淺談低壓電動機(jī)熱過載保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)

時間：2020-10-27作者：安科瑞電子商務(wù)(上海)有限公司瀏覽：169

王孟春

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
 
摘 要：以低壓電動機(jī)熱過載保護(hù)為研究對象，在分析熱過載保護(hù)的電流反時限特性模型和熱積累模型的基礎(chǔ)上，介紹了一種熱過載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法。主要對保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)、部分硬件電路設(shè)計(jì)和保護(hù)算法設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并給出了保護(hù)裝置的部分測試和檢驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該保護(hù)裝置具有較高的檢測精度，完**夠滿足低壓電動機(jī)熱過載保護(hù)的需要。
 
關(guān)鍵詞：低壓電動機(jī)；熱過載；電流反時限特性；熱積累；保護(hù)裝置
 
0 引言
        隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，低壓異步電動機(jī)作為主要的低壓動力設(shè)備之一，被廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域。電動機(jī)在運(yùn)行過程中，經(jīng)常遇到堵轉(zhuǎn)、過負(fù)荷、缺相、短路、三相不平衡等故障，導(dǎo)致電動機(jī)電流過大，內(nèi)部溫度升高，電動機(jī)的溫升可能**過允許溫升，引起電動機(jī)的熱過載。熱過載發(fā)生時，會引起電動機(jī)定子絕緣老化，縮短電動機(jī)的使用壽命，甚至造成電動機(jī)的燒毀，引發(fā)生產(chǎn)事故，因此，需要對電動機(jī)的熱過載進(jìn)行保護(hù)，使電動機(jī)能夠安全運(yùn)行。
 
1 電動機(jī)熱過載保護(hù)模型
1.1 基于電流反時限特性的熱過載保護(hù)
       電動機(jī)過載時會導(dǎo)致電動機(jī)過熱，但其低倍過載又允許一定的時限，所以電動機(jī)的過載特性具有反時限特性。傳統(tǒng)的電動機(jī)熱過載保護(hù)就是利用電流反時限特性來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)**電工**標(biāo)準(zhǔn)(IEC255-3)和英標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)規(guī)范(BS142)的規(guī)定，一般采用下面幾種標(biāo)準(zhǔn)反時限特性曲線 。
       一般反時限特性曲線為
 
       非常反時限特性曲線為
       特別反時限特性曲線為
       其中：t 為反時限保護(hù)動作時間；I 為采樣電流值；Ip為反時限保護(hù)基準(zhǔn)電流整定值；Tp為反時限保護(hù)時間常數(shù)整定值。
       基于電流反時限特性的熱過載保護(hù)一般采用查表法，運(yùn)算簡單，容易實(shí)現(xiàn)，在電動機(jī)電流**過基準(zhǔn)電流整定值時進(jìn)行延時保護(hù)。該保護(hù)模型可以與不同的電動機(jī)進(jìn)行匹配，滿足不同應(yīng)用場合的保護(hù)要求，但該模型只考慮發(fā)熱，而未考慮散熱條件的變化以及電動機(jī)的熱積累。
1.2 基于熱積累模型的熱過載保護(hù)
       在電動機(jī)熱積累模型中，假定電動機(jī)是一個均質(zhì)物體，只計(jì)算平均溫升。根據(jù)熱平衡原理，電動機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量等于電動機(jī)溫度升高吸收的熱量和電動機(jī)向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量之和，假定在t時刻電動機(jī)的熱功率為p(t），電動機(jī)定子繞組的溫升為θ(t)，則電動機(jī)定子繞組熱平衡微分方程為
 
 
       式中：p(t)dt 為電動機(jī)在dt時間內(nèi)的總發(fā)熱量；cGdθ為電動機(jī)溫度升高dθ所吸收的熱量，c 為電動機(jī)的比熱容，G 為電動機(jī)重量；aSθ(t)dt為電動機(jī)在dt時間內(nèi)的散熱量，a為電動機(jī)散熱系數(shù)， S為電動機(jī)散熱面積 。該微分方程的解為
       式中：θw為電動機(jī)定子繞組的穩(wěn)定溫升，θw p(t) /as；θ0為電動機(jī)定子繞組的初始溫升； T 為電動機(jī)的熱時間常數(shù)， T=cG/aS。
       假設(shè)θm為電動機(jī)的允許溫升，θi為電動機(jī)定子繞組在△ti時間內(nèi)的溫升，且在△ti時間內(nèi)電動機(jī)電流保持不變，即具有相同的穩(wěn)定溫升θw，則
       當(dāng)θn >θm時，電動機(jī)溫升**過允許溫升，此時電動機(jī)保護(hù)裝置動作，保護(hù)延時時間為
 
