基于电机的电流保护方案

为解决电机使用过程中发热和烧坏的问题，需要对电机电流进行检测，以实现对电机限流保护。结合工业企业生产的实际情况，在电机过流保护数学模型的基础上，提出了适用于PLC的电机反时限过流保护方案，给出了方案的软硬件设计。本方案的电机保护性能，已经在实际生产申得到验证。

在工业企业生产中会用到大容量的电机，由于这些电机的长时间连续工作，并且长期受企业生产环境中粉尘、电流变化等影响，电机很容易发热。如果电机不超过限定发热量，则可以安全运行，如果发热量超过限定值，且长时间持续运转，电机温度就会逐渐升高，导致电机性能降低，甚至会烧坏电机，因此对电机进行热保护就显得非常重要。电机发热的原因通常是电流超过额定值引起的，启动时的瞬间电流过高是允许的，但持续的过流必须在限定时间内降下来，否则就需要启动断电威廉希尔官方网站 来保护电机。也就是说电机热保护的实质是：判定电机的过流性质。

1电机反时限过流保护器的发展趋势

反时限过流保护可以理解为保护动作时间随电机电流变化而变化。其关键点有两个：一是电机电流超过额定电流规定时间保护将被启动；二是电机电流越大保护动作时间越短。各国专家都在研究这种保护方式，最早采用常规双金属片热继电器，上世纪七、八十年代采用模拟威廉希尔官方网站 设计的反时限过流保护威廉希尔官方网站 ，九十年代后采用功能强大的智能化仪器，现代企业是以PLC为核心的电机保护系统。常规双金属片热继电器的缺点是不可靠、不稳定，模拟威廉希尔官方网站 设计的反时限过流保护威廉希尔官方网站 是利用电容恒流充电设计的过流保护器，缺点是威廉希尔官方网站 设计繁杂、通用性较差、电子器件多，以单片机为核心的电机保护器采样精度有了质的飞跃，PLC为核心的电机保护系统采样精度更进一步。

2建立电机反时限过流保护的数学模型

电机正常运行时电机发热量和电机散热量相等可达到热平衡，电机连续运行不会烧坏，保护威廉希尔官方网站 不启动。设Ie为该电机额定电流值，在时间段t内的额定电流发热量为

在电机过载运行时，电流的大小不是恒定的，而是不同时刻实际电流的大小可能不同，过载电流的热效应随时间累积，过载热量对时间积分。因此式（1）可以表示为：

式（3）只适用于1.05≤n≤7时的热效应变化情况。实际使用中还有两种种情况，一是当

图1 反时限过流保护曲线图

计算机只能处理离散数据，而式（3）积分形式是连续曲线，因此，将式（3）进行离散化处理整理得：

式中启动前热量累加求和的次数为N.采样时间间隔为△t，取循环中断OB38的时长100 ms.因△t很小，假设采样电流基本不变。当累积热量小于C时，清除过载闭锁，电机重新启动。

程序实现：根据行业标准，考虑热量积累快慢不同，散热速度不同，结合实际及现场的通风散热，经反复计算和测试，调整数学模型中参数C，最终为提高电机的反时限过流保护精度，确定采用：

3电机反时限过流保护方案的设计框图

本方案的主控制器选PLC，原因是其具有易扩展、故障率低、稳定性高、可靠性强等优点。

电机保护系统包括硬件和软件两部分。

硬件主要包括主控计算机、模数转换模块、控制接触器和模拟信号提取等部分。主控计算机由主控制器PLC（西门子公司的可编程逻辑控制器PLC）、键盘、鼠标、显示器构成，控制接触器由中间继电器和主接触器构成，模拟信号提取由电流互感和变送器构成，模数转换模块由外部扩展数字量输出模块DO、数字量输入模块DI和模拟量输入模块AI等构成。硬件设计框图如图2所示。

图2 硬件设计框图

软件部分采用STEP7软件的STL语言编程。

设计思路：一是测当前的电流值；二是根据电流过载倍数分段；三是计算出随实时电流变化的保护时间（根据电流过载倍数）；四是按固定时间延时保护。

设计缺点：这是一个时间的累积过程，只能估计热量的变化，不能反映电机热量的实时变化（忽略了电流上升的升温过程），需经反复实验得程序流程图如图3.

图3 软件流程图