淺談低壓電動(dòng)機熱過(guò)載保護裝置的研究與設計

 摘要：以低壓電動(dòng)機熱過(guò)載保護為研究對象，在分析熱過(guò)載保護的電流反時(shí)限特性模型和熱積累模型的基礎上，介紹了一種熱過(guò)載保護裝置的設計方法。主要對保護裝置的總體結構、部分硬件電路設計和保護算法設計進(jìn)行了分析，并給出了保護裝置的部分測試和檢驗結果。實(shí)驗表明，該保護裝置具有較高的檢測精度，*滿(mǎn)足低壓電動(dòng)機熱過(guò)載保護的需要。

關(guān)鍵詞：低壓電動(dòng)機；熱過(guò)載；電流反時(shí)限特性；熱積累；保護裝置

0 引言

        隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，低壓異步電動(dòng)機作為主要的低壓動(dòng)力設備之一，被廣泛地應用在生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域。電動(dòng)機在運行過(guò)程中，經(jīng)常遇到堵轉、過(guò)負荷、缺相、短路、三相不平衡等故障，導致電動(dòng)機電流過(guò)大，內部溫度升高，電動(dòng)機的溫升可能超過(guò)允許溫升，引起電動(dòng)機的熱過(guò)載。熱過(guò)載發(fā)生時(shí)，會(huì )引起電動(dòng)機定子絕緣老化，縮短電動(dòng)機的使用壽命，甚至造成電動(dòng)機的燒毀，引發(fā)生產(chǎn)事故，因此，需要對電動(dòng)機的熱過(guò)載進(jìn)行保護，使電動(dòng)機能夠安全運行。

1 電動(dòng)機熱過(guò)載保護模型

1.1 基于電流反時(shí)限特性的熱過(guò)載保護

       電動(dòng)機過(guò)載時(shí)會(huì )導致電動(dòng)機過(guò)熱，但其低倍過(guò)載又允許一定的時(shí)限，所以電動(dòng)機的過(guò)載特性具有反時(shí)限特性。傳統的電動(dòng)機熱過(guò)載保護就是利用電流反時(shí)限特性來(lái)實(shí)現的。根據電工委員會(huì )標準(IEC255-3)和英國標準規范(BS142)的規定，一般采用下面幾種標準反時(shí)限特性曲線(xiàn) 。

       一般反時(shí)限特性曲線(xiàn)為

       非常反時(shí)限特性曲線(xiàn)為

       特別反時(shí)限特性曲線(xiàn)為

       其中：t 為反時(shí)限保護動(dòng)作時(shí)間；I 為采樣電流值；Ip為反時(shí)限保護基準電流整定值；Tp為反時(shí)限保護時(shí)間常數整定值。

       基于電流反時(shí)限特性的熱過(guò)載保護一般采用查表法，運算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，在電動(dòng)機電流超過(guò)基準電流整定值時(shí)進(jìn)行延時(shí)保護。該保護模型可以與不同的電動(dòng)機進(jìn)行匹配，滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的保護要求，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(dòng)機的熱積累。

1.2 基于熱積累模型的熱過(guò)載保護

       在電動(dòng)機熱積累模型中，假定電動(dòng)機是一個(gè)均質(zhì)物體，只計算平均溫升。根據熱平衡原理，電動(dòng)機運行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量等于電動(dòng)機溫度升高吸收的熱量和電動(dòng)機向周?chē)橘|(zhì)散發(fā)的熱量之和，假定在t時(shí)刻電動(dòng)機的熱功率為p(t），電動(dòng)機定子繞組的溫升為θ(t)，則電動(dòng)機定子繞組熱平衡微分方程為

       式中：p(t)dt 為電動(dòng)機在dt時(shí)間內的總發(fā)熱量；cGdθ為電動(dòng)機溫度升高dθ所吸收的熱量，c 為電動(dòng)機的比熱容，G 為電動(dòng)機重量；aSθ(t)dt為電動(dòng)機在dt時(shí)間內的散熱量，a為電動(dòng)機散熱系數， S為電動(dòng)機散熱面積 。該微分方程的解為

       式中：θw為電動(dòng)機定子繞組的穩定溫升，θw p(t) /as；θ0為電動(dòng)機定子繞組的初始溫升； T 為電動(dòng)機的熱時(shí)間常數， T=cG/aS。

