（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的感应电动机智能保护器设计.pdf

英文摘要 t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tp r o t e c t o rf o ri n d u c t i o nm o t o rb a s e do nd s p a b s t r a c t e i g h tn a t i o n a ld e p a r t m e n t ，i n c l u d e dt h en a t i o n a lm a c h i n ed e p a r t m e n t ，d e c l a r e di n 1 9 9 7t h a tn om o r eo v e r - t e m p e r a t u r e r e l a y w o u l db e p r o d u c e d a n dl a t e d m o d e l e l e c t r o n i cm o t o rp r o t e c t i o nw o u l dr e p l a c eo v e r - t e m p e r a t u r er e l a ys t a g eb ys t a g ef r o m d e c e m b e r3 1 ，1 9 9 7 i ti si m p e r a t i v ef o rt h er e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no f i n t e l l i g e n tp r o t e c t o r t h eo r i g i n a lt a k e st h ei n d u c t i o nm o t o ra sr e s e a r c ht a r g e t i nt h i s a r t i c l e ，p r o p o s e st oc o m b i n et h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o dw i t ht h ed s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) c o n t r o lt e c h n i q u ea n dp r o f i b u s - d p b u st e c h n i q u ei na ne f f o r tt o d e s i g ni n t e l l i g e n tp r o t e c t o rf o ri n d u c t i o nm o t o r , w h i c hi n c l u d e sp r o t e c t i o n ，c o n t r o l ， m e a s u r e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t h a tp r o d u c e db yt ic o ，t h es y s t e mc h i e f l yc o m p l e t e s t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o nc o l l e c t i n g ，r e g u l a t i n ga n de x e c u t i n gt h ep r o t e c t i v ea c t i o n b y u s i n gp r o f i b u s d pf i e l d - b u sw h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n ，ad i s t r i b u t i n gn e t w o r ks y s t e mi sc o m p o s e df o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm o t o rp r o t e c t o ra n dc e n t r a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，s ot h a tt h ec e n t r a lc o n t r o l l i n g s y s t e mc a nm o n i t o rt h em o t o rp r o t e c t o r a n dd i a g n o s ef a u l to f c o r r e s p o n d i n g m o t o r t h et r a d i t i o n a lo v e r - c u r r e n tp r o t e c t o rc a nn o te f f e c t i v e l yp r o t e c tm o t o rw h e nt h e r e i sai m b a l a n c e df a u l t i nt h i sp a p e r , t h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o di se m p l o y e da s b a s i ct h e o r yo fm o t o rp r o t e c t i o nt of u l f i l