三相异步电动机断相分析及保护

杨帅

摘要：三相异步电动机作为一种广泛用于工农业生产的动力设备，由于人为操作和环境变化等因素而经常发生故障。这些故障的保护一直是研究人员普遍关心的问题。在我国，由于电动机缺相故障造成的电动机损坏逐年增加，不仅造成严重的经济损失，甚至危害工人的安全。因此，电动机保护装置的设计在经济性和安全性方面都具有重要意义。当三相异步电动机以断相运行时，接触器线圈电压等于电动机端子线电压，并且会受到电磁感应的影响。电机端子线电压不会急剧下降到零，也不会下降到接触器释放电压，因此在实际生产过程中，相关人员应避免上述保护误解，需要充分分析电机的结构特性。三相异步电动机并采取科学的保护计划。

关键词：三相异步;电动机;断相分析

1、引言

三相异步电动机作为一种结构简单，成本低廉，易于维护的电力驱动设备，已在我国得到广泛应用。随着技术的进步，电机设计方案的改进，设计成本的降低和性能的提高，对所用电机绝缘材料的性能要求越来越高，设计裕度越来越小。随着性能的提高，热容量和耐热极限也降低，并且由恶劣的工作环境引起的对电动机的热冲击也在增加。根据国家统计局的官方数据，2010年至2014年中国交流电动机的累计增长约为7%;另一方面，根据“全国电动机保护与节能技术推广应用”会议，每年有超过20万台（次）电动机被烧毁，并呈逐年上升的趋势，导致损失超过一亿。同时，异步电动机的保护装置在工作期间经常发生故障，导致某些电动机无法继续正常工作。因此，电动机及其保护装置的正常运行，有利于提高我国的工业产值，提高国民经济的生活水平。防止电动机中容易发生的各种故障的早期保护方法是通过物理作用对其进行保护，并通过机械系统和电磁组件的作用来完成该保护。它主要是保险丝，接触器，短路和热继电器的组合。该保护方法更经济，更简单。我国引进了1950年代苏联生产的热继电器保护装置，属于此类。但是，由于响应速度慢，保护方法单一，容易受到恶劣的外部环境的影响，且尺寸过大，使用和推广受到极大的限制。随后，使用了温度保护和纯硬件电子保护，但是由于缺乏有效的保护措施并且没有存储功能，它们被慢慢淘汰。

2、断相

缺相是交流电动机中最严重的非对称故障类型。当交流电动机在额定条件下运行时，电动机轴上的扭矩稳定并且没有明显的振动。当发生相故障时，异步电动机的三相电流处于严重的不对称状态，这将产生较大的负序电流。此时，扭矩不平衡，振动更加明显。当负载恒定时，正转矩必须克服负载转矩和负序电流产生的反向制动转矩。负序电流将急剧增加，从而导致电动机快速升温，从而很容易损坏电动机。据统计，在电动机的不平衡故障中，断相引起的故障约占12%。

在电动机的各种故障中，缺相运行故障占很大比例。因此，国际电工委员会（IEC）规定：如果使用保险丝进行保护，则应提供防止断相的保护装置。缺相有两种类型：电动机静止状态下的缺相和电动机运行状态下的缺相。当相在静态下断开时，由于在电机绕组中流动的电流是转子堵转电流，因此电流非常大（相当于启动电流），因此可以使用任何形式的热继电器来实现保护;与复杂状态相比，在运行状态被中断的同时，本文重点介绍了运行状态下的相故障，并提出了断相故障的保护方案。

3、三相异步电动机断相的原因及危害

3.1三相电动机断相的情况

三相电动机缺相的条件包括：①保险丝的一相烧断（最大比率）; ②电源线的一相断开; ③电机绕组线与端子之间的一相松动; ④刀开关，自动空气开关，接触器等开关设备的单相触点损坏; ⑤单相断开发生在电动机的定子绕组中。不允许电动机无相运行。首先，如果缺相发生在电动机启动之前，则在接通电源之后，定子将无法形成旋转磁场并且无法启动。长时间会导致电机过热和损坏。其次，如果在三相電动机的正常运行过程中发生缺相，则此时电动机实际上处于单相运行，因为此时的三相电动机具有一定的速度和转向能力，因此负载电阻扭矩不要太大。电动机仍可以照常运行，但是无论定子绕组如何连接，除非电动机的负载小于其额定值的一半，否则电动机的绕组通常会过载。负载越大，过载越严重。由于严重的过载，很容易烧坏电机。

3.2三相异步电动机断相运行的原因

常见情况如下：①恶劣的天气（如风，雨，雪等）导致电网的单相电源断开; ②刀开关上的熔体没有拧紧，或者拧得太紧。熔体的末端破裂），并且熔体看起来是漂浮的。另外，熔体选择不当，并且当它更薄时，一相熔化。 （比例最大）; ③电机绕组导线与端子之间的一相松动; ④刀开关，自动空气开关，接触器等开关电器的单相接触损坏等; ⑤电动机定子绕组等的单相断路。上述情况可归纳为：电动机的外部电源断开，电动机的内部绕组断开。

3.3电动机缺相运行对电动机造成危害

3.3.1起动前断相

三相异步电动机启动之前会发生缺相。接通电源后，定子将无法形成旋转磁场并且无法启动。转子以强烈的“嗡嗡”声从一侧摆动到另一侧。起动电流约为工作电流的4—7倍，随着时间的流逝，电动机将被烧毁。

