CN108054729A - 用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法，包括单片机、三相电流信号处理电路、三相电流互感器、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路，所述单片机分别与三相电流信号处理电路、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路连接，所述三相电流信号处理电路与三相电流互感器连接，所述三相电流互感器用于连接三相异步电动机从而检测三相异步电动机中的电流；本发明针对不同功率的电动机，只需更换检测电流的三相电流互感器，无需更换电机智能保护器；且部分保护参数不需要人为设定，具有参数自学习能力。

Description

用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电学中发电、配电或变电系统，具体涉及一种用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法。

背景技术

三相异步电动机在正常运行时，由于三相三相绕组有电流流过，引起各种损耗，大部分损耗转换成热量，使得电动机内部温度升高，温度的高低取决于绕组电流的大小及运行的持续时间，如是电动机允许的正常温升，对电动机运行无影响，但是如出现电动机长时间过载运行、堵转、电源缺相等一些特殊情况，电动机绕组电流会急剧升高，引起电动机绕组温度也急剧升高，使得绕组铜线表面的绝缘漆融化引起短路，严重的则会绕组烧毁。

为保护电动机在异常情况下不致损坏，通常需在电动机控制电路中加装保护装置，当前最常用的几种保护电器有：

1、 热继电器。此方法的优点是产品结构简单，设置简单，可有效监测电动机过载故障。缺点是设置范围有限，控制精度不高，特别是对于线路中弱出现短路、缺相等保护响应不够快速，不能对电动机实现综合保护。另外据不完全统计，每100次电动机发生快要烧毁时，热继电器能起作用的不到30次。究其原因是多方面的，主要原因是热继电器存在无法克服的缺陷。例如、双金属片容易出现热疲劳、过热数次后难以恢复起初。因此，许多机电设备在开始设计时就不采用热继电器。

2、 智能综合保护器。其工作原理是通过测量三相电流、零序电流、三相电流不平衡度、三相电压、零序电压、三相电压不平衡度、有功/无功功率、功率因数、频率等电量，实现对电动机的综合保护功能主要有：

①大的起动冲击电流和时间； ②热记忆； ⑤大惯性负载的长时间加速； ④断相或不平衡相电流； ⑤相序； ⑥欠电压或过电压；⑦过电流(过载)运行； ⑧堵转； ⑨失载(机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌)； ⑩电动机绕组温度和负载的轴承温度；⑩超速或失速。

电动机保护器有着节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动、重复性好、保护功能齐全和寿命长等这众多优点，其缺点是使用较复杂，特别是相关保护参数数量多，保护参数均为人为设定，设置值的确定必须要有一定的专业知识，如果设置不当就不能起到保护作用，另外适配性较差，不同功率的电机、不同工况都要进行参数调试或更换电动机保护器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法，本发明用于三相异步电动机的智能保护器及其控制方法针对不同功率的电动机，只需更换检测电流的三相电流互感器，无需更换电机智能保护器；且部分保护参数不需要人为设定，具有参数自学习能力。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于三相异步电动机的智能保护器，包括单片机、三相电流信号处理电路、三相电流互感器、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路，所述单片机分别与三相电流信号处理电路、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路连接，所述三相电流信号处理电路与三相电流互感器连接，所述三相电流互感器用于连接三相异步电动机从而检测三相异步电动机中的电流；

所述继电器输出电路的一端连接有交流接触器KM的线圈，所述交流接触器KM的线圈连接有三相交流电源的零线，所述继电器输出电路的另一端均与启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的一端连接，所述启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的另一端均与停止按钮SB2连接，所述停止按钮SB2与熔断器FU连接，所述熔断器FU连接有三相交流电源的其中一相，所述三相异步电动机通过交流接触器KM的主触点与三相交流电源连接，所述三相电流互感器分别与三相交流电源和交流接触器KM的主触点连接。

