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能源转换和管理48（2007）850-856

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基于微控制器的感应电动机在线保护新方法

Ramazan Bayindir ^*, Ibrahim Sefa _

Gazi电机和能源控制（GEMEC）集团，Gazi大学，技术教育学院，电气教育部，06500 Besevler /土耳其安卡拉

2006年2月7日收到;2006年8月27日接受

2006年10月10日在线提供

摘要

该研究提出了一种用于感应电动机（IM）的组合保护方法。为了实现这一点，IM的电流，电压，速度和温度值用传感器测量并用C中开发的软件自动处理。然后将过程插入微控制器。实验结果表明，IM可以防止在线操作中遇到的问题。在这项工作中提出的方法提供了灵活性，准确性和可靠性，以便在组合保护方法的帮助下实现平稳保护。此外，在开发的软件中进行少量修改后，保护系统可以很容易地应用于更大的电机。预计所提出的系统将提供更快和低成本的保护。2006 Elsevier Ltd.保留所有权。

关键词：感应电动机;在线保护;测量

介绍

交流（AC）感应电动机（IM）是许多工业过程中的关键部件[1]。尽管IM是可靠的，但它们会受到一些不良应力，导致一些故障导致故障。监控IM是一种用于检测初期故障的快速新兴技术，它避免了工业过程的意外故障。监测技术可以分为传统技术和数字技术。

用于三相IM的常规技术通常由机械和电气监测设备的某种组合提供。电机检测的机械形式在检测电气故障（例如定子绝缘故障）的能力方面也受到限制。此外，设备的机械部件可能会导致问题 -

操作，降低系统的寿命和效率[2]。

众所周知，许多研究已经对IM监测进行了研究，并在许多工作中进行了综述[3-5]。对监测和保护技术中人工智能，微处理器，计算机和其他技术支持的各种定子故障，其原因，检测技术，最新趋势和诊断方法进行了大量的综述。在其他工作中，滚珠轴承故障[6]，速度波动效应[7]，气隙偏心[8]，转子条断裂[9]，轴速振荡，轴承损坏，电压不平衡[10]，匝间故障[ [11]，定子绕组温度[12]和基于微控制器的数字保护器[13,14]已成为最近研究的课题。在这些工作中，虽然一起考虑一个或两个变量来保护IM，但电动机的变量并未完全考虑。这可能会导致保护方面的困难。参考文献，[2,14]，引入了基于计算机的保护系统。实现电压，电流，温度和速度的测量并将其传送到计算机以做出最终的保护决定。尽管考虑了电动机的所有变量，但使用计算机会增加成本和尺寸并降低系统在这些工作中的可靠性。

本文为保护三相IM提供了进一步的保护，覆盖范围广，成本合理，性能良好。在微控制器的帮助下，已经实现了在操作中发生IM的相电流，相电压，速度和绕组温度的各种故障的解决方案。本文的结构如下。第2节介绍了IM的保护。第3节介绍了系统的硬件，软件和测量的实时实现细节。第4节讲述了电机故障检测和保护的实验研究。这项工作最终在第5节中得出结论。

感应电动机保护

IM是最常见的工业交流电动机类型，坚固耐用，既不需要单独的直流电源也不需要滑环。感应电动机的磁场通过定子上的线圈产生，然后在定子中产生时变场。当转子具有旋转磁场时，它开始运转。

IM上的故障会对工业应用产生不良后果[11,15,16]。在操作过程中，IM会发生不同类型的故障[16]。故障可能发生在定子和转子的电气和机械部件中或耦合装置中。最近，电动机的电气，磁性和机械部件的不同类型的故障检测已成为IM的最重要问题。IM有绕组，磁路和机械系统故障等问题。绕组故障就是定子的短路和开路，或过载，单相，过压/欠压和转子绕组或转子断条等。气隙不对称是主要的磁路故障。最后，堵转，轴承故障和耦合装置是电动机的机械故障。上面未提到的所有其他故障都与主要类型相关联

[3–5].

