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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流基于PLC的电动机的综合保护(毕业设计）改1.精品文档.基于PLC的异步电动机的综合保护摘要本文主要研究了基于PLC的电动机综合保护系统，介绍了可编程序控制器的功能特点和发展现状，叙述了电动机的过载、断相、短路、过/欠压等故障类型的特点及其保护原理；阐述了保护系统硬件的构成；并编写了PLC保护程序，给出了I/O分配图和梯形图。根据不同的故障类型采用不同的动作原理，分别设计其保护时限；采样电路把模拟量传入PLC的CPU，由CPU根据事先定好的整定值做出判断，来决定是否启动相应的保护子程序，当检测量超过整定值时，PLC将启动相应的继电器和寄存器，
2、并显示故障类型；根据设计程序动作断开电动机的电源，从而实现电动机的保护。保护使用台达机型为主体，A/D转换模块用台达自带的4路转换模块，应用TD220来显示数据和故障类型。关键词： 可编程序控制器 三相异步电动机 梯形图The Synthesis Protection Based on PLC of Three-phase Asynchronous Motors Abstract This article has mainly studied based on the PLC electric motor synthesis protection system, introduced the
3、programmable controller function characteristic and the development present situation, narrated the electric motor overload, broke, the short circuit, the over voltage and owes the voltage and so on the breakdown type characteristics and the protection principle; Elaborated the protection system har
4、dware constitution; And has compiled the PLC protection procedure, has given I/O distribution diagram and trapezoidal chart. Uses the different movement principle according to the different breakdown type, designs its protection time limit separately. The sampling electric circuit spreads to the sim
5、ulation quantity PLC CPU, arranges the installation value by the CPU basis to make the judgment beforehand, decided whether starts the corresponding protection subroutine, when the examination quantity surpasses the installation value, PLC will start the corresponding relay and the register, and wil
6、l demonstrate the breakdown type. Separates the electric motor according to the design procedure movement the power source, thus realizes the electric motor protection. The protection uses Taiwan to reach the type is the main body, A/D transformation module reaches bringing with Taiwan 4 group trans
7、formation module, using TD220 to demonstrate the data and the breakdown type.Keywords: Programmable Logical Controller, three-phase asynchronous motor, trapezoidal chart目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 电机保护在国民经济和节能事业中的重要意义21.3 电动机保护装置的历史及现状21.4 本文结构42 可编程控制器的历史、现状、发展和未来趋势52.1 可编程控制器的产生52.2 可编程序控制器原理及应
