三相感应电动机带保护系统起动器的研制

摘要

三相感应电动机绕组经常烧损已被报道。在绕组烧毁前观察到的最初症状是工作电流增加和温升。设计、开发和构造了感应电机保护和控制系统，通过早期检测和切断电源来减少绕组烧毁的问题。它被认为是高效、可靠、耐用和坚固的。该系统对尼日利亚的实业家来说是一个推动，因为它将减少燃烧感应电机的案例，以及随之而来的停机时间和成本。该系统价格便宜，易于维修和维护，因为在设计中使用的部件和组件在当地可用。

1.介绍

感应电机是高度可靠，坚固耐用，高效的机器，适用于多种工业应用[1- - - - - -3.］．然而，电机易受三类故障的影响:机械故障、电气故障和环境故障。感应电动机的电气相关故障是由缺相、供电电压或电流不平衡、相序倒转、接地故障、过载、断棒和端环、绝缘故障和短路引起的[4］．这些故障大多数会导致绕组烧坏。感应电动机绕组的频繁烧损对中小型制造企业来说是一个严重的威胁，这些企业将感应电动机作为制造和加工设备的原动机[1］．许多有用的时间和资源都被浪费在试图倒带或更换烧毁的发动机上。据报道，复卷电机减少了输出和低效率，这可能导致长期的能源和监控损失[3.］．效率损失在0.5-0.7%之间，在[5］．虽然复卷对电机效率的影响似乎可以忽略不计，但考虑到停机时间，专业知识，和额外的成本在过程中产生。因此，有必要将烧毁绕组的情况减至最低限度。

在感应电动机绕组烧毁之前，有两个明显的症状，即工作电流和温度的增加[6］．使用过载继电器可以实现对过度工作电流的保护。

过高的温度增加了电机绕组绝缘变质、润滑剂退化和轴承失效的速率[7］．电机绕组烧坏是由于绝缘失效，温度每升高10%，绝缘寿命就减少50% [4］．除了烧坏绕组外，温度的升高还会导致功率消耗增加，速度和效率降低。过高温度引起的热应力极大地降低了感应电动机的性能和寿命[8］．因此，有必要保护电机不受温度过高的影响。因此，本研究设计并实现了一种基于电子的电机启动器，具有保护电机免受极端温度的能力。

2.温度对电机绕组影响的理论模型

为了保证连续可靠的运行，必须对因温度过高而产生的热应力进行感应保护。因此，国家电气制造商协会根据定子绕组的绝缘等级(Y, a, E, B, F，和H)建立了允许的工作温度极限[9］．据报道，在[10］．

F级电机的额定最高冷却温度为40°C，最高温升为100°C，潜在最大绕组温度为140°C [11］．

超过电机的最大运行值不会立即导致故障，而只会降低电机的预期寿命[12］．应用于绝缘劣化的一般经验法则是，温度每升高10°C，预期寿命将因绕组电阻(R_T)随温度升高而升高[9]： 在哪里R_o=材料在室温下的电阻，α=线性膨胀系数t=温度。

同样，在绕组中耗散的功率是铜损耗，它与电流和绕组电阻的平方成正比R_T由(13］

引出电流每增加10%，铜损耗增加21%，温升增加21%，对于F类电机为21°C。这相当于寿命减少到预期寿命的四分之一。这说明温度过高会影响电机的寿命。

此外，效率( ）马达的部分也不例外 在哪里P₁=输出功率和P₂=功率输出(P₁) +功率损耗(P_l)．

为了解决这些问题，研制了感应电动机的综合控制和保护系统，使其使用寿命得到充分保障。

3.系统设计

系统设计分为以下几个部分:(我)发令员(2)直流电源单元用于控制电路(3)温度传感与调节(iv)过流传感和调节(v)强制冷却风扇控制单元(vi)延迟、关机和指示单元

3．1.发令员

感应电动机的起动方法有很多种。这些范围从直接在线，电阻，一次电抗，自耦变压器，滑环电机启动，星型三角，等等。该模型使用了一台1.5 KW的感应电机。由于额定功率小于3.75 KW [14]，采用直接在线启动方法。

如图所示，通过主接触器的触点闭合，将电源提供给感应电机1．触点的闭合是通过激活接触器线圈的线圈(在线圈上应用完整的220v交流)。

为了有效地控制电机，考虑图1图2是使用。

要使线圈通电，必须通过按常开启动按钮和连接常闭停止按钮和常闭自动停止继电器触点来形成一个完整的电路。在释放启动按钮时，电路由主承包商的保持触点维持。

但是，可以通过按下停止按钮来断开电路或断开自动停止继电器触点来实现退磁。这也将打开保持联系。

３．２．直流电源单元

电源单元由降压变压器、硅整流器、电解电容滤波器、三端集成电路稳压器和开机指示灯组成。元器件的选择使输出电压给出一个+ 12v、0v和−12v。电源电路图如图所示3.．

