三相電機的保護(hù)控制系統(tǒng)的分析與研究

黃小燕

（廣西二輕技師學(xué)院，廣西 南寧530000）

電機的應(yīng)用在現(xiàn)階段來說十分廣泛，幾乎所有的工廠都離不開電機的使用，電機在工作和應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)的問題也逐漸增多。如：缺相、過流、欠壓等，這些情況的出現(xiàn)會導(dǎo)致電機無法正常運行，嚴(yán)重的話電機就會遭到損壞，使用壽命會縮短。目前，隨著新型技術(shù)的不斷出現(xiàn)，新工藝的不斷發(fā)展和使用，對傳統(tǒng)技術(shù)和工藝發(fā)起挑戰(zhàn)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)的測控儀表，現(xiàn)代化的控制算法也逐漸使經(jīng)典的控制算法銷聲匿跡。針對上述這些變化，可以說這就是目前所需要考慮的首要問題。

1 三相電機保護(hù)的現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，在20 世紀(jì)70 年代末，電子式的電機保護(hù)裝置就已經(jīng)被發(fā)明和使用了[1]。電子式是在電器的基礎(chǔ)上，所開發(fā)的一種可以反時限對機器自身進(jìn)行保護(hù)的新型設(shè)備，這一新型設(shè)備的構(gòu)成主要分為兩個部分：第一，監(jiān)測部分。第二，執(zhí)行部分。監(jiān)測部分簡單來說，就是是通過電流互感器來完成監(jiān)測，主要是利用電流互感器中的磁滯回線所包含的直線部分來獲取信息和信號。信號的組成與一般的電路、過電流等進(jìn)行相比，主要的作用就是對電路等相關(guān)的元件進(jìn)行保護(hù)，為的是使電源等部分的組成可以更加完善和完備。監(jiān)測部分的工作原理就是通過電流互感器來實現(xiàn)對電機運行各環(huán)節(jié)的觀察和監(jiān)測，如果出現(xiàn)問題及時提醒，也就是對電機中的電流進(jìn)行保護(hù)，延長壽命周期。但是與熱繼電器進(jìn)行對比的話，電子式繼電器不會有發(fā)熱這一問題的出現(xiàn)，并且還有動作穩(wěn)定、可以有效適應(yīng)環(huán)境溫度等優(yōu)點，并且在保護(hù)功能和靈敏度等方面都占據(jù)優(yōu)勢。總得來說就是必須要具備先進(jìn)的技術(shù)，所獲取的信息準(zhǔn)確無誤，整定值可以進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。這樣的話就可以使得電機被保護(hù)的十分安全，可以有效避免過載、斷路、三相不平、過壓等原因而造成的電機損壞。

電子式的電機所采用的保護(hù)裝置都是通過人工可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的，盡管可以進(jìn)行調(diào)節(jié)可是依舊無法實現(xiàn)與電機熱過載曲線相匹配的反時限特征進(jìn)行保護(hù)，僅僅只能實現(xiàn)單點保護(hù)，并且保護(hù)裝置所采取的保護(hù)方式就是對啟動時所產(chǎn)生的電流進(jìn)行避讓，那么為了能夠更好地保障電機啟動的安全性，杜絕保護(hù)動作失誤的現(xiàn)象出現(xiàn)，這就需要注意。電子式繼電器與熱繼電器進(jìn)行相比較的話，優(yōu)點比較突出，如：動作靈敏、精確度高、重復(fù)性好、功能強大、耗能小等，正是這些優(yōu)勢使電機保護(hù)裝置的重要性被彰顯出來。

2 電機常見的保護(hù)措施以及存在的問題分析

2.1 電壓保護(hù)