8、用52.2.1 PLC组成及工作原理52.2.2 PLC的性能和特点62.3 设计所使用的PLC的特点72.4 利用PLC做电机保护的优点73 电机保护硬件设计83.1 电流故障类型83.2 过载保护设计83.2.1 电机过载原因83.2.2 过载对电动机的影响93.2.3 过载保护原理93.2.5 过载保护硬件电路123.3 断相保护设计133.3.1 断相运行电流133.3.2 断相保护的硬件设计及动作特性163.3.3 断相信号的获得173.3.4 负序信号的获得173.3.5 负序保护时限的确定183.4 短路保护设计193.4.1 短路保护动作特性193.4.2 短路保护硬件电路19
9、3.5 过/欠压保护设计203.5.1 过/欠压保护的意义203.5.2 过/低压保护采样硬件电路213.6 传感器设计和A/D转换模块设计213.6.1 传感器213.6.2 电流互感器223.6.3 电压互感器233.6.4 A/D转换模块24小结254 电机保护软件设计264.1 电机保护PLC端口分配264.2 保护系统的软件设计274.3 监控程序设计274.3.1 额定参数的读取294.3.2 额定参数的计算294.3.3 模拟信号的采集294.3.4 电流、电压保护功能模块294.4 显示模块334.4.1 显示要求334.4.2 显示软件33小结38结束语39致 谢40参考文献
10、41附录A PLC保护程序42附录B 程序梯形图45外文原文51中文翻译591 绪论1.1 引言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，电动机常常在恶劣的环境下运行，导致产生过流、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。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，其主要特征是电流幅值发生显著变化；不对称故障包括：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。
11、不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，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。因而对大型电动机进行综合保护非常重要。基于PLC的电动机综合保护可分为以下几类：绕组保护、电源保护、转子保护、轴承保护，其中定子绕组保护下分过电流保护、温度保护和接地保护；电源保护分为短路保护和接地保护。在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损害程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达到数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。电动机综合保护定子绕组保护电源保护转子保护轴
12、承保护过电流保护温度保护接地保护短路保护接地保护图1-1 电动机保护分类PLC是用来取代传统继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究设计基于可编程控制器的电动机综合监控和保护系统。电动机保护分类如图1-1所示。1.2 电机保护在国民经济和节能事业中的重要意义电动机保护器是发电、供电、用电系统的重要器件。是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作
13、用。中华人民共和国节约能源法规定：“节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”；“节能是发展经济的一项长远战略方针”。节能是系统工程。据不完全统计，全国运行的1KW-320KW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数百亿元左右，造成停工停产损失竟达数百亿元。仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影
14、响企业正常生产。按上述情况举例说明：（1） 全国每年因维修电动机浪费电磁线约1亿万公斤，若少生产1亿万公斤电磁线（每公斤需用电33.4度）每年就可节约用电33.4亿度。（2） 电动机保护器与企业经济效益关系计算公式如下：Qs=电动机修理费保护器可靠系数电机拆装费停工损失保护器购买费保护安装费=(电动机修理费保护器可靠系数保护器购买费)(电机拆装费停工损失保护安装费)=(直接经济效益) (间接经济效益)例如：有一台55KW电动机，若烧坏后修理费为2500元，配置一台使用可靠系数为98%，售价为490元电动机保护器，它使电机免遭烧毁而产生的直接经济效益QZ为：QZ=电动机修理费保护器可靠系数保护器
15、购买费=250098%490=1960（元）直接节省比例：=1960/2500100%=78.4%计算结果：用户购买电动机保护器的结果，能够节省1960元，节省比例为78.4%。1.3 电动机保护装置的历史及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，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，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，据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000
