浅析三相异步电动机的微机保护

电动机

电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

基本结构

一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

（一）定子（静止部分）

1、定子铁心

作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种：

半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

2、定子绕组

作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

构造：由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

⑴对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

⑵相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。

⑶匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线：

电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），。将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

3、机座

作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

（二）转子（旋转部分）

1、三相异步电动机的转子铁心：

作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

2、三相异步电动机的转子绕组

作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。

⑴鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

⑵绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

（三）三相异步电动机的其它附件

1、端盖：支撑作用。

2、轴承：连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖：保护轴承。

4、风扇：冷却电动机。

注意事项

⑴在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。

⑵选择电机解体的工作地点，清理现场环境。

⑶熟悉电机结构特点和检修技术要求。

⑷准备好解体所需工具（包括专用工具）和设备。

⑸为了进一步了解电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况，并测试电压、电流、转速等，然后再断开负载，单独做一次空载检查试验，测出空载电流和空载损耗，做好记录。

⑹切断电源，拆除电机外部接线，做好记录。

⑺选用合适电压的兆欧表测试电机绝缘电阻。为了跟上次检修时所测的绝缘电阻值相比较以判断电机绝缘变化趋势和绝缘状态，应将不同温度下测出的绝缘电阻值换算到同一温度，一般换算至75℃。

⑻测试吸收比K。当吸收比大于1.33时，表明电机绝缘不曾受潮或受潮程度不严重。为了跟以前数据进行比较，同样要将任意温度下测得的吸收比换算到同一温度。

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都大量的是使用着各种各样的电动机。根据资料统计现在有80%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着国民经济的日益发展， 作为电能转化为机械能的重要工具， 电动机在工业中的应用越来越广泛。为了使电动机安全可靠的运行， 就需要提供高性能的保护装置。电动机保护装置必须能准确无误地保护电动机， 使电动机在允许的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。传统的第一代产品电磁式保护装置以双金属片为敏感元件，双金属片受热或机械碰撞易产生永久变形， 造成保护精度不高， 调试困难， 分散性大; 第二代产品电子式综合保护装置有了很大改进， 它利用电阻电容的充放电模拟电动机的发热和散热， 但精度也不高， 且没有监控、显示功能。把单片机技术引入电动机保护装置， 大大提高了对电动机的保护特性， 保护范围广， 性能稳定可靠， 显示直观、正确、操作方便。

1.2本课题的研究内容

电动机的内部故障可以分为对称故障和不对称故障两种。对称故障包括过载、堵转、短路等;不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障、三相不平衡等。根据称分量原理，当电动机发生对称故障时，会出现明显的过流。因此，可以利用过电流检测来实现对称故障的诊断与保护。当电动机发生不对称故障时，其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量，其中负序和零序电流在电动机正常运行时没有或很小，一旦出现必然表示出现了故障。因此利用电流中的负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性，再加之反应对称故障的检测电流幅值的方法，就可以构成能涵盖电动机在各种运行环境下所有类型的故障诊断与保护。

本课题主要研究电动机的漏电保护、断相闭锁保护、过载保护、负序电流保护、电压保护等。

第2章 电动机故障类型及微机保护的特点

三相异步电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中电动机常常运行在环境恶劣的场合（如高温、高湿、尘埃、腐蚀等），导致电动机的过流、短路、断相、绝缘老化等事故频发，据调查全国约有20%的电机因故障被烧毁，近30%的电动机带缺陷运行，给日常生活和日常维护造成沉重负担，特别是高压电动机、大功率电动机，不仅造价高，更因为往往都是应用于大型工业设备的重要场合，一旦发生故障所造成的直接或见解经济损失更为惨重。因而对大型电动机的保护问题被人们广为高度重视。

2.1电动机故障类型分析

电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏。此类故障明显特征是电流幅值的显著变化。

不对称故障有：断相、逆相、相间短路、匝间短路等。这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引起发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。此类故障明显特征是电机电流出现负序电流和零序电流。

电动机在发生不对称故障时，应用对称分量法可将三相电流分解为正序、负序和零序分量。电动机在正常运行时负序和零序分量没有或很小，一旦发生不对称故障则将会大幅值出现，因此通过检测过流幅值、负序和零序电流分量、电流不平衡率，母线电压为基础的故障判据具有很高的灵敏度和可靠性。

