张贵畅

摘 要：异步电动机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失。因此，研制一款功能完善、可靠性高的电机保护装置己成必要。本设计介绍了由NE555为核心器件组成的异步电动机保护装置的设计和组成，及其工作原理。在电动机出现缺相、短路、过载、过压、欠压、漏电、温度等故障时，该保护装置可起到保护作用，并拉响警报。利用555芯片奇特的引脚功能，设计并实现各种功能动作，该设计结构简单，动作可靠，经济节能，实用性强，适合于大多数异步电动机。

关键词：电动机；过载；保护；报警

1 前言

1.1 本论文研究的意义

伴随着社会工业化程度的进一步加强，电动机几乎被用于所有的工农业生产领域。为了使电动机安全有效的运行，对电动机安装保护装置显得尤为重要。在工农业生产中，电机等设备一旦发生故障，若仅靠人工进行检测诊断和维修，不仅费工费时，直接影响到生产效率，有时还会造成很大的经济损失。为了能够在故障发生初期实现及时有效的保护，防止故障扩大，设计一款能够在电动机出现故障情况时自动保护的装置，具有实际意义和经济价值。

1.2 电动机保护装置的发展状况及本论文的主要内容

电动机作为拖动各种生产机械的动力设备，是应用最多最广的用电设备之一。我国各种电动机每年所消耗的电能占全国总发电量的60%—70%，其中中小型电动机所耗电量占40%左右，然而电动机出现的故障位居各电气设备之首位。电动机的保护装置主要有三个发展阶段。第一个阶段是电磁式继电保护装置；第二阶段是电子式电动机综合保护装置；第三阶段是以微处理器为核心元件的综合保护装置。

本文主要是以检测异步电动机出现的故障为目的，设计一款异步电动机的保护装置，以便在电动机运行过程中出现故障时，能够及时有效的实现自动保护。根据这些不同故障的特性，以555集成芯片为中心控制端，利用555集成芯片奇特的引脚功能，通过传感器、取样互感器、二极管、电阻电容等器件组成的整流、比较、延时等驱动检测电路，实现对异步电动机出现过载、断相、短路、漏电和温度等故障时进行及时有效的自动保护，并显示警示灯和拉响警报。

2 异步电动机的故障分析

2.1 三相异步电动机的启动故障

电动机从静止状态旋转起来，并达到稳定转速的过程，视为电动机的启动过程。异步电动机启动之前，转差率s为1，转子n为0，由于激磁电流近似为1。当电动机开始启动时，电源电压直接接到电动机的定子绕组上，启动时定子电流达到了额定电流的4～7倍，甚至某些笼型异步电动机启动时定子电流会更大，可达额定电流的8～12倍。因此设计异步电动机启动保护时，一般采用定时限保护来完成。

2.2 三相异步电动机的堵转故障

根据电机与拖动的知识，Tmax是异步电动机运行中可能产生的最大转矩，如果负载转矩Tz>Tmax，电动机将因承受不了而停止转动。电动机的过载能力是用它的过载倍数来表示，及电动机的过载能力等于最大转矩除以额定转矩及Tt=Tmax/Tn。一般把电动机的运行电流大于额定电流的5～8倍视为堵转电流，这种情况称作电动机的堵转故障。

2.3 三相异步电动机的过载故障

当电动机的负载很大，超过电动机的最大负载量，使得转子和定子电流都很大，也就是在某种情况下当电机的实际功率超过额定功率的这种现象称为电机的过载。电动机过载现象主要表现在电动机电流集聚增大，转速下降甚至停转，温度升高；如果电动机所承接负载出现不稳定的变化，转速会忽高忽低；有时电动机发出低鸣声等。

2.4 三相异步电动机的短路故障

三相异步电动机的短路主要有单相对地短路、相间短路、绝缘失效。一般，我们把电动机运行过程中出现运行电流大于8倍额定电流的这种情况视为电动机的短路，此运行电流视为短路电流。对于异步电动机的短路保护装置，必须要求动作越灵敏越好，实施速断保护。为了避开启动电流过大的情形，同样采用相应的反时限保护。

2.5 三相异步电动机的断相故障

三相异步电动机在运行过程中有任何一相断开，便视为断相运行。造成断相的原因主要有电动机电枢绕组断路，电源某一相接触不良等。断相会使原来未运行的电动机无法正常启动，并且伴有低鸣声。

2.6 三相异步电动机的温度故障

电动机在额定负载下正常运行时，虽然存在着的各种损耗，如铜损耗、铁损耗、机械损耗最终将以热能形式扩散出去，这样会使电动机温度升高，但这个温度不会超过电动机的最高允许温度。对异步电动机温度保护设计，是将温度传感器埋入线圈，当线圈温度升高到一定程度之后温度传感器两头膨胀接触，将温度信号转化为电信号 。