       假設θm為電動(dòng)機的允許溫升，θi為電動(dòng)機定子繞組在△ti時(shí)間內的溫升，且在△ti時(shí)間內電動(dòng)機電流保持不變，即具有相同的穩定溫升θw，則

       當θn >θm時(shí)，電動(dòng)機溫升超過(guò)允許溫升，此時(shí)電動(dòng)機保護裝置動(dòng)作，保護延時(shí)時(shí)間為

       基于熱積累的熱過(guò)載保護在考慮電動(dòng)機定子繞組發(fā)熱的同時(shí)，也考慮了電動(dòng)機向周?chē)橘|(zhì)的散熱，*可以用來(lái)描述電動(dòng)機運行過(guò)程中溫升的真實(shí)變化過(guò)程。

2  電動(dòng)機熱過(guò)載保護裝置的設計方案

2.1 硬件電路設計

2.1.1 硬件電路的總體設計

       電動(dòng)機熱過(guò)載保護裝置硬件電路采用富士通Cortex-M3家族的32 位處理器MB9BF618S 作為核心處理器，完成信號采集、參數配置、數據處理、保護判斷、數據通信等功能。 MB9BF618S的時(shí)鐘頻率可達144MHz ，內部集成有128 KB的SRAM 和1 024 KB的FLASH ROM ，含有8個(gè)支持UATR 、I 2 C、 SPI等功能的通信接口，含有 24 通道12 位 A/D 轉換器，含有16個(gè)基本定時(shí)器和3個(gè)多功能定時(shí)器，集成有2 路以太網(wǎng)控制器 。硬件電路設計采用模塊化設計思想，主要包括交流信號輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、繼電器輸出模塊、數據通信模塊和人機交互模塊，其總體結構框圖如圖 1所示 。

圖 1 硬件電路設計的總體結構框圖

2.1.2 交流信號輸入電路設計

       交流信號輸入電路主要由互感器隔離變換電路和信號調理電路構成。在設計電路時(shí)，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變成幅值為10V 的交流信號，并起強電和弱電隔離作用  。

       信號調理電路的作用是將互感器輸出的交流信號轉變?yōu)?0~5 V 的單極性電壓信號 ， 供MB9BF618S 內置 A/D 轉換器使用。所設計的信號調理電路如圖 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(guò)由運算放大器 TLC4502 構成電壓跟隨器、加法運算、反相比例運算后，變?yōu)?.1~2.9 V 的單極性信號，經(jīng)過(guò)由 750Ω電阻和 100nF 電容構成低通濾波電路送至 MB9BF618S 內置A/D轉換器的輸入端。

圖 2 輸入信號調理電路

2.1.3 開(kāi)關(guān)量輸入電路設計

       開(kāi)關(guān)量輸入電路設計如圖 3 所示，圖中的 DIN是開(kāi)關(guān)量輸入端子， DIC 是開(kāi)關(guān)量輸入公共端， DIO是開(kāi)關(guān)量輸入的輸出端。當 DIN 端有開(kāi)關(guān)量信號 ( 交流 220 V) 輸入時(shí)，輸入信號經(jīng)過(guò)限流、整流、濾波后 送 至 光 電 耦 合 器 TLP185GB 的 輸 入 端 ，TLP185GB 導通，輸出端 DIO 變?yōu)榈碗娖?，通知微處理器有外部開(kāi)關(guān)量輸入。

圖 3 開(kāi)關(guān)量輸入電路

2.1.4 繼電器輸出電路設計

       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)行出口擴展。繼電器輸出電路設計如圖 4所示，圖中的 DO 是繼電器輸出控制端子，當 DO為低電平時(shí)， TLP185GB 導通，在直流電源的作用下，三極管 MMBT5551 導通，繼電器線(xiàn)圈得電，繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖 4 繼電器輸出電路

2.1.5 通信接口電路設計

       通信接口電路包括 2 路以太網(wǎng)接口和 2 路RS485 總線(xiàn)接口，用于與后臺監控中心進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現對輸入開(kāi)關(guān)量狀態(tài)、保護定值參數設置、繼電器輸出狀態(tài)等信息的遠程監控和管理。由于MB9BF618S 集成有 2 路以太網(wǎng)控制器，設計電路時(shí)只需外加物理層 (PHY) 芯片及簡(jiǎn)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體公司生產(chǎn)的 DP83849ID 雙端收發(fā)器實(shí)現。RS485 總 線(xiàn) 接 口 電 路 使 用 差 分 數 據 收 發(fā) 器SN65LBC184D 實(shí)現。

