三相異步電動(dòng)機(jī)斷相分析及保護(hù)

楊帥

摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)作為一種廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)力設(shè)備，由于人為操作和環(huán)境變化等因素而經(jīng)常發(fā)生故障。這些故障的保護(hù)一直是研究人員普遍關(guān)心的問題。在我國，由于電動(dòng)機(jī)缺相故障造成的電動(dòng)機(jī)損壞逐年增加，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危害工人的安全。因此，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面都具有重要意義。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)以斷相運(yùn)行時(shí)，接觸器線圈電壓等于電動(dòng)機(jī)端子線電壓，并且會(huì)受到電磁感應(yīng)的影響。電機(jī)端子線電壓不會(huì)急劇下降到零，也不會(huì)下降到接觸器釋放電壓，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，相關(guān)人員應(yīng)避免上述保護(hù)誤解，需要充分分析電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。三相異步電動(dòng)機(jī)并采取科學(xué)的保護(hù)計(jì)劃。

關(guān)鍵詞：三相異步;電動(dòng)機(jī);斷相分析

1、引言

三相異步電動(dòng)機(jī)作為一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于維護(hù)的電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，已在我國得到廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，設(shè)計(jì)成本的降低和性能的提高，對所用電機(jī)絕緣材料的性能要求越來越高，設(shè)計(jì)裕度越來越小。隨著性能的提高，熱容量和耐熱極限也降低，并且由惡劣的工作環(huán)境引起的對電動(dòng)機(jī)的熱沖擊也在增加。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的官方數(shù)據(jù)，2010年至2014年中國交流電動(dòng)機(jī)的累計(jì)增長約為7%;另一方面，根據(jù)“全國電動(dòng)機(jī)保護(hù)與節(jié)能技術(shù)推廣應(yīng)用”會(huì)議，每年有超過20萬臺(tái)（次）電動(dòng)機(jī)被燒毀，并呈逐年上升的趨勢，導(dǎo)致?lián)p失超過一億。同時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置在工作期間經(jīng)常發(fā)生故障，導(dǎo)致某些電動(dòng)機(jī)無法繼續(xù)正常工作。因此，電動(dòng)機(jī)及其保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，有利于提高我國的工業(yè)產(chǎn)值，提高國民經(jīng)濟(jì)的生活水平。防止電動(dòng)機(jī)中容易發(fā)生的各種故障的早期保護(hù)方法是通過物理作用對其進(jìn)行保護(hù)，并通過機(jī)械系統(tǒng)和電磁組件的作用來完成該保護(hù)。它主要是保險(xiǎn)絲，接觸器，短路和熱繼電器的組合。該保護(hù)方法更經(jīng)濟(jì)，更簡單。我國引進(jìn)了1950年代蘇聯(lián)生產(chǎn)的熱繼電器保護(hù)裝置，屬于此類。但是，由于響應(yīng)速度慢，保護(hù)方法單一，容易受到惡劣的外部環(huán)境的影響，且尺寸過大，使用和推廣受到極大的限制。隨后，使用了溫度保護(hù)和純硬件電子保護(hù)，但是由于缺乏有效的保護(hù)措施并且沒有存儲(chǔ)功能，它們被慢慢淘汰。

2、斷相

缺相是交流電動(dòng)機(jī)中最嚴(yán)重的非對稱故障類型。當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的扭矩穩(wěn)定并且沒有明顯的振動(dòng)。當(dāng)發(fā)生相故障時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的三相電流處于嚴(yán)重的不對稱狀態(tài)，這將產(chǎn)生較大的負(fù)序電流。此時(shí)，扭矩不平衡，振動(dòng)更加明顯。當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，正轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。負(fù)序電流將急劇增加，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)快速升溫，從而很容易損壞電動(dòng)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)的不平衡故障中，斷相引起的故障約占12%。

在電動(dòng)機(jī)的各種故障中，缺相運(yùn)行故障占很大比例。因此，國際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定：如果使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)，則應(yīng)提供防止斷相的保護(hù)裝置。缺相有兩種類型：電動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下的缺相和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的缺相。當(dāng)相在靜態(tài)下斷開時(shí)，由于在電機(jī)繞組中流動(dòng)的電流是轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流，因此電流非常大（相當(dāng)于啟動(dòng)電流），因此可以使用任何形式的熱繼電器來實(shí)現(xiàn)保護(hù);與復(fù)雜狀態(tài)相比，在運(yùn)行狀態(tài)被中斷的同時(shí)，本文重點(diǎn)介紹了運(yùn)行狀態(tài)下的相故障，并提出了斷相故障的保護(hù)方案。

