电动机热特性研究及单片机电动机热保护器的研制
摘要
电动机在运行过程中往往会因绕组温度过高而影响其绝缘性能，为此要求热保护电器能及时给予跳闸保护。随着微型计算机技术、电子技术和信息处理技术的发展，单片机式电动机热保护器正迅速发展，并越来越受用户青睐。
目前，发展单片电动机热保护器的关键是探索合理的热过载保护模型。为研究电动机的热特性，本文以一台2.2kW的三相笼形异步电动机为研究对象，预先在其内部埋设了6枚热敏电阻。为实现测试过程的自动化，本文研制了一套微型计算机控制的自动测试装置。利用该装置测试了被试样机在不同负载率下的发热和冷却过程，并把实际测试结果同现有的电动机热保护标准和热过载保护模型作了对比，在分析和讨论了各种标准和热过载保护模型建模机理的基础上，得出了最佳的、可供单片机式热保护器使用的热过载保护模型，即双时间常数的指数发热和冷却方程。
在确定了热过载保护模型的基础上，本文设计了一单片机式电动机热保护继电器。该电器以PIC16F873单片机为核心，配以检测电路和接口电路等外围电路，体积小、可靠性高，具有参数整定、状态显示和故障诊断及处理等多种功能。运行结果表明，本文所研制的单片机式热保护电器能较好地动态跟踪负载变化，其热保护特性能较好地与电动机的允许过载特性相匹配，有一定的工程实用价值。
During operating, the insulation properties of motors will decrease due to over temperature of stator winding, thus thermal protectors are needed in order to protect motor. With the development of microcomputer and electronics as well as information processing technique, motor protectors with single-chip have came forth, and been favored increasingly by users.
In order to develop motor protectors with single-chip, it is important to research a reasonable overload protection model. In this paper, a 2.2 kW motor is used for researching thermal property. 6 thermistors are encased in stator winding, thus the temperature of stator winding can be measured. The automatic measure device with microcomputer is designed. The heating and cooling process are measured by means of the above device. The experimental results are compared with the existing criterion and model so as to obtain the optimal overload protection model, viz. exponential heating and cooling equations, which can be used for protecting motors.
Based on the selected overload protection model, a thermal protector with single-chip is designed in this paper. The protector uses PIC16F873 single-chip as the center, adds measuring circuit and interface circuit etc. And the protector has the features of small volume and high reliability as well as multi-functions such as setting parameters and displaying status and diagnosing faults so on. According to the operation condition, it is shown that the protector presented in this paper can duly follow the motor's load fluctuation and capitally match with motor's tolerance overload characteristic, thus it is valuable to be actually used.
目前，发展单片电动机热保护器的关键是探索合理的热过载保护模型。为研究电动机的热特性，本文以一台2.2kW的三相笼形异步电动机为研究对象，预先在其内部埋设了6枚热敏电阻。为实现测试过程的自动化，本文研制了一套微型计算机控制的自动测试装置。利用该装置测试了被试样机在不同负载率下的发热和冷却过程，并把实际测试结果同现有的电动机热保护标准和热过载保护模型作了对比，在分析和讨论了各种标准和热过载保护模型建模机理的基础上，得出了最佳的、可供单片机式热保护器使用的热过载保护模型，即双时间常数的指数发热和冷却方程。
在确定了热过载保护模型的基础上，本文设计了一单片机式电动机热保护继电器。该电器以PIC16F873单片机为核心，配以检测电路和接口电路等外围电路，体积小、可靠性高，具有参数整定、状态显示和故障诊断及处理等多种功能。运行结果表明，本文所研制的单片机式热保护电器能较好地动态跟踪负载变化，其热保护特性能较好地与电动机的允许过载特性相匹配，有一定的工程实用价值。
During operating, the insulation properties of motors will decrease due to over temperature of stator winding, thus thermal protectors are needed in order to protect motor. With the development of microcomputer and electronics as well as information processing technique, motor protectors with single-chip have came forth, and been favored increasingly by users.
In order to develop motor protectors with single-chip, it is important to research a reasonable overload protection model. In this paper, a 2.2 kW motor is used for researching thermal property. 6 thermistors are encased in stator winding, thus the temperature of stator winding can be measured. The automatic measure device with microcomputer is designed. The heating and cooling process are measured by means of the above device. The experimental results are compared with the existing criterion and model so as to obtain the optimal overload protection model, viz. exponential heating and cooling equations, which can be used for protecting motors.
Based on the selected overload protection model, a thermal protector with single-chip is designed in this paper. The protector uses PIC16F873 single-chip as the center, adds measuring circuit and interface circuit etc. And the protector has the features of small volume and high reliability as well as multi-functions such as setting parameters and displaying status and diagnosing faults so on. According to the operation condition, it is shown that the protector presented in this paper can duly follow the motor's load fluctuation and capitally match with motor's tolerance overload characteristic, thus it is valuable to be actually used.
