三相異步電動機斷相分析及保護

楊帥

摘要：三相異步電動機作為一種廣泛用于工農業生產的動力設備，由于人為操作和環境變化等因素而經常發生故障。這些故障的保護一直是研究人員普遍關心的問題。在我國，由于電動機缺相故障造成的電動機損壞逐年增加，不僅造成嚴重的經濟損失，甚至危害工人的安全。因此，電動機保護裝置的設計在經濟性和安全性方面都具有重要意義。當三相異步電動機以斷相運行時，接觸器線圈電壓等于電動機端子線電壓，并且會受到電磁感應的影響。電機端子線電壓不會急劇下降到零，也不會下降到接觸器釋放電壓，因此在實際生產過程中，相關人員應避免上述保護誤解，需要充分分析電機的結構特性。三相異步電動機并采取科學的保護計劃。

關鍵詞：三相異步;電動機;斷相分析

1、引言

三相異步電動機作為一種結構簡單，成本低廉，易于維護的電力驅動設備，已在我國得到廣泛應用。隨著技術的進步，電機設計方案的改進，設計成本的降低和性能的提高，對所用電機絕緣材料的性能要求越來越高，設計裕度越來越小。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境引起的對電動機的熱沖擊也在增加。根據國家統計局的官方數據，2010年至2014年中國交流電動機的累計增長約為7%;另一方面，根據“全國電動機保護與節能技術推廣應用”會議，每年有超過20萬臺（次）電動機被燒毀，并呈逐年上升的趨勢，導致損失超過一億。同時，異步電動機的保護裝置在工作期間經常發生故障，導致某些電動機無法繼續正常工作。因此，電動機及其保護裝置的正常運行，有利于提高我國的工業產值，提高國民經濟的生活水平。防止電動機中容易發生的各種故障的早期保護方法是通過物理作用對其進行保護，并通過機械系統和電磁組件的作用來完成該保護。它主要是保險絲，接觸器，短路和熱繼電器的組合。該保護方法更經濟，更簡單。我國引進了1950年代蘇聯生產的熱繼電器保護裝置，屬于此類。但是，由于響應速度慢，保護方法單一，容易受到惡劣的外部環境的影響，且尺寸過大，使用和推廣受到極大的限制。隨后，使用了溫度保護和純硬件電子保護，但是由于缺乏有效的保護措施并且沒有存儲功能，它們被慢慢淘汰。

2、斷相

缺相是交流電動機中最嚴重的非對稱故障類型。當交流電動機在額定條件下運行時，電動機軸上的扭矩穩定并且沒有明顯的振動。當發生相故障時，異步電動機的三相電流處于嚴重的不對稱狀態，這將產生較大的負序電流。此時，扭矩不平衡，振動更加明顯。當負載恒定時，正轉矩必須克服負載轉矩和負序電流產生的反向制動轉矩。負序電流將急劇增加，從而導致電動機快速升溫，從而很容易損壞電動機。據統計，在電動機的不平衡故障中，斷相引起的故障約占12%。

在電動機的各種故障中，缺相運行故障占很大比例。因此，國際電工委員會（IEC）規定：如果使用保險絲進行保護，則應提供防止斷相的保護裝置。缺相有兩種類型：電動機靜止狀態下的缺相和電動機運行狀態下的缺相。當相在靜態下斷開時，由于在電機繞組中流動的電流是轉子堵轉電流，因此電流非常大（相當于啟動電流），因此可以使用任何形式的熱繼電器來實現保護;與復雜狀態相比，在運行狀態被中斷的同時，本文重點介紹了運行狀態下的相故障，并提出了斷相故障的保護方案。

3、三相異步電動機斷相的原因及危害

3.1三相電動機斷相的情況

三相電動機缺相的條件包括：①保險絲的一相燒斷（最大比率）; ②電源線的一相斷開; ③電機繞組線與端子之間的一相松動; ④刀開關，自動空氣開關，接觸器等開關設備的單相觸點損壞; ⑤單相斷開發生在電動機的定子繞組中。不允許電動機無相運行。首先，如果缺相發生在電動機啟動之前，則在接通電源之后，定子將無法形成旋轉磁場并且無法啟動。長時間會導致電機過熱和損壞。其次，如果在三相電動機的正常運行過程中發生缺相，則此時電動機實際上處于單相運行，因為此時的三相電動機具有一定的速度和轉向能力，因此負載電阻扭矩不要太大。電動機仍可以照常運行，但是無論定子繞組如何連接，除非電動機的負載小于其額定值的一半，否則電動機的繞組通常會過載。負載越大，過載越嚴重。由于嚴重的過載，很容易燒壞電機。

3.2三相異步電動機斷相運行的原因

常見情況如下：①惡劣的天氣（如風，雨，雪等）導致電網的單相電源斷開; ②刀開關上的熔體沒有擰緊，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，并且當它更薄時，一相熔化。 （比例最大）; ③電機繞組導線與端子之間的一相松動; ④刀開關，自動空氣開關，接觸器等開關電器的單相接觸損壞等; ⑤電動機定子繞組等的單相斷路。上述情況可歸納為：電動機的外部電源斷開，電動機的內部繞組斷開。

3.3電動機缺相運行對電動機造成危害

3.3.1起動前斷相

三相異步電動機啟動之前會發生缺相。接通電源后，定子將無法形成旋轉磁場并且無法啟動。轉子以強烈的“嗡嗡”聲從一側擺動到另一側。起動電流約為工作電流的4—7倍，隨著時間的流逝，電動機將被燒毀。

