电机过热保护器设计.docx

1、电机过热保护器设计电机过热保护器设计第1章绪论课题来源沈阳某电机厂研制节能电机，为了用事实证明其电机节能，承诺客户试用该电机一段时间，客户可将这段时间节省的电费作为购买电机的费用。试用期到期后，电机的所有权归客户。但为了防止某些信用度较差的客户在试用电机节电后，不给电机公司任何报酬且不归还电机，所以有必要实现时间锁定和密码保护功能。试用时间到期后，电机将跳闸，并且显示跳闸的原因，同时提供声光报警。如果该客户要继续使用该电机，则必须向电机生产厂家索取密码，此时厂家就可以按合同规定索要自己应得的报酬。如果客户履行合同，那么电机生产厂家可以重新设定到期时间。手动按键复位后，电机可以继续正常使用。电机

2、制造业的发展历史己有近百年，随着电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增大，技术指标要求普遍提高。电机运行时产生的单位体积损耗的增长，引起电机各部分的温度升高，进而直接影响到电机的寿命和运行可靠性。电机各部分的温度成为电机设计和运行中重要的性能指标之一。为了检查电机性能是否合格，保证电机正常运转，必须准确测定电机额定运行时各部分的温度。在新的国家标准中，详细规定了不同绝缘等级的电机绕组对应的不同的绕组温度。超过此规定温度，电机寿命将会受到影响，甚至造成电机烧毁。电机设计中，既要提高电机的各项技术性能指标，又要降低电机的原材料费用、成本，提高加工工艺以减少成本支出，电机温升是否符合国家标准就成为

3、主要矛盾之一。因此，准确的估算并检测电机的温升，不仅可以保证电机的安全运行，而且对提高电机的使用寿命、节约原材料和电能，以及实现自动化设计都有重要的现实意义1。所以，该电机生产厂家同时提出了电机温度保护的功能，如果电机温度过高，则实现电机停转，以保护电机，将损失降到最小。根据用户的要求，我们进行了大量的相关资料的查阅，已经实现了温度采集的功能，但是对于传感器的安放以及设计是否合理，没有理论的根据。由此开展了一系列的工作。进行了相关的资料搜索，发现相关课题有很多学者在研究，也为该课题进一步的研究打下理论基础。国内外的研究历史与现状通常电机的容量越大，其工作效率越高，但相应的电机发热量也迅速增加2

4、。电机的温升在一定程度上决定了电机的容量。对于电机发热和冷却问题,可从两方面加以解决:一、选用耐温较高的绝缘材料；二、合理使用冷却方式，提高电机的冷却效果，使电机不超过规定的温升极限。当前，Y型异步电机已使用F级绝缘材料，而绝缘等级更高的C级绝缘材料也在研制当中。电机冷却技术业已取得了极大的发展，对中小型电机而言，还是以风扇强迫空气流动以冷却电机；对大型电机，其冷却方式随电机的容量、转速、电压等级等技术条件的不同而不同，它基本上都是由生产实践逐步积累形成的2。近年来，由于新材料、新工艺的使用和电机冷却技术的发展，促进了大型发电机和电动机的单机容量逐渐增大，但同时使电机运行时产生的单位体积损耗增

5、加，引起电机各部分温度升高，这直接影响到电机的安全。因此，准确的温升计算不仅是制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的主要问题之一。电机的主要热计算方法简化公式法简化公式法是电机制造厂设计时常用的一种方法。首先，计算出各部分的热负载，再通过牛顿散热公式:得到相应的温升。此法计算简单方便，因此易于被工厂接受，但计算精度较差，只能计算出电机的平均温升，不能满足日益提高的设计工作的需要。等效热路法等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的热源为绕组的铜损耗，铁损耗，这些损耗所在部件在计算时认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络。采