进一步地，所述三相电流互感器包括电流互感器A、电流互感器B和电流互感器C，所述三相交流电源包括A相电线、B相电线和C相电线，所述电流互感器A与A相电线连接，所述电流互感器B与B相电线连接，所述电流互感器C与C相电线连接，所述A相电线、B相电线和C相电线分别通过交流接触器KM的主触点与三相异步电动机连接，所述停止按钮SB2通过熔断器FU与A相电线连接。

进一步地，所述通讯电路采用RS485通讯接口，所述通讯电路连接有上位机或智能终端。

进一步地，所述人机对话电路包括键盘输入电路和LED显示电路。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，包括：

单片机计算三相异步电动机的最大极限电流，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与最大极限电流进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流大于最大极限电流，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算过电流设定值，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与电流设定值进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流在通过人机对话电路预先设定的时间内均大于电流设定值，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间并将实时过载时间与通过人机对话电路预先设定的允许过载时间进行比较，如果实时过载时间大于预先设定的允许过载时间，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比并将三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比与通过人机对话电路预先设定的不平衡百分比进行比较，如果三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比大于预先设定的不平衡百分比，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电。

进一步地，所述的单片机计算三相异步电动机的最大极限电流具体为：

I1= （1）；

其中I1为三相异步电动机的最大极限电流，U1为三相交流电源的电源电压，r1、x1为电机定子绕组参数，、为电机转子绕组参数。

进一步地，所述的单片机计算过电流设定值具体为：所述的过电流设定值等于三相异步电动机驱动额定负载时的最大电流乘以1.5。

进一步地，所述的单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间具体为：

T= （2）；

其中T为三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间，为三相异步电动机的额定电流，I为三相异步电动机实时运行电流。

进一步地，所述的单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比具体为：

P=% （3）；

其中P为三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比，I2为三相异步电动机的三相电流中的最大电流，I3为三相异步电动机的三相电流中的最小电流。

本发明可以自学习的计算电动机的部分保护参数，即最大极限电流和过电流设定值，只需要预先设定三相电流不平衡百分比和允许过载时间，自动计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间和三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比，解决了当前电机综合保护器参数设置复杂，实现电机的智能化保护。本发明还可以通过更换三相电流互感器，对于不同功率电机及不同工况可自动适配。本发明简化了电路。基于对损坏电机各因素的分析，最终都体现在电机定子电流的异常增大，本发明电路只采样电机的三相电流，简化了电路，接线简单。

附图说明

图1为本发明的智能保护器的内部电路结构示意图。

图2为本发明的智能保护器与三相异步电动机的电路连接结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1和图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1和图2，一种用于三相异步电动机的智能保护器，包括单片机、三相电流信号处理电路、三相电流互感器、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路，所述单片机分别与三相电流信号处理电路、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路连接，所述三相电流信号处理电路与三相电流互感器连接，所述三相电流互感器用于连接三相异步电动机从而检测三相异步电动机中的电流；所述继电器输出电路的一端连接有交流接触器KM的线圈，所述交流接触器KM的线圈连接有三相交流电源的零线，所述继电器输出电路的另一端均与启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的一端连接，所述启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的另一端均与停止按钮SB2连接，所述停止按钮SB2与熔断器FU连接，所述熔断器FU连接有三相交流电源的其中一相，所述三相异步电动机通过交流接触器KM的主触点与三相交流电源连接，所述三相电流互感器分别与三相交流电源和交流接触器KM的主触点连接。

单片机负责对三相电流的采样及结果分析，并输出结果以控制外部部件；三相电流信号处理电路，其输入信号来自三相电流互感器，经内部霍尔电路处理后，输出一个和交流电流成比例的直流电压信号，输出接到单片机的A/D采样管脚；人机对话电路，包含键盘输入电路和LED显示电路，主要是完成参数设置及参数和电机运行状态的显示；电源电路，提供单片机的工作电源及电流处理电路中各芯片工作电源，电源电路可从三相交流电源中取电；继电器输出电路，其输出控制电动机的电源通断；报警电路，若电动机运行出现异常，将发出声光报警；通讯电路，RS485通讯接口，标准Modbus RTU协议，可同上位机或其他智能终端交换数据。