lt h ed i a g n o s i so fi m b a l a n c e df a u l t t h e i n t e l l i g e n tp r o t e c t o rc a nd e a lw i t ht h ef o l l o w i n gm o t o rf a u l t ss u c ha ss h o r t c i r c u i t ，l o s s o fp h a s e ，i m b a l a n c e ，l o c k e dr o t o r , o v e r l o a d ，l o w v o l t a g e ，o v e r - v o l t a g eb ym e a s u r i n g n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ，p o s i t i v es e q u e n c ec u r r e n ta n dz e r os e q u e n c ec u r r e n ta n d p r o c e s s i n gt h ec u r r e n td a t aw i t ht h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o d p c bh a sb e e nd e s i g n e df o rh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，s o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d a n da d j u s t e df o re v e r yf u n c t i o nm o d u l e i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nc o m m u n i c a t e w i t hc e n t r a lc o n t r o l l i n gs y s t e mt h r o u g hp r o f i b u s d e k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；d s p ；s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o d ：f i e l db u s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王旦里的壁廑电动扭蟹能堡塑墨送让二。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丧磊辱沙梅多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：囊澎日 导师签名： 日期：硼j 7 年5 月 、 7 日 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 第1 章绪论 1 1 引言 三相感应电动机由于其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点， 同时其机械特性能满足大多数生产作业的要求，因此被广泛应用于电气、机械、 冶金、石油、化工、汽车、船舶等行业。据统计，电网的总负荷中约有6 0 以上 是感应电机；以电力作为原动力的负荷中，有9 0 左右是感应电机。工厂在生产 过程中，电机一旦发生故障，可能导致动力系统和电力系统服务中止，从而造成 生产线的停工，甚至影响生产工艺的流程及作业人员生命安全；其次电机故障的 维修和设备的更换也会带来较大的经济损失，因此三相感应电动机的在线故障诊 断和实时保护显得尤为重要。 以往生产线上多采用熔断器及热继电器式的电机保护装置，经常出现拒动或 误动跳闸等错误操作，且保护精度低、整定困难。随着生产工艺的发展对电动机 保护可靠性的要求越来越高，熔断器及热继电器式的电机保护装置难以满足要求。 1 9 9 7 年国家机械部等八部委联合发文宣布：从1 9 9 7 年1 2 月3 1 日起，停止生产热 继电器等落后机电产品，逐步以新型电子式电动机保护器代替热继电器。因此、 智能型电动机保护器的研究、开发、生产势在必行。 1 2 电机保护装置发展历史、现状与趋势小2 1 ( 1 ) 热继电器为主的组合保护方式 中小型电动机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合。采用熔 断器及热继电器的电动机保护是较为经济、简单的一种方式。但当电动机发生故 障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时，就会使电动机缺相运行而使事故 进一步扩大，造成电动机烧毁。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载 保护的首选产品，它是利用双金属片热效应原理。双金属片是由不同膨胀系数的 两片金属铆合而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲， 电流的大小和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就 会启动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。