异步电动机的保护.docx

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异步电动机的保护

中国石油大学（华东）现代远程教育

毕业设计（论文）

题目：

异步电动机的保护

学习中心：

重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心

年级专业：

0409级电气工程及自动化

学生姓名：

郭骥才学号：

0451480092

指导教师：

韩亚军职称：

讲师

导师单位：

重庆信息工程专修学院

中国石油大学（华东）远程与继续教育学院

论文完成时间：

年月日

中国石油大学（华东）现代远程教育

毕业设计（论文）任务书

发给学员郭骥才

1．设计（论文）题目：

异步电动机的保护

2．学生完成设计（论文）期限：

年月日至年月日

3．设计（论文）课题要求：

所写论文要中心明确，内容理论联系实际，所述观点要严谨。

论文要严格按照要求的格式去完成。

设计原理、计算、电路和本产品设计独特的优势。

格式严格按照学校规定排序。

如有不熟悉的知识点，要查阅资料或向指导老师请教。

4．实验（电力电子实验室或变频器实验室）部分要求内容：

用电力电子实验平台或变频器实验平台验证有关结论，并利用所学的有关知识论证其正确性。

5．文献查阅要求：

多到图书馆查阅资料，并保证所查内容的正确完整。

特别是一些有关异步电动机的书籍。

关于异步电动机研究的前沿知识，大多见于外文书籍，在此建议多查阅一下外国专家的著作。

此外，多到网上看看一些有关异步电动机保护的论坛，对论文的完成也有一定的帮助。

6．发出日期：

年月日

7．学员完成日期：

年月日

指导教师签名：

学生签名：

摘要

该文主要阐述了异步电动机的保护和控制关系，介绍了异步电动机的各种保护装置。

以及保护类型和保护方法。

电动机保护主要有三大类：

采用电流检测型的有热继电器，带有热磁脱扣的电动机保护用断路器，电子式和固态继电器，带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软起动器；直接检测电动机绕组温度的温度检测型有双金属片温度继电器、热保护器、检测线圈和热教电阻温度继电器等。

不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，即保护中有控制。

关键词：

异步电动机保护控制保护装置

目录

摘要i

目录ii

第1章前言1

第2章电动机保护装置3

2.1异步电动机保护及监测的现状3

2.2保护及在线监测系统构成3

第3章系统功能7

3.1保护功能7

3.2在线监测功能部分7

第4章电流检测型保护装置9

第5章温度检测型保护装置11

5.1．过载保护装置与电动机的协调配合11

第6章结论13

致谢14

参考文献15

第1章前言

该文主要阐述了异步电动机的保护和控制关系，介绍了异步电动机的各种保护装置。

CAN总线,异步电动机,保护。

电动机保护主要有三大类：

采用电流检测型的有热继电器，带有热磁脱扣的电动机保护用断路器，电子式和固态继电器，带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软起动器；直接检测电动机绕组温度的温度检测型有双金属片温度继电器、热保护器、检测线圈和热教电阻温度继电器等，但由于需直接埋入电机绕组，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用。

最后指出不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

异步电动机的保护是个复杂的问题。

在实际使用中，应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及起动设备。

电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，即保护中有控制，控制中有保护。

如电动机直接起动时，往往产生4—7倍额定电流的起动电流。

若由接触器或断路器来控制，则电器的触头应能承受起动电流的接通和分断考核，即使是可频繁操作的接触器也会引起触头磨损加剧，以致损坏电器；对塑料外壳式断路器，即使是不频繁操作，也很难达到要求。

因此，使用中往往与起动器串联在主回路中一起使用，此时由起动器中的接触器来承载接通起动电流的考核，而其他电器只承载通常运转中出现的电动机过载电流分断的考核，至于保护功能，由配套的保护装置来完成。

