異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

張貴暢

摘 要：異步電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，但是其高故障率對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研制一款功能完善、可靠性高的電機(jī)保護(hù)裝置己成必要。本設(shè)計(jì)介紹了由NE555為核心器件組成的異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和組成，及其工作原理。在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)缺相、短路、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、漏電、溫度等故障時(shí)，該保護(hù)裝置可起到保護(hù)作用，并拉響警報(bào)。利用555芯片奇特的引腳功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各種功能動(dòng)作，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，經(jīng)濟(jì)節(jié)能，實(shí)用性強(qiáng)，適合于大多數(shù)異步電動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；過(guò)載；保護(hù)；報(bào)警

1 前言

1.1 本論文研究的意義

伴隨著社會(huì)工業(yè)化程度的進(jìn)一步加強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)幾乎被用于所有的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。為了使電動(dòng)機(jī)安全有效的運(yùn)行，對(duì)電動(dòng)機(jī)安裝保護(hù)裝置顯得尤為重要。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)等設(shè)備一旦發(fā)生故障，若僅靠人工進(jìn)行檢測(cè)診斷和維修，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，直接影響到生產(chǎn)效率，有時(shí)還會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了能夠在故障發(fā)生初期實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的保護(hù)，防止故障擴(kuò)大，設(shè)計(jì)一款能夠在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障情況時(shí)自動(dòng)保護(hù)的裝置，具有實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展?fàn)顩r及本論文的主要內(nèi)容

電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備，是應(yīng)用最多最廣的用電設(shè)備之一。我國(guó)各種電動(dòng)機(jī)每年所消耗的電能占全國(guó)總發(fā)電量的60%—70%，其中中小型電動(dòng)機(jī)所耗電量占40%左右，然而電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障位居各電氣設(shè)備之首位。電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置主要有三個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段是電磁式繼電保護(hù)裝置；第二階段是電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置；第三階段是以微處理器為核心元件的綜合保護(hù)裝置。

本文主要是以檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障為目的，設(shè)計(jì)一款異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置，以便在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。根據(jù)這些不同故障的特性，以555集成芯片為中心控制端，利用555集成芯片奇特的引腳功能，通過(guò)傳感器、取樣互感器、二極管、電阻電容等器件組成的整流、比較、延時(shí)等驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、斷相、短路、漏電和溫度等故障時(shí)進(jìn)行及時(shí)有效的自動(dòng)保護(hù)，并顯示警示燈和拉響警報(bào)。

2 異步電動(dòng)機(jī)的故障分析

2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)故障

電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，視為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前，轉(zhuǎn)差率s為1，轉(zhuǎn)子n為0，由于激磁電流近似為1。當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，電源電壓直接接到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，啟動(dòng)時(shí)定子電流達(dá)到了額定電流的4～7倍，甚至某些籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)定子電流會(huì)更大，可達(dá)額定電流的8～12倍。因此設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)保護(hù)時(shí)，一般采用定時(shí)限保護(hù)來(lái)完成。

2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障

根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)的知識(shí)，Tmax是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz>Tmax，電動(dòng)機(jī)將因承受不了而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力是用它的過(guò)載倍數(shù)來(lái)表示，及電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力等于最大轉(zhuǎn)矩除以額定轉(zhuǎn)矩及Tt=Tmax/Tn。一般把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流大于額定電流的5～8倍視為堵轉(zhuǎn)電流，這種情況稱(chēng)作電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障。

2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載故障

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載很大，超過(guò)電動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載量，使得轉(zhuǎn)子和定子電流都很大，也就是在某種情況下當(dāng)電機(jī)的實(shí)際功率超過(guò)額定功率的這種現(xiàn)象稱(chēng)為電機(jī)的過(guò)載。電動(dòng)機(jī)過(guò)載現(xiàn)象主要表現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)電流集聚增大，轉(zhuǎn)速下降甚至停轉(zhuǎn)，溫度升高；如果電動(dòng)機(jī)所承接負(fù)載出現(xiàn)不穩(wěn)定的變化，轉(zhuǎn)速會(huì)忽高忽低；有時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)出低鳴聲等。

2.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的短路故障

三相異步電動(dòng)機(jī)的短路主要有單相對(duì)地短路、相間短路、絕緣失效。一般，我們把電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)行電流大于8倍額定電流的這種情況視為電動(dòng)機(jī)的短路，此運(yùn)行電流視為短路電流。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)裝置，必須要求動(dòng)作越靈敏越好，實(shí)施速斷保護(hù)。為了避開(kāi)啟動(dòng)電流過(guò)大的情形，同樣采用相應(yīng)的反時(shí)限保護(hù)。