热继电器在保护电动机 第1 章绪论 过载方面具有结构简单、安装方便等优点，但它也有保护时滞和对轻微过载与堵 转保护欠佳的缺点。长期轻微过载运行使电动机绕组产生热积累，而使绕组绝缘 老化造成电机损坏。热继电器存在的整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差 大及功能单一等缺点，已无法满足实际应用中对继电保护越来越高的要求，目前 已被淘汰。 ( 2 ) 传统的电磁型保护方式 以反映故障前后电流量的变化为判据的电磁型保护曾得到广泛应用。目前我 国电网中，有一部分电动机保护仍采用电磁型继电器为主的保护，如运行中的保 护大多数为电流速断或定时限过流，另有相当数量的电动机采用一次过流保护。 根据感应电动机的起动特性，为了使保护在电动机起动时可靠不动作，这些保护 的定值都要躲过电动机的起动电流来整定，这样定值要比其本身额定电流大许多 倍，这对电动机匝间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障动作的灵敏度降低，而只 能保护电源电缆和定子入口的一小部分，这就加重了电动机的损坏程度，有不少 电动机在故障切除后，烧毁的部分无法修复。可见电磁型电动机速断或定时限电 流保护是牺牲保护的灵敏性来提高可靠性的。 ( 3 ) 温度保护 决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。因此，任何过负荷的允许持续时间都 应以绝缘发热为依据。而热保护( 热继电器) 和电流保护( 电磁型、电子式) 的 本质都是按照电动机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短。温度保护是利 用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。当电动机达到一定温度时，继电器 动作断开电动机的供电电路。此类保护的关键是在制造电动机时，将传感器直接 放在电动机绕组里，但究竟将其预埋于电动机的哪一部位才能最全面有效地监测 电动机绕组的温升，从而灵敏地切除故障是不能确定的。比如说，温度传感器预 埋于a 处，而在远离a 处的b 处发生故障，传感器就有可能监测不到b 处的温度 变化，因而延误保护动作的时间而使故障扩大。也就是说它的监测功能是局部的； 况且由于传感器埋在电动机绕组里，对传感器的维护和检修极为不便，必须拆除 电动机本体才能对传感器进行检修，因此温度保护的使用有着相当大的局限性。 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 ( 4 ) 电子式保护 随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟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的。其原理一般包含两个方面：一是 通过检测电流值来反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障；二是通过检测 电动机的电流是否缺相来反映断相故障。基于过流的保护从原理上分析有以下问 题： ( a ) 不对称故障或不平衡运行状态与对称故障或过载就引起电动机损坏的原 因是完全不同的。因不对称故障或不平衡运行会出现负序电流分量，由此所引起 的负序效应会导致电动机过热、转子震动等一系列问题。因此，若仍单纯以过流 为目标构成保护器，则难以实现对电动机的全面检测和保护。 ( b ) 电动机内部绕组故障( 如匝间短路、单相、两相接地等) 一般是由于环境 较差，长期运行不当等原因引起的。起初这类故障往往是局部的并不出现过流， 但若不及时处理会导致事故扩大，等到故障严重到导致过流保护动作时，电动机 已损坏，保护失去意义。 ( 5 ) 微机保护方式 微机保护是在综合保护的基础上发展起来的，它可以同时对电机断相、过载、 短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有电流电压显示、故 障记忆等功能。另外，智能化电机保护器还可以与各种传感器配合进行在线检测。 对电机的各种故障或早期故障进行保护和判断，真正实现了智能检测和控制。当 保护器与远程计算机实现通讯后，它又有了遥控和遥测的功能，并且能够存储大 量的数据，保护装置本身的自动化性能也越来越高。此类保护器节能、动作灵敏、 精确度高、保护功能全、重复性好，代表了当前电机保护器的发展方向。 目前，国外已有专用微机化的多功能电动机保护装置投入市场。与传统产品 相比，这类保护器有优异的保护特性，保护功能和工作可靠性大为提高。国外一 些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心的智能化保护器，如西门子公司的 可提供过载、断相和三相电流不平衡保护的过载继电器，富士公司的具有过载、 断相和反相保护的继电器，以及韩国三和e o c r 株式会社的能提供过载、起动电流、 第1 章绪论 三相电流不平衡、断电保护和自我监控等功能的继电器。 我国微机型电动机保护起步较晚，电动机保护水平整体较低。在微机线路保 护已经开始普遍运用的时候，微机电动机保护尚处于萌芽状态，普遍是根据电流 的大小来决定是否需要保护，这显然没有考虑到多种故障因素对电机的影响。电 机是否需要保护其根本的判断依据应该是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温 度，在平均电流相同的情况下，对于不同的工作电压、负序电流、零序电流，电 机绕组发热程度并不一致，这就说明单纯通过电流的大小来判断电机是否需要保 护并不十分科学，不能对电机在各种环境下全面保护。