此外，对电动机的控制还可以采用无触点方式，即采用软起动控制系统。

电动机主回路由晶闸管来接通和分断。

有的为了避免在这些元件上的持续损耗，正常运行中采用真空接触器承载主回路（并联在晶闸管上）负载。

这种控制有程控或非程控；近控或远控；慢速起动或快速起动等多种方式。

另外，依赖电子线路，很容易做到如电子式继电器那样的各种保护功能。

第2章电动机保护装置

2.1异步电动机保护及监测的现状

异步电动机结构简单、成本低廉、它的机械特性能满足大多数生产机械的要求，因此在轧钢、矿山机械、机床、水泵等工矿行业中广泛使用，且重要程度日益加强。

随着保护装置由机电式向微机型的过渡，保护装置本身的自动化性能也越来越高，但也存在一些不足。

在异步电动机用量最大的工矿企业中，电动机的分布是按照工序的要求而散布在整个厂区内，且保护装置也是单台独立运行，这使得电动机保护装置的整定和运行管理必须由操作人员就地进行，在电动机的总数不多的情况下尚可解决，如果数量较大则需耗用大量的人力和物力。

而且各类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，起初这类故障的表现往往是局部的，小电流的，不易监测和发现。

即使由人工将各台电动机的运行数据全部采集整理，而随后从大规模的数据处理中得到及时、准确和全面的分析结果也是相当困难的。

2.2保护及在线监测系统构成

随着电子技术和网络通信的不断发展，使得自动化装置之间进行数据交换也日益普遍和重要。

目前大多数的自动化装置间采用RS_232、RS_422、RS_485等通信方式，这些方式的低数据传输率和点对点的数据传输标准，以及在最低层上的星型拓扑都不适应工业现场控制的复杂或大规模应用。

如果采用LAN组件及环型或总线拓扑，其系统造价偏高。

现场总线（Field Bus）的发展解决了能经受工业现场环境和费用之间的矛盾，尤其是CAN总线的出现，其误码率＜10～11，最高速率可高达1Mbps，通信距离最远可到10km，通信介质仅为屏蔽双绞线并且稳定可靠。

它是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。

处于工作现场的电动机保护除了电动机实时保护外，还承担着CAN网络通信的功能。

因此现在保护装置中采用集成了CAN控制器和接口的微处理芯片87C196CA，可省略专用的CAN控制器和接口器件并提高系统的可靠性。

87C196CA是INTEL MCS96系列的新成员，是带有集成CAN20的16MHz 16位CHMOS微控制器。

它在片内集成有32KEPROM，1K的寄存器，256bit附加RAM。

它支持高速串行通信协议CAN2.0，具有8字节数据长度的15个报文目标，其TXCAN和RXCAN两个引脚可直接挂在总线上进行通信。

在应用程序的编写上，它和80C196KC无大的区别，多数程序都可移植，只需编写相应的CAN总线数据通信部分。

以87C196CA为控制器的保护及监测装置单元硬件构成。

保护单元装置的核心部分即为87C196CA，它的运算速度快，数据处理能力强，能胜任较复杂的数据运算。

A/D变换器采用内带采样保持器的超高速12位A/D芯片MAXIM122。

电流、电压信号经I/V、V/V中间变换器形成适合计算机处理的电压信号，通过低通滤波器单元LP后接至多路开关，在CPU控制下依次将各路信号接入，并A/D转换，再对采入的数据进行计算，将计算结果与设定值比较，决定作出相应的动作。

为了尽量减少占用87C196CA的处理时间，将监测用的数据采集到一定数量后，在保护程序的运行空闲时间内，以原始的采样值通过CAN网络总线传输到后台机，以供计

（1）CAN网络传输介质总线的传输介质采用普通的屏蔽双绞线即可，如需进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器等措施。

后台处理系统由含CAN适配卡的工控机和后台数据处理程序组成。

通常适配卡电路分为双口RAM及其控制电路、中断申请与控制电路和内含CAN控制器的MCU80C592三部分。

最后一部分也可由80C31加82C200CAN控制器构成。

为提高数据交换量，双口RAM采用62256，其容量为32K字节。

工控机与MCU80C592通过双口RAM控制电路对62256进行操作。

工控机对双口RAM空闲状态下，将数据和命令写入62256，然后通过中断管理电路通知MCU80C592，80C592按照命令执行相应操作。

当80C592收到下位节点的数据和命令时，在获得双口RAM控制权后，将其写入62256，再通过中断逻辑通知工控机取走数据和命令。

该方案由于使用大容量双口RAM，使大量的数据交换变得较为便捷，加之上位机的寄存器映像的读写方式，使数据交换速度大大提高。

另外，由于MCU负责管理与下位节点的数据交换，然后再一次性地与工控机交换数据，节省了工控机的占用时间。

通常适配卡可在市面上整体购得。

在软件设计中，需编写工控机与MCU之间进行数据更换的程序和MCU与下位节点间数据交换的程序。

后台数据处理程序负责对整个CAN总线进行监视管理，具有系统参数（如波特率、输出控制、报文标识与屏蔽等）设置、监视状态设置、数据发送、数据请求、本机状态查询、节点状态查询、中断接收数据管理、对接收的电动机各种运行参数进行分析等功能。