6、用电路网络中基尔霍夫定律来列出全部热平衡方程，然后用求解线性电路的方法，计算电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升。如果要提高计算精度，必须增加网络节点和热阻数，但这使工作量大大增加，失去其计算工作量小等优点。等效热路法有一些基本假设，通过这些假设可以把成熟的电路理论用在等效热路中。这些假设是:所分布的真实热源和热阻被少量的集中热源和等值热阻所代替，并假定后两者不取决于热流的大小。这样，就能将等效热路法用于线性热回路，并采用普通的代替法进行求解。目前国内外很多文献仍采用热网络计算大型电机温升。早在1955年，美国AIEE即发表Rosenberry

7、采用热路法的一篇有关“铸铝笼型感应电动机的瞬态起动温升”论文。1986年和1987年，电力科学院李德基等人采用该方法分别计算了汽轮发电机绕组间接冷却转子和定子槽部三维温度场34。1987年日本学者等人利用具有700个节点的网络模型分析了具有单匝线圈的旋转电机中定子线圈股线中的温度分布5。1988年李德基等人研究了绝缘老化对定子温升的影响5。1989年湖南大学方日杰等人也利用上述方法计算了两台大型水轮发电机额定运行时的定子三维温度场7。1995年北京计算中心的曹国宣分析了采用气隙取气斜流冷却方式的氢内冷汽轮发电机局部风路堵塞时的转子温度场8。1998年华中理工大学武卫东等人采用等效热路法计算了一

8、台大型水轮发电机，并利用曲线拟合技术对计算结果进行了可视化处理9。热路法的运用不只是消极地核算所设计的电机的温升、温度分布，更重要的是设计时能够利用这一方法，从温升的角度来寻求最佳的经济效益指标，同时通过改变个别热阻，还可以寻找电机局部温升和总的平均温升的规律。温度场法由于电机单机容量的不断增大以及电磁负荷的不断提高，要求对电机各部分的温升进行较精确的计算，尤其需要准确的指出各部分的最高温升及其出现的位置。而电子计算机的广泛应用，为人们从场的角度研究计算电机的温升提供了工具。温度场法就是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求

9、解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转向微观，从总体转到局部单元上来，求得每一点的温度和温升，于是在整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而，更加准确、合理地指导电机的设计工作。这种方法是由E.阿罗尔德率先提出来的，后又经P.李克杰尔和O.波姆进一步研究过。1974年，A.鲍里先科等人合作出版了电机中的空气动力学和热传递一书，给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。求解温度场的常用方法有:有限差分法和有限元法。有限差分法有限差分法就是用差分来近似代替微分，把求解域内的偏微分方程和有关的边界条件，化成适用于区域内部和边界上各个节点处的差分方程组，然后用古典方法或计算机来求

10、解联立的差分方程组。1989年电力科学研究院的李德基等人采用有限差分法对汽轮发电机转子在过电流和突加额定转子电流下的暂态三维温度场进行了计算10；1990年哈尔滨大电机研究所范永达等用有限差分法计算了氢冷情况下大型汽轮发电机转子绕组温度场11；1991年上海交大的向隆万等人计算了汽轮发电机氢内冷副槽转子三维温度场，并研究了通风孔道阻塞、换热系数、表面损耗等对温度场的影响12。1993年北京计算中心曹国宣用有限差分法计算了水内冷汽轮发电机转子温度场13。但该方法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此它较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，对于复杂的二类边界条件及内部

11、介质界面的处理比较困难，宜于求解边界比较规则的电机温度场问题。有限元法有限元法是一种常用的数值计算方法，于1943年首先提出，上世纪50年代由航空结构工程师们所发展，随后逐渐波及到土木结构工程，到了上世纪60年代，在一切连续领域，都愈来愈广泛的得到应用。我国冯康教授和西方科学家各自独立奠定了有限元方法的数学基础。它是把求解域剖分成许多个单元，组成离散化模型，再用各个单元节点上的数值解去逼近连续场的真实解，它是一种离散化模型的数值解。它与差分法相比，具有剖分灵活，对于复杂的几何形状，边界条件、不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都能灵活地加以考虑，通用性强。故用有限元求解温度场，可以求出场域