为了改进保护和减少故障，本文引入了一种新方法。在微控制器的帮助下，开发了针对各种故障和最新趋势的解决方案，以及对运行中出现的问题进行监控。所提出的微控制器控制的保护继电器处理这些故障的最重要类型，其概括为相位损耗，过电流，过电压，欠电压，电压不平衡，过载，相电流不平衡，接地故障和重复启动。

从以前的正常情况来看，必须在运行期间连续进行一些测量。然后将这些测量的信号传送到中继系统，以检测并显示LCD发生的各种故障。检测电流和电压信号，所需的是检测每相电流值和电压值的传感器。使用LM 35传感器测量定子温度，该传感器位于电动机的定子绕组内，具有铁 - 康铜结并且在40℃至125℃的有用线性温度范围内工作。使用耦合到转子的增量编码器测量转子速度。编码器每转子周期产生360个脉冲。

实验设置和测量

在本文中，设计并实施了一种新的保护系统，以在保护电流，电压，转子速度和绕组温度测量的基础上保护IM。实验装置的示意图如图1所示。实验装置包括硬件部分：试验台，仪器和软件。以下各节将介绍这些部分的任务。另外，测量卡，有效值直流转换器，感应电动机和控制卡的照片示于图2和3中。分别为4-6和8。

硬件和测试台

本研究中使用的试验台包括1.5 kW / 2800 rpm三相IM，三个电压互感器，转换比为220/5 V，连接到IM的每相，三个电流互感器，转换比为1/1000连接到IM的每个相位，温度传感器，每升温1℃，变换比为10 mV，增量编码器，每转子速度360脉冲，用于测量转子速度，有效值直流转换卡，PIC 18F452微控制器和继电器。

所提出的系统的两个实现视图在图2和3中示出。在图2和图3中可以看到所提出的系统中使用的组件。温度传感器插在定子线圈内部，因此只能通过连接盒上的电源线看到其连接电缆。保护单元的细节在图3中给出。

三个电压信号，三个电流信号和一个温度信号用作PIC 18F452内部A / D模块的输入值，一个速度信号用作PIC 18F452的数字输入[17]。第3.2节解释了这些信号的测量。

仪表

保护系统中电机的电流和电压测量利用包括电流互感器和电压互感器的测量卡进行测量，如图4所示。测量卡的输出应用于有效值直流转换器，如图5所示。AD536A是一款完整的单片集成电路，可执行真正的RMS-DC转换。它提供的性能与混合或模块化单元的性能相当或更高。AD536A直接计算包含交流和直流分量的各种复杂输入波形的真实RMS值[18]。电压表和滤波电路用于有效值直流转换器，用于改变图5中的电流和电压值。转换后的电流和电压值然后通过输出端口传输到PIC。

为了测量电机的速度，增量编码器连接到电机轴，如图6所示。每转子速度为360脉冲的增量编码器用于测量转子速度[19]。

通过放置在线圈之间的LM35传感器测量电动机的温度。LM-35传感器是一种线性器件，每升温1℃可产生10 mV电压[20]。温度信号被放大并传送到PIC 18F452。在电机铭牌上，最高温度为60℃。超过此值时，电机会被PIC 18F452接触器发出的控制信号停止。

开发软件

为了轻松实现对IM的保护，在C中开发了PIC程序

图4.测量卡

图5. 有效值直流转换器RMS-to-DC的视图。

图6.绝对值编码器与电机轴的连接。

可以轻松处理和显示从PIC输出中获得的数据。这些数据是如图1所示的三相电压（L₁，L₂，L₃），三相电流（I₁，I₂，I₃），转速（n_r），IM的温度和温度（T_c）。

