微機(jī)保護(hù)裝置在異步電動機(jī)中的應(yīng)用

楊 濤

(鐵嶺供電公司昌圖縣分公司，遼寧 鐵嶺 112500)

微機(jī)保護(hù)裝置在異步電動機(jī)中的應(yīng)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(jī)熱過載保護(hù)原理和不平衡故障時(shí)產(chǎn)生負(fù)序電流熱效應(yīng)原因。針對此情況進(jìn)行了微機(jī)保護(hù)的需求分析，并以此為依據(jù)應(yīng)用8098單片機(jī)構(gòu)成微機(jī)保護(hù)裝置。闡述了微機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方式，并提出主要電路和程序的設(shè)計(jì)思路與方法。同時(shí)以該保護(hù)裝置在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為實(shí)例，詳細(xì)論述了該微機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)用方法和所能達(dá)到的效果，通過與傳統(tǒng)熱繼電器保護(hù)裝置的對比，分析了微機(jī)保護(hù)裝置的優(yōu)勢所在。

異步電動機(jī);熱過載保護(hù);負(fù)序電流熱效應(yīng);單片機(jī)

異步電動機(jī)的過載保護(hù)［1］通常采用熱繼電器完成。熱繼電器原理是利用負(fù)載電流流過經(jīng)校準(zhǔn)的電阻元件使雙金屬熱元件加熱后產(chǎn)生彎曲，從而使繼電器的觸點(diǎn)在電動機(jī)繞組燒壞以前動作。這種繼電器功能少，無斷相保護(hù)，對電動機(jī)發(fā)生通風(fēng)不暢、掃膛、堵轉(zhuǎn)、長期過載、頻繁啟動等故障不起保護(hù)作用。這主要是因?yàn)闊崂^電器動作曲線和電動機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線不一致，失去了保護(hù)作用。這種繼電器重復(fù)性能差，大電流過載或短路故障后不能再次使用，調(diào)整誤差大、易受環(huán)境溫度的影響誤動或拒動，功耗大、耗材多、性能指標(biāo)落后。熱繼電器對過載保護(hù)能起到一定的保護(hù)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(fù)載等引起的故障)，因此不能發(fā)出相應(yīng)的動作指令。部分電動機(jī)的過載保護(hù)也是利用熱繼電器，在電動機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)繼電器動作而終止電動機(jī)運(yùn)行，只能判斷是熱載保護(hù)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(jī)熱載動作時(shí)，查找故障原因更困難。本文分析了熱過載保護(hù)的構(gòu)成原理，根據(jù)此原理設(shè)計(jì)了單片機(jī)保護(hù)電路和應(yīng)用軟件。同時(shí)完成該單片機(jī)設(shè)計(jì)的保護(hù)電路在部分異步電動機(jī)中的應(yīng)用。

1 熱過載保護(hù)的理論分析

1.1 電流構(gòu)成電動機(jī)保護(hù)的依據(jù)

電動機(jī)的任何運(yùn)行工況都可以通過其運(yùn)行電流具體反映出來。當(dāng)平衡過載時(shí)電流增大，而電動機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)或三相短路時(shí)電流將大幅度增大，啟動時(shí)間過長則是電動機(jī)在規(guī)定的啟動時(shí)間內(nèi)沒能實(shí)現(xiàn)正常啟動，即電流在規(guī)定啟動時(shí)間之后仍保持很大的值 (遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行的額定值)。在電動機(jī)發(fā)生斷相、短路 (除三相對稱短路外)等故障時(shí)都將造成三相電流不平衡，根據(jù)矢量分析理論，將產(chǎn)生負(fù)序分量，電動機(jī)單相接地或絕緣破壞時(shí)將產(chǎn)生零序分量。由上述分析可知，電動機(jī)在故障及異常運(yùn)行時(shí)，三相電流將發(fā)生較大變化，而各種變化又都在正序電流、負(fù)序電流和零序電流中表現(xiàn)出來。因此 應(yīng)該以三相電流中的正序分量 負(fù)序分量和零序分量作為電動機(jī)保護(hù)的構(gòu)成依據(jù)。原則上，過載保護(hù)應(yīng)綜合計(jì)及正序電流和負(fù)序電流的作用;不平衡和斷相保護(hù)由負(fù)序電流構(gòu)成;短路 (含三相對稱短路)由正序電流構(gòu)成;接地或絕緣破壞由零序電流構(gòu)成;堵轉(zhuǎn)則可由正序速斷—過載保護(hù)聯(lián)合構(gòu)成，啟動時(shí)間過長則可由正序速斷和專門時(shí)間回路聯(lián)合構(gòu)成。

