微机保护装置在异步电动机中的应用

杨 涛

(铁岭供电公司昌图县分公司，辽宁 铁岭 112500)

微机保护装置在异步电动机中的应用

杨 涛

(铁岭供电公司昌图县分公司，辽宁 铁岭 112500)

分析了异步电动机热过载保护原理和不平衡故障时产生负序电流热效应原因。针对此情况进行了微机保护的需求分析，并以此为依据应用8098单片机构成微机保护装置。阐述了微机保护装置的实现方式，并提出主要电路和程序的设计思路与方法。同时以该保护装置在风机控制系统中的应用为实例，详细论述了该微机保护装置的实用方法和所能达到的效果，通过与传统热继电器保护装置的对比，分析了微机保护装置的优势所在。

异步电动机;热过载保护;负序电流热效应;单片机

异步电动机的过载保护［1］通常采用热继电器完成。热继电器原理是利用负载电流流过经校准的电阻元件使双金属热元件加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作。这种继电器功能少，无断相保护，对电动机发生通风不畅、扫膛、堵转、长期过载、频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。这种继电器重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后。热继电器对过载保护能起到一定的保护作用，但不能确定是由于什么原因引起的过载 (如断相、短路或不平衡负载等引起的故障)，因此不能发出相应的动作指令。部分电动机的过载保护也是利用热继电器，在电动机运行中出现继电器动作而终止电动机运行，只能判断是热载保护动作却不能判断是什么原因引起的故障，给查找故障原因带来麻烦，尤其是75 kW以上的大型电动机热载动作时，查找故障原因更困难。本文分析了热过载保护的构成原理，根据此原理设计了单片机保护电路和应用软件。同时完成该单片机设计的保护电路在部分异步电动机中的应用。

1 热过载保护的理论分析

1.1 电流构成电动机保护的依据

电动机的任何运行工况都可以通过其运行电流具体反映出来。当平衡过载时电流增大，而电动机发生堵转或三相短路时电流将大幅度增大，启动时间过长则是电动机在规定的启动时间内没能实现正常启动，即电流在规定启动时间之后仍保持很大的值 (远大于正常运行的额定值)。在电动机发生断相、短路 (除三相对称短路外)等故障时都将造成三相电流不平衡，根据矢量分析理论，将产生负序分量，电动机单相接地或绝缘破坏时将产生零序分量。由上述分析可知，电动机在故障及异常运行时，三相电流将发生较大变化，而各种变化又都在正序电流、负序电流和零序电流中表现出来。因此 应该以三相电流中的正序分量 负序分量和零序分量作为电动机保护的构成依据。原则上，过载保护应综合计及正序电流和负序电流的作用;不平衡和断相保护由负序电流构成;短路 (含三相对称短路)由正序电流构成;接地或绝缘破坏由零序电流构成;堵转则可由正序速断—过载保护联合构成，启动时间过长则可由正序速断和专门时间回路联合构成。

1.2 热过载保护理论

过载保护属于热保护，它与发热的温升有关。因此有必要分析电动机温升的问题。设电动机绕组正常运行电流为I0，绕组的铜损为P0，当电流增大到I，则绕组的铜损由P0增大到P。若铜损产生的热量毫无损失地储存在绕组中，根据电动机原理，绕组的温度按指数规律由θ0上升到θ，在指数规律的线性段近似认为温度θ随时间t线性上升。则在Δt时间内绕组的温升为

式 (3)再适当考虑散热等因素的影响并加以修正，即构成了电动机的热过载保护判据。

1.3 负序电流的热效应

电动机出现不对称故障或三相电压不对称时，将有负序电流流过定子绕组，它在电动机中产生逆转子旋转方向的旋转磁场。在额定转速时，其速度近似转子转速的2倍，即转子感应电流的频率近于100 Hz，这时转子电阻表现为其交流电阻Rac。而正序电流的旋转磁场相对于转子转速近似为零，即转子感应电流的频率很低，相对应转子电阻表现为其直流电阻Rdc。对于鼠笼电动机，转子对负序电流和对正序电流所表现的电阻之比:

由于转子损耗 主要是铜损 与其电阻成正比，故数值相同的负序电流产生的损耗近于正序电流损耗的K倍。因此，当有负序电流出现时转子损耗将显著增大，这也要求在考虑电动机过载保护时对负序电流予以足够重视。

1.4 热过载保护的实现

通过装置内部的电动机发热模型，可以在电动机各种运行工况下，提供准确的过热保护。装置经过交流采样，分别计算出电动机的正序电流分量和负序电流分量后，形成等效电流Ieq提供给发热模型回路。从而获得与计及了正序和负序电流的等效Ieq相对应的总的热效应。热过载保护的等效电流Ieq表达式如下:

式中:Ieq为等效电流;I1为电动机正序电流分量;I2为电动机负序电流分量;K1=0.5(在启动时间内);K1=1(在启动时间后，这样可以使过热保护躲过巨大的电动机启动电流);K2=3～10，级差为1。

K1随启动过程的变化为的是躲过启动电流，K2用于改变负序电流在发热模型中的热效应。考虑负序电流效应，电动机运行时间和电流曲线由式(3)变为

式中:Ieq为等效电流，是以电动机整定电流为基准的标么值;τ1为发热时间常数，可以在150～2 400 s，级差150 s调整。当电动机停转时，电动机散热效果变差，为了补偿这种情况，获得精确的发热模型，借助于运行电平检测回路，散热时间常数自动增至1.5、2、3或4.5倍。

