电动机过载保护算法术

1、.电动机过载保护算法术摘要：电动机实际运行时，电流一般是随负载和电网电压的改变而变化的，因此，电动机稳定温度也是变化的。如何计算电动机的温度一直是学术界和工程界研究的热点和难点。在充分考虑热积累和负序电流效应的前提条件下，通过求解热平衡微分方程的方法，研究了电动机运行过程中的任意时刻的温度变化情况，模拟出电动机的温度实际变化过程，为过载保护提供了依据。引 言 过载保护是保障电动机正常运行的重要措施。随着电子技术的发展，出现了数字式过载保护方式，尤其是采用单片机技术的数字过载保护，稳定性好，是热过载保护技术的发展趋势。但目前单片机热过载保护算法仍存在一定缺陷，不能对电动机进行准确保护。因此，每年

2、仍有大量的电动机因过载而损坏，造成巨大的直接和间接经济损失。本文着力考虑热积累的过载保护模型，研究新型数字算法，克服热过载保护继电器保护特性不稳定的问题，解决目前电子式过载保护继电器中保护特性不精确、在负载变化复杂的情况下可能发生保护不动作等问题。1 过载特性与变负载下的热积累电动机的过电流大小与允许过电流时间之间的关系称为过载特性。电动机过载将导致电动机过热，但其低倍过载又允许一定时限，故电动机过载特性具有反时限特性(见图1)。电动机发热理论研究表明，电动机持续运行的容许负荷主要取决于定子绕组的温度，故将定子电流的大小作为电动机过载的主要依据。电动机发热过程温度变化曲线如图2所示。电动机在实

3、际运行时，电流恒定只是理想情况，多数情况下电流是随负载和电网电压改变而变化的。因此，稳定温度0w也是变化的。电动 机电流变化时的温度曲线如图3所示。 由图3可知，在电动机多次重复短时过载且每次过载时问均小于容许时问时，一般的保护装置均不会动作，但电动机自身的热积累完全可能使电动机烧毁。因此，如何建立完善的电动机发热和散热数学模型，准确模拟出电动机在过载时的温度变化过程，是研制较好保护系统的重要前提。其中，如何处理电动机运行过程中的热积累是关键问题。2 负序电流效应及其计算电动机的内部故障可分为对称故障和不对称故障两种。对称故障包括过载、堵转、短路等，此时会出现明显的过电流；不对称故障包括断相、

4、逆相、相间短路、接地故障、三相不平衡等。发生不对称故障时，定子电流可分解为正、负和零序分量。幅值相同的正序电流，+和负序电流，一在电动机内部产生的热量并不相同。定子绕组的，+和，一产生的旋转磁场对定子自身而言为正反同步速度；但对正常运行的转子来说(设转率s0)，前者差不多相对静止，后者近似为2倍同步速度。假设对应的转子正序电阻(折合到定子侧)近似为直流电阻尺 ，对应的转子负序电阻(折合到定子侧)为交流电阻尺：，对异步电动机则有：R2= KR=1256 (1)即与，+大小相同的，一产生的损耗为，+的 倍。因此，当有，一出现时，转子损耗将显著增加。特别是在转子中产生倍频电流流过转子表面，导致转子局

5、部过热而烧毁。为了反映，+和，一的不同发热效应，英国GEC公司提出了一个反映上述发热效应的“等效电流”，e。的概念，定义为 =K e+ (2) 式中： 为正序电流系数(05，10)，在电动机起动时问t 内， =05，相当于保护动作提高1倍，使保护动作避开正常的起动电流；在 之后，K1=1； 为负序电流系数， =310，一般取6。在研究电动机过载保护模型时，用，。来代替定子电流，对电动机运行时的不对称故障中的断相、逆相、相问短路、接地故障、三相不平衡等，通过负序电流效应进行了充分的考虑，故本文所指过载保护意为等效过载保护。正、负序电流可通过测量三相电流的大小，用软件计算得出。基于对称分量法，若以

6、 相为基准，可得r，+=(，A+ ，B+ ，c)3，一=( A+ ， + c)3 (3)I tio= (、l +I B+l c 3式中， =e 。设置一个电流周期的采样点数为fi，完成和 即要求移相120。和240。若取fi=12，移相120。就是取第4个采样点，移相240。就是取第8个采样点。根据软件算法，由式(3)可得，fi=12时的第k个采样点的正、负序电流的表达式为)= ( )+iB( +4)+ic( +8)】)= )+iB( +8)+ic( +4)(4)为利用前一周期的采样值进行计算，将式(4)改写为微机可方便地计算出一个电流周期内各采样点的正、负序电流。根据采样的i+(k)与i_(

