三相异步电动机保护装置的设计.docx

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1、西南交通大学本科毕业设计三相异步电动机保护装置的设计年级:2007级学号：姓名:曾利专业:电子信息工程指导老师:关海川2011年5月院系电气工程系专业年级2007级姓名题目三相异步电动机保护装置的设计电子信息工程曾利指导教师评语指导教师（签章）评阅人评语评阅人（签章）成绩答辩委员会主任（签章）年月日毕业设计（论文）任务书班级07级电子一班学生姓名曾利学号20077835发题日期：2011年2月28日完成日期：2011年6月24日题目三相异步电动机保护装置的设计1、本论文的目的、意义三相异步电动机在工农业生产和日常生活中被广泛应用，然而异步电动机的故障率也居各种电气设备之首。随着电动机保护理论的

2、发展，现在的电动机微机保护系统的功能已经比较完善、全面,但是大都是独立运行，不能联网，保护整定值的修改必须到现场进行，很不方便，而且无法进行远程集中监控。要求在查阅大量文献的基础上，以三相异步电动机为研究对象，设计以单片机微处理器为核心的智能型电动机保护装置及网络监控系统2、学生应完成的任务（1）研究背景、目前国内外电动机保护研究的现状和存在的问题；（2）对电动机各类常见电气故障特征进行详细分析，并给出保护的实现方法；（3）设计以单片机微处理器为控制核心的电动机保护装置的硬件电路：（4）设计完整的电动机保护装置系统软件实现方案；（5）对系统中可能存在的干扰进行分析，并提出软硬件抗干扰的一些具体

3、措施；3、论文各部分内容及时间分配：（共17周）第一部分资料收集，整理和方案提出（周）第二部分研究背景、目前国内外电动机保护研究的现状和存在问题（周）第三部分电动机保护装置的硬件电路（周）第四部分电动机保护装置系统软件实现方案（周）第五部分可能存在的干扰进行分析和措施，论文书写、整理和装订（周）评阅及答辩（周）论文整改（周）指导教师：2011年2月28日审批人：2011年2月28日摘要以单片机C8051F020及其外围器件作为硬件平台，对电动机微机保护进行了研究，主要针对大中型电动机的智能电动机保护器，具有过流保护、零序电流保护、负序电流保护、启动时间过长保护、欠电压保护、过电压保护等功能。在

4、电动机保护器的过程中，对电动机的各种故障进行了全面的论述。并根据需要确定了保护方案，论述了保护原理。在硬件电路设计上，给出了以单片机C8051F020及其简单的外围电路为主体配置的电动机保护器系统。该电路硬件电路大为简化，除了实现了各种保护功能外，还可显示电动机运行时的电压、电流，同时设置了系统与上位机的连接,为系统功能的扩展创造了条件。作为一种智能化的解决方案，该系统具有可实现功能多，经济成本低，高的可靠性和稳定性等特点。第1章绪论1.1 课题提出的依据和意义随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高，电能的应用和发展越来越具有重要的位置。作为电能转化为机械能的重要工具，电动机在人们日常生活中

5、也越来越重要。三相交流电动机正朝着功率与体积之比越来越大的方向发展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的电动机陆续出现。为了安全可靠地运行这些电机，对电动机的保护系统提出了越来越高的要求。电动机保护系统必须正确无误地保护电动机，使电动机在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机损坏事故的发生。电动机和供电线路的短路必须能迅速检测出来，使得短路影响减小到最小。对于频繁起动的电动机，要能准确地模拟其发热和散热过程。在一些大型的自动控制系统中,还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。为了满足这些要求，本设计将开发一种新型的采用微处理器技术的电动机综合保护与监控装置。本设计所开发的电动机综合保护与监控装置，

6、可实现对电动机的保护与监控的自动化，是电动机保护系统的发展趋势。由于采用了微处理技术，保护参数可由用户根据电动机型号和环境条件设定，而且还可以提供数字电路接口，为大系统的智能控制提供了条件。它的制成可对电动机进行准确保护和监控，即可使电动机的过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧毁事故的发生，对国民经济的发展具有重要的意义。1.2 国内外的发展状况和动向电动机保护系统大致可划分为三代。第一代是电磁式继电保护系统，第二代是电子式电动机综合保护装置，第三代是以微处理器为核心元件的综合保护系统。第一代的电磁式继电保护系统存在着很大的弊病。它的每一种功能都需要相应的继电器来实现。在正常情况下，热继电

7、器每年需要校正一两次，给用户带来不便。由于热继电器是由双金属片构成其敏感元件，它是靠双金属片受热弯曲产生的力一发出动作，在动作值附近不能可靠分断。热继电器通过了大的短路电流或经受机械碰撞后，双金属片易产生永久性变形。而且，热继电器的时间常数比电动机小得多，对电动机上一次的过我历史没有记忆，对于频繁过载、特别是频繁起动的电动机，不能可靠地保护。热继电器的动作特性还受环境温度的影响。现在，老型号的热继电器已属淘汰型产品。新型的热继电器功能也在完善之中。第二代的电子式电动机综合保护系统对第一代的电磁式继电保护系统有了很大的改进。它利用电阻电容的充放电来模拟电动机的发热与散热，对电动机的过载历史能有一

