雙速電機(jī)控制電路中熱繼電器冒煙故障分析與排查*

劉 歡，楊正勇，簡(jiǎn)立明

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

0 引言

課題組所在單位的電工實(shí)訓(xùn)中心購買了幾臺(tái)型號(hào)為YD90S-4/2型雙速電機(jī)（380 V、△/YY接法、1430/2850 rpm、0.85 kW/1.1 kW、2.3 A/2.8 A、50 Hz），第一次使用就出現(xiàn)了異常情況，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)能正常低速啟動(dòng)運(yùn)行，但進(jìn)行低速/高速切換時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速過載保護(hù)的熱繼電器冒煙燒毀。雖然多次進(jìn)行各種試驗(yàn)，甚至將熱繼電器的整定值調(diào)至30 A，熱繼電器仍然冒煙燒毀，無疑問題出在電動(dòng)機(jī)上。

為了鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新、精益求精的工匠精神，課題組指導(dǎo)電氣控制協(xié)會(huì)的同學(xué)設(shè)計(jì)制作雙速電機(jī)控制電路，控制對(duì)象就采用這種“問題”雙速電動(dòng)機(jī)，指導(dǎo)學(xué)生用數(shù)字萬用表測(cè)量各相繞組引出端的直流電阻，通過比對(duì)分析，標(biāo)示出電動(dòng)機(jī)定子繞組出線端，并按該標(biāo)示接線，該批次雙速電動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行低速/高速切換。

1 變極調(diào)速原理

在工業(yè)生產(chǎn)中為了獲得較高的生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，常要求生產(chǎn)機(jī)械能在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行工作，若采用電氣調(diào)速，可大大簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)[1]。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式如下：

由異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有3種方法：改變轉(zhuǎn)差率s、改變電源頻率f、改變磁極對(duì)數(shù)p。在電源頻率恒定的條件下，改變磁極對(duì)數(shù)p就可改變同步轉(zhuǎn)速n0和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。

變極調(diào)速只適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)[2]，因?yàn)榛\型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，隨定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)改變而改變，這樣形成有效平均電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到變極調(diào)速的目的。

單繞組雙速電動(dòng)機(jī)的變極方法有反向法、換相法和變跨距法等，其中以反向法應(yīng)用最為普遍。反向法是通過改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的連接方式，使部分繞組的電流方向反向。下面以2/4極線圈為例說明反向變極的原理。

如圖1所示，當(dāng)電流通過線圈的某瞬間，每個(gè)線圈邊產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其方向根據(jù)右手螺旋定則確定。圖中符號(hào)“×”表示電流流入紙面，符號(hào)“.”表示電流從紙面流出，這樣就形成S、N兩個(gè)磁極。

圖1 2P=2極的接線

若將一半線圈電流反向，如圖2所示，即改變繞組的接法，則這時(shí)的磁場(chǎng)變形成4個(gè)磁極，磁極數(shù)增加了1倍，這種變極法被稱為倍極比反向法。

圖2 2P=4極的接線

單繞組變極可以使定子繞組磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)成倍數(shù)關(guān)系改變，從而獲得倍極比（如2/4極、4/8極）的雙速電機(jī)。也可獲得非倍極比（如4/6極、6/8極）的雙速電機(jī)。

2 雙速電動(dòng)機(jī)高低速的旋轉(zhuǎn)方向

以定子24槽、2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)為例，采用反向法作出槽電勢(shì)分布圖并對(duì)其繞組進(jìn)行排列，從而探索雙速電動(dòng)機(jī)低速與高速的旋轉(zhuǎn)方向。

2.1 二極槽電勢(shì)分布圖

選2極為基準(zhǔn)極，作出槽電勢(shì)分布圖，其作法步驟如下。

2.1.1 計(jì)算基本參數(shù)

2.1.2 編寫槽號(hào)

編號(hào)的行數(shù)為磁極對(duì)數(shù)，即1極為1行，2極為2行。

2.1.3 確定槽的相屬和每槽的電角度

取每極相槽數(shù)為一相帶，每個(gè)相帶按a、c、b次序循環(huán)排列，并將各槽相屬標(biāo)在槽號(hào)下，再根據(jù)計(jì)算參數(shù)標(biāo)出相鄰兩槽的電角度。本例中，每極相槽數(shù)為4，所以取每一相帶為4槽，按a、c、b次序循環(huán)排列，然后將α=15°標(biāo)示在表格中相鄰兩槽之間。

2.1.4 確定A、B、C相軸和a、b、c副軸

在任意一個(gè)相帶中取一對(duì)稱位置，并定出某相的相軸，在距該相軸120°和240°電角度處定出另外兩相的相軸，使三個(gè)相軸對(duì)稱并互差120°電角度，并用同樣的方法在距某相軸180°電角度處定出3個(gè)副軸。如在A相4槽（1a、2a、3a、4a）中，取對(duì)稱中心位置定為A相軸，距120°、240°電角度處定為B、C相軸，再距相軸180°電角度處分別定出a、b、c副軸。

