船用三相異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)

張立心(德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州 253002)

0 引言

船舶電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)按照電動(dòng)機(jī)的容量、型式、控制方式和配電設(shè)備等因素來選擇相匹配的保護(hù)裝置及起動(dòng)設(shè)備。

1 電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與控制關(guān)系

電動(dòng)機(jī)的保護(hù)通常與其控制方式相互關(guān)聯(lián)，即保護(hù)中有控制，控制中有保護(hù)。如電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，往往產(chǎn)生5～8倍額定電流的起動(dòng)電流。若由接觸器或斷路器來控制，則電器的觸頭應(yīng)能承受起動(dòng)電流的接通和分?jǐn)嗫己?，即使是可頻繁操作的接觸器也會(huì)引起觸頭磨損加劇，以致?lián)p壞電器;對(duì)塑料外殼式斷路器，即使是不頻繁操作，也很難達(dá)到要求。因此，使用中往往與起動(dòng)器串聯(lián)在主回路中一起使用，此時(shí)由起動(dòng)器中的接觸器來承載接通起動(dòng)電流的考核，而其他電器只承載通常運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)過載電流分?jǐn)嗟目己?，至于保護(hù)功能，由配套的保護(hù)裝置來完成。

此外，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制還可以采用無觸點(diǎn)方式，即采用軟起動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)主回路由晶閘管來接通和分?jǐn)?。有的為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗，正常運(yùn)行中采用真空接觸器承載主回路(并聯(lián)在晶閘管上)負(fù)載。這種控制有程控或非程控、近控或遠(yuǎn)控、慢速起動(dòng)或快速起動(dòng)等多種方式。另外，依賴電子線路，很容易做到如電子式繼電器那樣的各種保護(hù)功能。

2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

電動(dòng)機(jī)的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的，而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)主要有電流、溫度檢測兩大類型。下面結(jié)合產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

2.1 電流檢測型保護(hù)裝置

(1)熱繼電器利用負(fù)載電流流過經(jīng)校準(zhǔn)的電阻元件，使雙金屬熱元件加熱后產(chǎn)生彎曲，從而使繼電器的觸點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)繞組燒壞以前動(dòng)作。其動(dòng)作特性與電動(dòng)機(jī)繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖然動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確性一般，但對(duì)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有效的過載保護(hù)。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷完善和改進(jìn)，除有溫度補(bǔ)償外，它還具有斷相保護(hù)及負(fù)載不平衡保護(hù)功能等。例如從ABB公司引進(jìn)的T系列雙金屬片式熱過載繼電器，從西門子引進(jìn)的3UA5、3UA6系列雙金屬片式熱過載繼電器，JR20型、JR36型熱過載繼電器。

(2)帶有熱-磁脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器熱式作過載保護(hù)用，結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理同熱繼電器，其雙金屬熱元件彎曲后有的直接頂脫扣裝置，有的使觸點(diǎn)接通，最后導(dǎo)致斷路器斷開。電磁鐵的整定值較高，僅在短路時(shí)動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、動(dòng)作特性符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)可靠，故日前仍被大量采用，特別是小容量斷路器尤為顯著。例如從ABB公司引進(jìn)的M611型電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器，國產(chǎn)DWl56低壓萬能斷路器(200～630 A)、S系列塑殼斷路器(100、200、400 入)。

(3)電子式過電流繼電器通過內(nèi)部各相電流互感器檢測故障電流信號(hào)，經(jīng)電子電路處理后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。電子電路變化靈活，動(dòng)作功能多樣，能廣泛滿足各種類型的電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。其特點(diǎn)如下:

①多種保護(hù)功能。主要有三種:過載保護(hù)，過載保護(hù)+斷相保護(hù)，過載保護(hù)+斷相保護(hù)+反相保護(hù)。

②動(dòng)作時(shí)間可選擇(符合GBl4048.4標(biāo)準(zhǔn))。標(biāo)準(zhǔn)型(10級(jí)):8.2In(In為電動(dòng)機(jī)額定電流)，4～10 s動(dòng)作，用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù);速動(dòng)型(10A級(jí)):8.2In時(shí)，2～10 s動(dòng)作，用于潛水電動(dòng)機(jī)或壓縮電動(dòng)機(jī)過載保護(hù);慢動(dòng)型(30級(jí)):8.2In時(shí)，9～30 s動(dòng)作，用于如鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)等起動(dòng)時(shí)間長的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。

③電流整定范圍廣。其最大值與最小值之比一般可達(dá)3～4倍，甚至更大倍數(shù)(熱繼電器為1.56倍)，特別適用于電動(dòng)機(jī)容量經(jīng)常變動(dòng)的場合。

④有故障顯示。由發(fā)光二極管顯示故障類別，便于檢修。

(4)固態(tài)繼電器是一種從完成繼電器功能的簡單電子式裝置發(fā)展到具有各種功能的微處理器裝置，其成本和價(jià)格隨功能而異，最復(fù)雜的繼電器實(shí)際上只能用于較大型、較昂貴的電動(dòng)機(jī)或重要場合。它監(jiān)視、測量和保護(hù)的主要功能有:① 最大的起動(dòng)沖擊電流和時(shí)間;② 熱記憶;③ 大慣性負(fù)載的長時(shí)間加速;④ 斷相或不平衡相電流;⑤相序;⑥ 欠電壓或過電壓;⑦ 過電流(過載)運(yùn)行;⑧堵轉(zhuǎn);⑨失載(機(jī)軸斷裂，傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌);⑩電動(dòng)機(jī)繞組溫度和負(fù)載的軸承溫度;○11超速或失速。

上述每一種信息均可編程輸入微處理器，主要是加上需要的時(shí)限，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生損壞之前，將電源切斷。還可用發(fā)光二極管或數(shù)字顯示故障類別和原因，也可以對(duì)外向計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

