嵌入式保护器保护方法的研究

嵌入式保护器保护方法的研究

魏礼鹏

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省常州市 213015

摘要：随着科学技术的进步和发展，电动机已经广泛的出现在我们生活和生产当中。对于电动机而言是一种非常重要的动力设备，其工作稳定性具有非常高的要求。为了避免电动机在复杂工作环境下由于电源不稳定、过载、断相等问题的发生，嵌入式保护器应运而生。本文通过对嵌入式保护器的保护方法进行研究就电动机保护理论的发展以及目前常见的保护方法提出一些初步的探索。

关键字：嵌入式，故障保护，饱和补偿，温度特性

引言：嵌入式保护器作为一种重要的电动机保护装置，被广泛的运用于传统的机械、电子电器等装置当中。对提高系统稳定性，保障国民经济的高速发展具有不可忽视的作用。近年来，随着科学技术的发展，电动机在工业生产中占据着越来越大的比重。随着电机的大量使用，电动机的损坏量也在不断的增加。研究发现，造成电动机损坏的原因是多方面的。一是电机设计和工业制造水平在不断的提高，通过采用高性能的绝缘和电磁材料，电机的空间和体积在不断的减少。同时这就会造成电机的排热性能下降。传统嵌入式保护器的保护技术弊端和技术缺陷也在逐渐的暴露出来，造成电机在恶劣的环境工作时的性能得到下降。

根据相关统计数据显示，在目前的电机故障当中约80%是由于电机的嵌入式保护器故障造成电机发生热过载、短路、堵转、断相、缺相运行等故障。每年由电机的绝缘故障造成的直接经济损失就高达16亿。因此，电机的嵌入式保护器的保护方法进行研究，提高嵌入式保护器的保护能力，防止电机由于频繁起动、过载、断相和三相不平衡等故障的保护能力，具有十分紧迫的现实意义。

一、电动机保护理论的发展

电机最为重要的动力装置，其工作环境十分的复杂。因此，电机保护器的保护性能的要求也在不断的提高。近年来随着电机技术的发展，以及电机的使用量的不断增加，电机的保护理论也应当随着时代不断的发展和创新，以此来更好地适应电机的保护需求。在以往的电机嵌入式保护器的电机故障判据是电流幅值的增长保护理论。但是在目前的一些非对称的电机故障当中，经检查发现这类电动机并没有出现明显的电流变化，因此这一理论已经不再适用于目前的电机的保护需求。

近年来随着电机其如是保护器的保护技术的发展，目前已经形成了多种保护技术和理论。例如，傅里叶变换保护理论、由清华大学高景德教授等建立并发展起来的交流电机多回路理论和对称分量法理论等等。都被实践证明能够很好的提高嵌入式保护器的电机保护能力起到很好的保护作用。除此之外，近年来随着人工智能技术的发展，嵌入式保护器的神经网络信号处理技术如小波理论等也取得了很好的电机保护效果，让电动机保护器的设计有了大的飞跃和发展。

2.保护方法的研究现状

目前国内外关于嵌入式保护器的保护技术展开了大量的研究和讨论。基于热过载保护技术的研究，目前的研究提出了很多的研究方案。这类技术方案大致上可以分为两类技术种类：直接测温保护法和间接测温保护法。

首先对于直接测温保护法而言，其工作原理是通过将电热阻、热电偶等温元器件安装在电动机的绕组装置内，通过这些感温期间对电机的内部温度进行直接的测量。当电机的温度达到设定的临界温度时，保护装置就断开控制电路，起到对电机的保护作用。目前在直接保护法中采用的电热阻为PTC热敏感电阻。直接测温保护法在电阻埋设时需要对单机的线圈生产工艺进行改变，具有一定的劣势。

对于间接测温保护法而言，其是相对于直接法而言的。其工作原理是对电机的外部的工作稳定进行检查。同时对电机的外部相关参数进行检查。根据检测的结构，来相应的进行电机的发热和散热处理。

3.电动机故障的电气特征及其保护方案

对于电机的嵌入式保护器而言，其需要对电机的各种故障进行保护。例如热过载、堵转、三相电流不平衡、启动时间过长、接地故障、定子绕组相间短路等故障。因此，嵌入式保护器的保护方案设计需要采用能够对电机进行全方面及时的保护技术。下面对侵入式保护器的几种保护方法进行浅述。