電機的電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流和電壓之間的關(guān)系都異常的親密。定子電壓無論是高于或低于額定電壓，都會使電機運行出現(xiàn)變故，如果電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流發(fā)生了變化，都會十分明顯地表現(xiàn)出來。電機在正常運行的時候，假設(shè)電壓長時間高于額定電壓，這種情況就會極其容易對定子繞組間的絕緣體造成破壞[2]。還有欠電壓，也就是低電壓，這一電壓在運行過程當(dāng)中與電壓進(jìn)行相比較是更加容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)。也就是說，在電動機機械所能夠負(fù)荷的情況下，電網(wǎng)、電壓逐漸降低，導(dǎo)致定子電流出現(xiàn)比較明顯的上升，從而使損耗、溫度都會隨著電流的變化隨之增加。如果供電電壓恢復(fù)速度比較緩慢的話，那么就會使電動機啟動的時間加長。在這種情況下，不單單是電機，整個配電系統(tǒng)都會受到比較大的影響，如果電機長時間處于這種被啟動電流所影響的作用下，將會加速絕緣體過熱，嚴(yán)重的話電機自身會被損壞。另外，在配電電路系統(tǒng)中，如果電流過大，就會導(dǎo)致較大的電壓損失，也會影響電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，使其成為惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致電機燒毀。不僅如此，有時甚至?xí)斐膳潆姳硐到y(tǒng)的故障。正是基于上述種種原因，對低電壓進(jìn)行保護(hù)成為一項不可缺少的措施。

2.2 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

機械故障、負(fù)載過大、電壓較低等問題的出現(xiàn)，是直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)的主要原因之一。如果在這樣的情況下，不及時對旋轉(zhuǎn)、低速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，電機在安全電壓下就會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，電流將會以額定電流的倍數(shù)持續(xù)增長，并且由于散熱條件差，電機損壞的幾率就會增加。所以，在對電機進(jìn)行堵轉(zhuǎn)故障檢測時，要對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，針對問題及時采取行動措施。在電機啟動時，通常會產(chǎn)生7~8 倍的額定電流，如果想要避開此時啟動所帶來的影響，就需要在電機啟動的時候使其進(jìn)行閉鎖，這樣等到結(jié)束后就可以正常運行了。

2.3 過載保護(hù)

電機出現(xiàn)被燒毀的現(xiàn)象，大多數(shù)都是因為電機繞組的電流超過了額定電流，在這樣情況下，電機就極其容易被燒毀。究其原因在于電機內(nèi)部溫度過高。由于電機不斷運行使得在運行過程中溫度逐漸上升導(dǎo)致溫度過高，使電機燒毀的嚴(yán)重后果。因此，電流過載保護(hù)這一方法在電機中較常使用。例如：傳統(tǒng)的熱繼電器、電流繼電器、斷路器等，都是屬于保護(hù)的其中一種。過載保護(hù)在字面上跟過電流保護(hù)區(qū)別不大，兩者之間可能還存在某些聯(lián)系。但是在實際操作的過程中，區(qū)別異常明顯。過載保護(hù)一般都是在工藝生產(chǎn)中進(jìn)行的，因為突然間負(fù)荷的增加會導(dǎo)致其過載，過電流保護(hù)則是與工作人員相關(guān)，在使用電機時沒有按照相關(guān)的規(guī)定和程序，這種情況下進(jìn)行啟動，就可以最大化地對負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)矩。

2.4 不平衡保護(hù)

這主要是針對電動機的各類不定性原因所導(dǎo)致的故障，面對這樣的情況最好的處理方法就是實施單獨保護(hù)，也被稱為不平衡保護(hù)。一般情況下，供電電壓器原方、副方這兩方之間都有一相斷線，這可能是由于電源電壓三相之間的關(guān)系不平衡所導(dǎo)致的，這種情況下會導(dǎo)致電動機總轉(zhuǎn)矩的功能降低，在這其中可能會出現(xiàn)抖動或者是電機的溫度逐漸升高等。這樣不平衡的運行出現(xiàn)一兩次還好，如果長時間都處于不平衡的運行狀態(tài)下，電機將會被燒壞。因此，電機保護(hù)器中不能缺少對不平衡的保護(hù)。

2.5 過電流保護(hù)

