損失。因此，研制一款功能完善、可靠性高的電機保護裝置己成必要。本設計介紹了由NE555為核心器件組成的異步電動機保護裝置的設計和組成，及其工作原理。在電動機出現缺相、短路、過載、過壓、欠壓、漏電、溫度等故障時，該保護裝置可起到保護作用，并拉響警報。利用555芯片奇特的引腳功能，設計并實現各種功能動作，該設計結構簡單，動作可靠，經濟節能，實用性強，適合于大多數異步電動機。

關鍵詞：電動機；過載；保護；報警

1 前言

1.1 本論文研究的意義

伴隨著社會工業化程度的進一步加強，電動機幾乎被用于所有的工農業生產領域。為了使電動機安全有效的運行，對電動機安裝保護裝置顯得尤為重要。在工農業生產中，電機等設備一旦發生故障，若僅靠人工進行檢測診斷和維修，不僅費工費時，直接影響到生產效率，有時還會造成很大的經濟損失。為了能夠在故障發生初期實現及時有效的保護，防止故障擴大，設計一款能夠在電動機出現故障情況時自動保護的裝置，具有實際意義和經濟價值。

1.2 電動機保護裝置的發展狀況及本論文的主要內容

電動機作為拖動各種生產機械的動力設備，是應用最多最廣的用電設備之一。我國各種電動機每年所消耗的電能占全國總發電量的60%—70%，其中中小型電動機所耗電量占40%左右，然而電動機出現的故障位居各電氣設備之首位。電動機的保護裝置主要有三個發展階段。第一個階段是電磁式繼電保護裝置；第二階段是電子式電動機綜合保護裝置；第三階段是以微處理器為核心元件的綜合保護裝置。

本文主要是以檢測異步電動機出現的故障為目的，設計一款異步電動機的保護裝置，以便在電動機運行過程中出現故障時，能夠及時有效的實現自動保護。根據這些不同故障的特性，以555集成芯片為中心控制端，利用555集成芯片奇特的引腳功能，通過傳感器、取樣互感器、二極管、電阻電容等器件組成的整流、比較、延時等驅動檢測電路，實現對異步電動機出現過載、斷相、短路、漏電和溫度等故障時進行及時有效的自動保護，并顯示警示燈和拉響警報。

2 異步電動機的故障分析

2.1 三相異步電動機的啟動故障

電動機從靜止狀態旋轉起來，并達到穩定轉速的過程，視為電動機的啟動過程。異步電動機啟動之前，轉差率s為1，轉子n為0，由于激磁電流近似為1。當電動機開始啟動時，電源電壓直接接到電動機的定子繞組上，啟動時定子電流達到了額定電流的4～7倍，甚至某些籠型異步電動機啟動時定子電流會更大，可達額定電流的8～12倍。因此設計異步電動機啟動保護時，一般采用定時限保護來完成。

2.2 三相異步電動機的堵轉故障

根據電機與拖動的知識，Tmax是異步電動機運行中可能產生的最大轉矩，如果負載轉矩Tz>Tmax，電動機將因承受不了而停止轉動。電動機的過載能力是用它的過載倍數來表示，及電動機的過載能力等于最大轉矩除以額定轉矩及Tt=Tmax/Tn。一般把電動機的運行電流大于額定電流的5～8倍視為堵轉電流，這種情況稱作電動機的堵轉故障。

2.3 三相異步電動機的過載故障

當電動機的負載很大，超過電動機的最大負載量，使得轉子和定子電流都很大，也就是在某種情況下當電機的實際功率超過額定功率的這種現象稱為電機的過載。電動機過載現象主要表現在電動機電流集聚增大，轉速下降甚至停轉，溫度升高；如果電動機所承接負載出現不穩定的變化，轉速會忽高忽低；有時電動機發出低鳴聲等。

2.4 三相異步電動機的短路故障

三相異步電動機的短路主要有單相對地短路、相間短路、絕緣失效。一般，我們把電動機運行過程中出現運行電流大于8倍額定電流的這種情況視為電動機的短路，此運行電流視為短路電流。對于異步電動機的短路保護裝置，必須要求動作越靈敏越好，實施速斷保護。為了避開啟動電流過大的情形，同樣采用相應的反時限保護。

2.5 三相異步電動機的斷相故障

三相異步電動機在運行過程中有任何一相斷開，便視為斷相運行。造成斷相的原因主要有電動機電樞繞組斷路，電源某一相接觸不良等。斷相會使原來未運行的電動機無法正常啟動，并且伴有低鳴聲。

2.6 三相異步電動機的溫度故障

電動機在額定負載下正常運行時，雖然存在著的各種損耗，如銅損耗、鐵損耗、機械損耗最終將以熱能形式擴散出去，這樣會使電動機溫度升高，但這個溫度不會超過電動機的最高允許溫度。對異步電動機溫度保護設計，是將溫度傳感器埋入線圈，當線圈溫度升高到一定程度之后溫度傳感器兩頭膨脹接觸，將溫度信號轉化為電信號 。