2.1.5 確定槽電勢(shì)方向

各槽電勢(shì)方向可依據(jù)下列原則決定，與相軸同相的槽，在相軸前后90°電角度以內(nèi)為正，與副軸同相90°電角度以內(nèi)為負(fù)[3]。由于1a、4a距A相軸22.5°，2a、3a距A相軸7.5°，均在A相軸90°電角度以內(nèi)，因此方向?yàn)檎?。?3a、14a、15a、16a均在a副軸90°電角度以內(nèi)，因此方向?yàn)樨?fù)。作出的槽電勢(shì)分布如圖3所示。

圖3 三相24槽2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)2極時(shí)繞組槽電勢(shì)分布圖

2.1.6 檢查三相對(duì)稱程度

把同相屬的槽按相對(duì)位置歸納到相軸和副軸左右，然后將副軸平移180°電角度，使它與主相軸重合，并保留原來的負(fù)號(hào)。這樣得出的各相槽電勢(shì)分布應(yīng)與相軸兩邊對(duì)稱平衡。若不平衡，需重選相軸，直到對(duì)稱為止。根據(jù)圖3將同相屬各槽歸納平移如圖4所示，很顯然三相對(duì)稱平衡。

圖4 三相24槽2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)2極時(shí)對(duì)稱圖

2.2 四極槽電勢(shì)分布圖

2.2.1 編寫槽號(hào)

由于磁極對(duì)數(shù)為2，故作表2行；因?yàn)楣?4槽，每行為12槽，每槽所占的電角度為：

表2 2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)各引出端直流電阻及繞組連接等效電路

2.2.2 確定相屬、相軸和各槽符號(hào)

根據(jù)2極時(shí)各槽相屬不變并作為4極時(shí)各槽的相屬，定出A、B、C相軸和a、b、c副軸，如圖5所示。由于與相軸同相的各槽均在相軸前后90°電角度以內(nèi)，所以全部槽的符號(hào)為“正”。由圖5可看出三相顯然對(duì)稱平衡。

圖5 三相24槽2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)4極時(shí)繞組槽電勢(shì)分布圖

2.3 繞組排列表

根據(jù)兩種極數(shù)的槽電勢(shì)分布圖作出2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)繞組排列表，如表1所示。

表1 三相24槽2/4極單繞組雙速電動(dòng)機(jī)繞組排列表

由表1可知，無論哪一相變極，都有一半線圈反向，表中以“*”進(jìn)行標(biāo)注。這與變極原理相吻合。

再比較圖3與圖5，2極時(shí)相軸的次序?yàn)锳、B、C順序，而4極時(shí)相軸的次序?yàn)锳、C、B逆序。由此可見，雙速電機(jī)高速、低速時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相反，要想使低、高速旋轉(zhuǎn)方向保持一致，必須把電源相序反接[4]。

3 雙速電動(dòng)機(jī)高低速繞組判別

由于雙速電動(dòng)機(jī)三相繞組是對(duì)稱的，所以無論△接法還是YY接法，各相引出線繞組的直流電阻呈對(duì)稱性分布。為了避免拆卸電動(dòng)機(jī)，采用數(shù)字萬用表（不同萬用表或不同電阻檔位，測(cè)出的數(shù)值略有不同）對(duì)電動(dòng)機(jī)各引出端進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)出的直流電阻如表2所示。

由表2可知，所測(cè)雙速電動(dòng)機(jī)繞組的直流電阻有3種讀數(shù)，3種讀數(shù)對(duì)應(yīng)3種繞組連接類型。

通過對(duì)表2的比對(duì)分析，不難確定雙速電機(jī)6個(gè)出線端高低速接法，如圖6所示為雙速電動(dòng)機(jī)處于低速狀態(tài)時(shí)的△接法，即電動(dòng)機(jī)未通電時(shí)定子繞組狀態(tài)。而電動(dòng)機(jī)本身標(biāo)注的引出端與之相比有出入，即“U2”與“V2”的位置進(jìn)行了互換。

圖6 雙速電機(jī)未通電時(shí)定子繞組

4 熱繼電器燒毀的原因分析

通常雙速電動(dòng)機(jī)從低速切換至高速會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)切換至反轉(zhuǎn)或從反轉(zhuǎn)切換至正轉(zhuǎn)，也會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。由于雙速電動(dòng)機(jī)繞組引出端標(biāo)注出錯(cuò)，造成雙速電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)與高速運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)方向不一致，從而在很短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)兩次產(chǎn)生沖擊電流，造成熱繼電器冒煙燒毀。按正確的標(biāo)注接線后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速/高速切換時(shí)，一切正常，不再發(fā)生熱繼電器冒煙的情況。