智能型电动机保护器的原理与应用

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智能型电动机保护器的原理与应用
电工电气 (2009 No.8)
升下降，电动力也下降，这是节能、降耗并延长电 机机械寿命的重要保证。
平衡、起动超时、欠载、接地(三相电流矢量和方
式)、漏电(零序电流互感器)、过压、欠压、欠功
率、相序、温度等12种保护[3]。
(1)过载反时限保护特性
T
=
N
35 2-1.052
×t
r
(2)
式中：N 为过载倍数，N =I /I e，I 为三相采样 电流中的最大值，I e为电动机额定电流；t r为设定 时间，可取5，10，15，20，30，40 s，对应6条特
(20 m s采一点有效值)大小排队后去掉若干点采样
值，包括最大值、最小值、中间求均值，数据点数
可取4，8，16，32点，根据数据平滑要求和R A M存
储器工作单元多少而定，一般可取8点或16点[2]。
漏电电流用外接零序互感器采样，电流分
300，500，1 000 mA三挡。
2.2 保护功能
保护器具有过载、堵转、缺相及三相电流不
(4)接地电流(三相电流矢量和方式)保护
接地保护适用于单相金属性对地短路，由于电
缆绝缘破坏或断裂后与电机金属外壳发生短路，其短
路电流一般为几十安培至几百安培，可采用模拟加
法器的三相矢量和或软件采样代数和，公式为：I G = IA+IB+IC，IG 一般为(30%～100%)Ie。
(5)漏电保护
漏电保护采用零序互感器，电流可设为 300，
> ZCT
AO
4～20 mA
3M～ 温度 >
DI
键盘
图1 保护器工作原理框图 电流采样范围为 0.5～800 A，当电流为 400～ 800 A 时采用两级电流互感器 (CT)，前级为 400 A/5 A， 600 A/5 A，800 A/5 A 的 0.5 级电力互感器，后级为
5 A/5 mA 测量互感器；电流采样用带通滤波放大器， 每个电流互感器连接两路放大器，以增加测量精度， 中心频率 50 Hz，带宽 200 Hz，电流、电压采样放大回 路见图 2。图中 A/D 转换器为 12 位 /16 通道 /200 千 采样点每秒，LCD 用 128×64 点阵液晶屏。
表2 参数测量范围与精度
项目
范围
精度
测量方法
三相电流
漏电电流 三相电压 ຫໍສະໝຸດ Baidu机温度 环境温度
(5%～150%)I e (150%～1 000%)Ie (0.1～1.0)I Δne
(40%～150%)U e PTC、NTC 0～150 ℃
-40～+125 ℃
±1% ±2% ±2% ±1% ±2 ℃ ±2 ℃
I1 CT
R1C1
C2 R3 VCC -
R2
+
R4
R5 C3
A/D转换
0.5Vref
R6C4
C5 R8 -
R10
R7
+
R9
C6
0.5Vref
a)电流采样放大回路
A/D转换
ABC
R11 2 mA/2 mA
R13C7
C8 R15 VCC -
R18
R14
+
R12
R16
0.5Vref
R17 A/D转换 C9
智能型电动机保护器的原理与应用
式中：N 为每一正弦周期(20 ms)采样点数，可
为16，20，32，64点；i m、u m为第m 点电流、电压 采样瞬时值；I、U 为电流、电压有效值。
带通滤波放大电路对3次以上谐波有较强的扼
制能力，为提高系统的抗干扰能力，软件可采用多
点先进先出(FIFO)递推数字滤波，将多点采样数据
直接起动
可逆双向起动
Y/△起动
选一种起动方式
双速起动
串电阻或自耦变压器降压起动
故障信息：实时故障显示， 历史故障查询，断电记忆
温度显示：环境温度与电机定子温度
LCD显示：运行参数、故障参数、 报警参数、整定参数
RS-485接口，Modbus-RTU协议
数字量输入，光电隔离
数字量输出，光电隔离，可编程输出
电工电气 (2009 No.8)
智能型电动机保护器的原理与应用
智能型电动机保护器的原理与应用
王成多，方祥 (杭申控股集团 杭州之江开关股份有限公司，浙江 杭州 311234)
摘 要： 设计了电动机保护器，给出了硬件设计和数据处理原理。以 DSP 及周边电路组成的电动 机保护器，集测量、保护、监控于一体，具备完善的网络通信功能，可与接触器等电器元件构成完善 的电动机保护和起动控制设备，限制起动电流以达到节能目的，最大限度地保证设备运行的可靠性与 安全性。