3.3.2运行中断相

三相异步电动机的正常运行过程中会发生缺相，从而导致严重的三相电压和三相电流不平衡。定子磁场从三相旋转磁场变为单相脉动磁场，电动机转矩大大降低。扭矩使电动机仍然旋转。此时，两相运行中的电动机电流等于额定电流的1.5到2倍。由于大电流长时间在定子绕组中流动，因此会使定子绕组过热并引起燃烧。负载越大，电动机越容易燃烧。

综上所述，由于电源故障或绕组断开，不利于电动机的单相运行。因此，应选择适当的保护措施，以防止三相异步电动机缺相，否则会导致电动机过流，过载和烧毁。

4、断相保护方案

4.1保护方案

单片机用于构成智能电动机断相保护电路。只要用户将使用过的电动机参数输入保护器，保护器就可以实时监控电动机的工作状态，即电动机的工作电流和电压。当电动机的一相损坏时，它可以有效地保护电动机。当电动机电源的一相断开时，如果电动机负载率小于37%，则保护器将不会运行，但应发出警报。电机继续运行，保护器监视定子电流的变化。定子电流大于额定值，并且接触器断开。同时，发出声音和视觉警报以保护电动机。不管负载率如何，缺相后都不允许电动机运行时，电动机电源的相缺相时，将立即控制接触器切断电动机的电源，并发出声音和将发出光警报，以有效保护电动机。当电机启动时定子启动电流大于额定电流的7倍时，或者启动后定子电流大于额定电流时，保护器控制接触器切断电机电源，并发出一个声音和视觉警报，以保护电动机。

4.1.1以发热为依据

由于电动机缺相的最显着特征是电动机温度升高的增加，因此首先考虑以电动机加热为基础来保护电动机。当然，保护组件的选择是热继电器。但是，这种方法更适合于电动机绕组的星形连接，并且三角形连接存在某些缺陷，主要是因为采用这种连接方法的三相电动机的线电流在某些情况下不能完全反映相电流。过载情况导致热继电器的加热元件不起作用，并且由于过热而烧毁了绕组。

4.1.2以电压变化为依据

断开电源的第一相后，当定子绕组以星形连接时，发生相故障时中性点将移动，并且会出现零序电压，因此可以使用低压继电器。电动机正常运行时，它已连接到负载。低压继电器在中性点和大地之间的两端将没有电压，并且继电器将不工作。当发生相故障时，将出现零序电压，这将导致零序电流，并且低压继电器将起作用，从而切断控制电路，然后切断主电路，以保护电路。

4.1.3以电流为依据

由于断相时电动机的相电流和线电流会发生变化，因此可以使用一个欠电流继电器，即在三相电源线上串联一个欠电流继电器，三个欠电流继电器处于正常运行状态。常开触点闭合，当断相时，由于电流为零，连接到断相线上的欠电流继电器将断电并释放，从而即使断相也切断了控制电路和主电路如果在三角形接线的绕组中发生故障，则由于两相线路电流减小，欠电流继电器被释放，从而起到保护作用。

4.2保护器工作原理

保护器由监控电路，中央数据处理电路，数据输入电路，自动复位电路，电机控制电路，报警电路，电机参数存储电路组成，其结构如图1所示。

（1）监视电路的变压器获取电动机的A相，B相和C相定子电流，并将其处理后发送给中央数据处理器;它检测三相电源是否有相故障，如果相故障，则向CPU发送相故障信号。

（2）中央数据处理器是电动机保护的实现者，它将从键盘输入的电动机参数发送到电可擦除只读存储器。电动机启动时，中央数据处理器接收启动信号，并在一秒钟内确定定子电流是否大于额定定子电流的7倍，或者電动机工作电源的一相是否断开。如果向控制电路发送控制信号以切断电动机电源，则会发出声光警报，否则控制电动机正常运行。在启动电动机之前，有必要检查电动机的工作电源是否异相，如果存在异相，请切断电动机的电源并发出警报。电动机启动后，进入正常运行状态。当中央数据处理器收到缺相信号时，它控制警报电路发出警报。如果负载率低于37%并在断相后继续运行，则A，B和C相的定子电流将不会超过。仅在有限的时间内发出声音和视觉警报，并且发电机的工作功率电机未切断。如果不允许，中央数据处理器将在收到缺相信号后立即控制电动机控制电路以切断电动机的工作电源，同时，将发出声音和视觉警报。当电动机的工作功率正常时，当电动机的定子电流大于额定电流时，应发出保护信号，切断电动机的工作功率，以保护电动机并发出警报。

（3）其他电路。电机的工作环境比较恶劣。存在网格碰撞和电磁干扰，这会导致CPU崩溃。当CPU崩溃时，复位电路可以发送复位信号来复位CPU，以确保系统的可靠运行。存储器使用电可擦除ROM，以确保不会因电源故障或干扰而丢失电机参数。操作员可以从键盘向保护器输入电动机参数，以实现人机对话。警报电路从振荡器产生信号，并由中央数据处理器控制以发出警报。电动机控制电路由中央数据处理器控制，以接通或切断电动机的电源。

5、结语

电动机是我国工农业生产的主要动力，确保电动机的安全稳定运行非常重要。各种故障引起的交流电动机损坏的数量每年都在增加，以微处理器为核心的保护装置是目前公认的保护方法。现代科学技术的发展日新月异。随着处理器和保护理论的不断发展，电动机技术的不断发展和升级，一些受各种限制的现有保护理论可能会在不久的将来用于大型电动机保护装置中，促进保护设备更加人性化和网络化。

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