引文
[1] 陈德贵等，低压电器，机械工业出版社，中国，北京，1998。
[2] 陆剑国，电工产品可靠性，机械工业出版社，中国，北京，1996。
[3] 张冠生等，电器理论基础，机械工业出版社，中国，1980。
[4] IEC255-8，国外低压电器标准，中国标准出版公司，1985。
[5] 机械工业标准GB1497-85，低压电器标准，中国标准出版公司，1986。
[6] 刘亚篪等，国外机械工业基本情况——低压电器，1994。
[7] Bash et al, "PC-Based Protection Relaying Algorithms for Generator Using Digital Filter." Saint
[8] 窦振中等，PIC系列单片机应用设计与实例，北京航空航天大学出版社，1999。
[9] 朱桂荣，XLY-1型智能继电保护测试系统的研制，苏州丝绸工学院学报，1999年第5期
[10] 郑华，数字式发电机反时限过流保护研究，电力自动化设备，2000年第3期
[11] 沈鲁豫等，介绍一种新型综合保护装置，电力自动化设备，1999年第3期
[12] 潘留占等，三相电机智能保护器，河南大学学报，2000年第1期
[13] Polried et al, Microprocessor-Controlled Door Lock System, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.36 No.2, May,1990, pp.129-135.
[14] K.Yim et al, A Real-Time Reconfigurable Entrance Control System, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.42, No.2, May,1996, pp.244-251.
[15] Ditzhuijzen, A Combination of Physical Modeling Control Problem and Practical Adaption, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol.38, No.7, July 1993, pp.1060-1065.
[16] Sen et al, Microprocessor Control of an Induction Motor with Flux Regulation, IEEE Transactions Electronics and Control Instrumentation, Vol. IECI-28, No.1, February, 1981, pp.17-23.
[17] Palanichamy, Some Investigations on the Operation of Fully Thyristor Converters with Sequence Control, IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol. TECI-28, No.2, May 1981,pp.159-161.
[18] 王尔乾等，TTL集成电路设计和应用手册，中国计算机技术服务公司，1984。
[19] 李秉操等，单片机接口技术及其在工业控制中的应用，陕西电子编辑部，1991。
[20] 何立民，单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1990。
[21] 王幸之等，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，2000。
[22] Microchip Technology Inc．,PIC 16F87X数据手册，北京航空航天大学出版社，2001。
[23] 周茂祥，低压电器设计手册，机械工业出版社，1992。
[24] 何信龙等，PIC16F87X快速上手，清华大学出版社，2002。
[25] 何立民，单片机应用论文集(1)、(2)、(3)、(4)，北京航空航天大学出版社，1995。
[26] 祝瑞琪等，电子电器，机械工业出版社，中国，1985。
[27] 葛宝琴，综合式电动机保护的特点及性能，华北电力技术 1994年12期。
[28] 金术，电动机保护器的改进，林业科技 1994年05期。
[29] 毕松梅，新型织机电动机保护器的研制，棉纺织技术1995年09期。
[30] 彭通光，小型电动机保护，中国农村水利水电1995年11期。
[31] 陆建平，一种简便的三相异步电动机保护装置，广西农业机械化 1996年01期。
[32] 连理枝，关于电动机保护电器的选用，电气开关1997年02期。
[33] 薛金柱等，高精度增安型电动机保护器，河南科技1997年03期。
[34] 钱仰德，低压电动机保护器现状与探讨，村电气化1997年08期。
[35] 李伟凯等，农用三相异步电动机保护装置，自动化技术与应用 1997年02期。
[36] 毛哲，几种异步电动机保护装置的比较与分析，武汉工业学院学报 1997
年02期。
[37] 叶青等，一种新型的电动机保护方案及保护装置，电工技术杂志 1997年01期。
[38] 高丰，综合式电动机保护的应用，广西电力工程1997年01期。
[39] 宋士通，电动机保护技术，电气开关1998年01期。
[40] 王平等，电动机保护的微机控制系统，山东电力技术 1998年03期。
[41] 陈永亭等，微机型电动机保护装置，继电器1998年06期。
[42] 张清，电动机保护及多功能保护器，机床电器1998年03期。
[43] 徐叔炎，一种电子式电动机保护继电器设计方案，电气开关1999年03期。
[44] 成果科等，三相异步电动机保护器，大庆石油学院学报 1999年03期。
[45] 李建新等，PC机在电动机保护电路中的应用，橡胶技术与装备 1999年05期。
[46] 陈奎等，智能型电动机保护与启动控制系统的研究，煤炭科学技术 2000年12期。
[47] 袁琦，三相异步电动机保护新方法的研究，华南热带农业大学学报 2000年03期。
[48] 张莲等，一种新型的数字化多功能感应电动机保护装置，电工技术杂志 2000年12期。
[49] 颜为钧，电动机保护技术，机床电器 2000年06期。
[50] 颜世刚，一种新型的多功能电动机保护电子继电器，电测与仪表 2000年08期。
[51] 张生果，电动机保护的现状和展望，机床电器 2001年01期。
[52] 侯胜迁等，电动机保护主电路类型分析及其选配原则，黑龙江水利科技 2001年01期。
[53] 夏立杰等，智能型电动机保护装置，煤炭技术 2001年06期。
[54] 权全等，实用可靠的电动机保护器，矿山机械 2001年11期。
[55] 孙蕾等，低压电动机保护装置的分析，电气开关 2002年01期。
[2] 陆剑国，电工产品可靠性，机械工业出版社，中国，北京，1996。
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