（控制理论与控制工程专业论文）基于modbus通讯协议的电动机保护器的研究.pdf

基于m o d b u s 通讯协议的电动机保护器的研究 摘要 电动机是各行业应用最为广泛的动力设备。以往由于每台电动机容量不大，电动 机保护不为继电保护工作者所重视，保护装置经常出现拒动丽使电动机烧毁，或者由 于保护装置的误动从而跳闸。以往为了保证电机的安全稳定运行，常常需要工作人员 定期检修与维护。然而这种人工的方法不仅需要耗费大量的人力、物力、财力，而且 无法保证设备故障能够被及时发现与排除。 近年来，随着计算机技术与自动控制理论的不断发展，出现了以微处理器为核心 的微机型继电保护装置。与传统的保护装置相比，这种新型保护装置具有强大的逻辑 分析与处理功能、可实现性能完善且复杂的保护原理、可兼有故障记录与故障分析功 能、易于实现网络化管理等显著的优点，成为电机保护装置的主要发展方向。 本文主要针对智能电动机保护系统的电动机保护部分和电动机保护系统与 ：位 机的通讯部分进行了设计和研究。 本论文主要就以下几个部分进行了阐述： 1 ) 电动机保护装置的发展现状以及今后的发展趋势； 2 ) 根据电动机的保护原理提出了一系列的电动机保护模型； 3 1 介绍了基于a t 8 9 c 5 2 电机保护装置的硬件结构和软件设计： 4 ) 采用v b 实现基于m o d b u s 通讯协议的电动机保护装置和上位机之问的通讯； 5 ) 对保护装置工作现场可能遇到的干扰进行理论上的分析并在此基础上给出 了具体的抗干扰方法； 6 ) 总结全文，指出课题的不足之处并提出展望。 关键词：电动机保护：m o d b u s 通讯协议；v b ；单片机 r e s e a r c ho fm o t o rp r o t e c t i o n e q u i p m e n tb a s e d o nm o d b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a b s t r a c t m o t o ri st h em o s tw i d e l yu s e dd y n a m i ce q u i p m e n ti n a l lf i e l d s i nt h ep a s t ，b e c a u s e t h ec a p a c i t yo f e a c hm o t o ri sn o tv e r yl a r g e ，t h ei m p o r t a n c eo fm o t o rr e l a yp r o t e c t i o ni sn o t c o n c e r n e ds e r i o u s l ya n dt h ep r o t e c t i v ed e v i c eo f t e nr e f u s et oa c ta n dt h u sl e a dt ot h em o t o r t ob ed e s t r o y e d i nt h ep a s t ，i no r d e rt oe n s u r et h em o t o rt oo p e r a t es a f e l y ，t h ew o r k e r sw e r e r e q u i r e dt oc h e c kt h ea n dm a i n t a i nt h ee q u i p m e n tr e g u l a r l y b u tt h i sn l a n m a d em e t h o dn o t o n l yc o s t sag r e a td e a lo fm a n p o w e r ，m a t e r i a lm a df i n a n c i a lr e s o u r c e sb u ta l s ou n a b l et o e n s u r et od e t e c ta n df i xt h ef a u l t si nt i m e s ot h ei m p o r t a n tp o w e rd e v i c em u s tb ee q u i p p e d w i t ht h eo p e r a t i o ns t a t em e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i v ed e v i c e i nr e c e n ty e a r s ，、i 也t h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nc o n t r o l t h e o r y ，m i c r o c o m p u t e r b a s e dr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eh a sc o m ei n t ob e i n g c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lp r o t e c t i v ed e v i c e s ，t h i sn e wt y p eo f p r o t e c t i v ed e v i c e sh a st h ep o w e r f u lf u