12、内各点的温度值，从而更准确地描述整个求解域内温度的分布。1976年，Armor等人采用标量位的有限元法计算了大型汽轮发电机定子铁芯的三维温度场，对电机内温度场的计算做出了开创性的工作，但他忽略了定子铁心与绕组间的热传递。1984年，河北工学院的颜威利和孟庆龙分别用有限元法对起重电磁铁的温度场进行了计算15；1986年，李德基等人对大型发电机定子绕组槽部温度场进行了计算。1988年，苏联的帕什科夫斯基用综合有限元法研究了电机的温度场16。河北工学院的王赞明等人用四面体单元有限元法对起重电磁铁中的三维温度场和电磁场进行了计算；1990年，苏联的雅科夫斯基等人研究了水轮发电机定子端部的损耗和发热，但

13、只是总体的论述，没有进行具体计算17；上海交通大学杨美伦、张景铸采用四面体单元有限元法对300MW汽轮发电机副槽通风氢内冷转子槽部温度场进行了计算18；华中理工大学辜承林等人采用有限元法求解了SFS7-20000/110电力变压器铁芯温度场，并对磁密、油流速度、特征尺寸、油温等影响铁芯温升的因素进行了数值模拟研究19。1991年，北京重型电机厂的裴远航用三维有限元法计算了汽轮发电机定子线圈的温升分布，推导了损耗、通风和表面散热系数20；Rkobacb等人采用有限元法计算了罗古斯克水电站水轮发电机转子阻尼条和磁极压板瞬态温度场21。1992年宁波大学的岑理章在Armor所进行的计算的基础上，考虑

14、了定子铁心与绕组间的热交换，用正三棱柱单元有限元法分析计算了QFS-300-2型双水内冷汽轮发电机定子铁心三维温度场22。汤蕴珍、张大为用有限元法对水轮发电机定子最热段的三维温度场进行了计算23；日本的学者等人用流体可视化结果对大型汽轮发电机定子铁心端部进行了三维热分析，用实验方式确定了其通风状况与表面散热系数24。采用有限元法对提高电机设计中的各项性能具有重要意义。1998年东南大学黄学良等人提出了一种新的基于拱形体单元的计算电机温度场的有限元模型，并利用该模型计算了SF125-96/1560型发电机的铁芯温度场，该方法适合于具有圆柱体结构区域的温度场问题25。1997-2000年哈尔滨理工

15、大学的孔祥春、李伟力等人采用直三棱柱单元有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进行了深入的研究，同时采用平面三角元结合流体相似理论对一台俄罗斯电力问题研究所生产的200MW、2极汽轮发电机径切两向空冷系统转子二维温度场进行了计算。2000年，哈尔滨电机厂的李广德等人采用六面体等参元计算了水轮发电机半齿、半槽、半轴向长度的定子三维温度场26；哈尔滨大电机研究所的鲁长彬等人利用三维CAD与有限元分析软件相结合的方法，计算了大型水轮发电机水内冷定子绕组及铁心的三维温度分布27；哈尔滨理工大学的温嘉斌等人采用六面体等参元对大型水轮发电机转子三维温度场及其通风系统进行了综合计算研究。近些年来，随着数值

16、计算方法的发展，一些新的分析方法也被引入到电机温度场的计算领域，例如边界元法26、小波伽辽金有限元法29等。但这些方法或者由于算法程序不易实现，或者因为计算精度的高低尚缺乏实证，应用还不普遍。目前在电机温度场计算领域应用最广的还是有限元法。通过上述发现，现在对电机的发热计算已经达到了一个比较完善的程度，但是这些计算都涉及到很多的专业知识，所以我们研究的目的是为一些对电机知识不多的用户，开发出一种更为简单的电机测温方法，实现智能保护的功能，针对此进行了一系列的工作。本文所做的工作的内容第一章概述课题的来源及实际意义，以及电机温度国内外现状及发展方向，提出研究一种易于实现的简易可靠的温度保护器,对