综上所述，虽然目前运行 有多种微机型电动机保护装置，但实际运行效果并不好，用户反映一般，主要原 因是装置存在可靠性较低，保护功能不完善，界面不友好等因素。因此，围绕电 动机保护“可靠、快速、准确 的基本原则，结合当今信息时代的特点，有必要 研制一种基于全新硬件平台的新型电动机综合保护装置，其性能稳定可靠，保护 功能完善，抗干扰能力强，界面友好，电机运行信息完备并能实现远程监控，以 满足用户需求。 1 3 现场总线及p r o flb u s 现场总线介绍3 m m l 1 3 1 现场总线概念 国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准中现场总线定义为：现场总线是安装在生产过 程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字 式、多点、双向通信的数据总线。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制 系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) ，其以单个分散的数字化、智能化的测量和控 制设备作为网络节点，用现场总线相连接实现相互交换信息，共同完成自动控制 功能。 1 3 2 现场总线技术的特点 ( 1 ) 系统的开放性：现场总线系统对相关标准具有一致性、公开性、强调对标 准的共识与遵从。 ( 2 ) 现场设备的智能化与功能自治性：现场总线使传感测量、补偿计算、工程 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 量处理与控制功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的 全部功能，还可以随时诊断现场设备的运行状态。 ( 3 ) 系统的高度分散性：现场总线构成了一种新型的全分散控制系统的体系结 构，从根本上改变了现有d c s 系统集中和分散相结合的集散控制体系，简化了系 统结构，提高了控制系统的可靠性。 ( 4 ) 对现场环境的适应性：作为工厂网络底层的现场总线对现场环境具有较强 的适应性，是专门为现场设备而设计的，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实 现供电和通信，还能满足用户本征安全等特殊要求。 由于以上现场总线的技术特点，使现场总线控制系统体现出如下优越性：节 省硬件成本；设计、组态、安装、调试简便；系统的安全可靠性好，减少故障停 机时间；系统维护设备更换和系统扩充方便；用户对系统配置设备选型有最大的 自主权；完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。 1 3 ：3 现场总线标准 现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造 商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产产品，系 统集成商能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国 际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向， 纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响， 并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己的总线技术标准在 未来国际标准中占有较大比例，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业 的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为 基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竞争，体现了各公司在 技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市场实力的竞争。据说目前国际 上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额 的总线有如下几种：p r o f i b u s 现场总线、基金会现场总线f f 、l o n w o r k s 总线、 c a n 现场总线、w o r l d f i p 现场总线、p n e t 现场总线。在本课题的研究中我们选 择了p r o f i b u s 现场总线实现系统的网络功能。 第1 章绪论 1 3 4p r o f i b u s 总线技术 p r o f i b u s 总线是由s i e m e n s 等1 3 家企业和5 家研究机构联合开发的一种国 际化、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。p r o f i b u s 的开发始于 1 9 8 7 年，1 9 8 9 年成为德国标准d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年被批准为欧洲标准e n 5 0 1 7 0v 2 ， 并于2 0 0 0 年成为i e c 6 1 1 5 8 国际现场总线标准之一。