热过载保护分2段，即提供跳闸输出和报警信号输出。

2 硬件电路和软件应用

2.1 系统硬件组成原理

系统可由小型PLC系统实现，PLC从传统的继电器回路发展而来［2］，强调逻辑运算能力，小型PLC系统更是如此;由于PLC系统具有通用性设计，使其成本提高。通过专用化设计，使保护系统具有灵活、易用、成本低、体积小、易维护的特点，因此保护系统采用单片机方式实现，其硬件原理框图如图1所示。

将生活中出现的物理现象融入到教学中，可以勾起学生对生活当中存在的想象进行回忆，调动学生对物理产生学习兴趣，积极思考问题并将存在的想象进行探究.课堂教学时老师把生活中出现的现象进行提问，学生对其问题进行思考探究，可以帮助学生养成在生活当中学会善于探索、观察、理解、思考物理知识的习惯，激发学生的学习动力，提升学生的学习能力.将生活当中存在的问题通过所学的物理知识进行解释，使学生深刻理解学习物理知识的重要性.加强生活实际和物理知识相结合，可以强化学生的逻辑思维及学习能力.高中物理生活化教学应考虑到学生认知水平、生活环境等，提出的物理问题学生能够独立的解决.

图1 硬件原理图

系统采用8098 16位单片机作为核心部件［3］，外部扩展1片27128、1片6264、1片2864。27128用来存放程序;2864用于存放保护定值、工作信息及口令等;6264用于存放测量数据、计算数据等。为了保护动作计时准确，选MC146818时钟片作为时钟源。打印机选用TPuP-40A作为故障数据、保护定值、时间等打印。选用8279芯片作为键盘和显示口接口，显示器又由8位LED数码管构成，它可显示正常三相电压量、三相电流量、有功、无功、时钟、定值等。键盘由功能键和数字键组成，以实现人机对话、保护定值设定及口令输入。为了检测电动机运行状态，通过光电耦合把电动机位置接点引入单片机。

a. 模拟量输入电路

模拟量输入［4］电路如图2所示。

本装置由于要测量三相电压、二相正常电流、二相保护电流、一个零序电流共9个模拟量，考虑以保护为主、测量为辅及价格便宜原则，选择8098片内A/D转换。由图2可见，通过本装置的TA/TV把电动机各种电量转化为适用于本装置不同功能的信号，然后经过4051多路开关分别切入8098片内A/D转换。但是由于8098片内A/D只能转换0～5 V电压，而输入信号为变流量。因此，通过2个反相器、1个比较器、2个片内A/D来实现交流采样。当比较器输出大于0，表明第一反相器输出为正 交流的正半周 则由 芯片控制ACH7的A/D采样;当比较器输出小于零，表明第二反相器输出为正 (交流的负半周)，则由8098芯片控制 ACH6的A/D采样，由 ACH7或ACH6中A/D所转换的数据再加上比较器的符号，送入6264芯片即完成了交流采样。

图2 模拟量输入电路

b. 保护跳闸电路

保护跳闸电路如图3所示。此电路防止了在单片机上电、复位时或操作不当造成保护动作，从而在硬件上提高保护出口可靠性。

图3 保护跳闸电路

2.2 软件设计

本系统为了保护动作准确迅速，所有软件全部用8098汇编语言编写，而且为了易读，采用模块化结构［5］。本系统由运行状态与调试状态2个独立的程序构成。运行状态下完成装置的保护、监测功能;调试状态下完成各种运行参数的设定、保护动作整定值的设定等功能。

运行状态下程序的主要工作分别由保护、监测、键盘录入、显示及打印3个中断程序完成。

b. 调试状态下的运行模式

调试状态下程序的主要工作处于查询模式下，用户无键入时显示日历时钟，有键入则根据用户要求显示、整定、设置或打印相应的量。运行状态下无中断激活时程序运行自检过程，调试状态下程序一开始便执行自检程序，之后由查询用户键入。

3 实际应用效果

将该微机保护应用在风机的热载保护中，模拟进行不平衡负载、断相、短路等试验，保护动作，同时相应的指示灯亮。各类电动机的微机保护装置正确动作率都达100%，达到最初设计的效果，方便了电动机发生故障后的查找和处理，保证了设备的安全稳定运行。

4 结束语

大型电动机由于受运行环境影响，经常发生热继电器动作而停运，由于故障原因不能确定，为故障的排除带来一定难度;同时由于热继电器保护灵敏度低，造成电动机经常烧损，影响了设备的可靠运行。采用微机保护装置后，很好地解决了上述问题，极大地方便了检修和故障处理，满足了安全生产要求。

［1］ 宋志明.电气主设备继电保护原理与应用［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］ 魏 巍，王 锐.PLC、DCS和FCS的特点及在电厂中的应用［J］.东北电力技术，2009，30(5):37-39.

［3］ 刘海成.单片机应用系统设计与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［4］ 李 华，孙晓民，李红青.MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1993.

［5］ 胡学海.单片机原理及应用系统设计［M］.北京:电子工业出版社，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

杨 涛 (1970—)，男，大专，助理工程师，主要从事供电局继电保护技术研究工作。

2012-11-03)