威世通用半導(dǎo)體(中國(guó))公司 邊文濤

簡(jiǎn)述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的斷相保護(hù)

威世通用半導(dǎo)體(中國(guó))公司 邊文濤

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行也成為單相運(yùn)行,是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要故障和損壞的一個(gè)主要原因。本文簡(jiǎn)要闡述了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行的機(jī)理、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)的基本定義、熱繼電器作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)的局限性、使用交流接觸器實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)的誤區(qū)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)熱繼電器交流接觸器

一、引言

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行也稱為單相運(yùn)行,是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主要故障和損壞的一個(gè)主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),在某些單位,因?yàn)閿嘞噙\(yùn)行而燒毀的電動(dòng)機(jī)竟多達(dá)損壞電動(dòng)機(jī)總臺(tái)數(shù)的80%以上。特別是在農(nóng)村地區(qū),這類事故更屬常見(jiàn)。

造成三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)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(dòng)機(jī)繞組引出線與接線端子之間松脫以及刀開(kāi)關(guān)、低壓熔斷器、接觸器等開(kāi)關(guān)電器的一相損壞。在這些原因當(dāng)中,尤其以熔斷器一相熔斷為最多。

本來(lái)是接在電網(wǎng)上三相均衡的運(yùn)行著三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī),突然因?yàn)樯鲜瞿撤N原因斷了一相,其運(yùn)行方式將發(fā)生變化。比如說(shuō),直接把一臺(tái)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)接在兩相電源上,電動(dòng)機(jī)就無(wú)法啟動(dòng)。因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合,只能產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng),不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),所以啟動(dòng)時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的平均轉(zhuǎn)矩等于零,電動(dòng)機(jī)自然無(wú)法啟動(dòng)。然而,當(dāng)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后,如果切斷它的一相電源,電動(dòng)機(jī)就處于單相運(yùn)行狀態(tài)。這時(shí),電動(dòng)機(jī)與靜止時(shí)不同,當(dāng)它在三相正常運(yùn)行時(shí)斷了一相時(shí),它已經(jīng)有了一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,所以電動(dòng)機(jī)仍然能夠正常運(yùn)行。所謂單相運(yùn)行或斷相運(yùn)行,就是這種情況。

為了保障電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行,使其在發(fā)生斷相運(yùn)行時(shí)能及時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,避免造成電動(dòng)機(jī)燒毀事故,一般重要電動(dòng)機(jī)都裝有各種保護(hù)裝置,尤其是斷相保護(hù)。

二、電機(jī)斷相燒毀的機(jī)理

電機(jī)由于斷相燒毀,占電機(jī)總損壞的85%左右,這是一個(gè)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(guò)程和相應(yīng)的參數(shù)變化定量的描繪出來(lái),有利于我們采取有效的斷相保護(hù)措施。感應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行中斷相后,即進(jìn)入單相運(yùn)行狀態(tài),形成兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在轉(zhuǎn)子中感生兩個(gè)頻率相差很大的電流的疊加,因此,電機(jī)單相運(yùn)行在轉(zhuǎn)子中的損耗(包括銅損和鐵損),相當(dāng)于電機(jī)在三相運(yùn)行時(shí),在功率相同的條件下,轉(zhuǎn)子功率損耗的2倍,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫暖急劇升高。由于電機(jī)單相運(yùn)行,它的允許功率下降到額定功率的50%～60%,如果單相運(yùn)行的功率接近于額定功率,電機(jī)繞組電流增大,定子溫度也同時(shí)急劇升高,如果不切斷電源,電機(jī)即將燒毀,這就是電機(jī)在運(yùn)行中斷相,導(dǎo)致燒毀的根本原因。

由該特性曲線看出:電機(jī)運(yùn)行在1.5In時(shí)的情況下,電機(jī)使用壽命只有3小時(shí)。如果電機(jī)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(shí)切斷電機(jī)電流,電機(jī)以“分”一級(jí)的時(shí)間即將燒毀,這就是電機(jī)在運(yùn)行中由于斷相,導(dǎo)致電機(jī)燒毀的根本原因。

圖1 電機(jī)斷相電流與電機(jī)使用壽命的關(guān)系曲線

三、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)的基本定義

我們知道,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)所編輯的國(guó)際電工詞典(International Electro-technical Vocabulary)對(duì)每一個(gè)電工術(shù)語(yǔ)都有確定的定義,這是為了人們統(tǒng)一的理解與認(rèn)識(shí),避免誤解。目前我們還沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的斷相保護(hù)(Open-phase Protection of Induction Motor)的定義。根據(jù)電動(dòng)機(jī)斷相后的運(yùn)行狀態(tài)極其電流增加的變化,和電機(jī)過(guò)載與其使用壽命的關(guān)系,我們建議感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)的基本定義應(yīng)為:從電機(jī)斷相的瞬間開(kāi)始,即刻進(jìn)行斷相信號(hào)撿取,通過(guò)邏輯判斷(判斷是斷相還是噪聲干擾),無(wú)論電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載大小(空載、半負(fù)載或者是滿載),在確定的時(shí)間內(nèi)(“秒”一級(jí)的時(shí)間),給出正確無(wú)誤的斷相指令信號(hào)切斷電流,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的斷相保護(hù)。