我国于2 0 0 1 年正式批准 p r o f i b u s 成为我国的机械行业工业控制系统用现场总线国家标准，标准号为 j b t 1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 。目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过1 5 0 0 多种，分别来自国 际上2 5 0 多个生产厂家，在世界范围内已安装运行的p r o f i b u s 设备已超过2 0 0 万台，占市场份额的2 0 。 p r o f i b u s 总线协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络 ( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 作为参考模型的。p r o f i b u s 协议规范层次 结构如图1 1 。 糊售 l 十 鲫层i 1 7 j i 十 3 h6 ) l 十 敷据蝗蘑层i f 2 j i 十 嘲l 订) i e l l5 0 1 7 0 图1 1p r o f i b u s 协议结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fp r o f i b u sp r o t o c o l 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 p r o f i b u s 现场总线可以将数字自动化设备从低级( 传感器执行器) 到中间 执行级( 单元级) 分散开来。根据应用特点和用户不同的需要，p r o f i b u s 提供 了3 种兼容版本的通信协议：p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，现 场总线报文规范) 、p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，分散型外围设备) 和 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化) 。 ( t ) p r o f i b u s f m s p r o f i b u s f m s 定义了第1 、2 、7 层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ) 和低层接口( l l i ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的 通信服务。l u 协调不同的通信关系并提高不依赖设备的第2 层访问接口。第2 层 现场总线数据( f d l ) 可完成总线访问控制和数据的可靠传输，还可提供r s 4 8 5 或光缆传输技术。p r o f i b u s f m s 主要应用于车间级控制网络，是一种令牌结构、 实时的多主网络，解决车间级通用型通信任务，提供大量的通信服务，完成中等 传输速度的循环和非循环通信任务。 ( 2 ) p r o f i b u s d p p r o f i b u s d p 定义了第1 、2 层和用户接口。第3 层到第7 层未加描述。这 种精简的结构保证了数据传输的快速和有效，直接数据链路映像( d d l m ) 提供 易于进入第2 层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用 的应用功能，并详细说明了各种p r o f i b u s d p 设备的行为，还提供了传输用的 r s 4 8 5 传输技术或光缆。p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速、廉价通信连接， 专为自动控制系统和设备及分散i o 之间通信设计，可取代昂贵的4 m a - - 2 0 m a j ，2 4 v d c 并行信号线，并于分布式控制系统的高速数据传输，实现自动控制 系统和分散外围f o 设备及智能现场仪表之间的高速数据通信。 ( 3 ) p r o f i b u s p a p r o f i b u s p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，另外还使用了现 场设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术可以确保其本征安 全性，而且可以通过总线给现场设备供电。使用d p p a 耦合器和d p n al i n k 连 接器可在d p 上扩展p a 网络。 第1 章绪论 1 4 本课题主要研究内容 本课题采用德州仪器公司( t 1 ) 1 6 位定点信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为 主控核心，增强了系统信号处理能力和信号处理速度，使保护器能实时对电机运 行参数进行采样和准确地对电机运行状态进行诊断，以及在诊断到故障时快速执 行保护动作，极大地提高了电机保护系统可靠性、速动性。保护器通过与各种传 感器配合进行在线检测电机各项参数，对电机的各种故障或早期故障进行保护和 判断，真正实现了智能检测和控制。通过p r o f i b u s 总线将各保护器及上位工控 机相连，既能实现各保护单元的资源共享，又可以实现远程控制和集中控制。此 类保护器节能、动作灵敏、精确度高、保护功能全、重复性好，代表了当前电机 保护器的发展方向。 本课题的主要研究概括内容如下： ( 1 ) 研制出以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的电机综合保护器，可以实现短路 保护、断相保护、三相不平衡保护、接地保护、堵转保护、欠电压保护、过载保 护、过电压保护，同时还拥有电流电压显示、故障记忆等功能。 ( 2 ) 利用s i e m e n s 公司的通信处理芯片s p c 3 ，以d s p 作为其控制器，开发出 p r o f i b u s d p 智能从站模块。综合保护器作为从站接入作为设备级监控网络的 p r o f i b u s d p 总线上，使保护器在完成本地诊断和保护功能的同时，还可以实时 地将电机运行参数传送到上位机和接收上位机发出的控制指令及控制参数。 ( 3 ) 液晶显示器和e 2 p r o m 以及键盘的使用，使保护器能显示电压、电流和电 机运行状态等相关参数，还拥有参数设置、故障记忆等功能，形成友好的人机接 口和人机界面。 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 第2 章电机保护原理和保护方案 2 1 电机保护原理 保护算法是电机保护器的中枢神经，使保护系统性能最主要的决定因素之一。 因此，对电机保护原理的研究至关重要。传统的电机保护一般采用热继电器型或 电磁型的过流保护，其基本保护原理是以电流幅值的增加作为判断否发生故障的 依据。所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和 短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称 故障进行及时有效的保护。传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有 效保护的主要原因是：( 1 ) 不对称故障一般不会使电流显著增加；( 2 ) 不对称故障中 出现的负序电流分量所引起的负序电流效应会导致电机端部发热、转子振动、减 小起动力矩等一系列问题；( 3 ) 起动电流瞬间值有时会高于电机的故障电流，要对 起动电流和故障电流进行分辨，使过流继电器的整定困难。针对传统故障检测方 法的不足，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的 不对称故障。以下介绍对称分量法和负序、零序电流的检测方法。 2 1 1 对称分量法 对称分量法最早由f o r t e s c u e 于1 9 1 8 年提出，又称对称成分法，为解决多相( 三 相) 不对称交流系统的分析和计算提供了一个有效方法。对称分量法是用于线性系 统的坐标变换法。任何一三相不平衡电流都可以分解为三个平衡的矢量成分，即 正序成分( p o s i t i v es e q u e n c ec o m p o n e n t 正序分量) 、负序成分( n e g a t i v es e q u e n c e c o m p o n e n t 负序分量) 、零序成分( z e r os e q u e n c ec o m p o n e n t 零序分量) 1 6 1 。 电力系统某处发生不对称短路，三相电路电流和电压的基频分量都会变成不 对称的向量。以， 、毛、，c 表示三相电流，可以将，a 分解为正序、负序、零序三 组成分，。、厶：、， 。同理，b 可以分解为正序、负序、零序三组成分，。、，眩、 i ；，c 可以分解为正序、负序、零序三组成分，c 。、，c 2 、，。其中，正相序成分 第2 章电机保护原理和保护方案 的相序依次为， 。、，。、，。，大小相等及互隔1 2 0 。；负相序成分的相序依次为，。、 ，b 2 、，c ：，大小相等及互隔1 2 0 。；零相序电流则大小相等且同相。 各组相序成分值大小相等，所以可以将其简化，用某一向量表示。定义算子 “a 为向量沿逆时针方向旋转1 2 0 。，其为一单位矢量。由此可以得出： i a i b i c2 吁 i a l i a 2 i a o ( 2 1 ) 式2 1 既己以a 相为代表，则， 。、厶：、， o 各符号可进一步简化为，。、厶、厶， 而式2 1 可以改写如下： ia i b i c。e ，1 ，2 l o 将式2 2 中三相电流相加，可以得出如f 等式： i a + l a + i c ；( 1 + 口+ 口2 x 1 1 + 1 2 ) + 3 1 0 因( 1 + a + a 2 ) = 0 ，故： ，o 一 ( ，_ + i s + ，c ) 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 同理，可以求出三相电流的正序分量和负序分量，。、1 2 。综上所述，即得： ，l ，2 ，o ，1 aa 2 、 。! l1 口： 口i 3 i1 11j 、， i a i b i c ( 2 5 ) 由式2 5 可知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量。如果三相系统 是三角形接法，或者是没有中性线的星型接法，三相线电流之和总为零，不可能 基td s p 的异步电动机智能保护器没计 有零序分量电流。只有在中性线的星型接法中才有可能存在零序电流。本保护器 设计主要针对三相四线制电力系统中的电动机，零序电流可作为故障判断的重要 依据。另外要说明的是，在一个三相对称的元件中( 例如线路、变压器和电动机) ， 如果流过三相正序电流，则在元件上的三相电压也是正序的，这一点从物理意义 上是很容易理解的；同理，如果流过三相负序电流或者是零序电流，则元件上的 电压降也是负序的或零序的。这就是说，对于三相对称的元件，各序分量是独立 的【6 】。 2 1 2 零序、负序电流分量检测 根据对称分量法，电动机发生不对称故障时，其定子电流可以分解为正序、 负序和零序电流分量。