电子增强的低压电动机保护与控制

1、淮阴工学院毕业设计（论文）外文资料翻译系（院）:电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化姓名：学号：外文出处：ieee transactions onindustry applications，vol.30, no 3. may/jlrne 1994附件：外文资料翻译译文指导教师评语:签名：电子增强的低压电动机保护与控制摘要:无论今天还是将来电子增强都会是电动机保护和控制的主要研发方向。现今机 电系统都是局限于简单的保护模式其中有典型的的一对一关系像输入（例如，电流） 和反应（例如，偏转）。而微计算机芯片，其不断增加的处理速度和程序指令集给 设计师在工具和自由打包多重保护模式以及自定义保护提

2、供了更好的方法。这种计算能力，使设计人员能够发展现代多功能电动机保护系统，其屮包括 以前仅通过复杂的硬连线控制电路的控制功能。设计师现在可以重新审视电机保护 性的要求并提供独特的解决方案。另外，它也可以取代一些高层次的可编程控制器的解决方案并与专用控制器建 立成一个更用户友好的，个体的电动机保护包。同样的包可以提供广泛的数据通信 链路给工厂管理系统。这样的一个电机保护和控制系统针对电机的应用需求，在过 去往往是超越实用性范围的。x电机保护一般我们采取三步来改进电动机保护和控制。第一步是从物理的角度來研究保 护电机。第二步是研究目前的电机保护和控制的方法，并确定他们的长处和弱点。 第三步，采取新

3、的保护和控制系统，并确定现代技术是否可以提供一些更好的解决 方案。二、电机物理绕组故障是电机的主要故障之一，所以一个保护装置的最基木功能是必须能够 保护电机绕组。如今电机使用的大多数绝缘系统在本质上是有机的，因此，绝缘系 统受到过热催化使电机绝缘系统遭到破坏。这些热量是由于电流通过绕组产生的, 而且热量是电流的平方函数。在一般情况下，过多的热量与电机两个方面的性能相关。第一个涉及的瞬态过 载其发生在250%和1000%的满负荷电流之间。瞬态条件包括电动机起动，即起动电 流儿乎包括电动机牵引加速全部时间;电机堵转，即电机不能加速负载，或者突然机 械堵塞引起电机停止或拖延的电机堵塞。在这些条件下电

4、机绕组会在几秒钟通常少 于25秒内达到最高限制温度。第二方面涉及运行过载。在这种条件下电机始终运行，从而使一些提供冷却作 用绕组逐渐增加温度。运行过载发生在从i倍到两倍的满负荷电流范围之间。目前，在许多工业应用的低电压电动机通过热元件保护其在过载范围内。通过 对电机电流做出反应，热元件将偏转或软化，导致电机接触器打开。如今常见的热 元件是采用双金属或共晶合金制成过载继电器。热元件物理性质是毎个元素电流随时间发生变化的一个函数。上述两个方面相 互独立，不能由一个单一性质的热元件满足不妥协。一个典型的热过载元件的特征由一个电机全负荷电流和一个单一的过载等级 设计窄范围组成。过载等级相当于吋间量在其

5、动作吋六倍额定电流（假定为相当于 起动电流）流通过它从一个初始的冷态。儿个缺陷可以在过载加热器检查热元件时被注意到。第一个缺点是热元件不能 接近电机的热质量和传热特性llm2jo这意味着其冷却和加热性能不满足电机。一个 典型的热元件在动作后大约需要90秒冷却到其初始条件。在另一方面，电机最大 的线圈温度跳闸后需要一到三个小时（这取决于电机的尺寸）冷却到其初始条件。此外，热元件具有一个过载等级，典型的有10, 20,或30级。但当电流通过 它由于热元素发生反应，这元件偏传接近其跳闸位置。（见图1。）当电机相对于冷 电机是热的元件在约三分之一的时间时动作。例如，一个典型的20级热过载继电 器，在典

6、型的启动条件时当元件是热的会在5至6秒时动作，和13至15秒当元素 变冷。从电机的角度，在相同载荷作用下，无论是冷或热条件都会花很长的吋间从 新开始。热元件和电机性能差异是由于它们的热时间常数的巨大差异导致的。rtd介绍另一个传热元件与相同状态下电机具有极大的不同的时间常数，除非 他们是完美的位置，他们将显示温度小于实际瞬态过载条件下温度。rtd也将需要 额外的电子允许这种测量和继电保护。rtd成本监测经济禁止使用小电机尺寸。四、理想的电机保护理想情况下，过载等级应该比只是在寒冷和温暖的电机加速时间条件要长（见 图2）。这个非常具体的要求，不能被用在现在过载继电器的热元件上。目前，对一个电机的