16、万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。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。我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。（1）热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 在建国初期，我们引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电
17、机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会启动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，因而也就无法避免被淘汰的命运。很多人把熔断器作为电机的过载保护，其实这是一种不科学的做法。因为首先受其规格限制无法按电机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规格选得太小容易造成断路，使电机单相运行，如果熔断器规格选得太大，
18、则达不到过载保护的效果。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能，有的还有缺相保护，其过载保护具有反时限特性，但其结构复杂，机械制造精度高，价格高且体积庞大，因而目前已被基本淘汰。（2）模拟电子式电动机保护器 在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器，为电机的可靠运行提供了较可靠的保障，其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会社的产品为代表，在国内市场具有一定影响，他们的产品品种多样，规格齐全，主要功能包括：缺相，过载，欠流，相失衡，相序，接地，短路，过欠压，电流显示，声光报警及变送输出等，但这类产品仍存在一些
19、无法克服的缺陷，包括如下几个方面：1.整定精度不高，模拟电子式电动机保护器均采用电位器进行额定电流的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难，特别是在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。2.采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使可以校正也会使线路变得非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，用于电动机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的
20、7倍，因为电动机在堵转情况下会达到5-7倍的额定电流；另外，采样线路本身也存在非线性问题。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了一句空话。3.无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们对电机保护的要求也越来越高，希望电动机保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。鉴于以上原因，纯粹模拟线路的电动机保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。（3）数字电子式电动机保护器 这类电动机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合
21、监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能于一体的综合保护器的出现成为可能。随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。目前的电动机保护器普遍是根据电流的大小来决定是否需要保护，这显然没有考虑到环境因素对电机的影响。电机是否需要保护其根本的判断依据应该是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温度，在
22、相同电流的情况下，对于环境温度高的电机其烧毁的可能性显然要大于环境低的电机，这就说明单纯通过电流的大小来判断电机是否需要保护并不是十分科学的，不能达到对电机在各种环境下的完全保护。基于这些原因，对电机绕组的温升特性实行数学建模，仿真出电机绕组的温度，从而决定电机是否需要保护将是一个必要的研究课题，值得庆幸的是已有这样的产品研制成功，另外还有一类采用直接测量电机绕组温度的温度型电动机保护器，该系列电动机保护器是通过在绕组中埋入温度传感器而实现温度测量的，它具有温度测量准确，对频繁启动、通风不良、环温过高等情况下的电机都能可靠保护等优点。但这类电动机保护器的使用前提是必须在电动机制造过程中将传感器