参见图2，所述三相电流互感器包括电流互感器A、电流互感器B和电流互感器C，所述三相交流电源包括A相电线、B相电线和C相电线，所述电流互感器A与A相电线连接，所述电流互感器B与B相电线连接，所述电流互感器C与C相电线连接，所述A相电线、B相电线和C相电线分别通过交流接触器KM的主触点与三相异步电动机连接，所述停止按钮SB2通过熔断器FU与A相电线连接。图2中三相电流互感器接入到三相异步电动机主电路，其二次侧电流接入智能保护器，当智能保护器监测到电流异常时，输出继电器动作，从而断开交流接触器KM线圈的电压，使得三相异步电动机失电得以保护电机。图2中方框内的标注为接线端子标号，A1和A2代表电流互感器A的接线端子，B1和B2代表电流互感器B的接线端子，C1和C2代表电流互感器C的接线端子，OUT1和OUT2中的4、5、6和8为继电器输出电路的接线端子，L表示火线，N表示零线，A表示A相电线，B表示B相电线，C表示C相电线，Q表示断路器，3M表示三相异步电动机。

本发明还提供一种用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，包括：

单片机计算三相异步电动机的最大极限电流，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与最大极限电流进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流大于最大极限电流，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算过电流设定值，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与电流设定值进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流在通过人机对话电路预先设定的时间内均大于电流设定值，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间并将实时过载时间与通过人机对话电路预先设定的允许过载时间进行比较，如果实时过载时间大于预先设定的允许过载时间，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比并将三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比与通过人机对话电路预先设定的不平衡百分比进行比较，如果三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比大于预先设定的不平衡百分比，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电。

本实施例中，所述的单片机计算三相异步电动机的最大极限电流具体为：

I1= （1）；

其中I1为三相异步电动机的最大极限电流，U1为三相交流电源的电源电压，r1、x1为电机定子绕组参数，、为电机转子绕组参数。其中r1表示电机定子绕组的内阻，x1表示电机定子绕组的感抗，表示电机转子绕组的内阻，表示电机转子绕组的感抗，一般在三相异步电动机的说明书中记载。

本实施例中，所述的单片机计算过电流设定值具体为：采用的办法是在电动机自学习时，驱动一个额定负载，运行一个完整的工作流程，在这个过程中对电流即时采样，得到一个最大电流，此电流乘以1.5倍即为过电流设定值。

本实施例中，所述的单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间具体为：

T= （2）；

其中T为三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间，为三相异步电动机的额定电流，I为三相异步电动机实时运行电流。一般电动机过载电流为额定电流的1.2倍，预先设定的允许过载时间为60秒。

本实施例中，所述的单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比具体为：

P=% （3）；

其中P为三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比，I2为三相异步电动机的三相电流中的最大电流，I3为三相异步电动机的三相电流中的最小电流。三相电流不平衡检测可用于电动机缺相、三相供电电压异常或电机绕组有损坏等的判断，电机的三相电流不平衡百分比不能大于5%。

统计电动机运行时间可作为电机维保判断的依据或用于其他控制，根据电动机的电流是否为零判断电机是否运行，从而控制计时的启停。

本发明具有参数自学习功能，通过对电动机运行特性的分析，引起电动机损坏绝大部分因素都会引起电动机运行电流的波动，如果对电动机运行电流实施有效实时监控就可以对电动机进行可靠保护，参数自学习功能就是预先侦测电动机驱动额定负载时的额定运行特性，根据其监测的运行特性参数，测算保护参数（过电流设定值）并保存。本发明可以实现智能保护器的控制，可以自动计算电动机的部分保护参数，即最大极限电流和过电流设定值，预先设定三相电流不平衡百分比和允许过载时间，计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间和三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比，解决了当前电机综合保护器参数设置复杂，实现电机的智能化保护。本发明还可以通过更换三相电流互感器，对于不同功率电机及不同工况可自动适配。本发明简化了电路。基于对损坏电机各因素的分析，最终都体现在电机定子电流的异常增大，本发明电路只采样电机的三相电流，简化了电路，接线简单。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于三相异步电动机的智能保护器，其特征在于：包括单片机、三相电流信号处理电路、三相电流互感器、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路，所述单片机分别与三相电流信号处理电路、人机对话电路、电源电路、继电器输出电路、报警电路和通讯电路连接，所述三相电流信号处理电路与三相电流互感器连接，所述三相电流互感器用于连接三相异步电动机从而检测三相异步电动机中的电流；