3、三相異步電動(dòng)機(jī)斷相的原因及危害

3.1三相電動(dòng)機(jī)斷相的情況

三相電動(dòng)機(jī)缺相的條件包括：①保險(xiǎn)絲的一相燒斷（最大比率）; ②電源線的一相斷開; ③電機(jī)繞組線與端子之間的一相松動(dòng); ④刀開關(guān)，自動(dòng)空氣開關(guān)，接觸器等開關(guān)設(shè)備的單相觸點(diǎn)損壞; ⑤單相斷開發(fā)生在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中。不允許電動(dòng)機(jī)無相運(yùn)行。首先，如果缺相發(fā)生在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前，則在接通電源之后，定子將無法形成旋轉(zhuǎn)磁場并且無法啟動(dòng)。長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱和損壞。其次，如果在三相電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行過程中發(fā)生缺相，則此時(shí)電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于單相運(yùn)行，因?yàn)榇藭r(shí)的三相電動(dòng)機(jī)具有一定的速度和轉(zhuǎn)向能力，因此負(fù)載電阻扭矩不要太大。電動(dòng)機(jī)仍可以照常運(yùn)行，但是無論定子繞組如何連接，除非電動(dòng)機(jī)的負(fù)載小于其額定值的一半，否則電動(dòng)機(jī)的繞組通常會(huì)過載。負(fù)載越大，過載越嚴(yán)重。由于嚴(yán)重的過載，很容易燒壞電機(jī)。

3.2三相異步電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行的原因

常見情況如下：①惡劣的天氣（如風(fēng)，雨，雪等）導(dǎo)致電網(wǎng)的單相電源斷開; ②刀開關(guān)上的熔體沒有擰緊，或者擰得太緊。熔體的末端破裂），并且熔體看起來是漂浮的。另外，熔體選擇不當(dāng)，并且當(dāng)它更薄時(shí)，一相熔化。 （比例最大）; ③電機(jī)繞組導(dǎo)線與端子之間的一相松動(dòng); ④刀開關(guān)，自動(dòng)空氣開關(guān)，接觸器等開關(guān)電器的單相接觸損壞等; ⑤電動(dòng)機(jī)定子繞組等的單相斷路。上述情況可歸納為：電動(dòng)機(jī)的外部電源斷開，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部繞組斷開。

3.3電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行對電動(dòng)機(jī)造成危害

3.3.1起動(dòng)前斷相

三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前會(huì)發(fā)生缺相。接通電源后，定子將無法形成旋轉(zhuǎn)磁場并且無法啟動(dòng)。轉(zhuǎn)子以強(qiáng)烈的“嗡嗡”聲從一側(cè)擺動(dòng)到另一側(cè)。起動(dòng)電流約為工作電流的4—7倍，隨著時(shí)間的流逝，電動(dòng)機(jī)將被燒毀。

3.3.2運(yùn)行中斷相

三相異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生缺相，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的三相電壓和三相電流不平衡。定子磁場從三相旋轉(zhuǎn)磁場變?yōu)閱蜗嗝}動(dòng)磁場，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大大降低。扭矩使電動(dòng)機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，兩相運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)電流等于額定電流的1.5到2倍。由于大電流長時(shí)間在定子繞組中流動(dòng)，因此會(huì)使定子繞組過熱并引起燃燒。負(fù)載越大，電動(dòng)機(jī)越容易燃燒。

綜上所述，由于電源故障或繞組斷開，不利于電動(dòng)機(jī)的單相運(yùn)行。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以防止三相異步電動(dòng)機(jī)缺相，否則會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過流，過載和燒毀。

4、斷相保護(hù)方案

4.1保護(hù)方案

單片機(jī)用于構(gòu)成智能電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)電路。只要用戶將使用過的電動(dòng)機(jī)參數(shù)輸入保護(hù)器，保護(hù)器就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)的工作電流和電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的一相損壞時(shí)，它可以有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的一相斷開時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于37%，則保護(hù)器將不會(huì)運(yùn)行，但應(yīng)發(fā)出警報(bào)。電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，保護(hù)器監(jiān)視定子電流的變化。定子電流大于額定值，并且接觸器斷開。同時(shí)，發(fā)出聲音和視覺警報(bào)以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。不管負(fù)載率如何，缺相后都不允許電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)電源的相缺相時(shí)，將立即控制接觸器切斷電動(dòng)機(jī)的電源，并發(fā)出聲音和將發(fā)出光警報(bào)，以有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)定子啟動(dòng)電流大于額定電流的7倍時(shí)，或者啟動(dòng)后定子電流大于額定電流時(shí)，保護(hù)器控制接觸器切斷電機(jī)電源，并發(fā)出一個(gè)聲音和視覺警報(bào)，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

4.1.1以發(fā)熱為依據(jù)

由于電動(dòng)機(jī)缺相的最顯著特征是電動(dòng)機(jī)溫度升高的增加，因此首先考慮以電動(dòng)機(jī)加熱為基礎(chǔ)來保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，保護(hù)組件的選擇是熱繼電器。但是，這種方法更適合于電動(dòng)機(jī)繞組的星形連接，并且三角形連接存在某些缺陷，主要是因?yàn)椴捎眠@種連接方法的三相電動(dòng)機(jī)的線電流在某些情況下不能完全反映相電流。過載情況導(dǎo)致熱繼電器的加熱元件不起作用，并且由于過熱而燒毀了繞組。