7、任何保护模式设想通常是离散的解决方案。这样的原则缺 点是成木高。每个额外增加的保护装置使盈亏平衡点提高。盈亏平衡点是保护成木高于重置这个电机，或时间的过程。因此，一个设计冃标就是保护方案的成本最小 化。cold图1冷，温，跳闸时双金属片变形情况除了保护好电机，电机本身可以作为一个传感器来监测电机负载变化这样可以 反映损失的负荷，干扰，或在这个过程屮的一些改变。热元件的性能只能提供一个大概的电机性能。利用现代技术只是模仿现有热元 件的性能存在疑惑之处。理想的情况下，设计师应该从电机的真实性能属性及其应 用方法，并运用现代技术来大幅提高电机保护水平。本文描述的电动机保护系统就 是为达到这些目标计划

8、而设计的。五、电机保护环境为了评估电动机保护需求，有许多重要的特征需要被考虑：1）电动机的起动电流保持不变，直到靠近运行速度，然后它下降到运行电流 水平。（图3,曲线a显示了一个典型的电机起动电流标志。）2）电机中起动电流不随负载种类变化，但随持续吋间的驱动负载的惯性变化。3）实验确定，一个典型的电机绕组在锁定转子电流和环境温度条件下这需要 在2530秒是上升达到140°c o图4显示了电机全负荷和绕组温度高于环境温度达 到140°c所需能量的关系。数据表示很多电机超出了很宽的马力等级。4）传热速率（从绕组到机壳和从机壳到自由空气）在电机运行和电机停止时是不 同的。这是因为

9、屯机的风扇在电机停止时不运行1和。图2 基于最大绕组温度电机的多个起动能力5）电机的时间常数取决于它的尺寸。因此，电机满负荷电流和时间常数之间 的关系可以被开发。时间常数是一个电机结构的功能，例如，一个开放的防滴电机 与一个全封闭自扇冷式电机相比有更小的时间常数。基于对许多电机试验数据，电 机全负荷电流与开发它的时间常数之间保守的关系需要被开发。6）绕组在瞬态条件下加热，如电机启动时，木质上是一个具有很少或没有热 传递或损失绝热过程。这个过程结果是电机绕组温度突然增加。7）电机的起动时间依赖驱动负载的惯性，因此对于一个给定的应用它一个常 数。8）电流的相位不平衡，或缺相，导致额外的热积聚在电机

10、绕组。这产生的热 量与电机的大小成正比。9）在绕组接地故障应迅速清除以最大限度减少设备的损坏，同时不影响其余 的电力系统。10）进程保护有时比电机保护更关键。11）一个1.15的服务系数电机与一个相同电机但服务系数为1.00相比具有较 高的满负荷电流。其至两电机起动电流都是相同的。12）起动电流到满负荷电流好比更高的能源效率比标准电机效率。六、电机模型因为过高绕组温度是电气故障的一个原因。在一个实际的电动机保护的第一步 是解决模拟电机的热性能。模型应在稳态和瞬态过载的条件下，夙绕组到机壳，从 机壳到外面的空气冷却性能和传热特性都应该得到满足。一旦一个满意的模型被推 导出來，系统的输入如电流和起

11、动时间可以驱动模型。该模型还需要包括任何参数的 变化以便可以定制不同大小的电动机。幸运的是，计算机和其他电路元件的建模技术的进步使这种模型实现有了可能。 因为该模型可以存在的嵌入式软件，在微计算机上，并不作为实际的硕件，改变该 模型可以容易地进行。热流和电流流动都遵循相同的类型微分方程。用适当的参数，一个rc电路可 以近似的描述电机性能。如图5所示一种电机模型的第一近似值。参数如下：cw二绕组热容量tw二绕组温度上升rw二绕组热电阻ch二机壳热容量th二机壳热温度rh二机壳热电阻po二由电机电流产生的热第二电路，更接近于真实的电机性能曲线如图6所示。在这第二个模型4, 两发电机被添加，用于测量

12、机壳和绕组温度值，tw和th,和非线性算子相匹配的 模型的预定的边界条件。两个额外的电容器也被添加用以反映当电机停止电机通风 到电机冷却情况。cw1二绕组的热容量，冷却条件ch1=机売的热容量，冷却条件k二非线性算子用来迫使tw和th达到跳闸点，模型的边界条件在下边表示。 表1对这些模型的电和热的性能进行比较。七、模型的边界条件各种边界条件不要求的电子电路元件可以被判别。边界条件选择如下。(1) 该模型应计算在所有温度下度该模型相对于周围摄氏度应该计算在所有温 度内。(2) 该模型应该在机壳温度気。=1.1 to 1.5. iralio = iactual/ifull load cuitent