然后，软件直接在LCD上显示相电压，相电流，转子速度和电机温度，无需任何人为干预。获得所有这些数据后，将它们与其容差值进行比较。程序继续运行，因为这些数据在定义的边界内。如果没有读取新值，程序将继续重读并重新计算信号，直到读取新电流和新电压（L₁，L₂，L₃，I₁，I₂ ，I₃中，n_r）。如果发生任何故障，程序会立即自动停止电机系统。如果电机以瞬态模式运行，则检查电流。如果电流高于正常值，则程序检查瞬态时间。如果瞬态时间小于定义值（t₁），程序将返回到瞬态时间块的末尾并继续读取和计算信号。如果瞬态时间高于t₁，程序将停止电动机。否则，程序继续读取和计算信号。在每个故障中，将三相电流，三相电压，转速和温度与其标称值（N）进行比较。如果发生任何这些故障，则通过从PIC 18F452向电机控制电路发送信号来停止电机。程序停止电机并在LCD上显示错误说明消息。如果需要重新启动电机，程序将返回到开头。表1给出了电机变量及其说明。电压，电流，速度和温度的值可以在LCD上显示。

为了检测故障并保护电动机，在整个实验中使用所开发的软件。遵循基于流程图的控制方法来保护电动机。当发生未定义的故障时，电机会停止而不给出任何描述。在这种情况下，必须由操作员描述和找到故障。

电机故障检测与保护实验

用于检测故障和保护电机的控制卡如图8所示。可在LCD上看到设置，参数和测量值。使用控制卡上的PIC 18F452微控制器实现控制过程，如图8所示。继电器通过位于继电器正面的5个按钮配置用于应用。按下按钮2和3可以显示三相电压，三相电流，电机温度和速度。按下按钮1允许在LCD上更改测量值，参考值和容差值之间的模式。按下按钮1后，按钮4和5用于更改LCD上的公差和参考值。

模拟输入，数字输入，5个按钮和LCD连接到微控制器。由于采样值是模拟和数字输入，它被传输到微控制器，然后显示测量值。当测量值超过公差极限时，使用220 V接触器延时一段时间后停止电机运行。接触器通过5 V继电器连接到PIC的数字输出端子。此外，如图8所示，L₁指示故障并警告操作员。由于电网和电机启动瞬间波动，时间延迟可防止出现临时情况。

如果三相电流，三相电压和电机速度为零，则表示电机为

表格1

在LCD上实现电机电气变量

没有 变量 符号 单位

1. 阶段1的电压 L₁ 伏特
2. 阶段2的电压 L₂ 伏特
3. 阶段3的电压 L₃ 伏特
4. 第1阶段的现状 I₁ 安培
5. 第2阶段的现状 I₂ 安培
6. 第3阶段的现状 I₃ 安培
7. 速度 n_r 转
8. 绕组温度 T_C 摄氏度

图8.控制卡的前视图。

观察时，LCD上会显示一条消息，如下所示图9a.同时按下按钮2和3可以访问电流和速度，如图所示图9b和c。如果单击开始按钮，电机将开始运行。LCD上显示一条消息，如下所示图9d.同时按下按钮2和3可以访问图9e和f。

如果程序在瞬态状态下首先启动，而程序处于稳态模式;LCD上显示警告信息，因此电机停止。

如果在程序处于稳态模式时三相电流仍处于稳态状态，则程序继续观察电机的电流，电压，速度和温度。当程序在任何模式下运行时，给出的变量表格1 可以在液晶显示屏上看到。如果电机正常运行，则LED 1（L₁）变为ON，如果电机未运行，则led 2（L₂）变为ON。

通过相关传感器每秒钟也检测到可能的故障5次。在软件中，描述了所有可能的故障。根据发生的故障，通过从PIC 18F452向电机的接触器发送信号立即停止电机。根据控制程序，首先读取并计算数据。然后检查故障控制。在程序结束时，结果：

图9.从显示器获得的结果。（a）三相电压，（b）三相电流，（c）电动机的速度和温度，（d）三相电压，（e）三相电流（f）电动机的速度和温度。

图10.由LCD实现的各种结果。（a）三相电压关闭，（b）L<s

资料编号：[3160]</s