该程序采用VISUAL C++编写，有强大的人机交互功能，方便操作人员使用。

异步电动机功率因数很低，在电网负荷中异步电动机所占的比重较大，是城乡电网的主要无功负荷。

它使各级网损也相应增大，尽管在各级变电所、配电变及各厂矿企业内均装有集中无功补偿装置来提高功率因数，减少电网线损，但集中补偿不仅无法降低低压电网的线损，而且价格较贵。

特别是在乡镇，随着乡镇经济的发展，小型家庭式的生产方式在各地较为普遍，家庭织机、小型砧床、车床、冲床、碾米机、脱粒机等到处都有，加上用户分散，低压网络较长，采用集中无功补偿，仍不能降低低压电网的线损。

低压电网的高线损率对正在实施的城乡电网同网同价政策带来困难，因此，必须对乡镇家庭的异步电动机推广低价的就地无功补偿。

三相低压异步电动机就地无功补偿就是一台与异步电动机特性相配合的电容器直接并联于该电动机，其保护仅利用原异步电动机的保护，不需要外加其它保护装置。

为实施城乡电网同网同价，应大力推广异步电动机就地无功补偿，建议电容器制造厂家应生产与异步电动机相配套的产品。

第3章系统功能

3.1保护功能

异步电动机保护部分实现对电动机的综合保护，其具体的功能有接地保护、断相保护、短路保护、过负荷保护、不平衡过负荷保护、堵转保护、低电压和过电压保护。

当电动机正常工作时，其监视的电流和电压信号通过面板上的液晶显示屏显示出来，以便就地观察，并且在微处理器空闲时定时地将采得电流和电压信号通过CAN总线传送至后台机。

有故障时保护装置迅速动作，并且就地保存故障类型和时间以及其他电动机运行参数，随后通过CANBUS网络向远方后台机报告。

3.2在线监测功能部分

后台机凭借其强大的功能完成保护参数的管理和监测数据的处理。

保护参数的管理：

在控制室内对所有保护装置上的各种保护整定数据的调阅、修改和整定。

根据电动机的实际工作状态，例如环境温度的高低、工作时间的长短、起动频率等进行动态的调整，使其能方便地适应多种工作方式。

实时掌握保护装置单元自身的工作状态，如有异常，通报运行人员。

监测数据的处理：

从采集来的电压、电流信号中，分析隐含在其中的各种信息，并作出其发展方向的预测。

① 三相运行电流、电压的监测。

运行人员可直观地观察电动机的机械负载轻重和供电电源的电压质量。

②零序电流的监测。

零序电流的大小往往反映绕组对地绝缘的状况，监视它能较早地防止接地故障。

③负序电流的监测。

负序电流的大小反映绕组相间绝缘的状况和三相电源的平衡程度，监视它能较早地防止相间短路。

④过热保护的后备保护；通过电流、电压中序分量的计算也可对电动机的发热状态进行模拟，以实现过热后备保护。

⑤功率及功率因数的监测。

通过电动机运行功率的记录，为运行人员提供其出力状况和效率参数，以便合理地安排电动机的工作计划；实时得到的功率因数，为电动机的无功就地动态补偿提供依据。

⑥信息管理。

对众多的电动机建立设备信息库，记录各台电动机的型号、运行方式和历史维护记录等，并根据设备状态提示状态检修。

⑦数据通讯。

将异步电动机保护及监测系统的数据上传至厂内的综合自动化网络。

在线参数辩识功能：

在电动机的出线端加大扰动或小扰动，可实现离线或在线的参数辩识。

从一般化电动机模型中可推导出作为异步电动机数学模型的派克方程。

由于异步电动机的暂态过程很短，将其略去后方程组将是三阶微分方程组。

在选取e′d、e′q、ωr为状态量后可得相应的状态方程、输出方程和稳态约束方程，为了计算方便，取电压向量作为参考量，利用CAN系统采集扰动后的三相电压和电流信号，算出P、Q、id、iq、U和f，然后用LSE估算程序计算出电动机本身的R1、X1σ、R′2、X′2σ、Rm和Xm等参数，如果这些参数比正常状态有了大的变化，则可为故障诊断提供依据。