       基于熱積累的熱過載保護(hù)在考慮電動機(jī)定子繞組發(fā)熱的同時，也考慮了電動機(jī)向周圍介質(zhì)的散熱，完全可以用來描述電動機(jī)運(yùn)行過程中溫升的真實(shí)變化過程。
 
2  電動機(jī)熱過載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1.1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)
       電動機(jī)熱過載保護(hù)裝置硬件電路采用富士通Cortex-M3家族的32 位處理器MB9BF618S 作為**處理器，完成信號采集、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)處理、保護(hù)判斷、數(shù)據(jù)通信等功能。 MB9BF618S的時鐘頻率可達(dá)144MHz ，內(nèi)部集成有128 KB的SRAM 和1 024 KB的FLASH ROM ，含有8個支持UATR 、I 2 C、 SPI等功能的通信接口，含有 24 通道12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，含有16個基本定時器和3個多功能定時器，集成有2 路以太網(wǎng)控制器 。硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括交流信號輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、繼電器輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機(jī)交互模塊，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示 。
圖 1 硬件電路設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖
2.1.2 交流信號輸入電路設(shè)計(jì)
       交流信號輸入電路主要由互感器隔離變換電路和信號調(diào)理電路構(gòu)成。在設(shè)計(jì)電路時，三相輸入電流使用變比為100A/7.07V( 有效值 )的電流互感器，零序電流使用變比為20 A/7.07 V的電流互感器，三相輸入電壓使用變比為120V/7.07V的電壓互感器，利用互感器可以將輸入的電流和電壓信號轉(zhuǎn)變成幅值為10V 的交流信號，并起強(qiáng)電和弱電隔離作用  。
       信號調(diào)理電路的作用是將互感器輸出的交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)?0~5 V 的單極性電壓信號 ， 供MB9BF618S 內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器使用。所設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路如圖 2 所示，圖中AIN 表示互感器的輸出信號，6.32 kΩ 和1kΩ構(gòu)成分壓電路，將- 10 ~10 V的交流信號變?yōu)? 1.4~1.4 V 的交流信號，然后經(jīng)過由運(yùn)算放大器 TLC4502 構(gòu)成電壓跟隨器、加法運(yùn)算、反相比例運(yùn)算后，變?yōu)?.1~2.9 V 的單極性信號，經(jīng)過由 750Ω電阻和 100nF 電容構(gòu)成低通濾波電路送至 MB9BF618S 內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。
圖 2 輸入信號調(diào)理電路
 
2.1.3 開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)
       開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)如圖 3 所示，圖中的 DIN是開關(guān)量輸入端子， DIC 是開關(guān)量輸入公共端， DIO是開關(guān)量輸入的輸出端。當(dāng) DIN 端有開關(guān)量信號 ( 交流 220 V) 輸入時，輸入信號經(jīng)過限流、整流、濾波后 送 至 光 電 耦 合 器 TLP185GB 的 輸 入 端 ，TLP185GB 導(dǎo)通，輸出端 DIO 變?yōu)榈碗娖?，通知微處理器有外部開關(guān)量輸入。
圖 3 開關(guān)量輸入電路
2.1.4 繼電器輸出電路設(shè)計(jì)
       繼電器輸出電路包括合閘出口、跳閘出口、報警出口和備用出口，其中備用出口不影響正常的合閘信號、跳閘信號和告警信號，可以對合閘、跳閘或告警進(jìn)行出口擴(kuò)展。繼電器輸出電路設(shè)計(jì)如圖 4所示，圖中的 DO 是繼電器輸出控制端子，當(dāng) DO為低電平時， TLP185GB 導(dǎo)通，在直流電源的作用下，三極管 MMBT5551 導(dǎo)通，繼電器線圈得電，繼電器開關(guān)動作。
圖 4 繼電器輸出電路
2.1.5 通信接口電路設(shè)計(jì)
       通信接口電路包括 2 路以太網(wǎng)接口和 2 路RS485 總線接口，用于與后臺監(jiān)控中心進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)對輸入開關(guān)量狀態(tài)、保護(hù)定值參數(shù)設(shè)置、繼電器輸出狀態(tài)等信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。由于MB9BF618S 集成有 2 路以太網(wǎng)控制器，設(shè)計(jì)電路時只需外加物理層 (PHY) 芯片及簡單外圍電路就可以組成以太網(wǎng)通信電路，物理層芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DP83849ID 雙端收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。RS485 總 線 接 口 電 路 使 用 差 分 數(shù) 據(jù) 收 發(fā) 器S**5LBC184D 實(shí)現(xiàn)。
2.2 保護(hù)算法設(shè)計(jì)
2.2.1 反時限保護(hù)算法
       反時限保護(hù)算法按照式 (1)~ 式 (3) 計(jì)算，用戶可以根據(jù)實(shí)際使用情況選擇不同的反時限特性，電流采樣值 I 按照全波傅里葉變換算法 ( 全波傅氏算法 )進(jìn)行計(jì)算 [10-12] 。全波傅式算法的基本原理是將周期性信號分解為正弦分量和余弦分量，假設(shè)被采樣的周期性電流信號按照傅里葉級數(shù)可以分解為
       式中：
I_mn為各次諧波分量的幅值；na 和nb分別為各次諧波余弦分量和正弦分量的幅值。根據(jù)傅里葉級數(shù)原理，并進(jìn)行離散化處理，得到各次諧波的實(shí)部 Irn和虛部 Ijn為
 
