三相同步电动机的保护

11届分类号毕业论文（设计）三相同步电动机的保护姓名学号年级2007专业电气工程及其自动化系（院）电气工程学院指导教师2011年05月04日摘要同步电动机因其转速不变,功率因数可调等优点,被广泛地用于拖动大容量、恒定转速的负载。在实际运行中,由于电网波动、负载冲击等的影响,电动机会出现故障。轻则使生产受损,重则造成设备损坏和其他严重事故,引起极大的经济损失。因此,研究同步电动机保护对保证同步电动机安全、可靠、稳定运行有十分重要的工程实际意义。本文所设计的同步电动机保护电路通过模拟的电路信号进行调试,能准确地对故障信号做出正确的反应,起到良好的保护作用能可靠的保护同步电动机,达到了对同步电动机的保护要求。关键词同步电动机,失步保护,单片机ABSTRACTTHESYNCHRONOUSELECTROMOTORISUSEDEXTENSIVELYFORDRAGGINGTHELOADOFBIGCAPACITYANDINVARIABLENESSTURNBECAUSEOFITSADVANTAGESOFCONSTANTTURNINGANDADJUSTABLEPOWERFACTORINITSPERFORMANCE,THEELECTROMOTORWILLBREAKDOWNBECAUSEOFINFLUENCEOFPOWERNETFLUCTUATIONSANDOVERLOADTHESENOTONLYINFLUENTPRODUCT,BUTALSODAMAGEEQUIPMENTSTHEREFORE,THERESEARCHOFSYNCHRONOUSELECTROMOTORSPROTECTINGFACILITYISVERYIMPORTANTFORPROTECTINGTHESAFETYANDSTEADYOFSYNCHRONOUSELECTROMOTORTHEPROTECTINGFACILITYOFSYNCHRONOUSELECTROMOTORCANGETACORRECTRESPONSETOTROUBLESIGNALBYEXPERIMENTINFACT,THISPROTECTINGFACILITYCANPROTECTSYNCHRONOUSELECTROMOTORRELIABLY,REACHINGTHEREQUIREMENTOFPROTECTIONTOSYNCHRONOUSELECTROMOTORTHEPROTECTOROFSYNCHRONOUSELECTROMOTORCANDOCORRECTRESPONSETODEALWITHTHEFAULTSSIGNALANDREACHTHEPROTECTINGAIMTOSYNCHRONOUSELECTROMOTORKEYWORDSSYNCHRONOUSELECTROMOTOR,PROTECTIONOFLOSETOTREND,SINGLECHIPCOMPUTER目录1引言1L1课题的目的和意义112同步电动机保护的现状113同步电动机保护常用方法对称分量法简介12同步电动机保护模型的建立221对称故障和不对称故障保护222失步保护43同步电动机保护装置的系统设计531同步电动机保护装置的系统结构框图632同步电动机保护装置的主要配置64同步电动机保护装置的软件编程方法及其原理分析941主程序942显示子程序1043参数调整和设置子程序1044失步判断子程序105总结11参考文献12附录13谢辞181引言L1课题的目的和意义电动机是各行各业应用最广泛的动力设备，也是所有动力设备的主力军，供电系统90的电能是通过电动机消耗的。电励磁同步电动机可以通过调节励磁电流提高电网的功率因数，节约电能，因而被广泛应用于工矿企业。同步电动机所带负载种类繁多，而且往往属于影响整个生产过程的关键设备，因而，同步电动机的安全、稳定运行具有十分重要的意义。在实际的生产过程中，由于电网波动、负载冲击等的影响，电动机失步运行时有发生，不仅使生产受损，重则造成设备损坏和其他严重事故，引起极大的经济损失。因此，研究同步电动机的保护十分必要。12同步电动机保护的现状电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。为对电动机进行有效地保护，国内外都已经开展了针对同步电动机的保护装置的研究，而且无论从理论还是实现手都在不断发展。我国的电动机保护装置经历机械式、模拟电子式和智能化发展等几个阶段。但微机10的普及给电动机保护，尤其是同步电动机保护带来了革新。微机保护与传统模拟式保护最根本的区别是在于微机保护的数字化。高可靠性、灵活性、方便性、及可扩展性等特点几乎都是微机型保护的优点，所以微机保护肯定是目前乃至今后同步电动机保护发展的主流方向。13同步电动机保护常用方法对称分量法简介根据对称分量法、当同步电动机以及外部供电系统发生不对称故障时，故障电流可以分解为正序、负序和零序电流分量。