电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的，而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。

对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类型。

下面结合产品作些介绍。

第4章电流检测型保护装置

热继电器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。

其动作特性与电动机绕组的允许过载特性接近。

热继电器虽则动作时间准确性一般，但对电动机可以实现有效的过载保护。

随着结构设计的不断完善和改进，除有温度补偿外，它还具有断相保护及负载不平衡保护功能等。

例如从ABB公司引进的T系列双金属片式热过载继电器；从西门子引进的3UA5、3UA6系列双金属片式热过载继电器；JR20型、JR36型热过载继电器，其中Jn36型为二次开发产品，可取代淘汰产品JRl6型。

带有热—磁脱扣的电动机保护用断路器热式作过载保护用，结构及动作原理同热继电器，其双金属热元件弯曲后有的直接顶脱扣装置，有的使触点接通，最后导致断路器断开。

电磁铁的整定值较高，仅在短路时动作。

其结构简单、体积小、价格低、动作特性符合现行标准、保护可靠，故日前仍被大量采用．特别是小容量断路器尤为显著。

例如从ABB公司引进的M611型电动机保护用断路器，国产DWl5低压万能断路器（200—630A）、S系列塑壳断路器（100、200、400入）。

（3）电子式过电流继电器通过内部各相电流互感器检测故障电流信号，经电子电路处理后执行相应的动作。

电子电路变化灵活，动作功能多样，能广泛满足各种类型的电动机的保护。

其特点是：

①多种保护功能。

主要有三种：

过载保护，过载保护十断相保护，过载保护十断相保护+反相保护②动作时间可选择（符合GBl4048．4—93标准）。

标准型（10级）：

7．2In（In为电动机额定电流），4—1Os动作，用于标准电动机过载保护，速动型（10A级）：

7．2In时，2—1Os动作，用于潜水电动机或压缩电动机过载保护。

慢动型（30级）：

7．2In时，9—30s动作，用于如鼓风机电机等起动时间长的电动机过载保护。

③电流整定范围广。

其最大值与最小值之比一般可达3—4倍，甚至更大倍数（热继电器为1．56倍），特别适用于电动机容量经常变动的场合（例如矿井等）。

④有故障显示。

由发光二极管显示故障类别，便于检修。

（4）固态继电器它是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功能的微处理器装置。

其成本和价格随功能而异，最复杂的继电器实际上只能用于较大型、较昂贵的电动机或重要场合。

它监视、测量①最大的起动冲击电流和时间；②热记忆；⑤大惯性负载的长时间加速；④断相或不平衡相电流；⑤相序；⑥欠电压或过电压；⑦过电流（过载）运行；⑧堵转；⑨失载（机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌）；⑩电动机绕组温度和负载的轴承温度。

上述每一种信息均可编程输入微处理器，主要是加上需要的时限，以确保在电动机起动或运转过程中产生损坏之前，将电源切断。

还可用发光二极管或数字显示故障类别和原因，也可以对外向计算机输出数据。

（5）带有电子式脱扣的电动机保护用断路器其动作原理类同上述电子式过电流继电器或固态继电器。

功能主要有：

电路参量显示（电流、电压、功率、功率因数等），负载监控（按规定切除或投入负载），多种保护特性（指数曲线反时限、I2t曲线反时限、定时限或其组合），故障报警，试验功能，自诊断功能，通信功能等。

产品如施耐德电气公司生产的M系列低压断路器。

（6）软起动器软起动器的主电路采用晶闸管，控制其分断或接通的保护装置一般做成故障检测模块，用来完成对电动机起动前后的异常故障检测，如断相、过热、短路、漏电和不平衡负载等故障，并发出相应的动作指令。

其特点是系统结构单，采用单片机即可完成，适用于工业控。

第5章温度检测型保护装置

双金属片温度继电器它直接埋入电动机绕组中。

当电动机过载使绕组温度升高至接近极限值时，带有一触头的双金属片受热产生弯曲，使触点断开而切断电路。

产品如JW2温度继电器。

热保护器它是装在电动机本体上使用的热动式过载保护继电器。

与温度继电器不同的是带2个触头的碗形双金属片作为触桥串在电动机回路，既有流过的过载电流使其发热，又有电动机温度使其升温，达到一定值时，双金属片瞬间反跳动作，触点断开，分断电动机电流。

