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异步电动机的保护

供稿:中国工控网 2015/12/16 9:25:47

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  • 关键词: 异步电动机 保护装置 控制
  • 摘要:本文阐述了异步电动机的保护与控制的关系,介绍了异步电动机故障的原因,异步电动机运行中有哪些保护,及异步电动机所采用的各种保护装置类型。电动机的保护主要有两大类:采用电流检测型和直接检测电动机绕组温度。电流检测型的有热继电器、带有热-磁脱扣的电动机保护用断路器、电子式和固态继电器、带电子式脱扣器的电动机保护用的断路器以及软起动器;直接检测电动机绕组温度的温度检测型有双金属片温度继电器热保护器、检测线圈和热敏电阻温度继电器,但由于直接埋入电机的定子绕组,价格昂贵。维修困难等原因,仅在部分频繁操作的场合使用。最后指出不管采用何种保护装置,必须考虑过栽保护装置与电动机,过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

异步电动机在工农业生产中越来越得到广泛的应用,由于使用不当或异步电动机自身原因,在实际中会出现很多故障。为了避免出现故障,引起烧毁异步电动机事故的发生,提高我们的生产生活效率,必须很好的对它加以保护。由于异步电动机的保护是一个复杂的问题,在实际应用中应根据电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相应的保护装置及启动设备。

电动机的保护与控制关系

电动机的保护往往与控制方式有一定关系,即保护中有控制,控制中有保护。如电动机直接起动时,起动电流往往是额定电流的4—7倍。这么大的起动电流若由接触器或断路器来控制,则电器的触头应能承受起动电流接通和分断考验,此外还应考虑对母排的冲击和上一级开关的影响。对中小容量的电动机常常采用直接起动的方式,所采用的接触器和断路器能经受起动电流的冲击,不会引起触头磨损加剧或损坏电器事故的发生。但对于大容量的异步电动机,实际中就不能采用上述方法的,因此实际中常采用降压起动的方法。传统的降压起动采用星—角降压方法,但此种方法控制比较复杂,起动中的保护与正常运行中的保护采用两种电路,为此需要有一个转换的电路,接线相当烦琐。随着电子技术的发展,软启动器是一种很好的降压起动,接线简单,可设置起动数据,实现平滑起动。

电动机的控制还采用无触点的控制方式,即采用软启动控制系统。电动机的主回路采用晶闸管来接通或分断,有时为了避免在晶闸管元件上出现的持续损耗,正常运行中采用真空接触器承受主回路上的负载(并联在晶闸管上),这种控制有程控或非程控的,近控或远控;根据电子线路,容易做到。

电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘降低引起的。绕组过热的原因往往是由于流经绕组的电流过大引起的。

异步电动机的故障

异步电动机的故障大体分为两部分,一部分是机械的原因,例如轴承或风叶的损坏,另一部分是电磁故障。二者互为关联,如轴承的损坏能引起电动机的过载甚至短路,风叶的损坏使电动机的绕组散热困难,温升提高,绝缘降低。电磁故障原因有很多,如电机的过载、短路、欠压都能引起电动机的受损,其中短路的危害更大。引起电动机过载的原因除了上述以外,还有下面的原因。

1)   周围环境温度过高,散热条件差;

2)   电动机大起动电流起动时间过长;

3)   电动机的长期低速运行;

4)   电动机的频繁起动、制动等。

引起电动机短路的原因主要是绝缘受到破坏。

前面所叙述的是异步电动机在起动中的保护,它在运行中有很多保护。

异步电动机运行保护

异步电动机运行中的保护主要有短路保护、过载保护和失压保护。电动机的绕组绝缘、导线绝缘、或线路发生短路时在电路中会出现很大的短路电流,后果引起线路电压急剧降低,短路电流流过电动机的定子绕组还会烧毁电动机。为了避免线路和电动机的损失,必须将短路切断。常用的保护元件有熔断器和断路器。熔断器作电动机的短路保护时,可能出现只有一相熔断器烧毁而导致电动机出现的单相故障,因此常使用断路器作为短路保护,可避免出现的单相,此外还具有过载保护功能。以后详加叙述。过载保护常使用热继电器。零压保护防止由于突然停电使电动机停运,电压恢复电动机自行启动而造成的事故的。失压保护是由于电压降低引起的电动机转速降低、,电流增加,为此电源电压降至某一数值必须切断电源,实现失压保护,一般电路中接触器具有欠压保护功能,电源电压降至一定值时,接触器释放,切断电动机的电源。