而当同步电动机正常运行时，其中的负序和零序分1量都很小或者没有，由此可以通过检测负序和零序分量的存在来判别各类不对称故障，这一判别方法有很高的灵敏度和可靠性，尤其是利用对称分量法和过流保护结合构成的大型同步电动机综合保护更显优越性。目前，在应用对称分量法处理电动机外部严重故障的诊断和保护都较成熟。但是，实际运行当中电动机启动过程中外部供给的三相电压多常是不平衡的，这给保护的整定带来了一定困难。还有当同步电动机轻微的内部故障时，尤以绕组端部出现很小匝数的匝间短路，负序电流很小，负序电流的检测也很困难。为了解决判断内部故障这一问题，国外有人提出利用负序阻抗的概念作为故障判据，当同步电动机发生不对称故障时，利用叠加5原理相当于在故障点上接入一个附加故障分量电源，这一故障分量电源将产生故障分量负序电流，据此可以得到一种计算负序电流的等效电路图，进而可以计算负序阻抗和负序电流。这样的故障判别方法灵敏度低、响应时间长、还受负荷的影响较大，实用性不强。更有进一步研究，按照利用故障点上接入等效附加故障分量电源的方法，还可以利用负序功率的方向构成电动机故障诊断和保护，对于内部故障，各测量点上故障分量的负序功率均从保护区内流向保护区外，而外部故障时则不满足这个条件。在学习了有关同步电动机的故障类型和故障判别的若干方法之后，设计了以单片机为核心的保护装置。2同步电动机保护模型的建立在学习了同步电机自身所特有的失步特征基础上，提出适合单片机控制技术用的失步保护的实现方法。该保护装置采用检测过电流、零序电流和负序电流分量为基础作为电动机故障的判据，从而取代了传统的以检测三相电流经电流电压变换后通过监幅电路作为判据的方法。21对称故障和不对称故障保护211对称故障和不对称故障特点根据同步电动机故障类型划分，可分为对称故障和不对称故障两类。2对称故障包括同步电动机过载、堵转、启动时间过长以及三相短路等，这类故障对同步电动机的损坏主要是导致同步电动机发热过多使绕组发热超过极限甚至烧毁，这类故障还会产生不良的机械应力可导致同步电动机不同程度的受损。对称故障的主要特征是三相电流电压基本对称，但是电流大于额定电流，有时会超出额定电流几倍甚至十几倍，同步电动机对称故障的严重程度基本是可以通过同步电动机过电流的程度来得到反映，因此这类故障仍然以同步电动机的过电流程度作为判据。并针对不同程度的故障类型有不同的保护措施，针对严重的三相短路采用电流速断，其中用突变量起动更增加动作的快速性，辅助启动用来保证可靠性。热过载的情况用累加定子电流来满足反时限特性。其他对称故障类型的保护可设定短时限跳闸延时，时限可由用户整定。不对称故障还分为中性点直接接地故障和中性点不直接接地故障两类，在实际的同步电动机运行中，同步电动机的供电单元一般都是低电压等级，很少有中性点直接接地的情况，而且我国的电动机也是中性点不接地的，故许多同步电动机保护不用考虑接地故障的情况，但是由于我国电动机外壳要求必须安全接地，因此如果出现绕组刮壳、绕组绝缘损坏等都可能导致接地故障，尤其是当同步电动机工作在尘埃重和特别潮湿等恶劣的环境中，接地故障的机率就更大了，鉴于此本论文所设计装置的保护功能对接地与不接地故障类型均作了考虑，并且都能起到良好的保护作用。A0C0B0C零序电流分量ABCD合成电流不对称故障类型主要包括断相、相间短路、匝间短路以及不平衡运行工况等，这类故障会引起三相电流的不对称，其中不对称的三相电流分解出的负序电流产生的负序效应对同步电动机的损坏最大，可能造成同步电动机端部发热、振动、起动受阻甚至还会使绕组发热等问题。不接地的情况下，定子电流只分解为正序电流和负序电流零序电流为零，当同步电动机正常运行时只有正序电流，负序电流基本没有，故这种故障类型可以通过检测负序电流分量是否越限作为判据。中性点不接地的不对称故障时，虽然零序电流为零，但是零序电压仍然存在，为了可靠的保护此类故障，本论文设计保护装置还有零序电压保护。接地性不对称故障情况包括单相接地短路和两相接地短路等，这些故障类型定子不对称的三相电流可分解为正序电流、负序电流和零序电流，零序电流的出现是接地性不对称故障与不接地性不对称故障的根本区别，故这类故障用零序电流作为判据。212三相平衡的判断依据对称分量法A1C1B1C2B2A2（A）正序电流分量B负序电流分量图21对称分量及其合成向量图对称分量法的原理是把三组不对称的三相电压或电流看成三组同频率的对称的电压或电流的叠加，后者成为前者的对称分量。43、在图2L（A中、依次滞后120，称为正序，在图中标有“1”字；在图1AB1C21（B中，、依次超前120，称为负序，在图中标有“2”字；在图21（C中2AB2C，三相电流同相序，称为零序。