1.2 熱過載保護(hù)理論

過載保護(hù)屬于熱保護(hù)，它與發(fā)熱的溫升有關(guān)。因此有必要分析電動機(jī)溫升的問題。設(shè)電動機(jī)繞組正常運(yùn)行電流為I0，繞組的銅損為P0，當(dāng)電流增大到I，則繞組的銅損由P0增大到P。若銅損產(chǎn)生的熱量毫無損失地儲存在繞組中，根據(jù)電動機(jī)原理，繞組的溫度按指數(shù)規(guī)律由θ0上升到θ，在指數(shù)規(guī)律的線性段近似認(rèn)為溫度θ隨時(shí)間t線性上升。則在Δt時(shí)間內(nèi)繞組的溫升為

式 (3)再適當(dāng)考慮散熱等因素的影響并加以修正，即構(gòu)成了電動機(jī)的熱過載保護(hù)判據(jù)。

1.3 負(fù)序電流的熱效應(yīng)

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

由于轉(zhuǎn)子損耗 主要是銅損 與其電阻成正比，故數(shù)值相同的負(fù)序電流產(chǎn)生的損耗近于正序電流損耗的K倍。因此，當(dāng)有負(fù)序電流出現(xiàn)時(shí)轉(zhuǎn)子損耗將顯著增大，這也要求在考慮電動機(jī)過載保護(hù)時(shí)對負(fù)序電流予以足夠重視。

1.4 熱過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

通過裝置內(nèi)部的電動機(jī)發(fā)熱模型，可以在電動機(jī)各種運(yùn)行工況下，提供準(zhǔn)確的過熱保護(hù)。裝置經(jīng)過交流采樣，分別計(jì)算出電動機(jī)的正序電流分量和負(fù)序電流分量后，形成等效電流Ieq提供給發(fā)熱模型回路。從而獲得與計(jì)及了正序和負(fù)序電流的等效Ieq相對應(yīng)的總的熱效應(yīng)。熱過載保護(hù)的等效電流Ieq表達(dá)式如下:

式中:Ieq為等效電流;I1為電動機(jī)正序電流分量;I2為電動機(jī)負(fù)序電流分量;K1=0.5(在啟動時(shí)間內(nèi));K1=1(在啟動時(shí)間后，這樣可以使過熱保護(hù)躲過巨大的電動機(jī)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(fù)序電流在發(fā)熱模型中的熱效應(yīng)?？紤]負(fù)序電流效應(yīng)，電動機(jī)運(yùn)行時(shí)間和電流曲線由式(3)變?yōu)?/p>

式中:Ieq為等效電流，是以電動機(jī)整定電流為基準(zhǔn)的標(biāo)么值;τ1為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，可以在150～2 400 s，級差150 s調(diào)整。當(dāng)電動機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，電動機(jī)散熱效果變差，為了補(bǔ)償這種情況，獲得精確的發(fā)熱模型，借助于運(yùn)行電平檢測回路，散熱時(shí)間常數(shù)自動增至1.5、2、3或4.5倍。

熱過載保護(hù)分2段，即提供跳閘輸出和報(bào)警信號輸出。

2 硬件電路和軟件應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)硬件組成原理

系統(tǒng)可由小型PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來［2］，強(qiáng)調(diào)邏輯運(yùn)算能力，小型PLC系統(tǒng)更是如此;由于PLC系統(tǒng)具有通用性設(shè)計(jì)，使其成本提高。通過專用化設(shè)計(jì)，使保護(hù)系統(tǒng)具有靈活、易用、成本低、體積小、易維護(hù)的特點(diǎn)，因此保護(hù)系統(tǒng)采用單片機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，其硬件原理框圖如圖1所示。

將生活中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象融入到教學(xué)中，可以勾起學(xué)生對生活當(dāng)中存在的想象進(jìn)行回憶，調(diào)動學(xué)生對物理產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，積極思考問題并將存在的想象進(jìn)行探究.課堂教學(xué)時(shí)老師把生活中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行提問，學(xué)生對其問題進(jìn)行思考探究，可以幫助學(xué)生養(yǎng)成在生活當(dāng)中學(xué)會善于探索、觀察、理解、思考物理知識的習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.將生活當(dāng)中存在的問題通過所學(xué)的物理知識進(jìn)行解釋，使學(xué)生深刻理解學(xué)習(xí)物理知識的重要性.加強(qiáng)生活實(shí)際和物理知識相結(jié)合，可以強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維及學(xué)習(xí)能力.高中物理生活化教學(xué)應(yīng)考慮到學(xué)生認(rèn)知水平、生活環(huán)境等，提出的物理問題學(xué)生能夠獨(dú)立的解決.