n c t i o n o fl o g i c a la n a l y s e sa n dd a t at r e a t m e n t ，e a s yt of u l f i l ln e t w o r km a n a g e m e n ta n do t h e r a d v a n t a g e s ，a n dh a s b e c o m e t h e m a i n d i r e c t i o n o f d e v e l o p m e n t o f m o t o r p r o t e c t i o nd e v i c e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no f m o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mo f a ni n t e l l i g e n tm o t o rc o n t r o l l e r a n dc o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ci n c l u d e di nt h i sp a p e r ： 1 ) t h ed e v e l o p m e n ta n d f u t u r eo f m o t o rp r o t e c t i o ns y s t e m 2 ) q u i t eac o m p r e h e n s i v ed i s c u s s i o na n da n a l y s i st of r e q u e n t l yo c c u r r e dt r o u b l e so f t h em o t o ri sp r o v i d e d ： 3 ) t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no f t h em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do n a t 8 9 c 5 2a r ei n t r o d u c e d 4 1v bi sa d o p t e dt od e v e l o pt h es o f to fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns y s t e ma n du p p e r p o s i t i o nm a c h i n eb a s e dm o d b u sp r o t o c 0 1 5 ) t h ep r o b l e mo fd i s t u r b a n c eh a sb e e nd i s c u s s e d t h em e t h o d so fa n t i d i s t u r b a n c e a r er a i s e da n d a p p l i e d ， 6 ) g i v et h es u m m a r i z a t i o nt ot h ep a p e ra n di n d i c a t et h ed r a w b a c ka n dt h e i m p r o v e m e n t k e yw o r d ：m o t o rp r o t e c t i o n ；m o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ：v b ：m i c r o c o n t r o l l e r 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席驰勿协芬教旋 委员：忙诎，徘础六吝烈披 苦亩窆亡 、， 多t 序技 肉睁青 。 。 王群酝 。 、 导师： 胁、也 、， ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金蟹工业盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在沧文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：书董媛签字日期：2 万年月哆目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罂工些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒墼王些盔 学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 签字日期：矽芝f 车r 月易日 导师签名：洳、髭b 签字日期：h d 年r 月啦日 隈公跫话：缪馏如 勰编：曩参f 鹚 致谢 本人在研究生学习期间，得到了我尊敬的导师陈梅副教授的悉心指导和无微 不至的关怀。在论文的写作阶段，陈老师给了我许多宝贵的意见，使我获益非浅。在 论文的初稿和定稿阶段，陈老师对论文进行了数次审阅，仔细地帮助我修改，付出了 大量的时间、精力和心血，在此表示我发自内心由衷的感谢! 