关键词： 智能型电动机保护器；综合保护与控制；网络通信；节能 中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2009)08-0038-04
Intelligent Motor Protector’s Principle and Application
WANG Cheng-duo, FANG Xiang （Hangzhou Zhijiang Switchgear Stock Co., Ltd, Hangsheng Holding Group Co., Ltd, Hangzhou 311234, China） Abstract: Motor protector was designed, hardware design principle and data processing principle given. Periphery circuits composed of DSP and motor protector integrated measurement, protection and monitoring together with complete net communication function, which can be with contactor etc electrical appliance element to configurate complete motor protection and start control equipment and to limit starting current so as to achieve energy-saving aim, maximally assuring reliability and safety of equipment operation. Key words: intelligent motor protector; synthetic protection and control; net communication; energy-saving
4～20 mA模拟量输出，可编程
三相电压、三相电流、漏电电流、温度
各种保护阀值整定与查询
2 保护器工作原理
2.1 电压、电流采样
图1所示为保护器原理框图。
ABC
CTA
CTB
>
CTC
LCD显示
总线
协议
上
转换
位
RS-485 接口
机
PTA
PTB
> A/D
PTC
转 换
继接电 电触动 器器机
DO
DSPIC30F6014A 控制器
保护器集测量、保护、监控、网络通信于一体， 可与中间继电器、接触器等元件构成 0.5 ～ 400 k W 的鼠笼型异步电动机的节能与综合保护器。在石化、 电力、煤矿、冶炼、铁路、纺织、造纸、电厂、变 电站以及民用建筑、污水处理厂、自来水厂的泵站 系统等诸多领域得到广泛的应用。保护器的主要功 能如表 1 所示。
起动、可逆双向起动、双速起动、电阻或自耦变压
器降压起动[4]。图3为Y/△起动原理图，图中k M1为 三角形运转接触器；kM2为星形起动控制接触器；kM3 为AC 380 V供电接触器；kA为Y→△转换控制中间继电
器；J1为Y→△转换控制命令继电器触点；J2为故障 保护停机继电器触点；J3为报警继电器触点；Z C T为 零序电流互感器。
N ABC
F
SB1
SB2
kM2 kA kM1
kM2
kA kM1 kM2
kM3
kM2 kM3
kM3
kA kA
电源
电机保护器
J1
ZCT
J3
J2
报警
M 3～
kM1
kM2
图3 Y/△起动原理图
图4为Y/△起动电流与转速关系曲线。“Y”转 动时电流较小，最大为2I e(I e为电机额定电流)，若 “△”直接起动时约为6I e，当转速为0.8倍额定转 速时，从“Y”联接切到“△”运行，此时最大电 流≤4I e。由于Y/△起动时起动电流减小，电机温
b)电压采样放大回路
