淺談智能電機保護器的設計與功能實現EOCR-CTM CTL

發布：2022-11-11 08:44，更新：2024-11-02 08:30

淺談智能電機保護器的設計與功能實現

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保護功能
電動機的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括:過載、堵轉和三相短路等 ;不對稱故障包括 :斷相、逆相、相間短路、匝間短路等 ,其特征是電機電流出現負序電流和零序電流。
熱過載保護
電機發熱和散熱過程較復雜 , 它與固定損耗(鐵損和機械損耗 )及可變損耗 (轉子和定子銅耗 )等多種因素有關。假定電機是一個均質物體 ,可以計算平均溫升 ,并用其估算溫升。根據對電機發熱過程的分析, 其熱態平衡微分方程為

Qdt=Aτdt+Cdτ (1)
式中: Q———電動機單位時間產生的熱量;
A———散熱系數(表示溫升為 1℃時, 每秒鐘的散熱量);
τ———溫升 ;
t———時間 ;
Aτ———電動機單位時間內散熱量 ;
C———電動機熱容量。
由式(1)解得，在初始條件為:t=0,τ=τF0時 ,電機某一時刻的溫升由式(2)決定 :
τ=τL +(τF0 -τL )e-t/T θ(2)
式中: Tθ ———發熱時間常數, 表征熱慣性的大小,
Tθ =C/A;
τL ———穩態溫升 ,
τL =Q/A;
τF0 ———起始溫升。
式 (2)表明, 熱過渡過程中包括兩個分量, 一個是強制分量 τL , 它是過渡過程結束時的穩態值 ;另一個是自由分量 (τF0 -τ L )e-t/Tθ , 它按指數規律衰減至零。
由此可知,在電機發熱保護中應解決的問題有 :熱累積采用模擬電機發熱曲線的方法 ,針對不同的脫扣級別采用不同的發熱曲線 ;散熱過程采用模擬指數函數曲線衰減方式, 可較為真實地反映散熱過程 ,也可根據經驗公式對上述指數曲線進行簡化處理以便于實現發熱保護。
接地故障保護
電動機接地故障主要是過電壓所造成的絕緣受損, 主要表現為相線與電氣裝置的外露導電部分 (包括電氣設備金屬外殼、敷線管槽及構架等 )、外部導電部分 (包括金屬的水、暖、煤氣、空調管道和建筑的金屬結構等 )及大地之間的短路。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同, 與相線之間產生的相間短路也不同。接地故障與一般短路相比 ,具有更大的危險性和復雜性 ,因為這類故障可能引發火災并對人身安全構成威脅。接地保護與漏電保護不同。一般來說,接地電流比漏電電流更大, 前者可以通過對保護器內部互感器所測得的三相電流進行矢量和計算求得, 也可以采用漏電電流互感器 (零序互感器 )直接檢測。對于較小的電流, 由于采用零序互感器更為準確和可靠 ,故漏電保護信號必須取自零序互感器。
堵轉保護
異步電動機剛開始起動時 , 由于種種原因(機械故障、負荷過大、電壓過低等)轉子不能正常起動 ,使轉子始終處于靜止狀態(s=1.0, s為轉差率),這就是通常意義下的堵轉。異步電動機在起動過程中除 s=1.0為堵轉外, 由于某種原因使電動機運行在轉速很低的狀態下 ,達不到設計的額定轉速 ,也是一種堵轉狀態。異步電動機在正常運行中 ,由于機械故障將轉子卡住或者負荷急劇增加、電壓突然失去等原因也可能使轉子轉速迅速下降 ,運行在一個很低的轉速下甚至完全停下來 ,造成電動機堵轉 (或稱運轉中的堵塞 )。發生堵轉的電動機,電流很大, 散熱條件差造成溫升急劇惡化 ,特別容易燒毀電動機。保護器的堵轉過流保護特性值應包括 :不動作電流設定值、動作電流設定值、動作延時時間、誤差范圍。哪些參數可由用戶設定 ,因產品不同而有所差異。
斷相及三相不平衡保護
斷相故障是一種不對稱故障 , 也是一種比較嚴重的故障 ,因此電動機的斷相保護也非常重要。由于電動機繞組接法有 Y形和 Δ形兩種, 因此對電動機斷相不平衡的判別要根據負序電流及三相電流的不平衡率來綜合判斷。考慮各種誤差和各種斷相時電流的不平衡率 , 現場應用中以大不平衡率 δ>30%作為斷相及三相不平衡故障的判定依據比較妥當。δ可由 δ=(IH -IL )/IH×≥30%得出, 式中:IH 為三相電流大值;IL 為三相電流小值。
通信功能
智能電動機保護器一般在線中只扮演從站的角色 ,通信中只需實現預定義主從模式的組2從站協議 , 即可滿足絕大多數場合的需求。在通信設計中, 一般硬件由微控制器、CAN控制器、CAN收發器等器件組成 , DeviceNet應用層協議由軟件實現, 這個關鍵是對應用層協議規范的消化和理解 ,是開發的難點和重點。
目前,市場上可提供針對組2從設備開發的專用芯片DN1022, 基于此在了解 DeviceNet協議的基礎上可以迅速完成 DeviceNet從站設計。DN1022具有內置的 CAN口和 DeviceNet處理引擎 ,高速串行口、并行口、配置口和開關量輸入、輸出口, 用戶處理器可通過高速串行口或并行口與DN1022通信, 只需實現一個簡單的通信協議即可。其內部實現的協議為 DeviceNetGroup2 OnlySlave,其主要技術規格為:支持的 DeviceNetConsumedI/O為 64字節, ProducedI/O為 64字節 ,支持 POLL、COS、CYCLIC三種數據觸發方式、支持 DeviceNet參數對象、內置 CAN控制器。該芯片可以工作在配置狀態和運行狀態 ,工作在串口方式下時 , DN1022提供 8個串口命令讓用戶處理器在配置狀態完成配置, 切換到工作狀態后完成保護器實時數據及配置參數的數據交換。