其中负序或零序电流在电动机正常运行时没有或很小，一 旦出现则表示电机已经出现了故障。因此对称分量法在三相感应电动机保护中应 用的关键问题是三相电流的负序、零序电流的监测。负序、零序电流作为判断是 否发生不对称故障的标准，其采样电路的精确度，直接影响保护系统的稳定性和 准确性。 零序电流与三相电流的矢量和成正比关系且相位相同，通过检测三相电流的 矢量和就能达到检测零序电流的效果，其检测电路如图2 1 所示。零序电流检测电 路由电流互感器l h 构成，其原边有三个绕组，匝数分别为n 2 、1 1 3 、1 1 4 ，分别流过 三相电流， 、，b 、，c ，副边匝数为n o 、电阻为r o 、电压为u o 。 t 二 b 二 k 二 图2 i 零序电流检测电路 f i g 2 1c i r c u i to fz e r os e q u e n c ec u r r e n ta c q u i s i t i o n 第2 章电机保护原理和保护方案 取原边三线圈匝数相等，都为n 2 ，则可得出： u o 一竺王( ，4 + j r 口+ ，c ) r = 3 民n zl o = 玉，o i o ( 2 6 ) ，z 0，z o 式中，n o ；3 r on - - 2 - 2 。零序电流检测电路的输出电压与零序电流成正比且相位 ，l o 相同，从而达到检测零序电流的目的。 负序电流的检测应设法消除正序和零序电流的影响，只输出与负序电流成正 比的电压。本文所用的负序电流检测电路如图2 2 所示，主要由电抗互感器d k b 和中间变流器l b 组成【7 1 。 兰j 。f b r l i l = j 下 w l _ 2i ；习l m 图2 2 负序电流检测电路 f i g 2 2c i r c u i to fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta c q u i s i t i o n d k b 的原边有两个匝数相同的绕组，分别加入电流毛和，c ，副边的开路电压 与所加的电流成正比，且相位超前电流9 0 。，可用雎u b i c ) 表示。l b 的原边也 有两个绕组，其中啦加入电流，另一个三中加入电流( 一3 元) 。设l b 的变比 为n 。，则其副边电流为三( 一丘) ，在r 上的压降就为三( 一五皿。根据图2 2 的 以1一 接线，在m l l 端子上的输出电压可表示为： 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 1o u 。= 二( ， - i o ) r 一彤- i 。) ( 2 7 ) 傀 当输入端加入正序电流时，其向量图如图2 3 ( a ) 所示，输出电压为： d 。，。三。r j k ( 。一。) ；。( 墨一、f 3 k ) ( 2 8 ) 17 h 选取参数为r = 3 k ，则u 。- 0 ，从而消除正序电流的影响。 当只有零序电流输入时，因1 4 0 。i s o ；i c o ，因此，在d k b 和l b 原边的安匝 互相抵消，即u 。o = 0 。 如果只输入负序电流时，如图2 3 ( b ) 所示，输出电压为： 痧。：。三：r j k ( i s 2 - t ) 。芦+ 弦) ；2 旦。 ( 2 9 ) i tr i 、飞 ， 即输出电压与，一：成正比而且同相位，从而达到检测负序电流的目的。 ，m 。 毛：一i 。n ( a ) ( b ) 图2 3 负序电流检测向量图 f i g 2 3v e c t o rd i a g r a m so fn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta c q u i s i t i o n 2 1 3 电机故障分析 电动机的微机保护主要通过检测电量( 电流、电压以及开关状态等) 来监测 电动机的运行状态，因此面对的主要问题是绕组故障。造成绕组损坏的主要原因 有【8 l ： 第2 章电机保护原理和保护方案 ( 1 ) 由于电源电压太低不能顺利起动，或者起动过于频繁，使电动机因长期过 负而毁坏。 ( 2 ) 轴承损坏造成偏心、扫膛，以及因机械故障造成堵转。 ( 3 ) 三相电源电压不平衡或者断相运行，电动机长期承受负序电流而烧毁。 ( 4 ) 冷却系统故障或环境温度过高。 ( 5 ) 长期受电、热、化学或机械作用，使电动机绝缘老化和损坏，形成相间短 路。 电动机常见故障特征信息分布如表2 1 。其中，设单相故障时a 相为故障相； 两相故障时b 、c 相为故障相；表示故障前电流幅值； ，一l + l + ，c 。 表2 1 电动机常见故障特征信息 t a b 2 1c h a r a c t e ri n f o r m a t i o no fc o m m o nf a u l t 故障类型零序负序过电流其它特征 过载无无 ( 1 2 5 ) ，p i 一lb - i c 对称 堵转无无 ( 5 7 ) i p la - i b l c 故障 短路无无 ( 8 1 0 ) ，pi a i b - i c 1 ， 断相无 ；c 矗l p l1 t | o ，lb | 一i c 3 非 接 逆相无 i a 有 i 一i b i c 不 地 对 故 不平衡无有有 ia i b - i c 障 称 相间短路无有( 取决于位置) lb 一一i c i a 故 单相接地! x ，有 有( 取决于位置) i i b - i c 障 接3 厶 地 故 两相接地三x ，有有( 取决于位置) 1 8 、i c l 一i p 障 3 厶 从表2 1 可知，电动机常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故 基于d s p 的异步电动机智能保护器设计 障主要有：三相短路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平 衡、逆相、接地或相间短路。