将正序、负序、零序不相关的对称电流叠加0AB0C起来，便得到一组不对称的三相电流、，如图21（D）。ABC运用对称分量法计算同步电机不对称运行时，各分量相互之间是没有影响的。就是说，正序电流只会产生正序压降，负序电流只会产生负序压降，分量都是对称的，零序电流只会产生零序压降，所以三个分量可以单独计算。因为每一组分量都是对称的，可以用前面所讨论的分析一相的方法，这就是对称分量法的优点。最后再把三个相序的电压或电流叠加起来，得到实际的三相各相的电压和电流。22失步保护电机在失步状态下运行，将遭受强烈的脉振作用或大的电流的冲击，这对电机来说是不可承受的，因此必须对电机进行有效的失步保护。由于电网故障瞬时断电再自动重合闸或人为切换电源而造成的电动机失步则称为瞬时断电失步。定子旋转磁场正常，转子也带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场和定子磁场又不同步，电机的这种带励异步运行状态，称为带励失步。带励失步一般由相邻出线端头短路故障、附近大型机组或机组群起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低、电动机所带负载的大幅度突增以及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。同步电机的励磁绕组失去励磁或严重欠励磁，转子磁场按指数规律消失，导致同步电动机反电势E按同样规律消失。同步电机经过过渡过程后，滑出同步，转变为异步运行，这种失步状态称为失磁失步。失磁失步是由于转子励磁回路某处断路或接触不良，励磁绕组匝间短路，励磁机或晶闸管励磁系统发生故障等原因，造成转子失去直流励磁电流，使转子磁场消失，从而导致同步电动机“失磁”。221带励失步和失磁失步同步电动机带励失步和失磁失步的一个显著特点是直流励磁回路中出现具有滑差频率的交流感应电流分量。当同步电动机在稳态运行时，励磁回路中仅流过直流励磁电流，没有交流分量，如图22（A所示。当同步电动机带励失步时，由于转子绕组和定子旋转磁场之间的相对运动，电机励磁回路中出现具有滑差频率的交流感应电流分量，如图22（B所示，它和原有的直流电流叠加，形成一个不衰减的脉动电流。当同步电动机失磁失步时，励磁回路中仅有交流感应电流分量，如图22C所示。当同步电动机发生同步振荡时，在直流励磁电流上叠加的交流感应电流分量具有迅速衰减的特点，如图22D所示，且其振荡频率一般与电机的固有频率相对应。同步电动机同步振荡时不需要跳闸停机。8图22励磁电流波形图222断电失步同步电动机在电流突然中断后，将由电动机运行变为发电机运行维持母线电压，这一电压的频率随同步电动机转速的下降而逐渐降低，同时，作为发电机则由原来吸收有功功率变为输出有功功率。由断电后的行为特征可以看出，断电失步的主要标志为（1电动机转为发电机运行，功角由滞后变为超前，电机发送有功功率。（2电机转速和定子电压频率同步下降。对于断电失步，可以直接以电源电压来作为失步的监测量。考虑到电机可能由于不足以引起失步的较小干扰是电机发生迅速衰减的同步震荡，而侵入保护动作范围；另外，同步震荡在保护动作区内停留的时间不会大于同步震荡的震荡半周期，振荡周期对于每台同步电机来说是固定不变的，一般不大于0204S。因此为防止保护误动作，还要在保护中加入一段延时，只要该延时整定合理，就能避免误动作。同时，这一延时也是必须的，因为电源中断的时间如果非常短，电机并不会脱落失步，故在电源恢复时就没有必要对电机进行失步保护。综上所述，对于带励失步和失磁失步，则以励磁回路出现交变的电流来作为失步的判据，对于断电失步，可以直接以电源电压来作为失步的监测量。监测中都应加入合适延迟，防止误动作。在同步电动机异步起动时，失步保护装置不动作，躲过异步起动过程。在同步电动机发生同步振荡时，失步保护装置也不会动作。在同步电动机由于各种故障失步运行时，失步保护装置应能灵敏、迅速、可靠地动作于电机的跳闸回路。3同步电动机保护装置的系统设计31同步电动机保护装置的系统结构框图同步电动机保护装置的系统结构框图如图31所示。A、B、C三相电流首先经过电流互感器转变为低压交流信号。由于是交流，不能直接用单片机进行A/D转换，于是通过电压调理电路，交流信号转化成直流脉动信号后，就可以送入单片机直接进行A/D转换和数据处理，进而做出判断，并使保护器会做出相应的动作。励磁回路中电流为直流电，在负载变动或发生失步故障时才会产生波动。但由于频率很低，不宜采用电流互感器，所以选用霍尔传感器。经霍尔传感器变换后的信号直接送入单片机进行A/D转换。故障处理方面由断路器KM和自整步电路组成，由单片机通过隔离驱动电路驱动，根据不同的故障由单片机选择动作。