簡述感應電動機的斷相保護

威世通用半導體(中國)公司 邊文濤

簡述感應電動機的斷相保護

威世通用半導體(中國)公司 邊文濤

感應電動機斷相運行也成為單相運行,是三相感應電動機主要故障和損壞的一個主要原因。本文簡要闡述了感應電動機斷相運行的機理、感應電動機斷相保護的基本定義、熱繼電器作為感應電動機斷相保護的局限性、使用交流接觸器實現(xiàn)斷相保護的誤區(qū)。

感應電動機斷相保護熱繼電器交流接觸器

一、引言

感應電動機斷相運行也稱為單相運行,是三相感應電動機的主要故障和損壞的一個主要原因。據(jù)統(tǒng)計,在某些單位,因為斷相運行而燒毀的電動機竟多達損壞電動機總臺數(shù)的80%以上。特別是在農(nóng)村地區(qū),這類事故更屬常見。

造成三相感應電動機斷相運行的原因有很多,例如:熔斷器一相熔斷、電源線一相斷線、電動機繞組引出線與接線端子之間松脫以及刀開關、低壓熔斷器、接觸器等開關電器的一相損壞。在這些原因當中,尤其以熔斷器一相熔斷為最多。

本來是接在電網(wǎng)上三相均衡的運行著三相感應電動機,突然因為上述某種原因斷了一相,其運行方式將發(fā)生變化。比如說,直接把一臺三相感應電動機接在兩相電源上,電動機就無法啟動。因為在這種場合,只能產(chǎn)生脈動磁場,不能產(chǎn)生旋轉磁場,所以啟動時作用在電動機轉子上的平均轉矩等于零,電動機自然無法啟動。然而,當三相感應電動機啟動以后,如果切斷它的一相電源,電動機就處于單相運行狀態(tài)。這時,電動機與靜止時不同,當它在三相正常運行時斷了一相時,它已經(jīng)有了一定的轉速和轉向,所以電動機仍然能夠正常運行。所謂單相運行或斷相運行,就是這種情況。

為了保障電動機的安全運行,使其在發(fā)生斷相運行時能及時停止電動機的運行,避免造成電動機燒毀事故,一般重要電動機都裝有各種保護裝置,尤其是斷相保護。

二、電機斷相燒毀的機理

電機由于斷相燒毀,占電機總損壞的85%左右,這是一個驚人的數(shù)字,必須引起我們給予足夠的重視,為此我們有必要把斷相燒毀的電磁過程和相應的參數(shù)變化定量的描繪出來,有利于我們采取有效的斷相保護措施。感應電機在運行中斷相后,即進入單相運行狀態(tài),形成兩個方向相反的旋轉磁場,在轉子中感生兩個頻率相差很大的電流的疊加,因此,電機單相運行在轉子中的損耗(包括銅損和鐵損),相當于電機在三相運行時,在功率相同的條件下,轉子功率損耗的2倍,導致轉子的溫暖急劇升高。由于電機單相運行,它的允許功率下降到額定功率的50%～60%,如果單相運行的功率接近于額定功率,電機繞組電流增大,定子溫度也同時急劇升高,如果不切斷電源,電機即將燒毀,這就是電機在運行中斷相,導致燒毀的根本原因。

由該特性曲線看出:電機運行在1.5In時的情況下,電機使用壽命只有3小時。如果電機工作在額定電流In的情況下發(fā)生斷相,由前節(jié)可知,非斷相繞組的相電流為額定電流的2倍,由圖1可知,如果不及時切斷電機電流,電機以“分”一級的時間即將燒毀,這就是電機在運行中由于斷相,導致電機燒毀的根本原因。