3.1热过载保护

在电机故障中，热过载故障是最为常见的一种电机故障。因此，对于嵌入式保护器首先需要对电机的热过载进行保护。当电机发生热过载（TOL）时，电机的电子绕组会发生较为明显得过电流的现象。进而会造成电机内部的温度上升。当大量的热量持续积累得不到排放时且超过电机的最大容许温度ω时，电动机就会发生绝缘破坏。

研究表明，电机温度由初始的0上升到容许温度ω是一个非线性的变化过程。在这个过程中伴随着电机的发热和散热两个过程。嵌入式保护器的热过载保护就是通过计算，设置保护器的热记忆功能，确保电动机的温度不会超过其电动机绝缘等级所决定的最大允许温升，起到对电机的保护作用。

3.2保护器的其他保护

嵌入式保护器还需要对电机的其他多种故障进行保护。电机在恶劣的工作环境下，有时也会发生电动机不能成功地起动以及欠载等问题的发生，进而会造成电机的损坏。因此，嵌入式保护器需要对电机的反相保护、起动时间过长保护、欠载保护等。

3.2.1 反相保护

所谓的反相保护是指针对电动机系统的相序采取的不正常的保护措施。对于电机的反相保护程序而言，不正当的设置会造成电机发生反转等问题。严重是会造成许多的不必要问题和经济损失。另外，在实际的生产当中，许多的电机采用了双电源的供电系统。这样的供电系统，虽然能过提高电机的供电稳定性，但同时也会造成电机发生反转时的短路故障发生。因此，对电机进行反相保护是，需要根据电机的实际情况进行保护系统的设计。现有的反相保护方法有动作或报警的方式。

3.3.2 起动时间过长的保护

造成电动机起动时间过长的原因是由于在起动阶段，电机在短时间内会产生大量的电流，一半高达额定电流的4~7倍。这样巨大的短期电流就会造成，电机在起动的短期内发生温度急剧的上升。进过一段时间之后，电机的电流逐渐的减少，稳定到额定电流。由此可见，当电机起动时间较长时，就会发生温度过导致电机烧毁的问题。因此，嵌入式保护器对电机进行起动时间过长的保护就显得十分的必要了。

嵌入式保护器的起动判断是通过电流值得大小来判断，当定子绕组的电流大于额定电流时保护器便判断电机进入起动阶段，此时保护器便启动对保护器起动时间过长保护功能。当电机中的电流低于额定电流时，保护器便自动的推出起动时间过长保护程序。当电机的起动时间过长时，保护器便可以迅速的对电机回来采取短路的方法，第一时间对电机起到保护。

3.3.3 欠载保护

欠载问题也是电动机常见的一种问题。对于电动机而言，虽然欠载状态不会对电机产生损坏等问题。但是，欠载会对电机的传动装置产生较大的影响，甚至会造成电机的传达装置发生损坏。造成电机的无功率消耗，造成严重的资源浪费。电机在运转过程中，当电流长时间处于0.3~0.7额定电流时，保护器系统便启动电机的欠载保护程序，启动相应的保护动作。而对于这一持续时间，一般保护器设定为5S。

结束语：嵌入式保护器对于电动机的过载、反转、欠载、起动时间较长、热载等问题起到了很好的保护作用。本文通过对嵌入式保护器的保护方法电动机保护理论进行了分析，就电动机的电气特征及其保护方案进行了浅述，为嵌入式保护器发展提供一些理论参考。

参考文献：

陈洪骏. 嵌入式保护器保护方法的研究[D]. 2016.

夏天伟，郑祥，王士荣．电动机智能型保护监控装置的研究[J]．沈阳工业大学学报，2004(4)：399-402．

陆征军，王红青，赵华军．电动机热过载保护研究[J]．江苏电机工程，2012，31(3)：20-23．

作者简介：魏礼鹏（1987--），男，汉族，江苏徐州人，工程师，硕士，主要从事煤矿供配电设备的嵌入式控制系统的研发工作。