一般來說，過電流就是指機器在日常電流運行良好的情況下進(jìn)行工作，其他電流是有一定限制的，一般都是小于短路電流的現(xiàn)象過多，并且小于或者等于正常工作狀態(tài)下的電流，在6 倍大小左右[3]。對于這一環(huán)節(jié)的保護(hù)來說，主要是因為工作人員在使用的過程中沒有按照相關(guān)的規(guī)定和要求來對電機進(jìn)行啟動。此外，還有一個原因就是在運行過程中過大或者過多的負(fù)載導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩。在使用的過程中，就是要和接觸器一起合作進(jìn)行使用。過電流保護(hù)還需要接觸器為媒介來進(jìn)行保護(hù)，兩者之間需要相互合作才能夠讓過電流保護(hù)環(huán)節(jié)在真正意義上得到保護(hù)。

2.6 短路保護(hù)

短路故障是所有故障中最危險的，因此，對三相異步電動機控制的短路保護(hù)環(huán)節(jié)就顯得十分重要的。短路的產(chǎn)生一般都是線路、控制回路等方面出現(xiàn)了問題。當(dāng)發(fā)生短路時，線路中的電流就與生產(chǎn)情況下的電流有所差別。此時的電流要比正常情況下的電流大很多，進(jìn)而使電氣設(shè)備處于一個不正常的狀態(tài)下，從而影響電機運行。這樣就極有可能損壞電器設(shè)備、甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)。故而，實施短路保護(hù)的方法對其進(jìn)行保護(hù)。

2.7 熱保護(hù)

上述的各種情況中，無論是哪種故障，導(dǎo)致電機燒毀的原因還是由于電機局部繞組的運行時間過長，從而使溫度升高造成燒毀。正是基于這些原因，在對有些電機進(jìn)行保護(hù)方案制定的時候，就是直接通過預(yù)先觀察，讓其可以在轉(zhuǎn)軸或者內(nèi)部繞組內(nèi)實現(xiàn)溫度傳感，通過溫度傳感器來對內(nèi)部溫度升高、降低進(jìn)行監(jiān)測，這樣既可以實現(xiàn)對電機的保護(hù)，還能進(jìn)行有效監(jiān)測。這種保護(hù)措施僅僅只能針對一些特定的電機進(jìn)行實施，對于一些比較普通或是內(nèi)部沒有溫度傳感器的電機來說是無法適用的，主要是因為對于普通電機來說，在原有基礎(chǔ)上增加安裝溫度傳感器沒有太大必要[4]。就算可以把傳感器安裝到電機外側(cè)，還是無法很好地實現(xiàn)這一目標(biāo)。主要原因在于外殼的熱傳導(dǎo)性比較差，外部環(huán)境溫度與室內(nèi)差別大，通風(fēng)條件有限，這些因素都是導(dǎo)致電機燒毀的主要原因?；诖?，保證電機的散熱性能可以有效地減少電機燒毀的風(fēng)險與幾率。

3 三相感應(yīng)電機出現(xiàn)電流故障的分析

三相感應(yīng)電機常見的故障就是對稱故障和不對稱故障這兩種，下面就對其進(jìn)行簡述分析。對稱故障主要包括的內(nèi)容，如：對稱過載、堵轉(zhuǎn)、對稱穩(wěn)態(tài)短路等，這類故障對于電機的損害主要是由于電流的增大造成的，從而引起的一種熱效應(yīng)。在對稱故障中，電機故障電流的表現(xiàn)主要是以三相電流對稱為主，并且還會超出電流，這樣過電流就會出現(xiàn)不同程度的損壞，也可以說是過電流所產(chǎn)生電流的程度大小與故障原因聯(lián)系緊密。所以，對稱故障可以通過過電流的速度來進(jìn)行反映和研究，同時這也是實現(xiàn)對電機保護(hù)的基礎(chǔ)內(nèi)容。

電機的不對稱故障如：斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運行等等，除了嚴(yán)重的情況下會造成故障相電流增大外，不對稱故障的大多數(shù)一般不會有比較明顯的電流幅值變化，也就是說在對過流進(jìn)行保護(hù)時，時常都不能對其進(jìn)行鑒別。不對稱故障對于電機的損害不僅僅表現(xiàn)在溫度過高而引起的發(fā)熱、燒毀等，還可以引起負(fù)序效應(yīng)，給電機運行帶來一些不確定隱患。因此，對電機運行缺陷進(jìn)行早期的診斷是十分重要的。