2.7 三相异步电动机的漏电故障

当电动机长期在故障状态下运行，或绕组受潮、绝缘损坏而碰壳，槽内有带电杂物时电动机的外壳将带电，这种现象视为电动机漏电。一般人体可通过的安全电流小于0.03A，电压小于36V，电动机漏电电压一般会很大，和电源电压相差无几，这种现象的存在有极大的安全隐患。设计漏电保护时，必须采用急速保护，保护动作速度越快越好。

3 硬件设计

3.1 硬件系统结构设计

硬件系统整体电路由四大部分构成，把要测量的电流或电压等通过输入电路送往驱动电路，经过驱动电路的整流和比较等故障分析，送往控制端，555集成芯片收到信号后，执行自动保护功能，并实现显示和报警。

3.2 NE555集成芯片的功能特点

3.2.1 NE555集成芯片简介

NE555集成芯片是一种用途较广的精密定仪器，成本低，性能可靠。它可用来发生脉冲、自激振荡器、定时电路、延时电路、脉宽缺少指示电路、监视电路等。其工作电压为5～18V，常用电压10～15V，最大输出0.2A。它内部含两个电压比较器，一个 RS 触发器，三个等值串联电阻，一个放电管 T 及输出端。

3.2.2 NE555集成芯片引脚及工作原理

NE555 芯片的功能主要由两个比较器A1和A2决定，它提供两个基准电压 1/3VCC 和 2/3VCC 。A1比较器的同相端和A2比较器的反相端分别由3只5k电阻分压为2/3Vcc和1/3Vcc，当控制端4脚为高电平时，2脚触发端和6脚阀值端输入既可以是数字信号，也可以是模拟信号，可以通过调整控制端5脚的外加信号，改变2脚和6脚输入信号的动作阀值。

3.3 电动机保护装置的电路设计

3.3.1 电源控制电路设计

电源控制电路相当于一个12V的稳压电源。主要通过降压变压器取得12V交流电压，再经过整流滤波输出直流电压，便可做为整个保护装置的供电端。在直流电压输出端接电阻R1和发光二极管LED1，当直流电流通过LED1时，二极管发光，该二极管可做电源指示灯。电源控制原理图如图1所示。

3.3.2 断电保护电路设计

相异步电动机断电保护电路原理图如图2所示。在未出现断电故障（即S1闭合）时，电流通过基极偏置大电阻R2之后，三极管饱和导通，使得三极管集电极为地电平，发光二极管没有正向电流流过，不能发光。当出现断电故障（即S1打开）时，基极无电流流过，三极管被截止，集电极为高电平，发光二极管有正向电流流过而发光，同时蜂鸣器被拉响。滑动变阻器RL1和RL2可以通过调节不同的阻值，来显示额定电流不同的警示灯和音响装备。

3.3.3 漏电保护电路设计

根据NE555集成芯片引脚特点，当4脚复位端为低电平时，不管触发端2脚还是阀值端6脚输入高电平或者是低电平，555芯片处于强制复位状态，即输出端3脚为低电平。

漏电保护原理图如图3所示。利用4脚优先复位的特点，可设计漏电保护电路该设计通过三极管和二极管来完成电路的控制输入部分。当触点没有带电体时，即三极管Q2基极无电流通过，三极管被截止，集电极为高电平，电源流出的电流正向通过二极管D3流入555集成芯片复位端，使得整个电路处于开锁状态，3脚输出端的状态由其他端输入决定。同时电源流出的电流也经过电阻R6正向流入发光二极管LED4使其发绿光，显示正常。当触点有带电体即漏电时，一般漏电电压较大，二极管D1被击穿，处于反向导通状态，发光二极管LED3发红光，蜂鸣器拉响，电流通过三极管Q2之后，由于电压较大，三极管饱和导通，集电极为低电平，正向电流不能流过二极管D6，555集成芯片4脚复位端为低电平，3脚输出端为低电平，电路处于锁定状态。

3.3.4 过载保护电路设计

电机过载保护原理图如图4所示。在电机正常运行情况下，电流为额定电流的1.1倍左右，电流通过电流电感器L1，在可变电阻RL4的作用下，将电流信号变成电压信号，也可以将可变电阻RL4作为调节电流的阀值端，对不同的电流大小进行整定。经二极管D7和电容C3的整流滤波后，由于电容C4不能突变的缘故，U1输入端2脚和6脚为低电平，电压低于1/3VCC和2/3VCC，输出端3脚为高电平，三极管Q3饱和导通，集电极基本上相当于低电平，二极管D8反向截止，芯片555U2阀值端6脚为低电平，电机处于正常运行状态。