2.5 三相異步電動(dòng)機(jī)的斷相故障

三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中有任何一相斷開(kāi)，便視為斷相運(yùn)行。造成斷相的原因主要有電動(dòng)機(jī)電樞繞組斷路，電源某一相接觸不良等。斷相會(huì)使原來(lái)未運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，并且伴有低鳴聲。

2.6 三相異步電動(dòng)機(jī)的溫度故障

電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下正常運(yùn)行時(shí)，雖然存在著的各種損耗，如銅損耗、鐵損耗、機(jī)械損耗最終將以熱能形式擴(kuò)散出去，這樣會(huì)使電動(dòng)機(jī)溫度升高，但這個(gè)溫度不會(huì)超過(guò)電動(dòng)機(jī)的最高允許溫度。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)設(shè)計(jì)，是將溫度傳感器埋入線(xiàn)圈，當(dāng)線(xiàn)圈溫度升高到一定程度之后溫度傳感器兩頭膨脹接觸，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 。

2.7 三相異步電動(dòng)機(jī)的漏電故障

當(dāng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在故障狀態(tài)下運(yùn)行，或繞組受潮、絕緣損壞而碰殼，槽內(nèi)有帶電雜物時(shí)電動(dòng)機(jī)的外殼將帶電，這種現(xiàn)象視為電動(dòng)機(jī)漏電。一般人體可通過(guò)的安全電流小于0.03A，電壓小于36V，電動(dòng)機(jī)漏電電壓一般會(huì)很大，和電源電壓相差無(wú)幾，這種現(xiàn)象的存在有極大的安全隱患。設(shè)計(jì)漏電保護(hù)時(shí)，必須采用急速保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作速度越快越好。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)整體電路由四大部分構(gòu)成，把要測(cè)量的電流或電壓等通過(guò)輸入電路送往驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的整流和比較等故障分析，送往控制端，555集成芯片收到信號(hào)后，執(zhí)行自動(dòng)保護(hù)功能，并實(shí)現(xiàn)顯示和報(bào)警。

3.2 NE555集成芯片的功能特點(diǎn)

3.2.1 NE555集成芯片簡(jiǎn)介

NE555集成芯片是一種用途較廣的精密定儀器，成本低，性能可靠。它可用來(lái)發(fā)生脈沖、自激振蕩器、定時(shí)電路、延時(shí)電路、脈寬缺少指示電路、監(jiān)視電路等。其工作電壓為5～18V，常用電壓10～15V，最大輸出0.2A。它內(nèi)部含兩個(gè)電壓比較器，一個(gè) RS 觸發(fā)器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)放電管 T 及輸出端。

3.2.2 NE555集成芯片引腳及工作原理

NE555 芯片的功能主要由兩個(gè)比較器A1和A2決定，它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓 1/3VCC 和 2/3VCC 。A1比較器的同相端和A2比較器的反相端分別由3只5k電阻分壓為2/3Vcc和1/3Vcc，當(dāng)控制端4腳為高電平時(shí)，2腳觸發(fā)端和6腳閥值端輸入既可以是數(shù)字信號(hào)，也可以是模擬信號(hào)，可以通過(guò)調(diào)整控制端5腳的外加信號(hào)，改變2腳和6腳輸入信號(hào)的動(dòng)作閥值。

3.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的電路設(shè)計(jì)

3.3.1 電源控制電路設(shè)計(jì)

電源控制電路相當(dāng)于一個(gè)12V的穩(wěn)壓電源。主要通過(guò)降壓變壓器取得12V交流電壓，再經(jīng)過(guò)整流濾波輸出直流電壓，便可做為整個(gè)保護(hù)裝置的供電端。在直流電壓輸出端接電阻R1和發(fā)光二極管LED1，當(dāng)直流電流通過(guò)LED1時(shí)，二極管發(fā)光，該二極管可做電源指示燈。電源控制原理圖如圖1所示。

3.3.2 斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

相異步電動(dòng)機(jī)斷電保護(hù)電路原理圖如圖2所示。在未出現(xiàn)斷電故障（即S1閉合）時(shí)，電流通過(guò)基極偏置大電阻R2之后，三極管飽和導(dǎo)通，使得三極管集電極為地電平，發(fā)光二極管沒(méi)有正向電流流過(guò)，不能發(fā)光。當(dāng)出現(xiàn)斷電故障（即S1打開(kāi)）時(shí)，基極無(wú)電流流過(guò)，三極管被截止，集電極為高電平，發(fā)光二極管有正向電流流過(guò)而發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器被拉響?；瑒?dòng)變阻器RL1和RL2可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的阻值，來(lái)顯示額定電流不同的警示燈和音響裝備。