同时，我还要感谢苏建徽教授，本人所做的研究课题都是他的悉心指导下完成的， 他严谨的治学态度和广博的学识使我终生受益，并始终激励着本人努力向上，在此谨 向苏老师表示我最诚挚的敬意和真心的祝福! 在此课题期间，本人也得到了能源所诸位老师的指导和启发，他们是张国容副教 授、杜雪芳老师、刘翔、杜燕、张健、汪海玲老师等；同时也得到了诸位同学的帮忙 并提供了宝贵的建议他们是郑诗程、鞠洪新、吴杰、朱小强、叶爱芹、卫刚、任祖 德、张志刚、齐发、马志宝、林巍、张松灿等。在这里我也一并向他们表示真诚的感 谢! 同时借此机会，还要感谢合肥工业大学研究生院、电气与自动化工程学院的各位 领导和老师对我各方面的支持和帮助! 最后，我要感谢辛勤养育我的父母以及给予我关心和支持的亲人们! 作者：黄嫒 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 1 1 我国电动机保护的发展和现状分析 电动机作为动力，是所有动力设备中的主力军，是机电一体化最完美的结合体， 其保护问题长期困扰着继电保护专业人员及运行人员。目前在技术先进国家电动机保 护己具有较高水平。而根据有关部门统计，我国每年烧毁电动机的数量在2 0 万台次， 直接损失达1 6 亿元左右，间接损失高达百亿元。随着我国电力工业的发展，电动机将 会更加广泛地应用于石油、化工、冶金、纺织等国民经济等主要部门。因此，抓好电 动机保护的研究与推广工作，对国民经济有着重要的意义。近几年来，全国出现了一 个电动机保护热潮。相继研制并生产出各种各样的电动机保护装置。综观我国电动机 保护的发展经历以下几个阶段： 、以熔断器、接触器和热继电器构成的保护方式 热继电器是我国5 0 年代初从前苏联引进的产品，是用于电动机因过载引起的过电 流保护装置。其配置方式大约分4 种类型：( 1 ) 熔断器一交流接触器热继电器；( 2 ) 断路器一交流接触器一热继电器；( 3 ) 熔断器一断路器：( 4 ) 熔断器一断路器一交流接 触器一热继电器。因为热继电器具有反时限特性和结构简单、使用方便等优点，得到 广泛应用。但是由于其对起动过程中的电动机不起保护作用、环境温度对其参数影响 较大、不稳定和双金属片整定方法粗糙等因素，使其应用受到一定限制。热继电器安 装在电动机壳外，一旦发生通风受阻、堵转、长期轻微过载等将使电动机绕组产生热 积累，热继电器就无法保护电动机。原因是热继电器串接在主电路中，与电动机绕组 温度无直接关系；其次，热继电器本身是一个耗能元件，当热继电器真正起到保护作 用动作几次，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能继续使用，必须 全套更换；再次，由于原材料及工艺水平落后等原因造成热继电器性能不稳定，动作 曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降。 二、电子式保护装置的保护方式 热继电器作为传统的保护方式，由于以上诸多弊病，使其不能很好的保护电动机， 而随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟式多功能保护应运而生。我国电子 式保护是由晶体管型发展至集成电路型，其功能的设置基本满足低压电动机保护的要 求，如过载保护、短路保护、断相保护、和接地保护等，其原理大都是抽取三相电流 经电流电压变换器取出电压信号，经整流滤波送至监幅电路。此种原理是实现一般保 护最简单的方式，但是动作特性与电动机热曲线不协调及选用材料不当等原因造成拒 动或误动。 三、微机型保护 随着微机的发展和普及，目前，已有一些电动机保护装置采用了微机技术，微机 型保护与传统的模拟式保护的基本区别在于数字化，归纳起来有如下特点： 1 微机型保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，因而可以 实现任何性能完善且复杂的保护原理； 2 微机型保护可以连续不断地对本身的： 作情况实行自检，其数字元件的工作不 易受环境因素的影响，其工作的可靠性很高。微机型保护可用同一硬件实现不同的保 护原理，这使得保护装置的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准化； 3 。微机型保护除了保护功能外，还兼有故障记录、故障分析、事件顺序记录、和 调度计算机交换信息等辅助功能，这对简化保护装置的调试、事故分析和事故后的处 理等都具有重大的意义； 4 可通过计算机网络实现与其他设备之间的数据交换，这就为将继电保护的信息 系统纳入整个综合自动化系统提出了可能； 5 维护调试方便，缩短维修时间，并且可依据运行经验，在现场修改保护功能及 参数。 随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展，极大地促进了微机型保护的 发展，其保护功能日趋完善，速度与可靠性越来越高。目前微机型保护装置正逐步取 代其它形式的保护装置，成为电动机保护装置的主要形式与发展方向。 1 2 电动机保护理论的发展 一、电动机烧毁的原因 电动机烧毁最常见的原因有过负荷、受潮、断相、堵转、通风不良、频繁起动、 环境温度高、电动机质量差以及机械故障等，而过负荷和直接断相几率最高。在直接 断相中，直接原因是由于熔断器选择不当引起的，间接原因是故障判据不准确。因此， 需要采用合理的判据保护。 二、电动机的温度保护 温度保护( 国外称p t c 或n t c ，也称电机全保护) 是利用安装在电动机内部各处的传 感器来实现的。