13、 跳闸(3) 该模型对电机绕组温度irati0 =1.51 to 10跳闸(4) 当绕组温度达到最大值价值。该模型应该动作，防止电机启动电机冷却并到 安全温度水平以下。(5) 该模型应该容纳电机设计运行1.0或15的服务因素。(6) 该模型应考虑三相不平衡移位并根据电机大小来确定移动触发阈值。(7) 该模型应该是能够检测电机堵塞和损失负载条件。(8) 该模型处理的过载等级从2到23o(9) 该模型应处理好三相或单相电动机。(10) 该模型应该反映真正的rms电流和不假设纯正弦波。(11) 该模型应该如果imt在10以上会产生一个瞬时跳闸。(12) 该模型应该能够处理b类电机或f绝缘。(13)

14、该模型假定在环境温度4(tc下操作(14)该模型应该允许环境温度调节的0和70°c之间图3典型的电机起动电流的标志和保护装置图4电机全负载电流和这些能量使绕组温度高于环境140°c的关系tw、rw1,o 1p0rh o-cwch/图5电机绕组和机壳的基本热模型表（一）比较热性能和电气性能的影响thermal propertydimensionelectrical equivalentdimensioncwwinding thermal capacitancewsectccapacitancea $ec/vtwwinding thermal temperature risep

15、voltage dropvfwwinding thermal resistance°c/wresistancev/achhousing thermal capacitancewseerccapacitancea sec/vthhousing thermal temperature risevoltage dropvfhhousing thermal resistancec/wresistancev/apoheat flow inputwcurrent flowap1heat flow windingwcurrent flowafpheat flow housingwcurrent f

16、lowap2heat flow airwcurrent ftowa1 °c - 1 v1 °c/w 1q1 w seerc 1 farad1 w - 1 ampere图6。电机绕组和壳体温度实际热模型八、电机模型元素的值描述之前利用实验数据，有可能来计算电机的热容量和时间常数电机满载电流。 下面公式用于测定绕组热电容cw = poxtc/ t在p0开始是成正比的power (6)2 二 36tc =20 s to reach 140° c2t =140°用于绝热加热操作化绕组电容是5. 14 f (w. s / ° c) o该机身的供暖和冷却

17、电容和绕组的冷却电容的作用是用来决定电机的尺寸和前面从经验开发提到的相 同的电机试验。电容的模型计算选自计算机内存中，当应用程序的满载电流指定在 初始设置的电机保护系统中。使用稳态条件下，(th二50° c和tw二80° c)热电俎值被确定。在这种稳态条 件下，在绕组屮产生的热量是等于从壳体散发的热量。稳态值是电动机运行在满负 荷下并ii电动机温度稳定。该模型的输入是通过实时rhs确定三相屯流的真实有效值测量。(注：在该模 型中，热流量用安培代表。在现实中，热流量于实际电机的电流平方成正比。因此， 6陰实际电机电流表示在模型中作为一个36安培电流。)在1. 5-2. 0的范

18、围1“。电机必须在120s'跳闸 在温暖和240 s时或者开始冷却。 在ise二11，动作发生在大约20分钟。电机热或者冷是通过检查th和机壳温度决 定的。图7电动机起动和保护动作的时间图确定模型参数，软件程序完成包括例程并容纳所有前面提到的边界条件。图7 表示时间由模型和电流作为一个情节产生的温度通过若干事件给10马力电机。在 假定情况下，电机的启动和运行约1000秒，然后电动机进行运行过载状态提高线 圈温度的最大允许温度，导致过载跳闸。强制冷却后下降时段，使线圈温度达到安 全水平，电机启动和运行在满负荷电流，直到绕组温度稳定。图8和9表示的时间电流特性曲线由电机型号为几类超负荷生产

19、对寒冷和温暖 电机。这些随着三相不平衡曲线向左移动，造成跳闸越快。电机模型的价值和使用的绕组温跳闸决策可以很容易地表现出来。图10显示 热过载元素的用于保护电动机。元素将允许2-1/ 2开始对20级元件。这些开始被 认为是5秒开始。在上述指定相同的电机和负载条件下，模型将允许到最大前五开始线圈温度为 止。在另一方面，如果启动的是一个长时间的（例如，20秒）尝试另一个开始前需 要1到2分钟冷却。元素可以冷却到一定程度，这样可以有完整的间隔开始其至绕 组温度限制将被突破。（参见图11）从电机的角度来看，1或2分钟的冷却不足以 使绕组温度达到允许开始一个很长并且不超过最高绕组的允许温度的水平。如果超