17、电机的温度进行实时测量。第二章对电机温升、温升限度等概念进行了阐述，对电机的测温方法进行分析与比较。第三章进行硬件设计，采用AT89S52单片机进行数据采集、处理、传输,定时芯片DS1302进行显示时间与定时控制，显示芯片HD7279显示时间及跳闸原因，选用串行通信总线接口RS-232标准接口，来实现单片机与PC机双向通信的功能，通过上位机发送定时时间和报警时间。第四章进行软件的设计，分别用C语言编程及VB编程，经过调试后，系统可以正常运行，可以对电机使用时间进行限制，能采集电机表面温度，初步达到预期的目的。第五章利用所做的硬件进行一系列的实验，记录实验数据。对所得的实验数据用数据融合技术进行

18、分析，对该保护器存在的前景进行展望。第2章电动机的硬件设计原理电机的基本概念温升某一点的温度与参考温度之差称温升。也可以称某一点温度与参考温度之差。电机温升电机某部件与周围介质温度之差，称电机该部件的温升。电机的温升限度电机在额定负载下长期运行达到热稳定状态时，电机各部件温升的允许极限，称温升限度。电机温升限度，在国家标准GB755-87中作了明确规定。在电机中一般都采用温升作为衡量电机发热标志，因为电机的功率是与一定温升相对应的。因此，只有确定了温升限度才能使电机的额定功率获得确切的意义。电机温度的测量30电机的各部分温度，如机壳温度，铁心温度，轴承温度，绕组温度不仅表示电机的发热状态，而且

19、与电机的寿命相关。一般认为，绕组温度每增加810C，绕组寿命会缩短一半，所以制造厂和用户都很重视电机温度的测量。电机的温升测量方法根据GB755-87的规定有四种：温度计法、电阻法、埋置检温计法和叠加法。此外，目前国内正在研制的有无线电测温，红外线测温和温度指示器等等。温度计法温度计包括膨胀式温度计、半导体温度计以及非埋置的热电偶或电阻温度计。温度计法测量温度是将温度计贴附于电机上可触及的表面，所测量的是被测点的表面温度，即其贴附点温度。在电机中，任何部位的表面与其内部温度是不同的。因此温度计法仅在无法用其它方法测量电机内部温度或平均温度时才采用。测量时，温度计的球部或测温部分应紧贴被测点表面

20、。保证二者有良好的热传导。为了减少热量逸散，温度计球部中凡不与被测点接触的部分可用棉絮或者油灰等绝缘材料覆盖，但覆盖面不能过大，以免影响正常的通风或绕组散热。用半导体温度计时，应特别注意保护测试笔笔尖处的微型电阻，测量时应轻轻接触被测物体，以免损坏感温元件。每只温度计都配有专用测试笔，不能互换。在有交流磁场的部件，不能采用水银温度计，因为在水银中可感应涡流，使水银发热，从而使温度计读数偏高。一般温度计大都按1C来刻度，在大多数情况下，对于测量电机表面温度精度已完全足够，但在要求特别准确时，可采用刻度为C的温度计。对于电机定子铁心，机壳和轴承座等部位，不能采用电阻法测量，可采用温度计法进行测量。

21、对于低电阻的换向极绕组和补偿绕组，以及一般属于低电阻范围。如旋转或静止的单层绕组，特别是接触电阻在整个电阻中占很大比例的绕组，用电阻法测量有困难或不能准确测量，且埋置温度计也无法准确测量时,应采用温度计法。此外，诸如电机的进风口和出风口的冷却空气或冷却液体如水及润滑油等，还有其它摩擦零件如换向器，集电环等，也必须用温度计法测量。对电机各部位的温度测量除换向器，集电环应在电机停止转动后立即用温度计测量其表面温度处，其他如定子铁心，轴承等应在温升实验过程中用温度计或埋置检温计进行测量。电阻法这个方法是根据绕组的电阻随其温度变化而变的关系来确定绕组的温度。若在冷态的温度时的电阻为,而温度达到时电阻为