3.3.2運行中斷相

三相異步電動機的正常運行過程中會發生缺相，從而導致嚴重的三相電壓和三相電流不平衡。定子磁場從三相旋轉磁場變為單相脈動磁場，電動機轉矩大大降低。扭矩使電動機仍然旋轉。此時，兩相運行中的電動機電流等于額定電流的1.5到2倍。由于大電流長時間在定子繞組中流動，因此會使定子繞組過熱并引起燃燒。負載越大，電動機越容易燃燒。

綜上所述，由于電源故障或繞組斷開，不利于電動機的單相運行。因此，應選擇適當的保護措施，以防止三相異步電動機缺相，否則會導致電動機過流，過載和燒毀。

4、斷相保護方案

4.1保護方案

單片機用于構成智能電動機斷相保護電路。只要用戶將使用過的電動機參數輸入保護器，保護器就可以實時監控電動機的工作狀態，即電動機的工作電流和電壓。當電動機的一相損壞時，它可以有效地保護電動機。當電動機電源的一相斷開時，如果電動機負載率小于37%，則保護器將不會運行，但應發出警報。電機繼續運行，保護器監視定子電流的變化。定子電流大于額定值，并且接觸器斷開。同時，發出聲音和視覺警報以保護電動機。不管負載率如何，缺相后都不允許電動機運行時，電動機電源的相缺相時，將立即控制接觸器切斷電動機的電源，并發出聲音和將發出光警報，以有效保護電動機。當電機啟動時定子啟動電流大于額定電流的7倍時，或者啟動后定子電流大于額定電流時，保護器控制接觸器切斷電機電源，并發出一個聲音和視覺警報，以保護電動機。

4.1.1以發熱為依據

由于電動機缺相的最顯著特征是電動機溫度升高的增加，因此首先考慮以電動機加熱為基礎來保護電動機。當然，保護組件的選擇是熱繼電器。但是，這種方法更適合于電動機繞組的星形連接，并且三角形連接存在某些缺陷，主要是因為采用這種連接方法的三相電動機的線電流在某些情況下不能完全反映相電流。過載情況導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

斷開電源的第一相后，當定子繞組以星形連接時，發生相故障時中性點將移動，并且會出現零序電壓，因此可以使用低壓繼電器。電動機正常運行時，它已連接到負載。低壓繼電器在中性點和大地之間的兩端將沒有電壓，并且繼電器將不工作。當發生相故障時，將出現零序電壓，這將導致零序電流，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，以保護電路。

4.1.3以電流為依據

由于斷相時電動機的相電流和線電流會發生變化，因此可以使用一個欠電流繼電器，即在三相電源線上串聯一個欠電流繼電器，三個欠電流繼電器處于正常運行狀態。常開觸點閉合，當斷相時，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，從而起到保護作用。

4.2保護器工作原理

保護器由監控電路，中央數據處理電路，數據輸入電路，自動復位電路，電機控制電路，報警電路，電機參數存儲電路組成，其結構如圖1所示。

（1）監視電路的變壓器獲取電動機的A相，B相和C相定子電流，并將其處理后發送給中央數據處理器;它檢測三相電源是否有相故障，如果相故障，則向CPU發送相故障信號。

（2）中央數據處理器是電動機保護的實現者，它將從鍵盤輸入的電動機參數發送到電可擦除只讀存儲器。電動機啟動時，中央數據處理器接收啟動信號，并在一秒鐘內確定定子電流是否大于額定定子電流的7倍，或者電動機工作電源的一相是否斷開。如果向控制電路發送控制信號以切斷電動機電源，則會發出聲光警報，否則控制電動機正常運行。在啟動電動機之前，有必要檢查電動機的工作電源是否異相，如果存在異相，請切斷電動機的電源并發出警報。電動機啟動后，進入正常運行狀態。當中央數據處理器收到缺相信號時，它控制警報電路發出警報。如果負載率低于37%并在斷相后繼續運行，則A，B和C相的定子電流將不會超過。僅在有限的時間內發出聲音和視覺警報，并且發電機的工作功率電機未切斷。如果不允許，中央數據處理器將在收到缺相信號后立即控制電動機控制電路以切斷電動機的工作電源，同時，將發出聲音和視覺警報。當電動機的工作功率正常時，當電動機的定子電流大于額定電流時，應發出保護信號，切斷電動機的工作功率，以保護電動機并發出警報。

（3）其他電路。電機的工作環境比較惡劣。存在網格碰撞和電磁干擾，這會導致CPU崩潰。當CPU崩潰時，復位電路可以發送復位信號來復位CPU，以確保系統的可靠運行。存儲器使用電可擦除ROM，以確保不會因電源故障或干擾而丟失電機參數。操作員可以從鍵盤向保護器輸入電動機參數，以實現人機對話。警報電路從振蕩器產生信號，并由中央數據處理器控制以發出警報。電動機控制電路由中央數據處理器控制，以接通或切斷電動機的電源。

5、結語

電動機是我國工農業生產的主要動力，確保電動機的安全穩定運行非常重要。各種故障引起的交流電動機損壞的數量每年都在增加，以微處理器為核心的保護裝置是目前公認的保護方法。現代科學技術的發展日新月異。隨著處理器和保護理論的不斷發展，電動機技術的不斷發展和升級，一些受各種限制的現有保護理論可能會在不久的將來用于大型電動機保護裝置中，促進保護設備更加人性化和網絡化。

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