32同步电动机保护装置的主要配置同步电动机保护装置的主要配置有电压互感器，电流互感器，PIC16F877单片机，电压调整电路，霍尔元件，固态继电器等。321PIC16F877单片机PIC16F877系为40脚，DIP包装的单片微机，V为正电源接脚，V为地线接脚，至于DS电流则和微处理器所连接的外围电路，以及和工作速率有关。它有电阻电容、石英、陶瓷振荡，当微处理器有适合的电源与CLOCK后，就会进入工作状态指能够去程序内存里面拿指令并且完成正确动作，使用者还得先将指令放进微处理器。叫做烧录立即能动作其核心区域包括程序存储器、程序计数器、堆栈、指令寄存器、工作寄存器W、状态寄存器STATUS、RAM数据存储器、间接寻址寄存器FSR和看门狗定时器WDT。322电压调整电路电流互感器输出的是交流信号，所以不能直接供单片机进行A/D转换，必须经过电路处理，变为直流信号，才能进行A/D转换。这里采用提升电压的方法，即在交流信号上加上一个基准电压，使其变成直流脉动信号，以供单片机进行A/D转换，然后通过软件处理得到信号的真实信息。该电路主要由运算放大器LM358和基准电压源TL431组成。电压调整电路的电路原理如图32所示。323霍尔元件的原理和应用近年来，新一代功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频、高出DI/DT电流波形的传递和检测。霍尔电流电压传感器模块，是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代业用电量传感器，使弥补这一空白的高性能电检测元件。14霍尔电流电压传感器是根据霍尔原理制成的，有两种工作方式，即磁平衡式和直测式传感器。由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成，如图33所示。本系统中选用的是磁平衡式霍尔电流传感器。磁平衡式的工作原理是磁场平衡，即主回路电流I在聚磁环所产生的磁场，通过一P个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿电流I。S这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被检测的电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当I与匝数相乘所产生的磁场与I与匝数相乘所PS产生的磁场相等时，I不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。此时可以通过I来SS测试I。如变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到P平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡所需的时间不到1S。这是一个动态平衡的过程。因此从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即NINI0。其中，PSN为原边匝数，I为原边电流，I为次级补偿电流。N、N可从使用手册中查到，测得PPSSI的大小即可得知被测电流的大小。S324固态继电器固态继电器SOLIDSTATERELAYS，简写成“SSR”是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件如开关三极管、双向可控硅等半导体器件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关“，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛地应用。15SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，图34是它的工作原理框图，图35中的部件14构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端A和B及两个输出端C和D，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的电联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光藕合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘（耐压）等级高由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”，的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路4工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点零电位时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌电压对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰甚至误动作而设计的，一般是用“RC”串联吸收电路或非线性电阻压敏电阻器。