圖1 硬件原理圖

系統(tǒng)采用8098 16位單片機(jī)作為核心部件［3］，外部擴(kuò)展1片27128、1片6264、1片2864。27128用來存放程序;2864用于存放保護(hù)定值、工作信息及口令等;6264用于存放測量數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)等。為了保護(hù)動作計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，選MC146818時(shí)鐘片作為時(shí)鐘源。打印機(jī)選用TPuP-40A作為故障數(shù)據(jù)、保護(hù)定值、時(shí)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(shù)碼管構(gòu)成，它可顯示正常三相電壓量、三相電流量、有功、無功、時(shí)鐘、定值等。鍵盤由功能鍵和數(shù)字鍵組成，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、保護(hù)定值設(shè)定及口令輸入。為了檢測電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過光電耦合把電動機(jī)位置接點(diǎn)引入單片機(jī)。

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(hù)電流、一個(gè)零序電流共9個(gè)模擬量，考慮以保護(hù)為主、測量為輔及價(jià)格便宜原則，選擇8098片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換。由圖2可見，通過本裝置的TA/TV把電動機(jī)各種電量轉(zhuǎn)化為適用于本裝置不同功能的信號，然后經(jīng)過4051多路開關(guān)分別切入8098片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換。但是由于8098片內(nèi)A/D只能轉(zhuǎn)換0～5 V電壓，而輸入信號為變流量。因此，通過2個(gè)反相器、1個(gè)比較器、2個(gè)片內(nèi)A/D來實(shí)現(xiàn)交流采樣。當(dāng)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(dāng)比較器輸出小于零，表明第二反相器輸出為正 (交流的負(fù)半周)，則由8098芯片控制 ACH6的A/D采樣，由 ACH7或ACH6中A/D所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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(hù)跳閘電路

保護(hù)跳閘電路如圖3所示。此電路防止了在單片機(jī)上電、復(fù)位時(shí)或操作不當(dāng)造成保護(hù)動作，從而在硬件上提高保護(hù)出口可靠性。

圖3 保護(hù)跳閘電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了保護(hù)動作準(zhǔn)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(jié)構(gòu)［5］。本系統(tǒng)由運(yùn)行狀態(tài)與調(diào)試狀態(tài)2個(gè)獨(dú)立的程序構(gòu)成。運(yùn)行狀態(tài)下完成裝置的保護(hù)、監(jiān)測功能;調(diào)試狀態(tài)下完成各種運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、保護(hù)動作整定值的設(shè)定等功能。

運(yùn)行狀態(tài)下程序的主要工作分別由保護(hù)、監(jiān)測、鍵盤錄入、顯示及打印3個(gè)中斷程序完成。

b. 調(diào)試狀態(tài)下的運(yùn)行模式

調(diào)試狀態(tài)下程序的主要工作處于查詢模式下，用戶無鍵入時(shí)顯示日歷時(shí)鐘，有鍵入則根據(jù)用戶要求顯示、整定、設(shè)置或打印相應(yīng)的量。運(yùn)行狀態(tài)下無中斷激活時(shí)程序運(yùn)行自檢過程，調(diào)試狀態(tài)下程序一開始便執(zhí)行自檢程序，之后由查詢用戶鍵入。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

將該微機(jī)保護(hù)應(yīng)用在風(fēng)機(jī)的熱載保護(hù)中，模擬進(jìn)行不平衡負(fù)載、斷相、短路等試驗(yàn)，保護(hù)動作，同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。各類電動機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置正確動作率都達(dá)100%，達(dá)到最初設(shè)計(jì)的效果，方便了電動機(jī)發(fā)生故障后的查找和處理，保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

大型電動機(jī)由于受運(yùn)行環(huán)境影響，經(jīng)常發(fā)生熱繼電器動作而停運(yùn)，由于故障原因不能確定，為故障的排除帶來一定難度;同時(shí)由于熱繼電器保護(hù)靈敏度低，造成電動機(jī)經(jīng)常燒損，影響了設(shè)備的可靠運(yùn)行。采用微機(jī)保護(hù)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(chǎn)要求。

［1］ 宋志明.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2007.

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

［3］ 劉海成.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］ 李 華，孫曉民，李紅青.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

［5］ 胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)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(hù)技術(shù)研究工作。

2012-11-03)