圖1 電機斷相電流與電機使用壽命的關系曲線

三、感應電動機斷相保護的基本定義

我們知道,國際電工委員會(IEC)所編輯的國際電工詞典(International Electro-technical Vocabulary)對每一個電工術語都有確定的定義,這是為了人們統(tǒng)一的理解與認識,避免誤解。目前我們還沒有感應電動機的斷相保護(Open-phase Protection of Induction Motor)的定義。根據(jù)電動機斷相后的運行狀態(tài)極其電流增加的變化,和電機過載與其使用壽命的關系,我們建議感應電動機斷相保護的基本定義應為:從電機斷相的瞬間開始,即刻進行斷相信號撿取,通過邏輯判斷(判斷是斷相還是噪聲干擾),無論電機運行的負載大小(空載、半負載或者是滿載),在確定的時間內(“秒”一級的時間),給出正確無誤的斷相指令信號切斷電流,實現(xiàn)電機的斷相保護。

由于沒有電機斷相保護的統(tǒng)一定義,造成對電機斷相保護理解上的混亂,不少標有電機斷相保護功能的器件,實則用上后,實現(xiàn)不了斷相保護,正如文獻[4]所指出,僅就由于電機斷相燒毀電機,占損壞電機總數(shù)的85%,而在斷相燒毀電機的控制回路中,絕大部分都配備了標有所謂具有斷相保護功能的元件。因此對電機斷相保護,必須有正確統(tǒng)一的認識,不能隨意使用,要嚴格用電機斷相保護的定義,來衡量該產(chǎn)品是否確有斷相保護功能。必須杜絕那些名不符實的產(chǎn)品充斥市場,在應用方面造成混亂,給國家在經(jīng)濟方面造成不應有的損失。我國應用電機的數(shù)量很大,由于斷相燒毀電機的比例如此之大,我們必須嚴肅認真來對待電機斷相電機斷相保護這個問題。

四、熱繼電器作為感應電動機斷相保護的局限性

目前對感應電機的過載和斷相保護,廣泛使用的是具有反時限延時特性的雙金屬片熱繼電器,日本、南韓、俄羅斯和我國仍然在使用。在電機運行中,采用該種保護元件,由于斷相導致電機燒毀,屢見不鮮,這是在實踐中暴露出來的問題,究其原因有以下幾個方面的問題。

(1)具有反時限特性的熱繼電器,不能直接檢測電機斷相這個開關量(或者邏輯變量),而是間接的檢測正常運行兩相的線電流的增大,過載電流檢測通常是在額定電流10～20%的范圍[1]。而斷相后的線電流是斷相前的1.7～1.8倍(對于三角形連接的定子繞組,非斷相繞組的相電流是斷相前的2倍),如果電機斷相前在額定功率運行,前已指出:定子與轉子溫度同時急劇升高,由圖1的特性曲線看出,如不在較短的時間內切斷電源,電機即將燒毀。它的根本缺陷,是從電機斷相的瞬間開始,到切斷電源這段時間不能定時約束,受多種因素的影響超過時間允許極限,電機即將燒毀,這可能是用反時限熱繼電器用于電機斷相保護失效的重要原因之一。

(2)熱繼電器動作電流難于準確整定。為了電機具有熱繼電器保護的控制回路正常工作,要求熱繼電器的整定電流要與被保護電機的工作電流相一致,如果電機的工作電流大于熱繼電器整定電流的1.05倍以上,則經(jīng)過1小時的延時間,熱繼電器切斷電源,這樣精確的整定要求是難于實現(xiàn)的。熱繼電器的動作是與雙金屬片的溫度有關的,而該溫度是與電流的平方成正比,這樣一個非線形關系,對熱繼電器的電流整定帶來困難,國產(chǎn)熱繼電器電流的整定機構,是用膠木壓制的非線形凸輪,雖在整定的圓盤上有4個數(shù)字,標明與整定電流有確定的對應關系,但在兩數(shù)字之間的整定值只能大致估計,因此,熱繼電器的電流整定值實現(xiàn)不了準確的與被保護電機的工作電流相一致。例如熱繼電器的整定電流大于電機電流的1.7～1.8倍,電機在運行中發(fā)生斷相,熱繼電器將拒絕動作,則將導致電機的燒毀。