它可作小型三相电动机的温度、过载和断相保护。

产品如sPB、DRB型热保护器。

检测线圈测温电动机定子每相绕组中埋入1—2个检测线圈，由自动平衡式温度计来监视绕组温度。

热敏电阻温度继电器它直接埋入电动机绕组中，一旦超过规定温度，其电阻值急剧增大10—1000倍。

使用时，配以电子电路检测，然后使继电器动作。

产品如JW9系列船用电子温度继电器。

保护装置与异步电动机的协调配合为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效的保护，必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。

5.1．过载保护装置与电动机的协调配合

（1）过载保护装置的动作时间应比电动机起动时间略长一点。

电动机过载保护装置的特性只有躲开电动机起动电流的特性，才能确保其正常运转；但其动作时间又不能太长，其特性只能在电动机热特性之下才能起到过载保护作用。

（2）过载保护装置瞬时动作电流应比电动机起动冲击电流略大一点。

如有的保护装置带过载瞬时动作功能，则其动作电流应比起动电流的峰值大一些，才能使电动机正常起动。

（3）过载保护装置的动作时间应比导线热特性小一点，才能起到供电线路后备保护的功能。

5.2．过载保护装置与短路保护装置的协调

一旦在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的短路保护装置（如断路器或熔断器等）来切断电路。

若故障电流较小，属于过载范围，则仍应由过载保护装置切断电路。

故两者的动作之间应有选择性。

短路保护装置特性是以熔断器作代表说明的，与过载保护特性曲线的交点电流为Ij，若考虑熔断器特性的分散性，则交点电流有Is及IB两个，此时就要求Is及以下的过电流应由过载保护装置来切断电路，Ib及以上直到允许的极限短路电流则由短路保护装置来切断电路，以满足选择性要求。

显然，在Is—IB范围内就很难确保有选择性．因此要求该范围应尽量小。

从现行IEC标准规定来看，极限值为Is＝O．75Ij，Ib＝1．25IJ。

目前过载保护装置的额定接通和分断能力均按0．75IJ考核，显然偏低一些，从IEC标准修改的动向，今后有可能按IJ考核，以提高其可靠性。

因此上述的协调配合应既考虑其选择性，又考虑其额定接通和分断能力。

第6章结论

异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键之一。

直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式（从实际使用情况看，目前使用量占大多数）；对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器；对一般要求，则采用带热—磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。

但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

致谢

经过多日的努力奋斗，毕业设计终于顺利的完成。

从刚开始接受课题到完成论文，这期间凝结了各位老师的心血，许多时候你们不辞劳苦，陪着我们钻研课题，讲解难处，无半句怨言，在此我深深的感谢你们。

特别是我的指导老师韩亚军感谢你给予的热忱指导提出的宝贵意见，帮助我顺利的完成了毕业设计。

在此衷心的祝愿老师们工作顺利，身体健康！

另外，还要感谢我们同组成员以及给予我帮助的同学们，这次论文顺利的完成与你们的热忱帮助密不可分。

真诚的祝愿大家前程似锦，一帆风顺！

参考文献

[1]郭宗仁等.可编程序控制器及其通信网络技术.北京：

人民邮电出版社，1995

[2]张乃尧，阎平凡等.神经网络与模糊控制.北京：

清华大学出版社，1998

[3]盛寿麟等.电力系统远程监控原理.北京：

中国电力出版社，1998

[4]杨士元可编程序控制器编程应用和维修.清华大学出版社，1995

[5]RockE20系列PLC产品.北京安控科技发展有限公司，2004

[6]李文东，35KV变电站设计图集1998

[7]杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势.电力系统自动化，1995

[8]王海猷，贺仁睦.变电站综合自动化监控主站的系统资源平衡.电网技术，1999

中国石油大学（华东）现代远程教育

毕业设计（论文）评语

指导教师：

韩亚军职称：

讲师

工作单位：

重庆信息工程专修学院

学员：

郭骥才年级专业层次0409级电气工程及自动化

评语：

指导教师签名：

年月日