淺談電動(dòng)機(jī)保護(hù)器原理及發(fā)展前景

劉超 李瑞

中國建材國際工程集團(tuán)有限公司 安徽 蚌埠 233018

引言

電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)施主要的作用是在線路或者電動(dòng)機(jī)存在故障時(shí)可以及時(shí)做出可靠動(dòng)作，切開電源以及電動(dòng)機(jī)的聯(lián)系，使得電動(dòng)機(jī)能夠停止工作，以此來減輕故障帶來的危害，避免事故的發(fā)生或者持續(xù)危害，保護(hù)相關(guān)設(shè)施以及電動(dòng)機(jī)，有利于相關(guān)人員展開排查檢修工作，快速地恢復(fù)生產(chǎn)，進(jìn)一步減輕事故造成的損失。隨著我國工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的數(shù)量逐漸增多，其工作的安全性以及穩(wěn)定性等受到社會(huì)各界越來越重視，所以，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器發(fā)展及性能要求也愈發(fā)嚴(yán)格。

1 三相異步電機(jī)常見故障分析

電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的起因多種多樣，其中，占比較大的是電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不正常導(dǎo)致的。電動(dòng)機(jī)在正常工作的情況下，溫度、電壓和電流等參數(shù)都會(huì)在限定的范圍內(nèi)。一旦電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，電機(jī)的電壓、電流、溫度等參數(shù)將出現(xiàn)較大變化，超出正常范圍，如果得不到及時(shí)的處理可能燒毀電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，保護(hù)器的作用就體現(xiàn)出來了，合理的使用電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，可以在電動(dòng)機(jī)工作異常時(shí)，及時(shí)做出可靠動(dòng)作，保護(hù)電動(dòng)機(jī)以及其他設(shè)施安全，減少經(jīng)濟(jì)和其他損失[1]。

電動(dòng)機(jī)的故障一般來說包括對(duì)稱故障以及不對(duì)稱故障。電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱故障分為堵轉(zhuǎn)、過載、過電壓等，對(duì)稱故障的特點(diǎn)是發(fā)生故障的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的二相基本處于對(duì)稱的狀態(tài)，但是故障電流、電壓會(huì)增大，使得電動(dòng)機(jī)發(fā)熱增加從而發(fā)生故障，因此，我們一般以電流、電壓的值作為判斷對(duì)稱故障的標(biāo)準(zhǔn)。過載是指電動(dòng)機(jī)以高于額定功率的狀態(tài)運(yùn)行，一般來說，在過載倍數(shù)比較低的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)會(huì)工作一段時(shí)間不出現(xiàn)故障，但是不能長時(shí)間處于過載狀態(tài)，否則容易發(fā)生故障，過載保護(hù)的方法多種多樣，常見的有熱繼電器保護(hù)法、直接測(cè)溫法、利用反時(shí)限過載數(shù)學(xué)模型保護(hù)等等，國外許多公司例如ABB, BBC等一般采用反時(shí)限方式實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。堵轉(zhuǎn)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障，或者負(fù)載太大等，轉(zhuǎn)子不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)不能正常工作的狀態(tài)。當(dāng)全電壓的時(shí)候，如果出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，電流將極速上升，容易引發(fā)生產(chǎn)事故。過電壓是指當(dāng)主線路的電壓高于規(guī)定的臨界值的時(shí)候，電機(jī)容易燒毀。不對(duì)稱故障主要包括二相不平衡、斷相等等。在這些故障發(fā)生的時(shí)候，二個(gè)相的電流不對(duì)稱。我們通常用二相電流最大差值與二相平均電流的比值來衡量不平衡的程度。斷相是某一相斷電或低于斷相保護(hù)設(shè)定的臨界值。不同的故障，表征量的變化也不一樣，我們希望電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能根據(jù)不同故障的特征量進(jìn)行故障判斷，自動(dòng)保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)特征量在正常工作范圍之外時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置就能做出相應(yīng)動(dòng)作，斷開電路，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，防止事故發(fā)生。因此保護(hù)裝置只有快速靈敏、可靠才能及時(shí)、正確、有效地完成保護(hù)功能[2]。

2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器發(fā)展

新中國剛成立的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)設(shè)備常常以熔斷器、雙金屬片熱繼電器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開關(guān)、電磁型繼電器等機(jī)械式保護(hù)裝置為主。