23、装入电动机内部，因而对于现有的没装传感器的电动机就无能为力。另外，一旦传感器失效维修就变得十分困难，如果人们在使用中发现传感器损坏，一般就弃之不用。因此，嵌入传感器式温度保护器在推广应用中存在很大困难。同所有的产品一样，电动机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。虽然电动机保护器已发展到了微电子时代，但我想，电动机保护器的课题将永远不会停止，仍然需要我们百倍努力，仍有大量的工作等着我们去做，例如：电动机保护器仍没有国家标准，导致市场上产品良莠不齐，这就说明电动机保护器成长之路还很漫长，我们期待着电机保护行业的健康发展。1
24、.4 本文结构本文首先介绍了可编程序控制器的产生及功能特点；然后介绍了台达PLC的特点；接下来介绍了过载、断相、负序、短路、欠压等电流故障类型的特点及其保护原理、硬件电路设计；其次介绍了A/D转换模块及PLC程序设计思想、PLC保护程序；最后总结了整个设计的内容以及遇到的问题和自己的心得收获。本设计要完成的功能如下：1 过载保护硬件电路设计2 断相保护硬件电路设计3 欠压保护硬件电路设计4 负序保护硬件电路设计5 A/D转换模块设计6 PLC保护程序设计2 可编程控制器的历史、现状、发展和未来趋势2.1 可编程控制器的产生 随着社会的发展，科技的进步，新的控制器及其控制系统不断涌现。1968年
25、美国通用汽车公司公开招标研制功能更强，使用更方便，价格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司根据通用汽车公司的招标要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14,并在通用公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好地把继电器接触控制简单易懂，使用方便，价格低廉等优点与计算机功能完善，灵活性强，通用性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬件线逻辑转变为计算机的软件逻辑编辑的设想逐步变成为现实，当时人们把这第一台可编程序控制器叫做可编程序逻辑控制器PLC,只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、计数等较少的功能。20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们
26、把微机技术应用到可编程序控制器中，使得他见有计算机的一些功能。1980年美国电器制造协会把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器，但为了与个人计算机的专称PC相区别，故常常把可编程序控制器简称为PLC。PLC是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术发展起来的一种工业控制装置，现已成为现代工业控制领域的三大支柱之一(PLC、机器人、CADCAM )。它广泛应用于机床、机械、冶金、化工、交通、电力、家用电器等领域中为适应小企业的要求，它一方面朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低廉的方向发展，同时，朝着大型化、网络化、多功能化的方向发展。2.2 可编程序控制器原理及应
27、用2.2.1 PLC组成及工作原理（1）硬件组成PLC主要包括微处理器、输人和输出接口、电源、通讯接口（2）微处理器(CPU及其存储器)PLC是一种数字运算的电子设备，它专为工业环境下应用而设计，微处理器及其存储器是PLC的心脏和管理、指挥中心。系统程序是由厂家编好并存人系统存储器中，接受用户通过外设输入的用户程序，并将它们存于用户程序存储器中。进入运行状态，操作系统先进行自我诊断，包括电源、内部各电路的状态和用户程序的语法等通过后转入用户程序运行。经过逻辑运算、算术运算等操作并通过数字式，模拟式的输出控制各类型的相关设备或生产过程。（3）输人和输出接口输人输出接口是PLC与生产过程联系的桥梁
28、，生产过程的各种被控设备的各种控制信号，如：开关信号、模拟信号、数字信号等，通过输人输出接口的处理，将这些信号进行滤波、隔离、电平转换、模数转换，转换成PLC能够接受和处理的信号。然后，经过用户程序的运算，通过输出接口，到达执行机构，完成某些操作和任务。（4）通信接口、系统总线图2-1 PLC控制系统硬件组成框图通信接口是人与PLC进行信息交换的窗口和桥梁，通过它与计算机编程器等相连接，可以将用户程序送到PLC的用户程序存储器中，从而实现编程、凋试、运行、监控等功能。系统总线把各独立的功能模块相互联结起来PLC采用高可靠性、宽输入电压范围的电源。（5）软件组成PLC控制系统的软件主要由系统软件
29、、应用软件、编程语言和编程支持工具软件等组成。（6）工作原理PLC采用一种叫做循环扫描的工作方式，在系统软件的支持下，PLC对用户程序逐行进行解释并加以执行，直到用户程序结束，然后再返回程序的起始点又开始新一轮的扫描。扫描一次用户程序的时间即扫描周期一般为0.1ms几十ms不等但其结果使人感觉到的效果如同继电器控制屏一样。2.2.2 PLC的性能和特点（1）高可靠性由于一般工业生产过程都具有连续性作业的特点，而且大多数生产环境较其他领域恶劣 PLC通过输入输出光电隔离、主机电源与输出电源相对独立、采用密封防震防辐射外壳封装、采用自诊断等一系列措施达到高可靠性要求，一般情况下无故障时间在530万