以上对单片机控制同步电动机保护器的硬件电路原理，并对保护器硬件电路中的几个重要组成部分进行了分析。在电流的采集中，加入了由运算放大器构成的电压转换电路，将交流信号转化为直流信号，以便单片机进行A/D转换。在励磁电流的采集中应用了霍尔传感器，增加了信号的准确度。因为霍尔传感器有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，该检测元件既可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值，是代替互感器和分流器的新一代产品。在故障处理电路中应用了固态继电器作为隔离驱动元件，起到了隔离干扰的作用。4同步电动机保护装置的软件编程方法及其原理分析41主程序主程序流程图见附录图41。主程序的主要功能是初始化、调用各个子程序完成各项功能和控制显示器的显示内容。上电复位时，主程序先进行初始化，为各个子程序的调用和系统各个模块的使用做好准备，然后查询按键，判断是否需要进行各种控制参数的调整。如需要调整参数，则调用参数调整子程序，进行各种参数的设置；否则，保护器直接进入同步电机运行状态的监视工作。1242显示子程序显示子程序流程图见附录图42。该程序为动态显示程序，与普通的动态显示程序基本相同。将该程序合理地插入主程序和子程序的合适位置，既可实现连续的显示输出。在被参数设置子程序调用时，显示程序需实现设定位的闪烁功能；而被其他子程序调用时，显示程序则不需有闪烁功能。为了兼顾以上两种情况，设置了显示模式指示位，通过设定该位的值，就可以方便地控制显示模式，增强了程序的通用性。43参数调整和设置子程序参数调整子程序的流程见附录图43。该子程序负责密码的读取、核对，调用参数设置子程序来进行参数的设置以及对数据的存储工作。首先程序读取EEPROM中的密码信息，并调用参数设置子程序，让用户设置密码。只有当用户输入的密码正确时，有权修改系统的参数。这种设置增加了系统的安全性，有效的防止了错误的修改对系统造成的损坏，带来不必要的损失。参数设置子程序的流程见附录图44。该子程序的功能就是使用户可以通过按键方便的设定参数的数值，确定后将新设定的值送到写EEPROM的子程序中储存。44失步判断子程序失步判断子程序的流程图见附录图45。该子程序的作用是进行失步故障的判断和处理。程序先将霍尔传感器送来的信号17直接进行A/D转换，然后通过比例关系计算出励磁电流的瞬时值。将此值拿去与用户的设定值相比较，进而进行失步的判断。如果发生失步故障，单片机会发出指令驱动隔离驱动电路，进行重整步。该子程序主要负责对带励失步和失磁失步的判断，因为两者都会导致励磁绕组电流的强烈脉动。而断电失步由三相电压判断子程序来负责。该子程序采取了一种新颖的失步判断方法靠一定时间内励磁绕组电流超载的次数来判断是否失步，但对与高于励磁绕组额定电流2倍的超载电流，则直接判定为失步，防止在失步判定时间内对同步电动机绕组造成损伤。这种失步判定方式也是从实质上进行判定的方式，过载电流对同步电动机的损伤主要为过载发热使线圈烧毁和过流带来的强烈电磁力使部件损坏。而对于过载发热，需要一定时间才会产生可造成同步电动机损坏的温升，在温度还未达到同步电动机承受能力前，保护器以判定完成并动作。而对于可以使同步电动机产生强烈电磁力而损坏的强烈超载电流，保护器则会瞬间动作，减少其对同步电动机造成的损害。对于负载变动引起的励磁绕组的电流波动，由于其时间较短，不足以达到失步判定的过载次数，也不会引起失步保护电路的动作。从而可靠的实现了对同步电动机的失步保护。这里仅简单的介绍了本设计中单片机的程序的编程方法，但单片机作为本设计的核心，其程序的编写是尤为重要。5总结在学习了有关同步电动机的故障类型和故障判别的方法之后，在学习和运用单片机保护硬件平台资料的基础上，设计了能满足现阶段同步电动机保护需求的，以单片机为核心的同步电动机保护装置。通过检测负序和零序分量的存在来判别各类不对称故障，这一判别方法有很高的灵敏度和可靠性，尤其是利用对称分量法和过流保护结合构成的同步电动机综合保护更显优越。当然，随着科学技术的发展，会逐步实现同步电动机在运行过程中在线检测、预防控制、缺陷报警、故障诊断、故障定位、故障保护、事故分析的综合保护