熔斷器是最古老的保護(hù)器，工作原理是電流大于一定值時(shí)，熔斷器熔體將因?yàn)樽陨淼臒崃慷蹟啵源藬嚅_回路，原理相當(dāng)于保險(xiǎn)絲，使得電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。熔斷器安裝簡便，價(jià)格低廉，但其功能少，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生的過載等故障時(shí)，無法起到保護(hù)作用。另外，將熔斷器用于保護(hù)二相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，若其中一相的熔斷器因電流過大而斷開，則會(huì)導(dǎo)致二相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相，引發(fā)一系列事故[3]。

熱繼電器是一個(gè)在中國20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的產(chǎn)品。由于它有著結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)用便利、價(jià)格便宜等一些優(yōu)點(diǎn)，始終沿用到現(xiàn)階段。然而，它還具有一個(gè)致命缺陷，主要包含受到環(huán)境的影響比較大、整體粗糙以及重復(fù)性較差等，而且在啟動(dòng)過程當(dāng)中不可以有效地排除故障。在發(fā)生長時(shí)間輕微過載等問題，使得電動(dòng)機(jī)的繞組形成熱積累過程中，串其接到主電路當(dāng)中，沒有辦法直接地檢測(cè)繞組溫度，沒有辦法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。組成系統(tǒng)過程中，附帶其他許多種控制的產(chǎn)品，進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性?；跓崂^電器電動(dòng)機(jī)這一保護(hù)的方案已然沒有辦法滿足嚴(yán)格的要求。

三相異步電動(dòng)機(jī)是很多系統(tǒng)中重要的動(dòng)力源, 在風(fēng)力發(fā)電廠、港口運(yùn)輸、礦山開采、自動(dòng)化生產(chǎn)線等各大領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展影響重大。正常運(yùn)行時(shí)，電流經(jīng)過三相繞組的時(shí)候，會(huì)因?yàn)殡娮璁a(chǎn)生損耗，其中損耗的大部分轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫度升高，正常情況不會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行。但是當(dāng)出現(xiàn)長時(shí)間過載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)等故障情況，就會(huì)引起電流迅速增大，溫度迅速升高，更可能造成電動(dòng)機(jī)燒毀，引發(fā)安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[4]。

在20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體的模擬器件逐漸出現(xiàn)在大眾的視野當(dāng)中，進(jìn)一步涌現(xiàn)出來性能可靠、多樣化功能的一些電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，為其有效運(yùn)行提供非常可靠的保障，然而，此類型產(chǎn)品仍舊具有沒有辦法克服的一些缺陷，主要包括整定的精度不夠高，沒有辦法實(shí)現(xiàn)有著許多種的保護(hù)功能集一體的保護(hù)。隨著我國現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展 ，電子式的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器已然從晶體管逐漸朝向集成電路發(fā)展，微處理芯片厚膜電路，產(chǎn)品集遙測(cè)、保護(hù)以及通信于一體，對(duì)其存在的故障得以保護(hù)。高級(jí)類型的產(chǎn)品還有著電壓、電流顯示啟動(dòng)時(shí)間監(jiān)視，時(shí)間控制、軟件診斷，來電自動(dòng)恢復(fù)、啟動(dòng)順序、運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)警，帶通信接口等 ，運(yùn)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的總線系統(tǒng)當(dāng)中，使得監(jiān)視及控制與變得更加的方便，最大限度地提升控制及保護(hù)的可靠性[5]。

3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的保護(hù)原理

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主要由三相電流的互感器、放大以及檢測(cè)電路、執(zhí)行繼電器共同構(gòu)成。在檢測(cè)電路過程當(dāng)中，檢測(cè)出來電流互感器感應(yīng)的電流缺相時(shí)，通過放大器放大之后，繼電器才能夠開始工作。其觸頭應(yīng)當(dāng)串接到線圈供電的回路中，隨著繼電器開始工作以后，使接觸器和電流可以斷開斷電，這樣一來，就可以起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。延時(shí)電路使用避開電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的電流比較大，如果其保持的時(shí)間比較短需要按照實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