3．3．温度传感和调节单元

所使用的温度传感器为负温度系数(全国过渡委员会)，其电阻性能随温度升高而降低。获得了所使用的热敏电阻在0-250°C的温度电阻关系。这样做的原因是，它有助于给出一个固定电阻的概念(R)串联，形成分压网络，如图所示4．电压(V_一个)，根据式(4)，随温度变化而变化: 在哪里R_T为热敏电阻的电阻。

进一步调理信号(V_一个)，则在电压(V_一个)被馈送到一个输入端和一个参考电压(V_b)，由施加于另一输入端的可变电阻器设定。

仪表放大器是差动放大器，输出电压是两者的差值V_一个和参考值乘以给出的增益 ,“米为增益控制电阻[9］．

温度传感与调节的电路图如图所示4．

3．4．过流传感和调节单元

小电流互感器连接在电缆上，将电流输送到电机(每相一个)。电流互感器是必要的，因为流入负载的电流太高，不能直接与控制单元一起使用。因此，电流互感器具有降压电流和隔离电流的双重作用。

电流互感器的输出与流入负载(感应电机)的电流成比例，并通过整流二极管连接到用作衰减器的可变电阻上。信号是一个脉动的直流电压，其幅值与负载所产生的电流成正比。

将脉动直流电压的峰值衰减值与预先设定的参考电压进行比较V_R4，V_R5，和V_R6使用运算放大器集成电路_7一个,集成电路_7b，和集成电路_7c比较器。

运算放大器的输出用二极管连接，形成或栅排列。电路结构如图所示5．

3．5.强制冷却风扇控制单元

强制冷却风扇单元被用来控制风扇的速度，风扇是一个小型交流电机与感应电机的温度成比例。风扇由可控硅(BT136)供电。通过diac led光耦合器(MOC3010) (IC2)触发可控硅门[10］．发光二极管部分由一个电压控制振荡器(VCO)供电，该振荡器由单片555定时器集成电路配置，该集成电路连接在稳定模式(自由运行振荡器)，频率为f让步[15]

555定时器的控制电压端由仪表放大器的可变电压馈电。因此，当电机温度开始上升时，强制冷却风扇的速度就会变高。数字6显示此装置的电路图。

3.6。延迟，指示器和自动关机单元

温度传感单元的输出连接到使用IC1d配置的比较器。将输出电压与设定的参考电压进行比较V_R3．如果电机的温度超过设定值，比较器的输出就会变高。

两个传感单元的输出都连接到由R₁₈和C₆通过二极管D₁₃和D_15.

当起动电流大时，延迟电路是必要的。

通过延迟电容的电压(C₆)再与固定的参考电压进行比较V_R7

我们使用IC配置的比较器_{7 d}当电容器电压超过参考电压时，其输出变高。

自动关机机制是继电器的一个常闭触点，当检测到故障情况时，触点会打开。两种故障条件(过流或过温)中的任何一种都可以触发它。因此，为了让操作人员知道是什么导致了跳闸，使用555定时器集成电路配置了双稳态多谐振荡器。

多谐振荡器的触发是由故障检测器的输出和延迟输出共同决定的。所使用的门是2输入NAND施密特触发器(4093)。

双稳态多谐振荡器的输出是使用二极管的“OR-ed”D₁₇和D₁₈使晶体管偏压(问1)开关继电器，使常闭触点打开，电机自动停机。本节电路图如图所示7,而图8显示了系统的完整电路图。

所述控制单元、强制冷却风扇和受保护感应电机的布置如图所示9．

4.制造和测试

从电路图中可以看出，除了使用当地的其他材料外，还使用了普通电子商店中可以买到的简单且比较容易得到的电子分立电路和集成电路元件。用于实现该系统的低成本电子分立电路和集成电路元件包括二极管、运算放大器、555定时器、电容器、晶体管、电阻、电流互感器、热敏电阻和本节已经提到的其他元件3.．系统进行了组装和测试，如图所示10和11,分别。

为了验证系统的功能，用于测试的电机分三个阶段加载。在第一阶段，它以50%的满载负载运行6个小时，在这种情况下，风扇和过载脱扣都没有响应。在第二阶段，电机100%负载，当温度达到920°C时，38分钟后外部冷却风扇开启，并保持开启2小时，无过载跳闸运行。最后，电机负载超过满载能力，在这种情况下，过载跳闸在43秒。结果表明，该系统能有效地保护电机不受过流和过热的影响。外部强制冷却风扇有助于保持电机的温度低于正常工作温度，从而防止用于绕组的铜导体的绝缘破坏。

4．1.成本的含义

截至2020年6月，用于1.5 KW三相感应电机的原型成本为n6,780: 00，对于中小规模的实业家和企业经营者来说，这是相当实惠的。

5.结论

设计、开发、搭建了感应电机保护与控制系统。它被认为是高效、可靠、耐用和坚固的。该系统对尼日利亚的实业家来说是一个推动，因为它将减少燃烧感应电机的案例，以及随之而来的停机时间和成本。该系统价格便宜，易于维修和维护，因为备件和组件可在当地获得。

数据可用性

在手稿中可以得到数据。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

参考文献

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