当电动机出现各种故障，导致绕组温度达到危险值之前，传感器将温 度信息变为电信号输出，送至保护装嚣中，经晶体管或集成电路检索放大，推动继电 器动作或晶闸管截止，迅速切断电动机主电源，使其得到保护。由于传感器安置在电 动机内部各处，直接反映电动机内部各位置的温度，可以消除各种环境条件对传感器 的影响，做到参数准确、稳定，电子线路动作迅速、可靠，且功耗极小。我国己于1 9 9 3 年4 月1 日颁布了旋转电机装入式热保护国家标准( g b t 1 3 5 9 9 9 2 ) 。但对小型电动 机，因为体积小，绕组安排紧密，且本身热容量小，内部安装传感器很不方便，所以 对小型电动机，宜使用电流互感器将电动机负荷电流变换成微电流送入保护装置，通 过检测电流来间接得到温度保护的目的。因此，电动机的热保护，有直接测温和阳j 接 测电流两种手段。 三、在线检测保护 前面所谈到的保护装置都是在故障发生后才动作，不能在故障发生前给出预报信 号。丽在线监测保护是利用各种传感器对电机运行状态进行监测，根据传感器输出的 信号诊断、分类，确定故障类型和程度，最后报警、显示、动作等。给出故障前预告， 以便使故障在发生之前予以排除，称为故障诊断技术，这也是对电动机保护的一个新 要求。 1 3 保护系统对通讯的要求 电动机保护装置的主要功能是保护电动机在故障状态时不被烧毁。为此，电动机 保护装置一般会针对电动机的常发故障，投入相应的保护模块。以往，当电动机发生 故障后，一般由运行人员亲临现场去查看、记录和排除故障。对于规模很大的现场来 说，这种做法不但给运行人员带来很大的工作压力，还会因故障处理不及时而造成整 个系统的效率低下。现在，随着网络和通讯技术的发展，人们迫切需要将单台的电动 机保护装置以网络的形式有机的连接起来，以便实现集中监控和远程控制。要实现多 台电动机保护装置的系统化，其通讯技术就应当符合电动机保护的要求和需要。电动 机保护系统的通讯要完成的主要功能是完成监测中心与电动机智能保护装置之间的信 息交互。需要把电动机保护装置的各种信息及时、准确的传达给监测中心，并把监测 中心的各种控制命令无误的下达给现场监测单元。 1 4 我国电动机保护的未来 我国电动机保护的发展趋势归纳起来有以下几点： ( 1 ) 进一步完善电动机保护理论，采用明确的保护判据； ( 2 ) 以微机型为核心，提高操作的方便性，能形成基于现场总线的网络： ( 3 ) 应具有较宽的连续可调整范围、方便、准确： ( 4 ) 应具有完善的保护功能和保护特性即反时限特性，时间常数应该连续可调，还应 具有故障诊断功能； ( 5 ) 应具有高度的可靠性和稳定性； ( 6 ) 体积小、重量轻、价格便宜、安装和维修方便。 1 5 课题内容 本文所做的工作分为两个部分： 第一个部分就是阐述了电动机的保护原理和保护模型，介绍了基于单片s f l a t 8 9 c 5 2 的电动机保护系统的实现： 第二部分主要阐述了电动机保护系统的通讯模块，介绍m o d b u s 通讯协议和使用 v b 语言来编写基于m o d b u s 协议的电动机保护系统与上位机之间的通讯程序。以及分 析了工作现场的干扰问题并提出了抗干扰措施，最后提出了对于电动机保护装置发展 的前景和展望。 1 6 本章小结 本章首先介绍我国电动机保护装置的发展历程和现状分析；接着是电动机保护理 论的发展，分析电动机烧毁的原因、温度保护和在线检测保护：紧接着分析了电动机 保护系统对于通讯的要求，最后概括了电动机保护系统未来的发展以及本课题所做的 工作。 4 第二章电动机保护模型 电动机将电能转换为机械能，广泛应用于工农业生产中。电动机发生故障，不仅 损坏电动机本身，而且影响生产过程的连续性，带来极大的损失。因此，对电动机进 行监测和实行有效可靠的保护，不仅是保护生产系统正常工作的重要任务，也是使电 动机得到充分利用的重要手段，具有十分重要的意义。 2 1 电动机保护原理 电动机的故障分为电气和机械故障，而且机械故障与电气故障是有一定联系的， 往往一些机械故障会反映到电气故障方面去。因此本文中提到的电动机保护技术主要 是针对电气故障，引起电动机故障的原因主要有不平衡电压、缺相、过负荷等。按故 障类型可以分为对称性故障和不对称故障。传统的电动机保护以电流增量为主要特征 来反映对称故障，对于不对称故障如匝间短路、断相、不平衡运行等难以正确动作。 根据对称分量法分析。电动机定子电流可以分解为正序、负序、和零序分量。其中负 序和零序分量在电动机正常运行时没有或很小，一旦出现就表示出现故障。因此可以 利用负序和零序分量来鉴别各类不对称故障。对称性故障主要有对称过载、机械堵转、 三相短路等，它对电动机的影响主要是热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。其 主要特征是三相仍基本对称但同时出现过电流，故障严重程度基本可由过电流的程度 得到反映，因此仍然以过流程度作为这类故障的判据。不对称故障又可以进一步分为 非接地性和接地性两类。非接地性不对称故障主要包括断相、相间短路及不平衡运行 等。这类故障会引起三相电流不对称。由于我国电动机的中心点不接地，因此定子电 流可分解为正序分量和负序分量( 零序分量为零) 。由于电动机正常运行时负序电流分 量基本没有，所以可以采用负序电流分量作为这类故障的判据。这类故障对电机的损 害主要是负序电流引起的负序效应，可能会造成电动机端部发热、转子振动及起动力 矩降低等问题，如果有过流出现，还会使绕组发热。