22、，则由下式计算:经过推导得：式中为电阻的温度系数，即温度每增加1C时单位电阻的增加值。它在一个较大的范围内可认为是常数。由式可知电阻的增加与温度的增加成线性关系，并可画成如图所示的关系曲线。图电阻与温度的关系曲线在该图中，延长直线与并与横轴交于K点，则由三角形的比例关系可得:对于不同的金属材料,其电阻温度系数值也不同,这也就改变了图中直线的斜率和值。对于铜：取235,在美国标准中,取。对于铝：取225。这样对于铜绕组，则式可改写成：由此可得:在此式中,、两个相除的数值较为接近，为了提高计算的准确度，则可将式转化成下式：这样，铜绕组的温升将为：试验结束时冷却介质的温度电阻法的特点是它给出绕组的平

23、均温度，电阻法是考核电机绕组温升的一种主要方法。但是应指出，电阻法无法将绕组中最高或最低温度值测出来。对于由直流馈电的静止绕组，如直流电机的电枢绕组,通常在实验结束停机后才能测量绕组的电阻。由于停机需有一过程,在这段时间内,将引起绕组温度的变化,在多数情况下,温度将下降。GB755-87规定:当电机断电后,测得第一点电阻的时间超过规定期限,需用外推法将测得的绕组温度加以修正。如果采用叠加法,则测得的温度即为绕组在运行时的实际温度,因此不须做任何修正。应当指出，用电阻法测定绕组温度时，必须用同一仪表，同一量程在绕组的同一相上测量冷态和热态电阻。用电压表、电流表测量电阻时还应当使测量电流基本相同，

24、以保证较准确的测量结果。埋置温度计法埋置温度计法是将热电偶或电阻温度计在电机制造过程中安置于制成后达到或预计温度为最高的部位。此法主要用于测量交流定子绕组，铁心及结构件的温度。采用这种方法要求在电机的绕组层间至少埋置六个检温计，且沿着圆周均匀地分布。检温元件应尽可能做的尺寸小，在保证安全的前提下应尽量放在绕组中最热部位。有些检温计用于运行时测量温度，有些用于试验时测量温度。如果仅用于试验时测量温度，那么试验后，可将这些检温元件的引出线切去且进行可靠绝缘。检温计的埋置部位要根据每槽的有效元件边数来确定。如每槽有两个线圈边，检温计应埋置于槽内两个线圈边之间。如每槽只有一个线圈边，检温计应埋置于槽楔

25、和绕组绝缘外层预计为最热处之间，在这种情况下，一般不以埋置检温计法的测量数据作为考核温升的依据。如将检温计埋置于槽底，则其读数便是铁心温度。用埋置检温计来测量电机旋转部件如直流电机电枢的温度，共有两种方法。一种是将检温计引线固定于旋转部件的接线板上，待停机后把它迅速接至相应的测量仪表。采用这种方法时，需外推修正至电源切断瞬间。另一种方法是将检温计通过集电环上的电刷移至测量仪表。这种测量方法的最大困难是要确保集电环与电刷可靠接触，电刷应有稳定的很小电阻。每个检温计在埋入时应注意与被测点的表面紧密接触，并应有良好的保护措施，以免受到冷却空气的影响，否则不能真实地反映被测点的温度，测量埋入式电阻温度

26、计的电阻时，应控制测量电流的大小及通电流的时间，使电阻值不因其本身的发热而有明显的影响。测量埋入式热电偶时，热电偶的热电势应用电位差计来测量。叠加法本方法是利用双臂电桥原理，在电机正常运行时，带电测量交流定子绕组热态电阻；也可以在电机静止时不带电测量绕组的冷态电阻。按电阻法即可获得被测绕组在切离电源瞬间的温升，因此不需要外推法进行温度修正。这种方法分为低压和高压电机两种测量方法。低压电机带电测温法此法适用于频率50Hz，电压400以下的100KW三相异步电动机和三相同步电机；特殊电机如交流换向器电机除外。被测电机的绕组必须具有六个出线端或者具有中性点向外引出的星形接法绕组。高压电机带电测温法此