20、 过最高温度电机绕组将会被严重损坏。该模型可以容易地防止这种情况的发生有两个原因：（-）电机模型的时间常 数与实际电动机的时间常数时间相近（二）绕组温度达到最人模型将跳闸并将阻止 另一个开始直到绕组温度冷却到一个安全值。电机干扰使模型的电流突然增加到两倍电机运行电流并在350毫秒或更少的时 间内超过inr的200%。干扰保护可以防止损坏电机并通过快速跳闸切断电机电源线 来保护驱动的设备。这是因为齿轮驱动负载对干扰易感性决定的。在350毫秒甚至更少时间内负载保护的损失突然下降到电机运行电流在的50%。 负荷损失可能是由于叶轮一个刀片的破碎或由于泵的背压损失。负载保护的损失迅 速切断电机电源线。该

21、模型允许调整起动点和行程时间用以损失和负载的保护。九、电机控制单元一旦微型计算机是用来做电机保护作用，其计算能力可用于做其他事情。在电 机的应用中，除保护之外的第二大功能是电机控制。自从plc的被用于提供消除布 线，定时器和控制继电器这种控制功能，在本文这种装置中所述也可以作为一个专 门的plc。图8。冷电机的服务系数为1.0的吋间-电流特性图9。热电机的服务系数为1.0的时间-电流特性timo20 soc start图1120级双金属性能与长电动机的加速时间fcz itfc-j j tq一 ii厂1ii1fc；3-4图12。双速双绕组电机起动器与当地三线远程两线控制的梯形图 电机的控制，包括

22、启动，停止和扭转。电机起动控制常见的方案如下：(1) 全电压，过线，不可逆(2) 全电压，过线，逆转(3) 双速双绕组(4) 双速单绕组恒转矩(5) 双速单绕组变矩(6) 双速单绕组不变马力(7) 降低电压自耦变压器(8) 星形-三角形闭合转换(9) 星形三角洲开放的过渡(10) 全电压，部分绕组这些方案对控制电源接触器有不同的要求。这些方案需耍对额外的复杂的控制 电路元件的进行选择。这些常见的安排如下：局部2线局部3线局部3线，远程2线局部和远程各2线局部和远程各3线远程2线远程3线在这种情况下一个plc的值或者一个专门的逻辑电路，对电机的控制可以通过 一个例子很好的证明。图12显示了一个完

23、整的电路原理图(梯形图)如双速双绕 组电机的起动与局部三线/远程双线控制。双速双绕组起动器采用l接触器连接电机 的低速绕组和h接触器连接高速绕组以双速全电压操作。有两个定时器可以用，一 个用于延迟时间另一个锁定高速运行后立即重新启动。使用嵌入数字逻辑在电机保护和控制装置，同样的好处还可用plc得到。第一 个例子如图13所示具有相同类型的起动器和相同的参数，因为没有新的电路被添 加到这些额外的任务中,这样可以节约不少的成本。使用基本的微处理器电路不仅起保护功能而且消除了部件和接线问题。组件总 数减少也会使其改善方法更可靠。总体而言，它可以创造70个控制库线路涵盖了电机控制应用中使用的大多数 控制

24、电路。编程也允许创建的自定义控制电路来替代标准的梯形图符号。十、用户界面和协调一个插件手动单元已被选定作为一个输入关键的电机参数的装置。这种装置允 许用户为他个人的应用配置电机。然而，编程开关控制电路所需的变化或nema接 触器的大小比较已超越简单的手持单元的能力。为了满足这些变化个人电脑是必需 的，从而允许终端用户进行现场编程。通过这种方法，一个“通用零件”单位可以 很容易地修改，以接受任何一些特定作业中使用的控制电路，最大限度地减少停机 时间。与其他电气设备的协调（如电机短路保护装置或接地故障继电器）必须要考虑 到。过载曲线的样本曲线如图8和9所示。表二示出了每个电机的尺寸的内置的接 地故

25、障接触值。用于接地故障保护的吋间延迟设置为100毫秒。st1 iueo lrxl*c«torlowco4l ortvwr ojtpcjts 、mat4ouowstor图13电动机保护及其控制系统接线图相同的起动如图12所示表2电机保护与控制系统对于接地故障提取水平ground fault pickupoverload sizefull load current rangeground fault pick-up current1a0.3 - 151.5 amps1b1.2-6.05.0 amps1c4.8 24.05.0 amps2a10.0 36010.0 amps2b10.0 45010.0 amps320.0 90.010.0 amps440.0 135.010.0 amps580.0 270.010 0 amps6160.0 540.020.0 amps卜一、通信所有的电动机数据(包括绕组与外売温度，相电流，