接地性不对称故障包括单相接地 短路和两相接地短路。由于我国电动机必须安全接地，因此绕组刮壳，绝缘破损等都 可能导致接地故障。发生接地性不对称故障时会出现零序电流，这是区别于其他任何 非接地性故障的最根本的特征，可作为接地性故障的主要判据。综上所述根据各相电 流的过流程度、各序电流值和各相电流值的不同组合就能判断出故障类型，从而实施 保护。 2 2 电动机的保护模型 2 2 1 过载保护模型 电动机过载运行时，由于电动机损耗的增加，发热量q 将增加，电动机温升提高， 将导致电动机发热烧损，故应对其进行保护。 电动机的过载保护，是以电动机的定子电流变化作为输入，建立起定子电流变化 和电动机温升的关系，若温升超过电动机的允许值，则保护动作。以下讨论一下电动 机温升的计算。 假定某一物体单位时间内释放的热量为q ，则在无穷小的时间d t 内，该物体产生 的热量等于( q d t ) 。如果在此段时间内该物体温升为dt ，则此物体吸收的热能为o c d ，：式中g 为改物体的质量，c 为比热，如果加热物体的过程中该物体的过程中该物 体比周围环境介质的温度升高t ，则由辐射、对流、传到等方式散发到周围环境的 热量为a 入td t ；式中a 为物体的表面积， 为表面热传导系数，物体产生的热量和 散发到周围环境的热量的差值将会引起物体的温升，因此热平衡的方程可写为： q d t a td t = g c dt( 2 一1 ) 在稳态时，物体与周围介质的温升达到t 。后温度不再上升，即d - = o 。因此式 ( 2 - 1 ) 变为： q d t a 九tmd t 2 0 c dt( 2 - 2 ) 由此： 1 m2 q a ( 2 - 3 ) 对式( 21 ) 求解得： ， 。一i n ( tm t ) + k ( 2 - 4 ) l 上式中z 为发热时间常数( = o c ) ，k 为积分时间常数。 若初始化时刻t = 0 ，初始温升高于环境为t 。，式( 2 - 4 ) 中k 值为： k 2 t n ( 。m to ) ( 2 5 ) 用式( 2 5 ) 代替( 2 4 ) 的k 可以解出： 一三一上 1=tm ( 1 一寺p5 ) + top ( 2 6 ) 1 如果没有表面的散热，所有产生的热量将会引起温升，消除( 2 1 ) 的a 九- d t ，温升方 程变为： q d t = g c dt( 2 7 ) 对式( 2 6 ) 积分，并带入五= 0 c a ，t 。= q ( a ) 和初始温升t 。， 温升1 变为： ， t5 t 所x + to ( 2 - 8 ) l 在本例中t 。定义为电机在等于五的时间内发出热量q 所引起的温升。 电动机冷却的公式可将式( 2 - 1 ) 代入o = 0 ，因此： 一三 t=t oeb ( 2 9 ) 上式中t ，为冷却时间常数。 上面的分析是把电动机作为均匀发热体计算的。实际上，电动机是由几部分组成的， 每个部分都有各自不同的表面积、质量、热传导率等，因此每个部分都有不同的温升。 但以上的指数方程对电动机的发热和散热特性给出了很好的近似。 本设计的过载保护就是将测量所得的电动机定子电流转化成温升t ，并检查是否达 到最大的允许温升，如果达到最大的允许温升，则置故障标志，停止电机的运行。 电动机电流一定时，电动机的损耗与电流的平方基本成正比，电动机的温升又与电 动机的损耗成正比，因此式( 2 3 ) 可写为：tm 2k l2 。 子电流。如果i = i 。( 1 。电动机的额定电流) 时，tm 2 t 温升) 即： t 。= k g 将式( 2 6 ) 和式( 2 8 ) 分别除以式( 2 - l o ) n 有： 式中k 为常数，i 为电动机的定 。( 电动机额定运行时高于冷态的 饥。= 筹( 1 - e 机t o - 小号 价。2 筹。 171e 2 两百。71 上式中：t t 。为电机的相对温升；t 。t 。为相对初始温升。 令t t 。= av ( t ) ，to t 。2av ( t ) o 锄 则有： g 五) + v ( t ) ( f = o ) 已毛 当+ v ( t ) “删 1 1 v ( t ) = 1 2 l ei ) l 。o + v ( t e 音 v ( t ) 专专x 1 0 0 + a v ( t ) c 刚 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 如果av = 1 0 0 ，表示电动机处于额定温升，如果av 1 0 0 ，则表示电动机过载。 相似的，电动机的冷却表达式为： v ( t ) ：av ( t ) ( f 删口 ( 2 一1 7 ) 电动机的温升极限值是由绝缘材料决定的根据g b 7 5 5 8 1 电机基本技术要求， 电动机的绕组温升极限值见表2 一l 。该标准规定的温升极限是在环境温度为4 0 c 时做 出的。 a 级e 级b 级f 级h 级 【温升极限( ) 6 07 08 01 0 01 2 5 i 极限温度( ) 1 0 51 2 01 3 01 5 01 8 0 将式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 的av ( t ) 用v 。代替，就可以画出保护模型的特性曲线。在过 载时，电动机电流上升，转速下降。由电动机转速下降则散发到空气的热量减少，此时 采用式( 2 。1 6 ) i t 。算温升。