    式中， N 為每個周期的采樣點(diǎn)數(shù)，在設(shè)計(jì)時 N =64 。
    各次諧波分量的有效值為
 
    由此可以得到電流采樣值 I 為
 
2.2.2 熱積累保護(hù)算法
       在熱積累保護(hù)模型中，電動機(jī)定子繞組的穩(wěn)定溫升θw 與電動機(jī)的熱功率 p(t) 成正比，而 p(t) 與電流 I2 有關(guān)。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生不對稱故障時，定子繞組電流按照對稱分量法可以分為正序分量、負(fù)序分量和零序分量，具有相同幅值的正序電流 I+和負(fù)序電流 I-在電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量并不相同。為了反映正序電流和負(fù)序電流的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國 GEC公司提出了“等效電流”的概念，即
       式中：Ieq為等效電流； K 1 為正序電流發(fā)熱系數(shù)；K2為負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù)。K 1 在電動機(jī)啟動過程中取值 0.5( 用以避開正常的啟動電流 ) ，在電動機(jī)啟動結(jié)束后取值 1.0 ；K2取值為 3~10 ，一般取值為 6 。在熱積累保護(hù)算法中，當(dāng)電動機(jī)發(fā)生不對稱熱過載時，用等效電流Ieq 來代替定子繞組電流 I ，在電動機(jī)處于冷態(tài)情況下 ( 熱積累為 0) 時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熱過載保護(hù)的動作時間為
       式中： td 為熱過載保護(hù)的動作時間； T 為電動機(jī)熱時間常數(shù)； Ieq為等效發(fā)熱電流； Ie為電動機(jī)二次側(cè)額定電流 。
按照式 (13) 進(jìn)行的熱過載保護(hù)具有熱積累記憶功能，當(dāng)電動機(jī)因過熱保護(hù)動作跳閘后，不能立即再次啟動，需要等到熱積累量減少到允許再啟動整定值時才能再次啟動。如果需要緊急啟動，可以通過熱復(fù)位開關(guān)量輸入強(qiáng)行把熱積累值清零。
3  熱過載保護(hù)的測試數(shù)據(jù)
       按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 7261-2008 繼電保護(hù)和安全自動裝置基本試驗(yàn)方法和 GB/T 10736-2007 低壓電動機(jī)保護(hù)器中的相關(guān)試驗(yàn)方法和要求，對所設(shè)計(jì)的低壓電動機(jī)熱過載保護(hù)裝置進(jìn)行了測試?；陔娏鞣磿r限特性的熱過載保護(hù)測試結(jié)果如表 1 所示，基于熱積累模型的熱過載保護(hù)測試結(jié)果如表 2 所示，從測試結(jié)果中可以看出，測試誤差不**過理論值的 5% ，能夠滿足相關(guān)的技術(shù)要求。
表 1 電流反時限模型測試數(shù)據(jù)
 