由于沒(méi)有電機(jī)斷相保護(hù)的統(tǒng)一定義,造成對(duì)電機(jī)斷相保護(hù)理解上的混亂,不少標(biāo)有電機(jī)斷相保護(hù)功能的器件,實(shí)則用上后,實(shí)現(xiàn)不了斷相保護(hù),正如文獻(xiàn)[4]所指出,僅就由于電機(jī)斷相燒毀電機(jī),占損壞電機(jī)總數(shù)的85%,而在斷相燒毀電機(jī)的控制回路中,絕大部分都配備了標(biāo)有所謂具有斷相保護(hù)功能的元件。因此對(duì)電機(jī)斷相保護(hù),必須有正確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),不能隨意使用,要嚴(yán)格用電機(jī)斷相保護(hù)的定義,來(lái)衡量該產(chǎn)品是否確有斷相保護(hù)功能。必須杜絕那些名不符實(shí)的產(chǎn)品充斥市場(chǎng),在應(yīng)用方面造成混亂,給國(guó)家在經(jīng)濟(jì)方面造成不應(yīng)有的損失。我國(guó)應(yīng)用電機(jī)的數(shù)量很大,由于斷相燒毀電機(jī)的比例如此之大,我們必須嚴(yán)肅認(rèn)真來(lái)對(duì)待電機(jī)斷相電機(jī)斷相保護(hù)這個(gè)問(wèn)題。

四、熱繼電器作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)的局限性

目前對(duì)感應(yīng)電機(jī)的過(guò)載和斷相保護(hù),廣泛使用的是具有反時(shí)限延時(shí)特性的雙金屬片熱繼電器,日本、南韓、俄羅斯和我國(guó)仍然在使用。在電機(jī)運(yùn)行中,采用該種保護(hù)元件,由于斷相導(dǎo)致電機(jī)燒毀,屢見(jiàn)不鮮,這是在實(shí)踐中暴露出來(lái)的問(wèn)題,究其原因有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

(1)具有反時(shí)限特性的熱繼電器,不能直接檢測(cè)電機(jī)斷相這個(gè)開(kāi)關(guān)量(或者邏輯變量),而是間接的檢測(cè)正常運(yùn)行兩相的線電流的增大,過(guò)載電流檢測(cè)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(duì)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(jī)斷相前在額定功率運(yùn)行,前已指出:定子與轉(zhuǎn)子溫度同時(shí)急劇升高,由圖1的特性曲線看出,如不在較短的時(shí)間內(nèi)切斷電源,電機(jī)即將燒毀。它的根本缺陷,是從電機(jī)斷相的瞬間開(kāi)始,到切斷電源這段時(shí)間不能定時(shí)約束,受多種因素的影響超過(guò)時(shí)間允許極限,電機(jī)即將燒毀,這可能是用反時(shí)限熱繼電器用于電機(jī)斷相保護(hù)失效的重要原因之一。

(2)熱繼電器動(dòng)作電流難于準(zhǔn)確整定。為了電機(jī)具有熱繼電器保護(hù)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(hù)電機(jī)的工作電流相一致,如果電機(jī)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(guò)1小時(shí)的延時(shí)間,熱繼電器切斷電源,這樣精確的整定要求是難于實(shí)現(xiàn)的。熱繼電器的動(dòng)作是與雙金屬片的溫度有關(guān)的,而該溫度是與電流的平方成正比,這樣一個(gè)非線形關(guān)系,對(duì)熱繼電器的電流整定帶來(lái)困難,國(guó)產(chǎn)熱繼電器電流的整定機(jī)構(gòu),是用膠木壓制的非線形凸輪,雖在整定的圓盤(pán)上有4個(gè)數(shù)字,標(biāo)明與整定電流有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但在兩數(shù)字之間的整定值只能大致估計(jì),因此,熱繼電器的電流整定值實(shí)現(xiàn)不了準(zhǔn)確的與被保護(hù)電機(jī)的工作電流相一致。例如熱繼電器的整定電流大于電機(jī)電流的1.7～1.8倍,電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生斷相,熱繼電器將拒絕動(dòng)作,則將導(dǎo)致電機(jī)的燒毀。