采用式( 1 2 1 5 ) 或式( 2 - 1 6 ) 取决于电动机的特性和电流值。本计算法 当过载为2 倍额定电流时采用式( 2 1 6 ) 计算。由此得出当小于2 倍额定电流时，冷态起 动曲线方程为： 0 r一譬r一 = = ) ) ； 叭 为 则式形 比 分百示表式e t 一”n 箍 热态起动曲线方程为： t 一耻箍 当电流大于2 倍的额定电流时，冷态起动的曲线方程为 t ：t 型每 ( 。) 。 热态起动曲线的方程为： t q 器 此处t 就为过载保护的动作时间。由式( 2 所示： ( 2 1 8 ) r 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 1 8 ) 式( 2 - 2 1 ) 过载保护特性曲线如图2 - 1 心 心 图2 - 1热过载特性曲线 图中实线表示的是电动机初始时与环境温差为06 c 的特征，虚线表示的是与环境温 差为2 0 。c 的特征。发热时间常数z 取6 0 分钟。 过载保护的计算过程如下： 1 ) 计算电动机三相电流有效值； 2 ) 判断电流值与额定电流值的比值； 3 ) 由电动机状态和过流倍数选择式( 2 一1 8 ) 式( 2 2 1 ) 中的一个计算反时限动作时 间： 4 ) 启动计算器，累讨时间： 5 ) 当累汁时间内，电动机状态没有变化，累计时间到则保护动作。如果在该段时间内 状态发生变化，则利用式( 2 1 8 ) 一一式( 2 2 1 ) 重新计算跳闸时间。然后进行步骤4 ) 和5 ) 。 2 2 2 三相短路、堵转保护模型 由堵转时转差率s = l ，电动机的等效电路如图2 2 所示。由于励磁阻抗z 。= r 。+ j x 。 比转子漏阻抗z ：。大很多，所以堵转电流主要是由定子的漏抗z ，。= r ，+ i x 。和转子的漏 阻抗z ：。= r ：+ j x ：。所限制，这时定子的电流很大。因此这类故障的保护判据是过流信 号。三相短路保护的整定原则是躲过电动机的起动电流( 5 - 7 i 。) 。一般整定电流在 8 - l o i 。电动机在堵转状态下允许的时间非常短，也随着电动机的不同而不同。 s 撑、，& 泓：， 图2 - 2 堵转时电动机的等效电路 2 2 3 三相不平衡、断相保护模型 我国的电动机中性点不接地，由对称分量法可知当三相不平衡时，定子内只有正 序和负序( 由接地引起的三相不平衡除外，后面将讨论接地故障) 。负序电流和正序电 流的合成为三相定子中的实际电流。正序电流的作用和三相平衡时的电流是相同的， 负序电流建立起一个反向旋转的磁场。因此如果相对于正序电流的转差为s ，对于负序 电流来说转差则为( 2 - s ) 。对于正序和负序电流的感应电动机的等效电路如图2 3 和图 2 - 4 所示。电动机相当于两台独立的电动机。一台工作在转差为s ，每相的端电压为v 。； 另一台工作在转差为( 2 - s ) ，每相的端电压为v 。令i 。代表正序电流，i 。代表负序电 流。每相总输出功率可表示为： p 。一2 ，r ：竺一i2 芸 ( 2 - - 2 2 ) 星型接法时，每相的转矩为： t ：连( 星一三) ( 2 - 2 3 ) sz s 由上式可以看出负序电流降低了电动机的输出功率和转矩。 1 _ 一卜 i x ,s成 ”。，口。 r l ， v l 5 弘。 。 图2 - 3 电动机正序等效电路 t ( 2 一s ) ： 图2 - 4 电动机负序等效电路 正序电流和负序电流是正序电压、负序电压、电动机参数和转差的函数，即： v i = 1 ：! ：一 ( 2 2 d ) 9 + ( 吒s ) 】2 + ( 一+ t ) 2 矿 i 。= 一一二兰= 一 ( 22 5 ) “ + ( 哇( 2 一s ) ) 2 + ( 五+ x ：) 2 当存在不平衡时起动时问将延长，电动机发热增加，将导致电动机寿命的降低。电动 机输出的转矩是由正序电流产生的转矩减去负序电流产生的转矩。此数值比三相平衡 时要低，如果仍需要输出额定转矩，则转差会增大，这样就会增加转予的损耗，发热 增加。而在空载或轻载条件下，定子电流的增加不明显。因此此类故障的判据需利用 负序电流分量。 断相可以说是电流不平衡的一种特殊情况。设y 接法电动机a 相断相，如图2 5 所示： 断相故障时各相电流为： 如 图2 - 5a 相断路示意图 肛= 【厶= 一l r 2 2 6 ) 应用对称分量法，各序分量为： l l a o = 0 i 厶= 一厶： 流入b 相的电流为： ih = i b l + k l ：u 2 i ，i + d i n 2 = 憎- a ) ll b 、c 两点的电压降为： u 6 。= u b u c = ( d 2 一日) l l ( z 1 + z 2 ) 上式中z l 为电动机的正序阻抗，z 为电动机的负序阻抗。 ( o + 线) ( 垒+ j 嘭) z 1 5 r + j 五+ r 一 ( + l ) + ( 生+ ，y i ) z ：阶! 型叁：些! ( _ 斗以) + ( 击+ 蹦) 忽略励磁电流，近似可得负序电流i ：值： ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 1 r 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 1 万霖雨u o c ( 2 3 2 ) 由此可见，正在运行的三相异步电动机，当发生一相断线时，未断线绕组的电流急剧 增大，并出现较大的负序电流。