表 2 熱積累模型測試數(shù)據(jù)
4安科瑞智能電動機(jī)保護(hù)器介紹
4.1產(chǎn)品介紹
        智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對電動機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
4.2技術(shù)參數(shù)
4.2.1數(shù)字式電動機(jī)保護(hù)器
4.2.2模塊式電動機(jī)保護(hù)器
4.3 產(chǎn)品選型
5結(jié)語
        本文根據(jù)低壓異步電動機(jī)工作時的發(fā)熱特性設(shè)計(jì)了一種熱過載保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置提供了基于電流反時限特性和基于熱積累模型的兩種保護(hù)方案，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。該保護(hù)裝置除了具有熱過載保護(hù)功能外，還具有啟動**時保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、低電壓保護(hù)和高電壓保護(hù)等功能，能夠滿足低壓異步電動機(jī)在運(yùn)行過程中對保護(hù)的要求，具有較高的應(yīng)用**。
 
參考文獻(xiàn)
[1]李愛平, 余闖, 徐立云, 等. 低壓電動機(jī)反時限過流保護(hù)算法及其實(shí)現(xiàn)的研究[J]. 中國工程機(jī)械學(xué)報, 2011,9(3): 262-266.
[2]張?zhí)禊i ，翟亞芳 ，郝申軍.低壓電動機(jī)熱過載保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版

安科瑞電子商務(wù)(上海)有限公司專注于餐飲油煙智能在線監(jiān)測系統(tǒng),電動機(jī)智能保護(hù)裝置,電瓶車智能充電管理系統(tǒng),工業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng),弧光保護(hù)裝置,數(shù)顯溫濕度控制器等

• 詞條

  詞條說明

• 淺談基于霍爾傳感器電參量測量系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)

  王孟春安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801?摘要：采用霍爾傳感器設(shè)計(jì)一種以AT89C51單片機(jī)為**的電參量檢測系統(tǒng)。介紹應(yīng)用霍爾效應(yīng)的磁平衡原理實(shí)現(xiàn)對電流、電壓的準(zhǔn)確測量,在此基礎(chǔ)上,利用真有效值變換器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及相位差測量電路等實(shí)現(xiàn)對交流電功率因素、有功功率、頻率等參數(shù)的測量。研究結(jié)果表明該方法與傳統(tǒng)基于電磁原理的互感器測量方法相比,具有線性度好,準(zhǔn)確度高,電氣高度隔離

• 探討關(guān)于醫(yī)院用電安全與管理方面的解決方案

  摘要:通過對醫(yī)院用電安全進(jìn)行探討，以此希望為醫(yī)院后勤電力部門提供參考。關(guān)鍵詞：用電安全；醫(yī)院；管理引言醫(yī)院作為當(dāng)前**人們?nèi)罕娚】档牡胤? 其用電的安全與其他行業(yè)相比顯得尤為重要。一旦 在運(yùn)行過程中出現(xiàn)用電故障，將給醫(yī)院的運(yùn)行帶來 嚴(yán)重的損傷。同時，隨著就醫(yī)患者的不斷增多，也給 當(dāng)前的醫(yī)院用電提出了更多的要求。因此，如何加強(qiáng) 醫(yī)院用電安全和管理，成為當(dāng)前醫(yī)院電力部門思考的重點(diǎn)。1當(dāng)前醫(yī)院用電安

• 安科瑞：首單年報高送轉(zhuǎn) “資金”早知道？

  作為兩市目前公開披露年報時間較早的上市公司，前期遭遇外延式收購而“見光死”的安科瑞(300286,股吧)?穴300286?雪12月23日—27日股價一路上揚(yáng)，尤其是24日該股開盤13分鐘就沖至漲停板。頗引市場關(guān)注。 據(jù)中國經(jīng)濟(jì)時報記者了解，安科瑞的連續(xù)大漲大跌背后是資金的“先知先覺”，較為甚者，作為今年首單年報高送轉(zhuǎn)，安科瑞曾稱年報披露時間原暫定為2014年1月29日。安科瑞高送轉(zhuǎn)方案“早產(chǎn)”是

• 淺談地下商場類建筑火災(zāi)危險性及對策分析

  【摘要】為了緩解城市土地資源緊缺，高層建筑和地下建筑如雨后春筍般興起。地下商業(yè)建筑因處于相對封閉的空間內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)特殊，功能復(fù)雜，其火災(zāi)危險性大，因此，地下商場的消防安全防控問題尤為重要，直接關(guān)系著人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。論文介紹了地下商場火災(zāi)的危險性，分析了容易引起地下商場的火災(zāi)的隱患因素，并提出了相應(yīng)的*措施，以供參考。?【關(guān)鍵詞】地下商場；火災(zāi)危險性；建筑特點(diǎn)；對策1 地下商場火災(zāi)的