在工程實(shí)踐中,電機(jī)功率的選擇偏于保守,往往大于實(shí)際負(fù)載所需的功率,這樣給熱繼電器的電流的整定帶來(lái)困難,如按電機(jī)額定電流整定,電機(jī)斷相熱繼電器同樣有可能拒絕動(dòng)作;如按電機(jī)實(shí)際工作電流整定,則要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),在工程中又有一定困難,這是具有反時(shí)限熱繼電器用于斷相保護(hù)失效的重要原因。如果熱繼電器的整定電流恰與被保護(hù)電機(jī)電流相一致,斷相時(shí)也是可以實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)的,但是大量的工程實(shí)踐證明,具有反時(shí)限特性的熱繼電器,在電機(jī)斷相保護(hù)中成功率極低,即使實(shí)現(xiàn)了斷相保護(hù),往往也是以犧牲電機(jī)使用壽命付出代價(jià)。

如按前面所建議的電機(jī)斷相保護(hù)定義的要求,來(lái)測(cè)量熱繼電器的斷相保護(hù)功能,也可以說(shuō)具有反時(shí)限特性的熱繼電器,它不具有斷相保護(hù)功能,因?yàn)閰?shù)整定不當(dāng),出現(xiàn)斷相而不保護(hù),導(dǎo)致斷相電機(jī)燒毀的嚴(yán)重后果。

五、使用交流接觸器實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)的誤區(qū)

眾所周知,用交流接觸器對(duì)三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行繼電控制的電路,具有失壓(零壓)和欠壓保護(hù)。但是,對(duì)其不具備斷相保護(hù)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(shí),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(dòng)作;而釋放電壓一般僅為額定工作電壓的70%～35%以下,這時(shí)線圈所需要的吸引功率很小。

通過(guò)對(duì)圖2所示的電動(dòng)機(jī)控制電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定電壓下工作時(shí),如果U,V,W三相中任一相運(yùn)行中出現(xiàn)斷相,都不會(huì)發(fā)生接觸器因斷相而釋放的保護(hù)現(xiàn)象。無(wú)論電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)根本就不具備斷相保護(hù)功能。

圖2

不過(guò),到目前為止,仍然有人認(rèn)為:如果把電動(dòng)機(jī)的控制電路接在V,W兩相上,當(dāng)V,W中任一相斷相時(shí),都會(huì)出現(xiàn)線圈電壓很低,使交流接觸器釋放而保護(hù)電動(dòng)機(jī)。其實(shí),這是不正確的。接觸器是不會(huì)因某相斷相而釋放主觸點(diǎn)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(dāng)任意兩相都斷相時(shí),才會(huì)出現(xiàn)失壓保護(hù)。

這其中的道理并不難解釋。因?yàn)槿嚯妱?dòng)機(jī)的定子繞組類似變壓器的初級(jí)線圈,雖然有某相斷開(kāi),但是由于交流電的交變電場(chǎng)的作用,仍使斷相后所對(duì)一應(yīng)相的繞組中,存在著較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);又因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組間的偶合系數(shù)較小,故繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)略小于外加的相電壓值。從控制電路圖中可見(jiàn),接觸器的主觸點(diǎn)已將控制回路與電動(dòng)機(jī)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(gè)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(huì)釋放主觸點(diǎn)。這就使三相電動(dòng)機(jī)在單相工作狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)所承受的負(fù)載不變時(shí),通電繞組中的電流就會(huì)增大很多,時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而燒毀電動(dòng)機(jī)的繞組。

六、結(jié)語(yǔ)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中無(wú)論定子繞組是星形接法或三角形接法,在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生斷相而電動(dòng)機(jī)又帶較重負(fù)載,定子繞組中某一相或兩相的相電流都會(huì)超過(guò)正常運(yùn)行工況下的(1.66～2.2)倍。運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)使繞組過(guò)度發(fā)熱而燒壞。若在啟動(dòng)前就已經(jīng)發(fā)生斷相,此時(shí)若將電源加上,根據(jù)電動(dòng)機(jī)故障的情況不同,有可能導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零,電動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng);即使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不為零,電動(dòng)機(jī)可以啟動(dòng),但是啟動(dòng)電流也較大,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)了同樣也會(huì)燒壞電機(jī)。

[1]張冠生.電器理論基礎(chǔ),1995

[2]湯蘊(yùn)繆,史乃,陳子痛.電機(jī)學(xué),1999年

[3]汪國(guó)梁.電機(jī)學(xué),1994年

[4]許實(shí)章.電機(jī)學(xué),1996年

[5]趙明.工廠電器控制設(shè)備,1994年

[6]方鴻發(fā).低壓電器,1993

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