3.3.3 漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)NE555集成芯片引腳特點(diǎn)，當(dāng)4腳復(fù)位端為低電平時(shí)，不管觸發(fā)端2腳還是閥值端6腳輸入高電平或者是低電平，555芯片處于強(qiáng)制復(fù)位狀態(tài)，即輸出端3腳為低電平。

漏電保護(hù)原理圖如圖3所示。利用4腳優(yōu)先復(fù)位的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)漏電保護(hù)電路該設(shè)計(jì)通過(guò)三極管和二極管來(lái)完成電路的控制輸入部分。當(dāng)觸點(diǎn)沒(méi)有帶電體時(shí)，即三極管Q2基極無(wú)電流通過(guò)，三極管被截止，集電極為高電平，電源流出的電流正向通過(guò)二極管D3流入555集成芯片復(fù)位端，使得整個(gè)電路處于開(kāi)鎖狀態(tài)，3腳輸出端的狀態(tài)由其他端輸入決定。同時(shí)電源流出的電流也經(jīng)過(guò)電阻R6正向流入發(fā)光二極管LED4使其發(fā)綠光，顯示正常。當(dāng)觸點(diǎn)有帶電體即漏電時(shí)，一般漏電電壓較大，二極管D1被擊穿，處于反向?qū)顟B(tài)，發(fā)光二極管LED3發(fā)紅光，蜂鳴器拉響，電流通過(guò)三極管Q2之后，由于電壓較大，三極管飽和導(dǎo)通，集電極為低電平，正向電流不能流過(guò)二極管D6，555集成芯片4腳復(fù)位端為低電平，3腳輸出端為低電平，電路處于鎖定狀態(tài)。

3.3.4 過(guò)載保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)過(guò)載保護(hù)原理圖如圖4所示。在電機(jī)正常運(yùn)行情況下，電流為額定電流的1.1倍左右，電流通過(guò)電流電感器L1，在可變電阻RL4的作用下，將電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，也可以將可變電阻RL4作為調(diào)節(jié)電流的閥值端，對(duì)不同的電流大小進(jìn)行整定。經(jīng)二極管D7和電容C3的整流濾波后，由于電容C4不能突變的緣故，U1輸入端2腳和6腳為低電平，電壓低于1/3VCC和2/3VCC，輸出端3腳為高電平，三極管Q3飽和導(dǎo)通，集電極基本上相當(dāng)于低電平，二極管D8反向截止，芯片555U2閥值端6腳為低電平，電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載或電壓異常的情況下，經(jīng)過(guò)電流互感器取得電流一般為額定電流的5倍以上，經(jīng)過(guò)整流濾波之后的電流先供給電容C4充電，然后放電當(dāng)放電電壓大于2/3Vcc時(shí)，U1的3腳輸出端為低電平，過(guò)載指示燈LED5發(fā)光，同時(shí)U1的7腳放電端輸出為高電平，經(jīng)電阻R8和電容C4直接接地，又將給C4充電后。當(dāng)C4的放電電壓低于2/3Vcc時(shí)，輸出端又變?yōu)楦唠娖?，二極管LED5又關(guān)閉，依此往復(fù)閃爍發(fā)光。U1產(chǎn)生震蕩輸出。

C6和電阻R14組成過(guò)載延時(shí)電路，D8為隔離二極管，當(dāng)電機(jī)過(guò)載U1的狀態(tài)輸出低電平時(shí)，三極管被截止，集電極為高電平，D8正向?qū)?，電源電流?jīng)過(guò)R12、RL5、R13提供給C6充電電流，當(dāng)U1的輸出狀態(tài)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，集電極為低電平，二極管D8反向截止，截?cái)郈6的放電回路。因此，在U1的震蕩輸出作用下，電容C6逐漸升高，當(dāng)過(guò)載達(dá)到一定的時(shí)間后，電容C6放電，使得U2的閥值端6腳輸入為高電平。又因R15和電容C7組成的積分電路，起啟動(dòng)延時(shí)作用部分。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，U2的觸發(fā)端2腳有一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，隨后變成上拉高電平。U2輸出端為低電平，電機(jī)停止運(yùn)行，處于保護(hù)狀態(tài)。