熱繼電器的有效保護(hù)就是經(jīng)典電機(jī)星三角的啟動(dòng)形式，在20世紀(jì)80年代之前進(jìn)行運(yùn)用的。因?yàn)闊崂^電器技術(shù)較為落后，倘若運(yùn)用到熱繼電器對(duì)大型的電機(jī)需要展開保護(hù)措施，就會(huì)使大電線存在斷點(diǎn)的現(xiàn)象，也就是經(jīng)常所說進(jìn)出熱繼電器當(dāng)中螺絲的接線問題，使它存在發(fā)熱點(diǎn)以及故障點(diǎn)。倘若不運(yùn)用熔斷器以及熱繼電進(jìn)行保護(hù)，使用到電機(jī)綜合的保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)楸Ｗo(hù)器就是穿心式的，因此能夠最大限度地減少大電線斷點(diǎn)的問題， 進(jìn)一步減少故障點(diǎn)和發(fā)熱點(diǎn)。 在運(yùn)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過程當(dāng)中，主要的問題就是應(yīng)當(dāng)處理好控制線路的接線，進(jìn)一步地保證機(jī)器可以正常運(yùn)行，它還能夠代替接觸器以及斷路器等多種的低壓電器。

熱繼電器主要就是由觸點(diǎn)以及發(fā)熱元件等組成的。熱繼電器只可以用來過載保護(hù)，并不可以使用短路保護(hù)。往往會(huì)運(yùn)用在電源的回路當(dāng)中，使用到串接熔斷器方法，進(jìn)一步地保護(hù)電動(dòng)機(jī)短路。熱繼電器非常依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)所形成動(dòng)作，進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)停機(jī)的保護(hù)，當(dāng)動(dòng)作結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械形變以及機(jī)械疲勞過程當(dāng)中，使得動(dòng)作閥值能夠偏離設(shè)定值，從而導(dǎo)致保護(hù)失效。普通熱繼電器，并不具有斷相保護(hù)的功能[7]。

電磁型的繼電器主要就是運(yùn)用到電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作，當(dāng)線圈的電流不斷增加時(shí)，能夠使電磁力比彈簧力要大許多，電磁式繼電器大多數(shù)都會(huì)用到電流的保護(hù)當(dāng)中，一般和主回路進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)用，通過判斷電流的大小，以此來保護(hù)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)存在短路故障時(shí)，大電流可以流過繼電器的線圈，從而形成很大電磁力，使繼電器動(dòng)作，斷開回路，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)展開保護(hù)的工作。電磁型繼電器運(yùn)行比較可靠，但其保護(hù)的靈敏度也比較低，如果動(dòng)作值和動(dòng)作的時(shí)間沒有進(jìn)行合理地匹配，就會(huì)引發(fā)一系列的故障[8]。

4 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展前景

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷地發(fā)展，工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)也在朝向智能化的方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)用變得更加的廣泛。所以，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的性能要求也更為嚴(yán)苛?，F(xiàn)階段，中國市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)器都會(huì)具有一定的缺陷，譬如保護(hù)的功能比較少、可靠性比較差、人機(jī)的界面不夠友好等，所以，在運(yùn)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)器不可以在發(fā)生故障過程當(dāng)中，馬上有效保護(hù)設(shè)備，從而使得發(fā)生經(jīng)濟(jì)損失以及重大事故，然而一些國外電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置盡管有著非常高的性能，然而，其價(jià)格比較昂貴，很難在中小型的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中充分獲得廣泛推廣，所以，研究智能的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器顯得非常的重要。以后，智能電動(dòng)機(jī)的保護(hù)器依舊是中國電動(dòng)機(jī)重要的發(fā)展方向，主要具有下述幾個(gè)方面：a.發(fā)展以及完善電動(dòng)機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)理論，進(jìn)一步探究故障的特性，使保護(hù)器具有清晰故障保護(hù)的根據(jù)；b.發(fā)展以及完善有關(guān)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置方面的保護(hù)功能，使它的保護(hù)特性以及其規(guī)范要求能夠充分吻合，有著比較寬以及連續(xù)可調(diào)的范圍、有著高運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。c.發(fā)展以及應(yīng)用現(xiàn)代電子信息等技術(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)保護(hù)器能夠由網(wǎng)絡(luò)化以及故障診斷等功能朝向功能化方向發(fā)展[9]。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國科技不斷地發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器也正朝向多元化的方向發(fā)展。在電動(dòng)器具體運(yùn)用過程當(dāng)中，電機(jī)運(yùn)營的狀況能夠影響到施工的進(jìn)程。這就需要相關(guān)工作人員處理這種問題過程當(dāng)中，需要充分地考慮其具體的情況，及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)判出來電動(dòng)機(jī)內(nèi)部各種的故障，合理科學(xué)地選擇保護(hù)的功能以及方式，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)良好的運(yùn)行，達(dá)到提升設(shè)備設(shè)施運(yùn)行可靠性。