27、法适用于测量星形接法或双星形接法电机的定子绕组。试验时，绕组的中心点应引出机外。测量在运行时的三相绕组的并联电阻值，将它与实际冷态下的三相并联电阻相比较，以此确定三相绕组的平均温升。无线电测量转子温度国内外对利用无线电测量法来测量电机转子温度已进行了不少研究。有的已在现场试验上取得了效果。此法优点可以用非接触方法连续测定电机转子某个部件的温度变化。无线电测量的工作原理是利用预埋在转子中电阻测温元件的阻值随着温度变化的关系得到电压信号，再经过电压频率转换，使其转换为频率，并通过高频载波后由无线电发射器将高频波发射出电机外部。以上这些部件都必须安装在转子上与转子一起旋转。在电机外部装有无线电接收器

28、及数字显示装置，它将接收到的高频载波信号进行调谐、高频放大，检波变为低频信号，再经过放大、整形，然后输给计数器进行数字显示。由于无线电测量装置必须安装在转子上，且体积较大，故一般仅在大型电机上为研究转子有关部位时的温度使用。红外测温红外测温是利用物体表面辐射能对物体的温度进行测量。它也是一种非接触式测温装置。对测量300C以下的转子表面温度，适宜采用部分辐射温度计。它通过滤光片及传感元件仅对物体辐射出来的某一波段范围发出的辐射能量进行测量。这样对外来光的干扰也限于这一被测波段，所以受干扰的影响比较小。温度指示器温度指示器不直接测定电机温度，只能以一定的形式反映出电机某部位表面温度已经达到了某一

29、数值。电机试验所采用的温度指示器有热敏颜料和易熔材料两种。热敏材料是一种在不同温度下能显示不同颜色的材料。它又可以分为两种：一种是可逆的，在高温下它显示出一定颜色，而冷却后恢复到原来的颜色，另一种是不可逆的。电机温升实验再冷却后，颜料仍停留在温升实验时的颜色。电机试验多采用后者。热敏颜料一般做成粉笔形状，涂在转子表面，用来观察表面温度在温升试验中是否达到一定值。这种颜料的特点是可靠性差，因为颜色的改变不仅取决于温度，而且取决于受热的持续时间，当温度超过一定限值时，热敏笔开始变色，但有时温度还没达到预定温度，而由于持续时间较长，热敏笔同样也将缓慢地改变颜色，以致造成较大测量误差。易熔材料较热敏颜

30、料的可靠性为高，一般做成钮扣状，使用时将它粘附在被测物的表面，当达到预定温度后，它就熔化脱落。用它测量转子温度时，应选用合适的尺寸以保证在被熔化前不会被转子表面的离心力抛出。易熔材料的熔化温度随原材料的配合比例和材料纯度而异。总的说来，以上两种温度指示器很少应用于电机的温度测量上，只是为了粗略估计转子的表面温度时才考虑它们的应用。本章小节本章对电机的常用的概念进行了阐述，对目前的各种测温方法进行了比较，为下一步做进行硬件设计原理进行分析，其中限于当前的实验条件与电机生产厂家的要求，我们采用的是电机表面测温法。第3章硬件设计硬件部分是整个控制系统的基础，其性能的好坏对于系统的功能是否可以实现至关

31、重要。除了工作性能以外，经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考虑到的一个重要因素，尤其是在我国当前经济不发达的情况下，能够长期占据市场的将是那些高性价比的产品。本设计主要是对时间、温度进行检测，以此为核心展开工作。单片机构成的控制系统结构简单,工作稳定,加上采用成熟的集成电路，使系统几乎免维护,符合作为检测的工程要求,充分体现了其小型化、智能化的优点。考虑以上优点，本系统以单片机为核心来实现。硬件设计的原则32单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则：尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生