不對稱故障可以對其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)致劃分，那就是可以分為非接地性不對稱故障和接地性不對稱故障。非接地性故障所包括的內(nèi)容與不對稱故障大致相同，但接地性不對稱故障與其也存在一些微小差異，表現(xiàn)為：單相接地短路、雙相接地短路。

4 三相感應(yīng)電機保護(hù)的故障判斷

通過對三相感應(yīng)電機常見故障的分析，可以清楚發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機發(fā)生各類對稱故障和不對稱故障的時候，應(yīng)該采用的是對稱分量法，也就是說可以把電機的故障電流分解為正序電流分量、負(fù)序電流分量、零序電流分量這三種類型。并且各序電流分量的不同組合以及幅度值得大小都與故障類型有較大的聯(lián)系。在電機正常運行的過程中，三相電流基本對稱，負(fù)序電流和零序電流的分量為零；當(dāng)發(fā)生非接地性不對稱故障的時候，負(fù)序電流就會使幅值增大，但是這里零序電流的分量依舊為零。所以，零序電流的分量與其他兩種進(jìn)行區(qū)分。通過對故障進(jìn)行詳細(xì)的分析可以得出一些結(jié)論，采集一些資料，這樣有助于出現(xiàn)故障時可以對其進(jìn)行對照，盡早解決問題[5]。

5 電機控制技術(shù)的發(fā)展

5.1 監(jiān)控系統(tǒng)智能化

單片機、DSP、嵌入式系統(tǒng)等都是典型的具有CPU 的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的出現(xiàn)對于許多儀器儀表的設(shè)計都帶來了根本性的改變。究其原因這主要是因為他們自身性能的強大、可靠，能夠適應(yīng)工業(yè)、測控現(xiàn)場的嚴(yán)苛環(huán)境和各種嚴(yán)格要求。人們常常把他們作為是儀器、設(shè)備的控制中心。這類控制中心所具備的特點如下：

第一，靈活性比較強。由于這種控制器是由軟件和硬件結(jié)合而成的，主要是用來解決人們的需求。因此，對于同一種硬件結(jié)構(gòu)的裝置來說，只要換一種方式也就是換個軟件，就可以實現(xiàn)不同的功能，因此進(jìn)行升級換代就是為了方便，也有利于減少開發(fā)成本。

第二，綜合處理能力強。利用CPU 超強的處理能力，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯，對其進(jìn)行控制、時序控制以及大量的數(shù)字運算。綜合處理能力可以有效地解決各種問題。

5.2 智能控制器

這種智能控制器具有功耗低、接口簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、可靠性好等特點，智能控制系統(tǒng)就是為了能夠更好地把各種窗口進(jìn)行區(qū)分，可以更好地對三相電機進(jìn)行檢測，并發(fā)現(xiàn)問題所在。智能化的控制器可以有效地解決電機中的這些問題。在電機的正常運作中，如果沒有智能化的檢測手段，就很難發(fā)現(xiàn)其中的問題。

5.3 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

隨著生產(chǎn)過程自動化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的用戶要求電機保護(hù)器應(yīng)具有一定的通信功能，這樣可以更好的實現(xiàn)對電機的集中控制。傳統(tǒng)方法中，對于電機的集中監(jiān)測方式主要采用4-20mA 信號來進(jìn)行實施，對一對信號電纜傳送到中央控制室，即要監(jiān)控多少個或者至少要監(jiān)控多少個參數(shù)的電纜。近年來，由于現(xiàn)場總線的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)的傳送往往只需要對總線進(jìn)行。但是如果當(dāng)前所開發(fā)的電機保護(hù)器都對通信這一方面進(jìn)行注重的話，這就需要對其進(jìn)行更加深入地研究。

6 結(jié)束語

總之，三相異步電機控制的電氣保護(hù)環(huán)節(jié)極其重要。通過研究發(fā)現(xiàn)，對電機的保護(hù)十分有必要，如果在電機使用過程中出現(xiàn)的一些問題，沒能及時進(jìn)行解決，就會對電機造成一定程度的損害?？傮w來說，對電機進(jìn)行保護(hù)是必要措施，做好定期檢測，可以延長電機使用壽命。