在工程實踐中,電機功率的選擇偏于保守,往往大于實際負載所需的功率,這樣給熱繼電器的電流的整定帶來困難,如按電機額定電流整定,電機斷相熱繼電器同樣有可能拒絕動作;如按電機實際工作電流整定,則要進行現(xiàn)場實測,在工程中又有一定困難,這是具有反時限熱繼電器用于斷相保護失效的重要原因。如果熱繼電器的整定電流恰與被保護電機電流相一致,斷相時也是可以實現(xiàn)斷相保護的,但是大量的工程實踐證明,具有反時限特性的熱繼電器,在電機斷相保護中成功率極低,即使實現(xiàn)了斷相保護,往往也是以犧牲電機使用壽命付出代價。

如按前面所建議的電機斷相保護定義的要求,來測量熱繼電器的斷相保護功能,也可以說具有反時限特性的熱繼電器,它不具有斷相保護功能,因為參數(shù)整定不當,出現(xiàn)斷相而不保護,導致斷相電機燒毀的嚴重后果。

五、使用交流接觸器實現(xiàn)斷相保護的誤區(qū)

眾所周知,用交流接觸器對三相電動機進行繼電控制的電路,具有失壓(零壓)和欠壓保護。但是,對其不具備斷相保護功能。

交流接觸器的工作特性告訴我們,接觸器的線圈電壓在85%～105%額定電壓時,就能保證可靠工作;接觸器吸合所需的電壓較高,在其額定電壓的85%以上才能動作;而釋放電壓一般僅為額定工作電壓的70%～35%以下,這時線圈所需要的吸引功率很小。

通過對圖2所示的電動機控制電路進行實驗可以發(fā)現(xiàn),當電動機在額定電壓下工作時,如果U,V,W三相中任一相運行中出現(xiàn)斷相,都不會發(fā)生接觸器因斷相而釋放的保護現(xiàn)象。無論電動機是星形(Y)還是三角形(△)連接都是如此。這就告訴我們,用交流接觸器控制的三相電動機根本就不具備斷相保護功能。

圖2

不過,到目前為止,仍然有人認為:如果把電動機的控制電路接在V,W兩相上,當V,W中任一相斷相時,都會出現(xiàn)線圈電壓很低,使交流接觸器釋放而保護電動機。其實,這是不正確的。接觸器是不會因某相斷相而釋放主觸點的。因控制線路所接的兩相電源缺了一相而燒毀的例子不勝枚舉。這種控制電路只有當任意兩相都斷相時,才會出現(xiàn)失壓保護。

這其中的道理并不難解釋。因為三相電動機的定子繞組類似變壓器的初級線圈,雖然有某相斷開,但是由于交流電的交變電場的作用,仍使斷相后所對一應相的繞組中,存在著較大的感應電動勢;又因為電動機繞組間的偶合系數(shù)較小,故繞組中感應電動勢略小于外加的相電壓值。從控制電路圖中可見,接觸器的主觸點已將控制回路與電動機的定子繞組接成閉合回路。那麼,加在接觸器線圈兩端的電壓是一個略小于原額定電壓的值,在額定電壓的85%以上。這樣就使得接觸器能保持在一種比較穩(wěn)定的吸合狀態(tài),即使電壓再低一些,也不會釋放主觸點。這就使三相電動機在單相工作狀態(tài)下運行。當所承受的負載不變時,通電繞組中的電流就會增大很多,時間長了就會因為過熱而燒毀電動機的繞組。

六、結語

感應電動機中無論定子繞組是星形接法或三角形接法,在電動機運行時發(fā)生斷相而電動機又帶較重負載,定子繞組中某一相或兩相的相電流都會超過正常運行工況下的(1.66～2.2)倍。運行時間長了就會使繞組過度發(fā)熱而燒壞。若在啟動前就已經(jīng)發(fā)生斷相,此時若將電源加上,根據(jù)電動機故障的情況不同,有可能導致啟動轉矩為零,電動機無法啟動;即使啟動轉矩不為零,電動機可以啟動,但是啟動電流也較大,運行時間長了同樣也會燒壞電機。

[1]張冠生.電器理論基礎,1995

[2]湯蘊繆,史乃,陳子痛.電機學,1999年

[3]汪國梁.電機學,1994年

[4]許實章.電機學,1996年

[5]趙明.工廠電器控制設備,1994年

[6]方鴻發(fā).低壓電器,1993

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