2.2 保護算法設計

2.2.1 反時(shí)限保護算法

       反時(shí)限保護算法按照式 (1)~ 式 (3) 計算，用戶(hù)可以根據實(shí)際使用情況選擇不同的反時(shí)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，假設被采樣的周期性電流信號按照傅里葉級數可以分解為

       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。根據傅里葉級數原理，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(gè)周期的采樣點(diǎn)數，在設計時(shí) 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 熱積累保護算法

       在熱積累保護模型中，電動(dòng)機定子繞組的穩定溫升θw 與電動(dòng)機的熱功率 p(t) 成正比，而 p(t) 與電流 I2 有關(guān)。當電動(dòng)機發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)，定子繞組電流按照對稱(chēng)分量法可以分為正序分量、負序分量和零序分量，具有相同幅值的正序電流 I+和負序電流 I-在電動(dòng)機內部產(chǎn)生的熱量并不相同。為了反映正序電流和負序電流的不同發(fā)熱效應，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；K2為負序電流發(fā)熱系數。K 1 在電動(dòng)機啟動(dòng)過(guò)程中取值 0.5( 用以避開(kāi)正常的啟動(dòng)電流 ) ，在電動(dòng)機啟動(dòng)結束后取值 1.0 ；K2取值為 3~10 ，一般取值為 6 。在熱積累保護算法中，當電動(dòng)機發(fā)生不對稱(chēng)熱過(guò)載時(shí)，用等效電流Ieq 來(lái)代替定子繞組電流 I ，在電動(dòng)機處于冷態(tài)情況下 ( 熱積累為 0) 時(shí)，根據經(jīng)驗，熱過(guò)載保護的動(dòng)作時(shí)間為

       式中： td 為熱過(guò)載保護的動(dòng)作時(shí)間； T 為電動(dòng)機熱時(shí)間常數； Ieq為等效發(fā)熱電流； Ie為電動(dòng)機二次側額定電流 。

按照式 (13) 進(jìn)行的熱過(guò)載保護具有熱積累記憶功能，當電動(dòng)機因過(guò)熱保護動(dòng)作跳閘后，不能立即再次啟動(dòng)，需要等到熱積累量減少到允許再啟動(dòng)整定值時(shí)才能再次啟動(dòng)。如果需要緊急啟動(dòng)，可以通過(guò)熱復位開(kāi)關(guān)量輸入強行把熱積累值清零。

3  熱過(guò)載保護的測試數據

       按照國家標準 GB/T 7261-2008 繼電保護和安全自動(dòng)裝置基本試驗方法和 GB/T 10736-2007 低壓電動(dòng)機保護器中的相關(guān)試驗方法和要求，對所設計的低壓電動(dòng)機熱過(guò)載保護裝置進(jìn)行了測試?；陔娏鞣磿r(shí)限特性的熱過(guò)載保護測試結果如表 1 所示，基于熱積累模型的熱過(guò)載保護測試結果如表 2 所示，從測試結果中可以看出，測試誤差不超過(guò)理論值的 5% ，能夠滿(mǎn)足相關(guān)的技術(shù)要求。

表 1 電流反時(shí)限模型測試數據

表 2 熱積累模型測試數據

4安科瑞智能電動(dòng)機保護器介紹

4.1產(chǎn)品介紹

        智能電動(dòng)機保護器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)保護器)，采用單片機技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化等特點(diǎn)。保護器能對電動(dòng)機運行過(guò)程中出現的過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場(chǎng)維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò )系統。實(shí)現電動(dòng)機運行的遠程監控。

4.2技術(shù)參數

4.2.1數字式電動(dòng)機保護器

4.2.2模塊式電動(dòng)機保護器

4.3 產(chǎn)品選型

5結語(yǔ)

        本文根據低壓異步電動(dòng)機工作時(shí)的發(fā)熱特性設計了一種熱過(guò)載保護裝置，該保護裝置提供了基于電流反時(shí)限特性和基于熱積累模型的兩種保護方案，用戶(hù)可以根據實(shí)際需要進(jìn)行選擇。該保護裝置除了具有熱過(guò)載保護功能外，還具有啟動(dòng)超時(shí)保護、堵轉保護、負序過(guò)流保護、低電壓保護和高電壓保護等功能，能夠滿(mǎn)足低壓異步電動(dòng)機在運行過(guò)程中對保護的要求，具有較高的應用價(jià)值。

參考文獻

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