小功率交流电动机综合保护器设计 - - 毕业论文(3)

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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，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。

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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。

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

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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 对 称 故 过载 堵转 零序 无 无 负序 无 无 过电流 （1.2～6）In （6～8）In 其他特征 保护特性 反时限 短时限 Ia?Ib?IC Ia?Ib?IC 6

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障 短路 无 无 （8～10）In Ia?Ib?IC 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。对称分量的计算公式如下（以A相为例）。

(2.1)

式中， IA1，IA2，IA0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a?eJ120。

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。

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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大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8～lO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Imax为检测到电动机三相电流Ia，Ib，Ic的最大值，即

Imax?max（Ia，Ib，IC） （2.2） 短路保护的原则是，当在很短的时限内检测到Imax?IZD?kI（ek为短路过流倍数，一般取8～10，Ie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4～7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4～7倍。

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