2.7 三相異步電動機的漏電故障

當電動機長期在故障狀態下運行，或繞組受潮、絕緣損壞而碰殼，槽內有帶電雜物時電動機的外殼將帶電，這種現象視為電動機漏電。一般人體可通過的安全電流小于0.03A，電壓小于36V，電動機漏電電壓一般會很大，和電源電壓相差無幾，這種現象的存在有極大的安全隱患。設計漏電保護時，必須采用急速保護，保護動作速度越快越好。

3 硬件設計

3.1 硬件系統結構設計

硬件系統整體電路由四大部分構成，把要測量的電流或電壓等通過輸入電路送往驅動電路，經過驅動電路的整流和比較等故障分析，送往控制端，555集成芯片收到信號后，執行自動保護功能，并實現顯示和報警。

3.2 NE555集成芯片的功能特點

3.2.1 NE555集成芯片簡介

NE555集成芯片是一種用途較廣的精密定儀器，成本低，性能可靠。它可用來發生脈沖、自激振蕩器、定時電路、延時電路、脈寬缺少指示電路、監視電路等。其工作電壓為5～18V，常用電壓10～15V，最大輸出0.2A。它內部含兩個電壓比較器，一個 RS 觸發器，三個等值串聯電阻，一個放電管 T 及輸出端。

3.2.2 NE555集成芯片引腳及工作原理

NE555 芯片的功能主要由兩個比較器A1和A2決定，它提供兩個基準電壓 1/3VCC 和 2/3VCC 。A1比較器的同相端和A2比較器的反相端分別由3只5k電阻分壓為2/3Vcc和1/3Vcc，當控制端4腳為高電平時，2腳觸發端和6腳閥值端輸入既可以是數字信號，也可以是模擬信號，可以通過調整控制端5腳的外加信號，改變2腳和6腳輸入信號的動作閥值。

3.3 電動機保護裝置的電路設計

3.3.1 電源控制電路設計

電源控制電路相當于一個12V的穩壓電源。主要通過降壓變壓器取得12V交流電壓，再經過整流濾波輸出直流電壓，便可做為整個保護裝置的供電端。在直流電壓輸出端接電阻R1和發光二極管LED1，當直流電流通過LED1時，二極管發光，該二極管可做電源指示燈。電源控制原理圖如圖1所示。

3.3.2 斷電保護電路設計

相異步電動機斷電保護電路原理圖如圖2所示。在未出現斷電故障（即S1閉合）時，電流通過基極偏置大電阻R2之后，三極管飽和導通，使得三極管集電極為地電平，發光二極管沒有正向電流流過，不能發光。當出現斷電故障（即S1打開）時，基極無電流流過，三極管被截止，集電極為高電平，發光二極管有正向電流流過而發光，同時蜂鳴器被拉響。滑動變阻器RL1和RL2可以通過調節不同的阻值，來顯示額定電流不同的警示燈和音響裝備。

3.3.3 漏電保護電路設計

根據NE555集成芯片引腳特點，當4腳復位端為低電平時，不管觸發端2腳還是閥值端6腳輸入高電平或者是低電平，555芯片處于強制復位狀態，即輸出端3腳為低電平。

漏電保護原理圖如圖3所示。利用4腳優先復位的特點，可設計漏電保護電路該設計通過三極管和二極管來完成電路的控制輸入部分。當觸點沒有帶電體時，即三極管Q2基極無電流通過，三極管被截止，集電極為高電平，電源流出的電流正向通過二極管D3流入555集成芯片復位端，使得整個電路處于開鎖狀態，3腳輸出端的狀態由其他端輸入決定。同時電源流出的電流也經過電阻R6正向流入發光二極管LED4使其發綠光，顯示正常。當觸點有帶電體即漏電時，一般漏電電壓較大，二極管D1被擊穿，處于反向導通狀態，發光二極管LED3發紅光，蜂鳴器拉響，電流通過三極管Q2之后，由于電壓較大，三極管飽和導通，集電極為低電平，正向電流不能流過二極管D6，555集成芯片4腳復位端為低電平，3腳輸出端為低電平，電路處于鎖定狀態。

3.3.4 過載保護電路設計

電機過載保護原理圖如圖4所示。在電機正常運行情況下，電流為額定電流的1.1倍左右，電流通過電流電感器L1，在可變電阻RL4的作用下，將電流信號變成電壓信號，也可以將可變電阻RL4作為調節電流的閥值端，對不同的電流大小進行整定。經二極管D7和電容C3的整流濾波后，由于電容C4不能突變的緣故，U1輸入端2腳和6腳為低電平，電壓低于1/3VCC和2/3VCC，輸出端3腳為高電平，三極管Q3飽和導通，集電極基本上相當于低電平，二極管D8反向截止，芯片555U2閥值端6腳為低電平，電機處于正常運行狀態。