8、定的记录，其动作时间也可以通过调节电阻电容的大小来调节，大天提高了对电动机的保护性能。但是，电子式电动机综合保护器的动作时间调节范围有限，精度也受电阻电容参数的影响，且没有监控、显示等功能。因而只能用于一些要求不高的场合。把微处理器技术引入电动机保护系统，大大地提高了对电动机的保护特性，实现了对信息的采集、处理、显示全部自动化，性能稳定可靠，显示直观准确，各项保护参数可根据电动机性能由用户设定，动作前可预警显示，动作后可显示故障原因，实现了对电动机的可靠保护和监控。这是电动机保护系统的发展趋势。我国的此类产品还很少，且功能欠缺，本设计研究的智能型电动机综合保护器将弥补以上产品的不足，开发出功能

9、齐全，性能可靠，操作方便，价格合理的产品。全的优化设计接地与回流接地典型方案进行系统集成和定量评估。1.3 本文主要的工作本课题的主要任务是实现对电动机的综合保护和状态监控。对电动机的综合保护包括以下几项功能：过我保护、过压和欠压保护、漏电保护、堵转和起动超时保护、短路保护、缺相及相不平衡保护。电动机的过载保护是通过设置电动机的热时间常数建立相应的数学模型模拟电动机的发热和散热过程来实现的。过压和欠压保护是用一位拨码开关来设置其动作值，当电网电压超出其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压和欠压保护动作。漏电保护是按照漏电电流与漏电保护动作时间的反时限关系设计的。堵转和起动超时保护是通过拨码开

10、关设置起动电流和起动时间来实现的。而短路保护是电动机线电流达到短路保护动作值后采取瞬时动作来完成的。缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或线电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后切除电动机来实现的。对电动机的状态监控主要实现以下功能：电流显示，显示电动机当前线电流有效值；（2）电压显示，显示电动机当前的相电压有效值。对电动机的状态监控的选择是通过一个中断按钮来实现的。木装置在起动运行时显示的是电动机的线电流有效值，按一次中断按钮就显示当前电网电压有效值，再按一次显示电动机绕组运行时温升的最高值，再按一次就又显示电动机的线电流有效值。这样，用户就可随意监控电动机的运行状态了。第2章异步电动机的故障分

11、析和解决方案2.1 电动机故障分析要做好异步电动机的保护，首先要分析保护对象会遇到的各种故障，分析其故障特征，才能提出切实可行的保护方案。对于异步电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。造成绕组损坏的主要原因有：(1)由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。(2)长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相间或对地短路。(3)因机械故障造成电动机转子堵转。(4)三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行。(5)冷却系统故障或环境温度过高。造成电动机轴承损坏的原因主要有：机械负荷太大、润滑剂不合适，或

12、者恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。由于电动机的微机保护主要是通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有：三相短路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平衡、单相接地或相间短路。当因为各种原因，如机械故障、负荷过大、电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时，由于散热条件差，电流大，特别容易损坏电机。其它不出现显著过流的不对称故障，如断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时动作。对于电动机的各类内部绕组故障，如Ilii间短路、接地短路等，往往

13、是由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理会导致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，严重损坏电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著波动，因此对电动机形成过压欠压故障。2.1.1 电动机故障基本原理(工作原理分析)为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。就要研究电机的数学模采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得：1)忽略空间和时间谐波2)忽略磁饱和3)忽略铁损异步电机的稳态等效电路如下图21所示型，对于电机的软起

14、动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。图2-1异步电机稳态等效电路其中等效电路中元件为定子绕组的电阻，X为定子绕组的漏电抗，尸为归算到定子方面的转子绕组112的电阻，广为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。为定子铁心损耗所对应的等效电阻，X为励磁电2mm抗。Ul为定子电压向量，纥为定子感应电动势向量，人为定子电流向量，/,“为磁化电流向量。基于T等效电路的数学模型为：E=E=-/Z=-/(r+jx)(2-1)1 2mmnmm4+/2=/(2-2)Eri=(I+r)(2-3)2 2s2q=a+代+耳(2d)由等效电路可见，异步电机输入的电功率一部分消耗在定子绕组的电阻而成为定子铜耗；另一1C

15、Ml部分消耗在定子铁心上而变成铁耗P.。剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功率P。其中PJCemem为：r9r,p=m+ES=-(2-5)em122212c甩磁转矩可表示为:p(I-S)Pp1=w,Wnl=lanem(1s),11(2-6)其中，Q=%=2汽二为同步角速度；转子机械角速度O=竺；p为机械功率。160p60em由式(25)和式(26)得:1.=722(2-7)11根据T型等效电路可知：U12=I,1(2-8),)(+2+(X)2V1S12，将式(2-8)代入式(2-7),同时考虑C=2兀4，于是有Pm=P(2.9)1(r+sj?+(x+x)2IS12刚起动时，转子n=0,转差率s=l,此时起动转矩为：mpU2rT=_ji_2(2-10)St2f(r+r)2+(+)211212同时根据上式(21)、式(22)、式(2-3)、式(2-4)可得:r*+jx1+5.2十+JX=q7+；7(2-H)r+x+(1+_1J_L+/X