所述继电器输出电路的一端连接有交流接触器KM的线圈，所述交流接触器KM的线圈连接有三相交流电源的零线，所述继电器输出电路的另一端均与启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的一端连接，所述启动按钮SB1和交流接触器的KM的辅助常开触点的另一端均与停止按钮SB2连接，所述停止按钮SB2与熔断器FU连接，所述熔断器FU连接有三相交流电源的其中一相，所述三相异步电动机通过交流接触器KM的主触点与三相交流电源连接，所述三相电流互感器分别与三相交流电源和交流接触器KM的主触点连接。

2.根据权利要求1所述的三相异步电动机智能保护器，其特征在于：所述三相电流互感器包括电流互感器A、电流互感器B和电流互感器C，所述三相交流电源包括A相电线、B相电线和C相电线，所述电流互感器A与A相电线连接，所述电流互感器B与B相电线连接，所述电流互感器C与C相电线连接，所述A相电线、B相电线和C相电线分别通过交流接触器KM的主触点与三相异步电动机连接，所述停止按钮SB2通过熔断器FU与A相电线连接。

3.根据权利要求2所述的三相异步电动机智能保护器，其特征在于：所述通讯电路采用RS485通讯接口，所述通讯电路连接有上位机或智能终端。

4.根据权利要求2所述的三相异步电动机智能保护器，其特征在于：所述人机对话电路包括键盘输入电路和LED显示电路。

5.一种如权利要求1所述的用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，其特征在于：包括：

单片机计算三相异步电动机的最大极限电流，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与最大极限电流进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流大于最大极限电流，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算过电流设定值，三相电流互感器实时检测通过三相异步电动机的电流并通过三相电流信号处理电路发送信号给单片机，单片机将三相电流互感器实时检测的电流与电流设定值进行对比，如果三相电流互感器实时检测的电流在通过人机对话电路预先设定的时间内均大于电流设定值，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间并将实时过载时间与通过人机对话电路预先设定的允许过载时间进行比较，如果实时过载时间大于预先设定的允许过载时间，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电；

单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比并将三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比与通过人机对话电路预先设定的不平衡百分比进行比较，如果三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比大于预先设定的不平衡百分比，则单片机控制报警电路和继电器输出电路工作，报警电路进行报警，继电器输出电路断开从而控制交流接触器KM的线圈断电。

6.根据权利要求5所述的用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，其特征在于：

所述的单片机计算三相异步电动机的最大极限电流具体为：

I1= （1）；

其中I1为三相异步电动机的最大极限电流，U1为三相交流电源的电源电压，r1、x1为电 机定子绕组参数，、为电机转子绕组参数。

7.根据权利要求5所述的用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，其特征在于：

所述的单片机计算过电流设定值具体为：所述的过电流设定值等于三相异步电动机驱动额定负载时的最大电流乘以1.5。

8.根据权利要求5所述的用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，其特征在于：

所述的单片机计算三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间具体为：

T= （2）；

其中T为三相异步电动机在超过额定电流时的实时过载时间，为三相异步电动机的额 定电流，I为三相异步电动机实时运行电流。

9.根据权利要求5所述的用于三相异步电动机的智能保护器的控制方法，其特征在于：

所述的单片机计算三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比具体为：

P=% （3）；

其中P为三相异步电动机的实时三相电流不平衡百分比，I2为三相异步电动机的三相电流中的最大电流，I3为三相异步电动机的三相电流中的最小电流。