當電機出現過載或電壓異常的情況下，經過電流互感器取得電流一般為額定電流的5倍以上，經過整流濾波之后的電流先供給電容C4充電，然后放電當放電電壓大于2/3Vcc時，U1的3腳輸出端為低電平，過載指示燈LED5發光，同時U1的7腳放電端輸出為高電平，經電阻R8和電容C4直接接地，又將給C4充電后。當C4的放電電壓低于2/3Vcc時，輸出端又變為高電平，二極管LED5又關閉，依此往復閃爍發光。U1產生震蕩輸出。

C6和電阻R14組成過載延時電路，D8為隔離二極管，當電機過載U1的狀態輸出低電平時，三極管被截止，集電極為高電平，D8正向導通，電源電流經過R12、RL5、R13提供給C6充電電流，當U1的輸出狀態出現反轉時，三極管飽和導通，集電極為低電平，二極管D8反向截止，截斷C6的放電回路。因此，在U1的震蕩輸出作用下，電容C6逐漸升高，當過載達到一定的時間后，電容C6放電，使得U2的閥值端6腳輸入為高電平。又因R15和電容C7組成的積分電路，起啟動延時作用部分。當電機啟動時，U2的觸發端2腳有一個緩慢上升的過程，隨后變成上拉高電平。U2輸出端為低電平，電機停止運行，處于保護狀態。

3.3.5 斷相保護電路設計

電機斷相保護原理圖如圖5所示。電機斷相保護電路也利用了555集成芯片的6腳的高阻抗特性來實現。電動機的電流信號經過L2、L3、L4電流互感器獲得，再通過二極管、電容、電阻的整流濾波，變成直流電壓信號。當電機正常運行時，串聯連接的三極管Q4、Q5、Q6都飽和導通，三個集電極都為低電平，電源電流經過R19之后直接接地，發光二極管LED6無電流不發光，同時二極管D12反向截止，555芯片6輸入為低電平，電機正常運行。

當電機出現某一相斷相，如電流互感器L3無感應電流時，三極管Q5由于失去偏向電流而被截止，三極管Q4的集電極為高電平。經過R21的電流正向流過發光二極管LED6發光，同時蜂鳴器拉響。

3.3.6 溫度保護電路設計

電機的溫度保護裝置如圖6所示。主要有兩個溫度傳感器和555集成芯片來完成，溫度傳感器埋入繞線圈，來檢測電機溫度，再轉化為電信號。當電機開始運行時，電機處于正常運行狀態LED8正常發綠光。隨著電機溫度升高，傳感器1因受熱膨脹，觸點接觸，2腳輸入為高電平（即電壓大于1/3Vcc），但因傳感器2的溫度未達到膨脹接觸的狀態，輸入端6腳仍為低電平，NE555芯片輸出狀態不變，發光二極管LED8正常發光。當溫度繼續升高，達到傳感器2膨脹接觸狀態，6腳輸入為高電平（即電壓大于1/3Vcc）時，555芯片輸出端為低電平，電機停止運轉，同時發光二極管LED7有正向電流流過并且發紅光，而二極管LED8反向截止不發光。

將前面設計出的幾種電路原理圖有效的連接在一起，便構成本設計最終的異步電動機保護裝置。

4 結論

本論文通過三片NE555集成芯片為核心的電子元件，實現了對異步電動機的綜合保護裝置的設計。設計中運用了可變電阻器的可調節性，能夠靈活的對不同額定電壓的電動機進行保護。能夠檢測出異步電動機出現的各種預定故障，并實現自動保護。對不同故障拉響不同音頻的警報和顯示不同顏色的警示燈，當異步電動機的負荷電纜相、地間漏電時，使電動機處于“閉鎖”，不能啟動等功能。在本論文的理論指導下，親自動手完成了整個裝置的實物設計，通過測試該實物能夠實現各種功能，加強了本論文設計的說服力。

在設計過程中遇到了一些問題，如過載保護中延時時間的計算，電阻電容值大小的選取等難點，但在反復調試和查閱資料過程中解決了這些有問題。本設計雖然經濟成本低，實用性強，能夠對異步電動機起到很好的保護作用，但隨著智能技術在各個領域中成熟的發展，本設計不能準確顯示具體某部位出現的故障是一尚存在的問題。具體來說，不夠智能化是該保護裝置的弱點。

參考文獻：

[1]許曉峰.電機與拖動[M].高等教育出版社，2009.

[2]陳永甫.多功能集成電路555經典應用實例[M].電子工業出版社，2011.

[3]陳大欽，羅杰.電子技術基礎實驗[M].高等教育出版社，2011.

[4]王偉超.談三相異步電動機的保護[J].科技信息（科學教研） ， 2007（22）.

[5]田光民.簡析異步電動機的保護與控制[J].科技信息（科學教研） ， 2007（22）.

[6]馬占欣.交流異步電動機的保護[J].科技信息（科學教研） ， 2007（28）.

[7]孫志泉.異步電動機的電氣裝置保護[J].科技促進發展（應用版），2010（02）.

[8]裴喜平.智能電動機保護器中電流檢測環節的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2012（02）.

[9]顧曉文.電動機智能保護系統[J].廣西輕工業，2011（12）.

[10]吳增桂. 淺析電動機保護器系統抗干擾設計[J].科技創新導報，2010（17）.