(5)帶有電子式脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器動(dòng)作原理類同上述電子式過電流繼電器或固態(tài)繼電器。功能主要有:電路參量顯示(電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)，負(fù)載監(jiān)控(按規(guī)定切除或投入負(fù)載)，多種保護(hù)特性(指數(shù)曲線反時(shí)限、I2t曲線反時(shí)限、定時(shí)限或其組合)，故障報(bào)警，試驗(yàn)功能，自診斷功能，通信功能等。產(chǎn)品如施耐德電氣公司生產(chǎn)的M系列低壓斷路器。

(6)軟起動(dòng)器的主電路采用晶閘管，控制其分?jǐn)嗷蚪油ǖ谋Ｗo(hù)裝置，一般做成故障檢測模塊，用來完成對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前后的異常故障檢測，如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負(fù)載等故障，并發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用單片機(jī)即可完成，適用于工業(yè)控制。

2.2 溫度檢測型保護(hù)裝置

(1)雙金屬片溫度繼電器直接埋入電動(dòng)機(jī)繞組中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載使繞組溫度升高至接近極限值時(shí)，帶有一觸頭的雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲，使觸點(diǎn)斷開而切斷電路。產(chǎn)品如JW2溫度繼電器。

(2)熱保護(hù)器是裝在電動(dòng)機(jī)本體上使用的熱動(dòng)式過載保護(hù)繼電器。與溫度繼電器不同的是帶2個(gè)觸頭的碗形雙金屬片作為觸橋串在電動(dòng)機(jī)回路，既有流過的過載電流使其發(fā)熱，又有電動(dòng)機(jī)溫度使其升溫，達(dá)到一定值時(shí)，雙金屬片瞬間反跳動(dòng)作，觸點(diǎn)斷開，分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)電流。它可作小型三相電動(dòng)機(jī)的溫度、過載和斷相保護(hù)。產(chǎn)品如Spb、DRB型熱保護(hù)器。

(3)檢測線圈測溫電動(dòng)機(jī)定子每相繞組中埋入PTC熱敏電阻，當(dāng)電機(jī)線圈的溫度接近絕緣等級(jí)要求的溫度時(shí)，其PTC熱敏電阻阻值迅速升高，此信號(hào)傳送至控制箱內(nèi)的過熱保護(hù)器，保護(hù)器根據(jù)此信號(hào)將電機(jī)電路斷開來保護(hù)電機(jī)。

(4)鉑熱電阻傳感器(PT100、PT1000)直接埋入電動(dòng)機(jī)繞組中，與智能溫度控制儀配合使用，可直接顯示定子線圈的溫度，并可設(shè)定保護(hù)溫度，超過保護(hù)溫度后溫度控制儀自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)電源。

(5)軸承鉑熱電阻傳感器(PT100)裝于軸電機(jī)端蓋上，與軸承外圈直接接觸，與智能溫度控制儀配合使用，可直接顯示定子線圈的溫度，并可設(shè)定保護(hù)溫度，超過保護(hù)溫度后溫度控制儀自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)電源，不至于因軸承過熱抱死而引起電機(jī)繞組燒壞。

2.3 保護(hù)裝置與船用三相異步電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)配合

為了確保船用三相異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行及對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)，必須考慮船用三相異步電動(dòng)機(jī)與保護(hù)裝置之間的協(xié)調(diào)配合。特別是大容量電源中使用小容量船用三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，保護(hù)的協(xié)調(diào)配合更為突出。

2.4 過載保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)配合

(1)過載保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)比電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間略長一點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)裝置的特性只有躲開電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的特性，才能確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn);但其動(dòng)作時(shí)間又不能太長，其特性只能在電動(dòng)機(jī)熱特性之下才能起到過載保護(hù)作用。

(2)過載保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作電流應(yīng)比電動(dòng)機(jī)起動(dòng)沖擊電流略大一點(diǎn)。如有的保護(hù)裝置帶過載瞬時(shí)動(dòng)作功能，則其動(dòng)作電流應(yīng)比起動(dòng)電流的峰值大一些，才能使電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。

(3)過載保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)比導(dǎo)線熱特性小一點(diǎn)，才能起到供電線路后備保護(hù)的功能。

2.5 過載保護(hù)裝置與短路保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)配合

一般過載保護(hù)裝置不具有分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰?。一旦在運(yùn)行中發(fā)生短路，需要由串聯(lián)在主電路中的短路保護(hù)裝置(如斷路器或熔斷器等)來切斷電路。若故障電流較小，屬于過載范圍，則仍應(yīng)由過載保護(hù)裝置切斷電路。故兩者的動(dòng)作之間應(yīng)有選擇性。

3 結(jié)語

船用三相異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)是涉及電氣裝置和機(jī)械設(shè)備可靠、正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵之一。直接檢測電動(dòng)機(jī)繞組的溫度來保護(hù)過載引起的過熱是很有效的保護(hù)方式，但由于需直接埋入電動(dòng)機(jī)繞組里，價(jià)格較貴、維修困難等原因，僅在部分頻繁操作場合使用;從經(jīng)濟(jì)性考慮，采用電流檢測型更為有利，加熱繼電器仍是一種價(jià)廉、簡單、可靠的電動(dòng)機(jī)保護(hù)形式(從實(shí)際使用情況看，目前使用量占大多數(shù));對(duì)動(dòng)作性能要求較高及功能要求全或價(jià)格昂貴的大容量電動(dòng)機(jī)保護(hù)，則可采用電子式或固態(tài)繼電器;對(duì)一般要求，則采用帶熱-磁脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器更為實(shí)用。但不管采用何種保護(hù)裝置，必須考慮過載保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)、過載保護(hù)裝置與短路保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)配合。