保护的影响。

2.2电动机的微机保护类型及特点

计算机保护主要是通过输入接口检测、分析计算电力系统及设备的有关电量和判定系统设备是否发生故障，决定是否发出跳闸信号并通过输出接口送至系统及设备。此外还有记录故障信息，方便的人机对话等。与传统的电磁型保护和晶体管保护相比较，微型计算机特别是单片微控制器以其方便、灵活、可靠、经济等独特的优点，为理论研究和实际应用提供了更先进的手段；与传统的保护装置相比，微机保护具有如下优点：

微处理器具有强大的运算能力、判断能力，能按要求快速准确的计算，并能进行逻辑判断。并可将自适应控制，随机控制及模糊控制等引入保护。

良好的记忆存贮能力，可方便的获取故障信息并在断电情况保存故障信息及整定值。信息不丢失。

可与其他微型机组网 ，实现远程监控、远程诊断及分布式控制、信息网控制。

可靠性高。微机保护通过系统自检，能及时发现软件和硬件故障。

通用性强。微机保护通过改变软件设计，可实现不同的微机保护，达到不同的特性，具有通用性。

体积小。与传统的电磁型和晶体管式保护相比，体积要小的多。

经济性好。随着大规模集成电路芯片的不断发展，微处理器价格不断下降，功能不断增强，使经济性不断提高。

更改整定值容易。微处理器通过外围设备，使人机对话更加方便容易，可方便的就地或通过集控室更改整定值。

通过上面的分析看到传统的保护装置是无法达到微机保护所具有的这些优势。然而，作为一种新技术，它同样也存在如下一些缺点。

对抗浪涌、干扰能力较弱。

硬件很快过时，更新、淘汰周期短。

尽管如此，微机保护的前景是光明的，它的发展趋势是不可动摇的。随着技术的发展，相信这些问题会逐渐得到解决。

第3章 单片机的介绍及电动机监控系统的硬件电路的设计

3.1 8X196KX概述

本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD，它们是Intel公司继8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。Intel公司推出的MCS196系列单片机主要包括：HSI/O系列、Motor Control系列、EPA系列，本次设计主要应用HSI/ O系列；Intel80C 196KB是美国著名的Intel公司于九十年代推出的新一代单片机，是十六位微控制器。它在MCS-%基础上结构和功能又有了新的突破，是1%系列中功能较为卓著、应用较为广泛的一种。由于它性能好、功能全、价格低和用户使用方便等特点，尤其是高效的处理能力，使其特别适合于工控领域191。同时它采用CHMOS工艺，功耗低，具有节电的工作方式。

3.1.1 Intel 80C 196KB系统结构

Intel 80C 196KB具有64KB字节的可寻址空间。它的主要部分包括CPU、存储器、中断、五个独立I/0口和一些被嵌入的外设。这些被嵌入的外设包含：1个8通道A/I〕转换器、1个数据处理器阵列（EPA）、两个硬件定时器（定时器1和定时器2）和一个脉宽调制单元PWM.

（1）中央处理器CPU

Intel 80C 196KB的中央处理器CPU是由寄存器算术逻辑单元RALU和寄存器阵列组成，它最大的特点是：算术逻辑单元RALU没有采用常规的累加器结构，其操作直接面向256字节寄存器空间（由232字节的寄存器阵列和24字节的专用寄存器构成）。这种结构的主要优点是消除了累加器的瓶颈效应，加速了数据交换和更新的能力，提高了CPU吞吐量。同时由于可通过专用寄存器来直接控制UO口，这就加速了输入和输出过程。

（2）中断

Intel 80C 196KB具有灵活而高效的中断处理系统，80C196KB共提供了28个中断源，18个中断向量。其中非屏蔽中断NMI、软件陷阱TRAP和非法操作码中断是3种特殊的中断源，各占用1个专门的中断相量;其余25个中断源分享另外15个中断向量。用户可通过软件修改中断控制器的硬件优先级，并可人为地屏蔽某些中断。