7、k)，利用均方根算法并进行离散化处理，可得到电流的正序和负序分量有效值，+和，一：3 动态过载保护数学模型分析电动机不是一个均质物体，其发热和散热过程比较复杂。在电动机热计算中，假定电动机是一个均质物体，只计算平均温度。根据能量守恒定理，电动机在实际运行过程中的热平衡微分方程为Pdt=cGdO+aS(0一Oo)dt (7)式中 Pdd时间内电动机总发热量(J)cGd 电动机的蓄热量。G为电动机的重量；c为电动机的比热；dO为dt时间内电动机的温度变化值(。C)aS(0一Oo)dd时间内电动机总散热量(J) 定子绕组的温度 定子绕组的初始温度S 电动机的散热面积 散热系数式(7)在考虑发热的同时

8、，也考虑了热量向周围介质的散失，完全可用来描述电动机在恒定负载、变负载和断续工作情况下温度的真实变化过程。式(7)为一阶微分方程，其通解为： e_fr+ + (8)式中：P为电动机损耗；T为电动机的热时间常数，T= cG。注意：发热时间常数与散热时间常数不同，散热时间常数一般是发热时间常数的25倍，可根据电动机实际情况，由软件确定。由式(8)可知，稳定温度0= +Oo (9)设t=0时，0=Oo，为电动机初始温度，则A = 一 = Oo一0w将上述数据代人式(8)，可得0=(0w一0o)(1一e )+Oo (1O)P主要由电动机绕组线圈的损耗P 和铁芯的涡流与磁滞损耗P 组成。P 与，2成正比

9、；P取决磁场强度日。由P 与日的关系曲线可知，P 与 基本成正比，而日与，成正比。因此，P 与，2基本成正比关系，P与，2基本成正比关系。由式(9)知，当电动机电流一定时，电动机的稳定温升与P成正比，故电动机的稳定温升就与成正比，即丁w =Kf (1 1) (12)式中 丁w 电动机电流为，时的稳定温升，_ 电动机的线电流有效值稳定温升比例系数，由电动机的各参数确定， 电动机的额定电流，可从电动机铭牌上获得丁 电动机电流为， 时的稳定温升，可由工厂提供的技术数据或经验获得如前所述，电动机在实际运行时电流是变化的，0 也随之变化，在整个运行时间范围内，无法用一个函数表达式计算电动机的温度。因此，

10、把电动机的运行过程离散成一个个小区间，在每个小区间上，可把电流看成定值。在此区间上，利用式(10)、(12)求解电动机的温度，同时考虑负序电流效应，把式(10)改写成离散区间的形式，得0 = ( 一0 一1)(1一e-Atr)+0 1(13)i = 1，2，式中Oi第i段时间的最后温度0 第i一1段时间的最后温度把前一区间的最后温度作为下一区间的开始温度，同时考虑电动机初始温度为环境温度 ，即可求解电动机任意时间的温度。根据式(13)，电动机任意工作时间的绕组温度应不超过极限温度 ，其值根据GB 75581电机基本技术要求(见表1)可得到。国家标准规定的极限温度是在环境温度为40。c时做出的。

11、表1 各种绝缘等级材料的极限温度为了充分发挥电动机过载能力，避免频繁起停，对各类堵转故障、过负荷故障等，保护动作判据为 (14)在每个时间内计算1次，它不会无限增大，只要电流小于动作电流， 就不会超过 。在电流大于动作电流情况下，只要 ，电动机仍然运行，此时处于过载运行状态；当 时，保护器动作，主电路被切断。在主电路切断后，电流为0，这时 就会减小，但 值不会无限减小，当 = (即电动机温度下降到与周围环境温度相同)时， 将稳定 在上。在 Oo时，电动机起动后，将在当前温度下进行热积累。如果 较大，应通过软件进行起动闭锁，防止在过载后立即起动电动机，造成电动机的损坏。电动机的短路故障要采用速断

12、保护，短路故障判据为I，e qj_8 (15)当电动机发生严重的堵转故障时，要采用反时限保护，堵转故障判据为8 5 ( 6)4 结 语本文在分析了变负载下电动机的温度变化过程后指出，建立完善的电动机发热和散热数学模型，准确模拟出电动机在过载时的温度变化过程是研制出较好的保护系统的重要前提。电动机的故障有对称故障和不对称故障两种，发生不对称故障会产生负序电流，通过考虑负序电流效应，实现对电动机各种故障的完善保护。最后，建立了动态过载保护模型，在过载情况下，准确地模拟出电动机的实际温度变化过程，为各种过载保护提供了依据。本文建立的过载保护模型完全适用于电动机的变负载、反复短时工作制及发生非对称故障等的保护，并能充分发挥电动机的过载能力。【参考文献】1 LI Kui，WANG Jingqin，LI Wenhua，et a1Study onReliability for Overload RelayC1 st InternationalConference on Reliab ility of Electrica