30、小时。（2）易实现性PLC能提供许多内部软继电器供用户使用，而且触点数量不受限制。大量的逻辑判断和运算有软件完成，大大减少了许多接线。在系统设计时，系统硬件设计的任务只要按照对象的要求进行配置适当的模块，硬件设计简化、施工调试简单，整改变化时仅修改控制程序即可。 2.3 设计所使用的PLC的特点台达PLC的最大优点就是通讯功能简单易学，台达所有型号的PLC均有两个通讯口，除EH可扩展到三个通讯口，一个Rs-232，一个Rs-485，支持标准的MODBVS通讯协议，将烦琐的自由口通讯用便利的MODWR,MODRD,MODRW三条通讯指令代替，使得通讯变得非常简单，这一点是三菱，西门子等品牌的PL
31、C所不具备的，如果将台达的人机，PLC，变频器，温控器，伺服成套使用更加的便利，因为台达的人机可以与变频器，温控器，伺服直接通讯，只需要将各参数的地址填写好就可以了，比如直接设定和读取变频器的设定频率和运行频率，直接设定和读取温控器的设定稳定等等。另外它还可以实现数据库的功能。2.4 利用PLC做电机保护的优点PLC具有编程简单，控制系统构成简单，通用性强，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，维护方便等优点，采用这种保护控制方法还可以简化电机的主回路和控制回路，生产现场广泛采用热继电器对电机实施保护，这种保护虽然可以避免电机因过载而烧毁，但仍具有以下缺点: 据反时限保护理论，当电机的工作电流超过额
32、定工作电流时，经过一段时间，热继电器保护装置方才动作，在这段时间内，系统操作人员或控制系统本身无法检测知道电机已经故障运行，因而也就不能采取适当的预防措施，直到保护装置动作，电机停止运转，基于以上原因，需要在控制系统中采取措施，对电机故障予以检测。3 电机保护硬件设计3.1 电流故障类型电流故障类型保护包括三相短路，过载，负序和断相保护，前两种属于对称故障，后两种属于不对称故障，故障类型不同，故障信号的检测电路也不同，但都采用鉴幅式保护原理。短路保护和负序保护的动作时间为瞬时动作，过载保护采用反时限动作原理，而断相保护采用定时限动作原理。3.2 过载保护设计3.2.1 电机过载原因（1）工艺过
33、程中损坏 由于工艺原因引起过载，常常在一些机械中遇到，例如：采矿与减租材料工业，其工艺以生产与运输矿石或砂石为对象，其工艺过程中负荷往往变化很大。机械制造工业中，也常常发生过载。例如:由于材料的硬度差别，金属切削时吃刀量大，以及频繁正反转等。 （2）机械上的缺陷 由于机械上的缺陷造成过负荷。例如:冲压生产中，冲头被卡住；润滑系统失灵，润滑不良，致使摩擦增加，轴承磨损等等。（3）断相运行因定子绕组过热而烧毁电动机，多是由于断相运行所造成的。（4）电能质量低电动机过负荷的普遍原因是非正弦电压，不对称电压以及电压和频率离额定值偏差过大，供电设备容量不足，或供电导线截面太小电压损失过大，是造成负荷电压
34、太低的主要原因，这种情况在农业供电中更为普遍。（5）通风不良电动机运行的周围环境，如尘土很大则妨碍通风，灰尘和空气被吸进电动机内部，使绕组敷上一层绝热层，致使冷却效果显著下降。同时，灰尘进入电动机内部使通风槽堵塞。（6）电动机机械故障异步电动机虽然结构简单，但也存在机械故障造成的损坏，电动机结构上最易受到损伤的是轴承，频繁启动或轴承环上下跳动引起转子中部下垂，当转子与定子相碰时，形成附加阻力矩，导致电动机定子电流增加，电动机过热。（7）电动机修理质量不好电动机修理质量不好又造成很快重新损坏，绝缘工艺处理不好，对电动机影响很大，这表现在修理后浸漆处理达不到要求。（8）繁重工作制电动机频繁启动，制
35、动，正反转运行，以及低速运转时间过长，造成电动机电流过负荷。（9）周围环境温度过高环境温度过高，则电动机绕组的启动温度较高，加上负荷后绕组温升很容易超过额定值。3.2.2 过载对电动机的影响电动机过载所造成的后果，尽管早被人们所注意，然而，过负荷对电动机特性及运行可靠性的影响则易被忽视，习惯上认为，过负荷的结果造成电动机温升过高，导致寿命下降，进一步研究电动机发热状况后发现，发热状况对电动机性能的影响有三点:（1）由于定子，转子温度增加，导致损耗和转矩相应变化。（2）由于定子，转子发热不同特别是低压封闭式电动机，转子大部分损耗经气隙传给定子，使气隙间小，引起电动机所有特性变化。（3）由于转子温
36、度的增加，使鼠笼条与铁芯之间的过渡电阻增加，改变了转子的附加损耗，电动机发热时，由于气隙减少的结果，其运行可靠性降低，再过载时，会发生定子和转子相碰。选择设计保护装置的目的，不仅使电动机免受损坏，同时还应使电动机得到充分利用，因此，一个正确保护方案的设计，不但能使电动机充分发挥过载能力的同时免于损坏，而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性，尤其是当电动机突然停止，会造成产品报废或其他人身与设备故障时，必须同时考虑几个互相矛盾的因素，即可靠性，经济性，操作方便及机构简单，维护方便等等。3.2.3 过载保护原理 过载保护原理是根据电动机允许过载特性而设计的反时限动作曲线。电动机工作时，其发