3.3.5 斷相保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)斷相保護(hù)原理圖如圖5所示。電機(jī)斷相保護(hù)電路也利用了555集成芯片的6腳的高阻抗特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)L2、L3、L4電流互感器獲得，再通過(guò)二極管、電容、電阻的整流濾波，變成直流電壓信號(hào)。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，串聯(lián)連接的三極管Q4、Q5、Q6都飽和導(dǎo)通，三個(gè)集電極都為低電平，電源電流經(jīng)過(guò)R19之后直接接地，發(fā)光二極管LED6無(wú)電流不發(fā)光，同時(shí)二極管D12反向截止，555芯片6輸入為低電平，電機(jī)正常運(yùn)行。

當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)某一相斷相，如電流互感器L3無(wú)感應(yīng)電流時(shí)，三極管Q5由于失去偏向電流而被截止，三極管Q4的集電極為高電平。經(jīng)過(guò)R21的電流正向流過(guò)發(fā)光二極管LED6發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器拉響。

3.3.6 溫度保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)的溫度保護(hù)裝置如圖6所示。主要有兩個(gè)溫度傳感器和555集成芯片來(lái)完成，溫度傳感器埋入繞線(xiàn)圈，來(lái)檢測(cè)電機(jī)溫度，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)LED8正常發(fā)綠光。隨著電機(jī)溫度升高，傳感器1因受熱膨脹，觸點(diǎn)接觸，2腳輸入為高電平（即電壓大于1/3Vcc），但因傳感器2的溫度未達(dá)到膨脹接觸的狀態(tài)，輸入端6腳仍為低電平，NE555芯片輸出狀態(tài)不變，發(fā)光二極管LED8正常發(fā)光。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到傳感器2膨脹接觸狀態(tài)，6腳輸入為高電平（即電壓大于1/3Vcc）時(shí)，555芯片輸出端為低電平，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)光二極管LED7有正向電流流過(guò)并且發(fā)紅光，而二極管LED8反向截止不發(fā)光。

將前面設(shè)計(jì)出的幾種電路原理圖有效的連接在一起，便構(gòu)成本設(shè)計(jì)最終的異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。

4 結(jié)論

本論文通過(guò)三片NE555集成芯片為核心的電子元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中運(yùn)用了可變電阻器的可調(diào)節(jié)性，能夠靈活的對(duì)不同額定電壓的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。能夠檢測(cè)出異步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的各種預(yù)定故障，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。對(duì)不同故障拉響不同音頻的警報(bào)和顯示不同顏色的警示燈，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷電纜相、地間漏電時(shí)，使電動(dòng)機(jī)處于“閉鎖”，不能啟動(dòng)等功能。在本論文的理論指導(dǎo)下，親自動(dòng)手完成了整個(gè)裝置的實(shí)物設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試該實(shí)物能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能，加強(qiáng)了本論文設(shè)計(jì)的說(shuō)服力。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，如過(guò)載保護(hù)中延時(shí)時(shí)間的計(jì)算，電阻電容值大小的選取等難點(diǎn)，但在反復(fù)調(diào)試和查閱資料過(guò)程中解決了這些有問(wèn)題。本設(shè)計(jì)雖然經(jīng)濟(jì)成本低，實(shí)用性強(qiáng)，能夠?qū)Ξ惒诫妱?dòng)機(jī)起到很好的保護(hù)作用，但隨著智能技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中成熟的發(fā)展，本設(shè)計(jì)不能準(zhǔn)確顯示具體某部位出現(xiàn)的故障是一尚存在的問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，不夠智能化是該保護(hù)裝置的弱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許曉峰.電機(jī)與拖動(dòng)[M].高等教育出版社，2009.

[2]陳永甫.多功能集成電路555經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[3]陳大欽，羅杰.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].高等教育出版社，2011.

[4]王偉超.談三相異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)[J].科技信息（科學(xué)教研） ， 2007（22）.

[5]田光民.簡(jiǎn)析異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與控制[J].科技信息（科學(xué)教研） ， 2007（22）.

[6]馬占欣.交流異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)[J].科技信息（科學(xué)教研） ， 2007（28）.

[7]孫志泉.異步電動(dòng)機(jī)的電氣裝置保護(hù)[J].科技促進(jìn)發(fā)展（應(yīng)用版），2010（02）.

[8]裴喜平.智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（02）.

[9]顧曉文.電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)[J].廣西輕工業(yè)，2011（12）.

[10]吳增桂. 淺析電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（17）.