（3） 80C196KB被嵌入的外设

Intel 80C I96KB单片机内部提供了完成各种应用的外设功能，CPU是通过被嵌入外设的特殊功能寄存器来对它们进行管理的。外设的特殊功能寄存器是（SFR）能通过间接方式或窗口方式寻址，因此它们又可看作是CPU的“累加器”。Intel 80C196KB单片机的片内外设功能较为强大和完善，除SFR外还设有定时器和事件处理器阵列（EPA）、脉宽调制单元（PWM）。 A/D转换器。其中，脉冲调制输出（PWM）可提供脉宽调制信号，作为D/A转换器的输出，直接驱动某些电机;Intel 80C 196KB还具有方便可靠的A/D转换功能，它具有一个8通道的A/D转换器，能完成十位或八位的高速A/D转换。本测控系统就采用Intel 80C196KB单片机自带的AID转换器进行模拟量的转换，这样可节省硬件开支。

（4） 1/O端口

Intel 80C 196KB具有5个独立的1/O端口，其中PO口是输入口，与A/D转换器的模拟输入端共享引脚;P1口是总双向口;P2口是多功能口;P3和P4可作双向口或系统总线。此外，高速输入口和高速输出口（HSI/HSO ）与时间有关的特征未利用上时，也可以作额外的110口用。高速输入/输出器（HSVHSO）无需CPU干预，它可自动地同时记录8个事件，并能记忆事件发生的时刻;而高速输出器可以按预先规定的时刻去触发某一事件，任何时候，都可以悬挂起8个事件。

（5）丰富的定时单元

系统共有2个16位硬件定时器和4个软件定时器，其中软件定时器可以以定时器1或定时器2作为定时标准，同时软件定时器还可以复用，可以方便地应用于系统多任务定时中，节省了硬件的开支。同时80C 196KB还有一个16位的监视器（Watchdog timer），它可以起到“看门狗”作用，使用极为方便。

3.1.2 指令概述

80C 196KB的指令系统是基于8096BH而形成的，它可以对带符号数和不带符号数进行操作，该指令系统采用了多种寻址方式其中包括了用于8位、16位数据类型的算术和逻辑运算指令，它的数据类型中还包括32位的数据类型，即支持16位与16位的数据乘法操作，32位与16位的除法操作以及操作数的移位操作，剩下的32位操作由16位的指令来完成。80C 196KB共有110多条指令，指令系统极为丰富。另外该指令系统的很多指令既可以用双操作数，也可以用三操作数，提高了编程效率。80196KB时钟频率可选择在6MHz与16MHz之间。这个时钟源可由外界晶体和内部电路构成的晶体振荡器产生，也可由外部时钟直接提供。80C196KB的状态周期经时钟信号二分频后获得，它是芯片工作的基本时间单位。当选用12MHz

为振荡器频率时，80C I 96KB的状态周期为167ns，这样，单片机完成一条指令所需的最短时间就是4个状态周期。所以它的执行速度快，当在12MHz主频下，完成16位乘法仅需要2.3us，完成32位除法也只需要4.Ous。

3.1.3 存储空间分配

80C 196KB可寻址的储存空间有64K字节，地址线为16位，每个单元存放一个字节的信息，除00001. 00FFH和1FFEH-2080H单元有专门用途外，其它单元都可用于存储程序和数据，或用于按存储器配置的外部设备。

3.1.4 存储器的地址、数据总线

由于Intel 80C 186KB无内部存储器，所以测控系统需要扩展外部存储器，其中地址数据总线的使用可以采用3种方式：第一种是标准16位总线方式，即复用的16位地址线和数据线。第二种是8位方式，即使用16位地址线和8位数据线。第三种是动态方式，即在16位和8位方式中随机地选择使用。本测控系统采用第一种方式，即16位标准总线方式。

3.1.5 外部存储器的扩展

根据系统要求，主控制板扩展了两片27128作为程序存储器，两片6264作为数据存储器，存储采样的数据以及根据一定的算法计算的数据，存储器扩展电路如图3-3所示。其中ICI和IC2为程序存储器27128， IC3和IC4为数据存储器6264，扩展的程序存储器的地址范围是2000H-7FFFH，扩展的数据存储器的地址范围是8000H-BFFFH o与八位单片机不同的是，80C196KB可以按字或字节来访问外部存储器，但在读外存时，把16位数据同时取入存储器控制器，在控制器内部根据情况选取1个字节或1个字，把不用的部分舍弃。因此/RD信号同时选通高位字节和低位字节，且AO不与存储器相连。