37、热规律为=* （3-1） 式中 电动机单位时间内的发热量，焦耳； 散热系数； 初始温度，； 在给定条件下的最终温升，； 电动机的发热时间常数。 电动机过载运行时，达到电机允许的最终温升需要一段时间，这段时间称为电动机的允许过载时间。允许过载时间与电动机过载倍数的关系称为电动机的允许过载特性。设 （3-2）式中 过载倍数； 电动机实际运行工作电流，A； 电动机额定工作电流，A； 电动机过温升倍数； 电动机允许温升， ； 电动机额定工作条件下的允许温升， 。 由于在额定工作条件下，、,在过载情况下，如散热条件不变，也有、，为过载条件下的最终温升，因此过载条件下的温升也可用额定情况下的最终温升来表示
38、。 （3-3） （3-4） 由此可得过载条件下的温升为 （3-5） 在冷态情况下，即电机过载前长期未工作，=0,由式（3-5）得 （3-6） 电动机达到允许温升的时间t为： （3-7） 如果电机处于热态，为便于分析，假定电机原来工作于额定状态条件下，即,达到允许温升的时间为 （3-8） 3.2.4 过载保护时限的确定为了确定合理的过载保护曲线，对式（3-7）和（3-8）从直观的图形和计算两方面进行了分析。根据式(3-8)可绘出电动机过载特性曲线如图3-1所示:图3-1 电动机过载特性曲线在数值计算方面，由于电动机有冷态与热态之分，因此在计算时，取不同值，对应的动作时间t(s)如表3-1，3-2
39、所示表3-1冷态时动作时间t与过载倍数的对应关系1.051.21.546t(s)909261208.5表3-2 热态时动作时间t与过载倍数的对应关系1.051.21.546t(s)26871143.2116.950从数学模型的建立到理论推导，以及电动机运行的经验证明，过载特性曲线符合电机的发热规律。依据理想过载特性曲线可设计出反时限过载保护特性曲线，得出典型过载特性如表3-3所示表3-3过载保护特性周围环境温度（）试验电流跳闸时间+20(5)1.05I2h1.2 I1h1.5 I3min2 I2min6 I8s3.2.5 过载保护硬件电路电动机过载保护是应用最广泛的保护，它是反映被保护线路电流
40、大小的一种装置。如果被保护线路电流超过整定电流时，保护装置经设定的时间后发出跳闸信号，切断电源，达到保护的目的。过载保护电路由电流变换器，整流及滤波电路和信号采样电路组成。原理如图3-2所示:图3-2 过载保护电路原理图 图中电流互感器二次测的电流在负载电阻R上产生与成正比的压降，选用的电流互感器要保证在电流整定范围内，线路电流与成线性关系，交流信号经整流，滤波后，变成直流信号送入信号采样回路，当超过整定值时，CPU启动定时器，延时时间到，跳闸并显示过载故障。3.3 断相保护设计在电动机各种故障中，断相运行烧毁的比例很大，从设计和选择断相保护装置观点出发，三相电动机断相原因，可分为以下四种情况
41、:1、供电电源断线。2、定子绕组三角形接线内部断开。3、供电电源变压器原边断线4、多台电动机公用供电线一线断开。以上四种故障情况中，定子绕组内部断开和变压器原边断线，较其他两种情况少见。造成断相最多的是由于供电电源一线直接断开，或公用供电线一线断开故障。另外，在考虑断相运行保护时，应区别两种状态。一是，电动机静止状态断相(其中也包括运行中发生断相，因转矩不足而停止的情况).二是，发生断相后电动机继续运行，这两种断相状态的保护差别很大。3.3.1 断相运行电流为了正确选择断相保护装置，需要知道在断相运行状态下线电流与相电流变化情况。1.启动前断相三相供电导线之一在电动机起动前断开时，合闸后电动机
42、接在单相电源上。（1） 电动机星形接法一相断开。图3-3 电动机星形接法一相断开如图3-3所示，此时两相绕组串联后接到线电压上，假设每相阻抗为,则断相后的启动电流 （3-9） 三相对称运行时，相电压 （3-10） 于是 （3-11） 可见断相运行起动后，星形连接电动机的线电流约是三相运行时起动电流的87%。（2）供电变压器接法为Y/,电动机接法为Y时，一相断开供电变压器原边一线断开，则副边一相没有电压，假定C相断开时=0.原边由于两相绕组且串联后接到线电压上，每相电压是电源电压的一半，如图3-4所示，得断相运行时的相电压 （3-12） 图3-4供电变压器原边一相断开式中 线电压； 三相运行中相
43、电压； 断相运行时相电压。在变压器的副边仍存在上述关系。因此 （3-13） 上式中，为三相状态下副边额定线电压。变压器副b线的电流为： （3-14） 即线电流等于三相起动时的线电流。其他两线电流（或）是的一半，即： （3-15） 当供电变压器为/Y联结时，情况与此相同。2运行中断相运行中发生断相时，电流大小与电动机负载大小有关。（1） 定子绕组星形联结电源一线断开这时两相绕组串联后接到线电压上。以、分别表示断相运行时的相电流与线电流。断相运行时的输出功率为：（3-16） （3-17） 若输出保持三相状态下负荷不变，则断相运行时的线电流为： （3-18） 设=，=，则=。实际上，断相运行时，由于有负序电流，电动机断相运行时的功率因数（）和效率（）均明显下降。若取断相运行时=0.9，=0.87，由此可算出断相运行时的线电流=2.2。这个数值与实测结果较为接近。（2） 供电变压器联法为Y/，电动机联法为Y时一相断开 变压器原边一线断开如图3-4所示，由于原边是两组绕组串联后接在线电压上，所以副边电压下降到额定电压的0.866倍，而且副边输出单相电压 =。这时对电动机来说，可用图3-5的等值