当机械故障、负荷过大、电压过低等，使电动机的 转子处于堵转状态时，由于散热条件差，电流大，特别容易损坏电机。其它不出 现显著过流的不对称故障，如断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时动作。 对于电动机的各类内部绕组故障，如匝间短路、接地故障等，往往是由于运行环 境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理 会导致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子及起动力矩降低等一系列问题， 严重损坏电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低，破坏其它用 电设备的正常工作。因此，要可靠地保护电动机，单一的过流保护是不够的，必 须配置全面的保护方案。 表2 - 2 电动机常见故障诊断表 t a b 2 2d i a g n o s i st a b l eo fc o m m o nf a u l t 零序负序过电流其他故障特征 对应故障保护特性 无无 ( 1 2 巧) la l8 一i c过载反时限 无无 ( 5 7 ) ，p la i b i c 堵转短时限 无无 0 8 - 1 0 ) i p lt l b l c 短路速断 1 ， 无 言j c 矗l p 1 , 4 0 ，i n 一一，c 断相短时限 3 无 ia 有 i a i b l c 逆相速断 无有有 i ati b i c 不平衡 短时限 无有有 i8 一一i c i 相间短路 速断 ! v ， 有 有 l i b l c 单相接地速断 3 厶 ! y i 有有 l b 、i c i x = l e 两相接地 速断 3 。 应用对称分量法，当电动机发生各类对称故障和不对称故障时，可以将故障 第2 章电机保护原理和保护方案 电流分解为正序、负序、零序电流。同时，通过以上对电机常见故障特征的分析 可见，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。电动机正常运行时，三相电流基本对称， 零序和负序电流为零；当电机发生不对称故障时，零序电流和负序电流会有相应 的变化。根据这一对应关系，可以区别电动机的故障类型，指示故障原因，从而 实现了智能化的故障诊断。由此，得出电动机常见故障诊断表如表2 2 。 2 2 电机保护方案9 1 1 0 1 1 1 1 根据对称分量法，发生不对称故障时，各相电流可分解为正序、负序和零序 分量。当电动机三相对称时，负序和零序电流为零；而电动机发生不对称故障时 则会出现负序或零序分量，因此本保护装置在检测电动机过流程度的同时，以序 分量为基础，检测负序、零序电流的大小。这样，不但更好地反应了电动机的运 行状况，还大大提高了保护的灵敏度和可靠性。本装置保护原理还充分利用了电 动机区内、外故障时，。、，。、，0 ，三个故障分量的特点和差别，在保证区外故 障具有绝对选择性的前提下，力求提高区内故障的灵敏度。本装置提供的保护有： 速断保护；不对称故障的保护( 负序反时限保护) ；堵转等对称故障保护( 正序反 时限保护) ；接地保护( 零序电流保护) ；过负荷保护( 考虑正序和负序电流的热 效应，对电动机过载等提供保护) ；起动时间过长保护；低电压保护。这几种保护 的原理分别为： ( 1 ) 电机起动时间过长保护 如果电动机不能够正常起动，持续的起动过电流会导致绕组的损坏以及起动 转矩对轴承的损坏，因此设置电机起动时间过长保护。正常起动时，电机在一段 时间内，流过电机的电流由起动电流逐渐回落至正常运行的额定电流，起动过长 保护自动退出。如果超过了电动机起动整定时间，电机电流仍保持着较大的起动 电流，起动时间过长保护跳闸。为避免电机频繁起动，一旦发生了起动时间过长 保护，电机不能又立即执行起动操作，而是在经过一段散热延时后，才允许重启 电机。 基t - d s p 的异步电动机智能保护器设计 ( 2 ) 电流速断保护 电流速断保护包括过流速断保护和负序电流速断保护，设置过流速断保护作 为电动机的主保护，用于保护电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故 障。电动机的起动电流比较大，设置过流速断保护电流定值时，要保证电动机在 满载起动过程中短路保护不动作。因此，本装置过流速断保护分为两段：其一为 起动过程中短路电流保护，允许有较大的起动电流；其二为电机起动后的短路电 流保护，当任一相大于整定电流时保护动作。负序电流速断保护主要对电动机的 反向运行故障进行保护，当检测到负序电流高于负序速断整定值，则负序速断保 护动作。 ( 3 ) 过负荷保护 过负荷保护是电动机运行过程中电机发热与散热平衡测定，反映定子、转子 绕组的平均发热状况，防止电动机过热。过负荷分为对称性过负荷和不对称性过 负荷，可分别由正序电流和负序电流体现出来。当电机过流时，达到电机允许的 最高温度需要一定的时间，所以电机允许的过电流与时间的关系曲线为反时限特 性曲线，电流越大，保护动作时间越短。 电动机工作于额定转速时，负序电流会引起转子损耗显著增加。当负序电流 流过定子绕组时，将产生逆转子旋转方向的旋转磁场。在电动机额定转速下，其 速度近似为转子转速的2 倍，即转子感生电流的频率近似为1