当电机出现过载或电压异常的情况下，经过电流互感器取得电流一般为额定电流的5倍以上，经过整流滤波之后的电流先供给电容C4充电，然后放电当放电电压大于2/3Vcc时，U1的3脚输出端为低电平，过载指示灯LED5发光，同时U1的7脚放电端输出为高电平，经电阻R8和电容C4直接接地，又将给C4充电后。当C4的放电电压低于2/3Vcc时，输出端又变为高电平，二极管LED5又关闭，依此往复闪烁发光。U1产生震荡输出。

C6和电阻R14组成过载延时电路，D8为隔离二极管，当电机过载U1的状态输出低电平时，三极管被截止，集电极为高电平，D8正向导通，电源电流经过R12、RL5、R13提供给C6充电电流，当U1的输出状态出现反转时，三极管饱和导通，集电极为低电平，二极管D8反向截止，截断C6的放电回路。因此，在U1的震荡输出作用下，电容C6逐渐升高，当过载达到一定的时间后，电容C6放电，使得U2的阀值端6脚输入为高电平。又因R15和电容C7组成的积分电路，起启动延时作用部分。当电机启动时，U2的触发端2脚有一个缓慢上升的过程，随后变成上拉高电平。U2输出端为低电平，电机停止运行，处于保护状态。

3.3.5 断相保护电路设计

电机断相保护原理图如图5所示。电机断相保护电路也利用了555集成芯片的6脚的高阻抗特性来实现。电动机的电流信号经过L2、L3、L4电流互感器获得，再通过二极管、电容、电阻的整流滤波，变成直流电压信号。当电机正常运行时，串联连接的三极管Q4、Q5、Q6都饱和导通，三个集电极都为低电平，电源电流经过R19之后直接接地，发光二极管LED6无电流不发光，同时二极管D12反向截止，555芯片6输入为低电平，电机正常运行。

当电机出现某一相断相，如电流互感器L3无感应电流时，三极管Q5由于失去偏向电流而被截止，三极管Q4的集电极为高电平。经过R21的电流正向流过发光二极管LED6发光，同时蜂鸣器拉响。

3.3.6 温度保护电路设计

电机的温度保护装置如图6所示。主要有两个温度传感器和555集成芯片来完成，温度传感器埋入绕线圈，来检测电机温度，再转化为电信号。当电机开始运行时，电机处于正常运行状态LED8正常发绿光。随着电机温度升高，传感器1因受热膨胀，触点接触，2脚输入为高电平（即电压大于1/3Vcc），但因传感器2的温度未达到膨胀接触的状态，输入端6脚仍为低电平，NE555芯片输出状态不变，发光二极管LED8正常发光。当温度继续升高，达到传感器2膨胀接触状态，6脚输入为高电平（即电压大于1/3Vcc）时，555芯片输出端为低电平，电机停止运转，同时发光二极管LED7有正向电流流过并且发红光，而二极管LED8反向截止不发光。

将前面设计出的几种电路原理图有效的连接在一起，便构成本设计最终的异步电动机保护装置。

4 结论

本论文通过三片NE555集成芯片为核心的电子元件，实现了对异步电动机的综合保护装置的设计。设计中运用了可变电阻器的可调节性，能够灵活的对不同额定电压的电动机进行保护。能够检测出异步电动机出现的各种预定故障，并实现自动保护。对不同故障拉响不同音频的警报和显示不同颜色的警示灯，当异步电动机的负荷电缆相、地间漏电时，使电动机处于“闭锁”，不能启动等功能。在本论文的理论指导下，亲自动手完成了整个装置的实物设计，通过测试该实物能够实现各种功能，加强了本论文设计的说服力。

在设计过程中遇到了一些问题，如过载保护中延时时间的计算，电阻电容值大小的选取等难点，但在反复调试和查阅资料过程中解决了这些有问题。本设计虽然经济成本低，实用性强，能够对异步电动机起到很好的保护作用，但随着智能技术在各个领域中成熟的发展，本设计不能准确显示具体某部位出现的故障是一尚存在的问题。具体来说，不够智能化是该保护装置的弱点。

参考文献：

[1]许晓峰.电机与拖动[M].高等教育出版社，2009.

[2]陈永甫.多功能集成电路555经典应用实例[M].电子工业出版社，2011.

[3]陈大钦，罗杰.电子技术基础实验[M].高等教育出版社，2011.

[4]王伟超.谈三相异步电动机的保护[J].科技信息（科学教研） ， 2007（22）.

[5]田光民.简析异步电动机的保护与控制[J].科技信息（科学教研） ， 2007（22）.

[6]马占欣.交流异步电动机的保护[J].科技信息（科学教研） ， 2007（28）.

[7]孙志泉.异步电动机的电气装置保护[J].科技促进发展（应用版），2010（02）.

[8]裴喜平.智能电动机保护器中电流检测环节的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2012（02）.

[9]顾晓文.电动机智能保护系统[J].广西轻工业，2011（12）.

[10]吴增桂. 浅析电动机保护器系统抗干扰设计[J].科技创新导报，2010（17）.