4.1.2以電壓變化為依據(jù)

斷開電源的第一相后，當(dāng)定子繞組以星形連接時(shí)，發(fā)生相故障時(shí)中性點(diǎn)將移動(dòng)，并且會(huì)出現(xiàn)零序電壓，因此可以使用低壓繼電器。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，它已連接到負(fù)載。低壓繼電器在中性點(diǎn)和大地之間的兩端將沒有電壓，并且繼電器將不工作。當(dāng)發(fā)生相故障時(shí)，將出現(xiàn)零序電壓，這將導(dǎo)致零序電流，并且低壓繼電器將起作用，從而切斷控制電路，然后切斷主電路，以保護(hù)電路。

4.1.3以電流為依據(jù)

由于斷相時(shí)電動(dòng)機(jī)的相電流和線電流會(huì)發(fā)生變化，因此可以使用一個(gè)欠電流繼電器，即在三相電源線上串聯(lián)一個(gè)欠電流繼電器，三個(gè)欠電流繼電器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。常開觸點(diǎn)閉合，當(dāng)斷相時(shí)，由于電流為零，連接到斷相線上的欠電流繼電器將斷電并釋放，從而即使斷相也切斷了控制電路和主電路如果在三角形接線的繞組中發(fā)生故障，則由于兩相線路電流減小，欠電流繼電器被釋放，從而起到保護(hù)作用。

4.2保護(hù)器工作原理

保護(hù)器由監(jiān)控電路，中央數(shù)據(jù)處理電路，數(shù)據(jù)輸入電路，自動(dòng)復(fù)位電路，電機(jī)控制電路，報(bào)警電路，電機(jī)參數(shù)存儲(chǔ)電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）監(jiān)視電路的變壓器獲取電動(dòng)機(jī)的A相，B相和C相定子電流，并將其處理后發(fā)送給中央數(shù)據(jù)處理器;它檢測三相電源是否有相故障，如果相故障，則向CPU發(fā)送相故障信號。

（2）中央數(shù)據(jù)處理器是電動(dòng)機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)者，它將從鍵盤輸入的電動(dòng)機(jī)參數(shù)發(fā)送到電可擦除只讀存儲(chǔ)器。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，中央數(shù)據(jù)處理器接收啟動(dòng)信號，并在一秒鐘內(nèi)確定定子電流是否大于額定定子電流的7倍，或者電動(dòng)機(jī)工作電源的一相是否斷開。如果向控制電路發(fā)送控制信號以切斷電動(dòng)機(jī)電源，則會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)，否則控制電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)之前，有必要檢查電動(dòng)機(jī)的工作電源是否異相，如果存在異相，請切斷電動(dòng)機(jī)的電源并發(fā)出警報(bào)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)中央數(shù)據(jù)處理器收到缺相信號時(shí)，它控制警報(bào)電路發(fā)出警報(bào)。如果負(fù)載率低于37%并在斷相后繼續(xù)運(yùn)行，則A，B和C相的定子電流將不會(huì)超過。僅在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)出聲音和視覺警報(bào)，并且發(fā)電機(jī)的工作功率電機(jī)未切斷。如果不允許，中央數(shù)據(jù)處理器將在收到缺相信號后立即控制電動(dòng)機(jī)控制電路以切斷電動(dòng)機(jī)的工作電源，同時(shí)，將發(fā)出聲音和視覺警報(bào)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作功率正常時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的定子電流大于額定電流時(shí)，應(yīng)發(fā)出保護(hù)信號，切斷電動(dòng)機(jī)的工作功率，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)并發(fā)出警報(bào)。

（3）其他電路。電機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣。存在網(wǎng)格碰撞和電磁干擾，這會(huì)導(dǎo)致CPU崩潰。當(dāng)CPU崩潰時(shí)，復(fù)位電路可以發(fā)送復(fù)位信號來復(fù)位CPU，以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。存儲(chǔ)器使用電可擦除ROM，以確保不會(huì)因電源故障或干擾而丟失電機(jī)參數(shù)。操作員可以從鍵盤向保護(hù)器輸入電動(dòng)機(jī)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。警報(bào)電路從振蕩器產(chǎn)生信號，并由中央數(shù)據(jù)處理器控制以發(fā)出警報(bào)。電動(dòng)機(jī)控制電路由中央數(shù)據(jù)處理器控制，以接通或切斷電動(dòng)機(jī)的電源。

5、結(jié)語

電動(dòng)機(jī)是我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?，確保電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。各種故障引起的交流電動(dòng)機(jī)損壞的數(shù)量每年都在增加，以微處理器為核心的保護(hù)裝置是目前公認(rèn)的保護(hù)方法。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異。隨著處理器和保護(hù)理論的不斷發(fā)展，電動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和升級，一些受各種限制的現(xiàn)有保護(hù)理論可能會(huì)在不久的將來用于大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置中，促進(jìn)保護(hù)設(shè)備更加人性化和網(wǎng)絡(luò)化。

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