图2 电流、电压采样放大回路 电流采样用两路放大器，小信号通道为 1.5I e(额定电流)满量程，大信号为10I e满量程。电 压采样用2 mA/2 mA电压型电流互感器，对A C 400 V 可用A C 500 V满量程电压表，对A C 690 V可用 AC 800 V满量程电压表。 保护器参数测量项目、范围、精度如表2所示。
作者简介：王成多(1940- )，男，高级工程师，本科，从事智能电器、现场总线局域网的研发工作； 方祥(1976- )，男，工程师，本科，从事智能电器、现场总线局域网的研发工作。
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智能型电动机保护器的原理与应用
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表1 保护器主要功能
功能
保 护 功 能
起 动 方 式
显 示
500，1 000 m A。接地保护和漏电保护二选一。漏电
保护适用于电缆绝缘或电机绕组绝缘损坏，或电缆
断裂与地发生短路，由于漏电电阻较大，漏电电流
一般为几百毫安，用于人身安全保护和电缆绝缘受
损而引起的电弧和电火花所需的保护，以避免电缆
老化而引起火灾。
2.3 电机起动控制方式
保护器控制电机起动方式有：Y/△起动、直接
通信 DI D0 A0 测量 定值
项目
备注
过载
反时限保护
堵转/阻塞
定时限保护
缺相及三相电流不平衡保护
定时限保护
起动超时
定时限保护
欠载
定时限保护
单相金属性接地保护 (三相电流矢量和方式)
接地和漏电二选一
漏电(零序电流互感器)
接地和漏电二选一
过压
欠压
欠功率
相序
逆相序保护
电机温度过热
电机定子绕组内 插入温度传感器
0 引言
与安全性。
智能型电动机保护器 ( 以下称保护器 ) 采用高 性能数字信号处理 (DSP) 芯片以及电压、电流、漏 电 ( 零序 ) 电流互感器、模拟放大回路、LCD 显示、 键盘设定、RS-485 串口、Modbus-RTU 协议等组成 新一代智能化、网络化、数字化的节能型综合测、 控保护器 [1]。
性曲线；T 为过载脱扣时间(s)。
上述特性完全满足国家标准的有关起动特性要
求。
(2)堵转保护
堵转(起动)/阻塞(运行)是对电动机在起动或
运行过程中由于负荷过大或自身机械原因，造成电
动机轴被卡使电机过热而损坏，发出报警和脱扣命
令。
(3)缺相或三相不平衡保护
当电动机发生缺相或三相严重不平衡时，电机
也会过热而损坏，经适当延时发出报警或脱扣命
真有效值法
真有效值法 真有效值法
A/D采样速率为3.2千采样点每秒，电压、电流
波的每一周期(20 ms)采样64点，DSP将周期性的连
续正弦波有效值离散化为数字量，基于均方根值的
多点算法如下：
1
Σ I =
1 N
N -1
i2
m=0 m
2
1
(1)
Σ U =
1 N
N -1
u2
m=0 m
2
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电工电气 (2009 No.8)
它采用 L C D 显示、汉字提示，人机界面友好， 适用于额定电压为 A C 400 V 和 A C 690 V，额定电流 为 0.5 ～ 800 A， 漏 电 电 流 为 300，500，1 000 m A 的鼠笼型异步电动机提供完善的保护。对电动机的 过载、堵转 ( 起动态 )/ 阻塞 ( 运行态 )、欠载、缺相、 三相电流不平衡、单相金属性接地 ( 三相矢量和方 式 ) 或漏电 ( 外接零序互感器方式 )、过压、欠压、 欠功率、相序、起动超时、电机过热等故障导致的 危害加以保护，最大限度地保证设备运行的可靠性
1 保护器功能
保护器具有直接起动、星形/三角形(Y/△)起 动、双向(正/反转)起动、双速起动、电阻降压或 自耦变压器降压起动等控制方式，能在各种恶劣环 境条件下，其环境温度范围可从-25～+65 ℃，经 过严格的电磁兼容试验，能经受静电放电、高频电 磁场辐射、雷击浪涌、脉冲串、电磁耦合、电压跌 落或暂降、谐波环境下可靠工作。
令，三相不平衡保护计算公式如下：
Δ= (Imax-Imin)/Iav×100% =5% ～60% (3) 式中：I max为I A、I B、I C三相中最大相数字滤波 平滑后电流；I min为I A、I B、I C三相中最小相数字滤 波平滑后电流；I av=(I A+I B+I C)/3，为三相平均电 流。