其对电动机的损害也较大。应该将断相故障和其它不 平衡故障分开，采取不同的保护时限。 2 2 4 接地保护模型 由于电动机绕组的绝缘下降、电动机受潮、转子刮壳等原因，电动机极易发生接 地短路。我国的异步电动机一般不接中线，根据对称分量法，在正常运行时，无零序 分量。一旦出现接地故障，无论该故障是金属性的还是非金属性的，均在相电流中出 现零序电流，利用零序电流互感器检测电动机的零序分量，即可对电动机的接地故障 实现保护。以单相接地短路为例分析： 设电动机a 相端子经电阻r 接地( 例如电动机因绝缘损坏绕组刮壳) ，其等值分析 电路如图2 - 6 所示： 图2 - 6单相接地故障 冉2 簟z d + 小= i 。+ i r 、i 沪e b | z d l c 。e c | z 。 上式中z 。为异步电动机的每相等效阻抗。 应用对称分量法，各序分量为： 佗一3 3 ) i i = ；啦t + n ib + 毋j c ) - - l + ；ir jj 厶：委( 毛+ a 一- l 。+ 吐) ：；t ( 2 - 3 4 ) jj 厶= ( l + j 。+ 厶) = ；i 注：根据对称分量法其中口= 一去+ j 半d 2 = 一去，半 上z zz 由此可知，发生单相接地短路时会出现零序分量，其值大小取决于故障程度。故 障相电流也增大，变化的大小取决于r 值。r 值越大，t 越小，反映在故障相中的电流 越小，即三相电流的差别不大，因此检测相电流变化，无法对接地故障可靠的保护。 而利用零序分量检测接地故障可靠较性好。 由上述分析，以检测电动机定子三相电流的过流程度和负序、零序电流分量作为 故障判据覆盖了电动机的大部分故障，具有很高的可靠性。表2 2 列出了电动机常见 故障的特征。 故障类型零序负序过电流其他故障特征保护特性 过载无 无 ( 1 ，2 - 5 ) t id z i b * ic 反时限 堵转 无无 ( 5 7 ) ，。 id l b i ： 短时限 短路无无 ( 8 1 0 ) ，。 i ，i h j ： 速断 i ，= 0 ，l b = 一l ： 短时限 断相无 专k 5 i 、 不平衡无 有无 1 ， ib 车i ： 短时限 相间短路无有( 取决于位置) l h i c j ， 速断 i ， i b | i ： 单相接地 ；， 有取决于位置速断 i b ，lc io i o 两相接地；， 有取决于位置 速断 表2 - 2电动机常见故障特征表 注：1 单相故障设a 相为故障相，两相故障设b 、c 相为故障相 2 i 。表示故障前电流值，l 表示额定电流值； 。：i = ，。+ 。+ i 根据以上分析，电动机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大，而发生 不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。根据这一理论，可以将电动机 的保护分解成三个部分，即过流保护、负序电流保护、零序电流保护。此外，本系统 对电动机线电压的采样又可以对欠压的情况进行保护( 欠压的整定值和整定时间均_ l j 由用户设定) ，由此可以基本覆盖电动机的所有常见故障类型，实现了真正的电动机综 合保护。同时，通过分析还可以发现。电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故 障信息的分布组合关系与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。 2 3 电动机的起动故障 异步电动机投入电网，从静止状态转动起来，升速并达到稳定转速运行的过程， 称为起动过程。起动过程中，电流处于过渡过程，犹如等效电路的突然接通。起动瞬 l b - j ，由于短路阻抗很小，所以起动电流很大。在电动机上的大电流，使电动机受到很 大的电磁力冲击，如果起动过程太长或者频繁起动，会便绕组过热，对电动机造成损 害。起动电流的大小，常用起动电流倍数表示： k m = l 。| l ，( 2 - 3 s ) 一般异步电动机在直接起动时k 。= 4 7 。 在起动过程中，电动机出现的故障，常统称为起动故障。一般是指起动时间过长 故障。正常的起动过程结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近，而起 动时间过长则是在起动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值( 一般为机械原因) 。 如果在起动的过程中，当整定的起动时间t 。到达后，电动机运行电流仍大于电流的 整定值i 。时，本保护动作于出口跳闸。 起动时间过长保护可作为电动机起动过程中短路保护的后备设备。而且起动时间 过长保护只针对于电动机的起动过程加以保护，如果电动机正常起动后，此保护应自 动退出，而且只要电动机不停机，此保护应一直不予以投入。所以，正确的判断电动 机是否处于起动状态就显得格外重要，为此，在整定值中特意加了一个整定值，。当 电动机的电流小于，时，认为电动机处于正常停机状态，而一旦电动机的电流由小于 ，过渡到大于，。时，则认为电动机开始起动，将起动时间过长保护投入，那么如何判 断起动完成，从而投入电动机运行状态时的另一套保护设定值呢，有两个判断依据： ( 1 ) 如果电动机有电流，电流值曾超过额定电流值并且电流值却不会回到 额定电流附近，当到达整定的电动机起动时间后，判定为起动完成( 轻 载情况下) 。 ( 2 ) 电动机有电流，电流值电流曾超过额定电流但不会回到额定电流附近， 但只要电流有下降的趋势，当到达整定的电动机起动时间后，也可判 定为起动完成( 重载情况下) 。 满足以上两个中的任意一个条件，均投入运行设定保护值。但是起动时间过长保 护只在符合第一种情况下才退出，如果只满足第2 个条件，虽然设定值切换了，但是 起动时问过长保护仍然存在。 2 4 本章小结 本章介绍了电动机保护的原理，详细分析了电动机在过载、电压不平衡、断相、 堵转和接地情况下定子电流的变化情况。指出利用相电流的变化对于不对称故障的保 护的不足，提出利用过流程度和负序、零序分量来判断电动机的故障，给出了故障特 征表，最后分析了电动机的起动故障。 第三章电动机保护装置的实现 本文所阐述的电动机保护装置是针对中小型电动机的保护装置，选用m c s 5 1 系 列单片机a t 8 9 c 5 2 作为c p u 。本章阐述了基于a t 8 9 c 5 2 的电动机保护系统的硬件和 软件的设计。 3 1 硬件设计 电动机保护装置是基于单片机a t 8 9 c 5 2 的系统，其硬件电路设计一般包括两部分 内容：一是系统扩展，即单片机的内部功能单元，如r o m ，r a m ，i 0 口等容量不能满 足测控系统的要求，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。一是 系统配置，按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、a d 、d a 转换器等， 设计合适的接口电路。 为了使硬件设计尽可能合理，系统设计遵循了下列原则： ( 1 )尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的 标准化、模块化打下良好基础。 ( 2 ) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足电动机保护系统的 功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 ( 3 )硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会 产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能出软件 来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能， 其响应时阃要比直接用硬件实现来得长，而且占用c p u 时间。因 此，选择软件方案时，要考虑到这些因素。 ( 4 )整个保护系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。 ( 5 )可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括 芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 ( 6 ) 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时， 系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或 者减少芯片功耗，降低总线负载。 上述原则渗透于整个电动机保护装置的整个硬件设计过程。如图3 - 1 为系统的结 构图。 键盘模块。卜 一开关量模块l 1 匝紧叼+ 一+ 一一蒙块1 c p u a t 8 9 c 5 2 “。 叫4 赢磊 e e p r o mh 。 瑕羹登例卜 一 电源模块 樽缺i 图3 - 1电动机保护装置结构图 从上图可以看出系统由键盘模块、l e d 显示模块、e e p r o m 、报警跳闸模块、开关 量输入模块、模拟量数据采集模块、通讯模块、电源模块等组成。 开关量输入回路：来自外部节点的开关量，经光电隔离后，向c p u 输入，经软件 逻辑判断抗干扰处理，发出非电量动作信号。 电源部分：选用设计成熟的开关电源，分别输出正负5 v ，1 2 v 等电压等级，各路 电源隔离并加抗干扰措施。其中5 v 专向c p u 及附属回路供电；正1 2 v 向隔离光耦供 电；正负5 v 向运算放大器回路供电。 模拟量数据采集模块：电动机保护系统的模拟量数据包括电动机的a 、b 、c 三相 的相电流和线电压巧。数据采集模块所用到的a d 是t i 公司的t l c 0 8 3 8 。 3 1 1 c p ua t 8 9 c 5 2 单片机简介 微处理器是电动机保护系统的大脑。它不仅要完成对采样数据的数学处理、状态 信息的逻辑推理以及与外部设备的信息交换，还要实现对其它各硬件模块的控制。因 此，对微处理器的选择既要考虑其运算速度、运算能力以及数据空间的容量，又要考 虑其i 0 接口的驱动能力以及片内程序空间的容量。只有这样才能够保证硬件的简洁。 基于上述原因，为了达到系统检测和控制目的，完成系统功能，选择了i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列的单片机a t 8 9 c 5 2 作为系统的c p u 。 下面介绍系统的c p ua t 8 9 c 5 2 ： ( 1 ) 先进c m o s 工艺制造并带有非易失性f i s h