无论何种保护,对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类型。下面分别介绍:

1、电流检测型

(1) 热继电器:两种不同热膨胀系数的双金属片,利用机械碾压在一起,一端固定,另一端为自由端。当双金属片的温度升高时,由于两种金属的热膨胀系数不同,所以它将弯曲。热继电器串接在电机的定子绕组中,当电机正常运行时,热继电器产生的热量使双金属片,但不足以使热继电器动作;当电机过载时,热继电器产生的热量增大,使双金属片的弯曲加大,经过一段时间后,双金属片推动导板,通过补偿双金属片与推杆,将触点断开或接通,使接触器失电,保护了电动机避免过载。利用负载电流流经标准的电阻元件,热继电器的双金属片加热后产生弯曲,从而使热继电器的触点在电动机绕组烧坏之前动作,热继电器的动作特性与电动机绕组的允许过载特性十分接近。热继电器的动作时间的准确性一般,)热继电器可以实现对电动机的过载保护,整定值一般根据电动机的额定电流进行整定,动作曲线为反时限特性曲线。热继电器除具有温度补偿外,还具有断相保护和负载不平衡保护等功能。

(2) 带有热—磁脱扣器的电动机保护用断路器,可以对电动机实行短路保护。结构及动作原理与热继电器相似,其双金属片弯曲后有的直接顶脱扣装置,有的使触点接通,但最后都将使断路器断开。热—磁脱扣器适合中小容量电动机的短路保护,在实际使用中有施耐得的NS80H系列断路器(适用于80KW以下)和NS100~NS250(适用于110KW以下),配有MA系列脱扣器,只有额定电流数值的设定,跳闸的时间对应于6倍的电流整定时间。

(3)电子式过电流继电器通过内部各相的电流互感器检测电流信号,经电子线路处理后执行相应的动作。电子线路变化灵活,动作功能多样,广泛应用于各类电动机的保护。

a)   具有多种保护功能。主要有3种:过载保护、过载保护+断相保护、过载保护+断相保护+反相保护。

b)   动作时间可选择。

标准型(10级):7.2In(In为电动机的额定电流),动作时间为4~10s,用于标准电动机的保护。

速动型(10A级):7.2In,动作时间为2~10s,用于潜水泵或压缩电动机的过载保护。

慢动型(30级):7.2In,动作时间为9~30s,用于鼓风机等起动时间长的电动机作过载保护用。

c)电流整定范围广,最大值与最小值之比可达3~4倍,甚至更大的数值(热继电器比                值为1.56)。

d)有故障显示,由发光二极管显示故障类型,便于维护。

(4)固态继电器,,是一种无触点的开关,组成由输入(控制)电路、驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。利用电子元件的开关特性,达到无触点,无火花,能接通和断开电路的目的,反应快,寿命长,无噪声,耐机械冲击,是一种弱电控制强电。是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功能的微处理器装置,成本价格随功能而异,最复杂的继电器实际上只能用于较大型较昂贵的电动机或重要场合。主要功能有:

a)   最大的启动冲击电流和时间

b)   热记忆

c)   大惯性负载的长时间加速

d)   断相或不平衡相电流

e)   相序

f)   欠电压或过电压

g)   过电流运行

h)   堵转

i)   电动机的绕组温度和轴承温度

j)   超速或失速

(5)带有电子式脱扣器的电动机保护用断路器,其动作原理同上述的电子类过电流继电器或固态继电器。主要功能有:电路参数显示(电流、电压、功率、功率因数),负载监控,多种保护特性(反时限、定时限及其组合),故障报警,试验功能,自诊断功能,通信功能。电子式脱扣器具有的保护有短路保护、过负荷保护和缺相保护。设有旋钮,可设定长延时保护整定值和长延时保护延时时间,二者曲线为反时限特性曲线,为过载保护;可设定短路保护整定值和短路保护延时时间,定时贤特性曲线,为短路保护;可设定瞬时短路保护和预警灯等。电子式脱扣器应用于大容量的电动机保护用,实际中经常使用施耐得的断路器NS400~NS630,配带的脱扣器STR22ME、STR43ME等。STR22ME具有以下功能:

a)过负荷保护Ir的动作值可调,脱扣10级(7.2Ir脱扣时间为7.0S);

b) 缺相保护(延时时间在3.5S~6S);

c)  ST(短延时)短路保护,固定脱扣电流整定值13Ir,固定时间延迟;

d)瞬时短路保护,固定脱扣电流整定值15In;

e) 其它功能,面板上具有负荷指示灯,I<1.05Ir时熄灭,I≥1.05Ir时闪烁。

STR43ME面板指示脱扣类型:>Ir时过载,>Isd时短路故障。

(6)软启动的主回路采用晶闸管,故障检测模块用来完成对电动机启动前后的故障检测,如断相、过热、短路、漏电和不平衡负载等,并发出相应的动作指令,结构简单,单片机可实现。

2、温度检测型

(1)双金属片温度继电器直接埋入电机绕组中,当电动机过载使绕组温度升高至接近极限值时,带有一触头的双金属片受热弯曲,触点断开切断电路。

(2) 热保护器是装在电动机本体上使用的热动式过载保护继电器,与温度继电器不同的是有2个触头的碗形双金属片,串接在主回路中,既有流过的过载电流使其发热,又有电动机温度使其升温,达到一定数值后,双金属片瞬间动作,触点断开,电动机回路断开,可用于小型的电动机的温度、过载、断相保护。

(3)检测线圈测温,电动机的定子每相埋入1~2个检测线圈,用自动平衡式温度计检测温度。

(4)热敏电阻温度继电器,直接埋入电动机的绕组中,一旦超温,电阻值急剧加大。

过载保护装置与电动机的协调配合

(1)过载保护装置的动作时间比电动机的起动时间略长,电动机过载保护装置的特性只有躲开电动机的起动电流的特性,才能保证电动机的正常运转;但其动作时间又不能太长,时间特性在电动机的热特性之下,才能起到过载保护用。

(2)过载保护装置瞬间动作电流应比电动机的起动冲击电流略大,才能保证电动机的正常起动。

(3)过载保护装置动作时间比导线的热特性小一些,才能起到供电线路的后备保护功能。

过载保护装置与短路保护装置的协调

一般的过载保护装置不具备分断短路电流的能力,一旦运行中发生短路,需要由串在主回路中的短路保护装置(断路器或熔断器)来切断电流。若过载电流很小,属于过载范围,应由过载保护装置切断电路,两者的动作时间应有选择性,过载保护特性曲线应在短路保护特性曲线之上。

结束语

异步电动机的保护是涉及电气设备正常可靠运行的关键之一,合理选择步装置至关重要。直接检测电动机的绕组温度来保护电动机的过载过热是有效的保护方式,但由于直埋入电机绕组内部,价格昂贵,维修困难,仅在部分频繁起动的场合应用,从经济角度去分析,采用电流检测型更为有利。热继电器目前仍是一种普遍的过载保护装置,价格低廉,简单可靠。对动作性能要求较高的昂贵的大容量电动机,采用电子式脱扣器或固态继电器。对一般而言,采用热—磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。不论采用何种保护装置,均应考虑保护装置与电动机、保护装置与短路保护装置的协调性。

参考资料:

1、电工实用手册

2、施耐得电气2005产品目录 塑壳断路器

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