【正文】 析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 5 第一章 緒論 三相異步電動(dòng)機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛應(yīng)用的動(dòng)力設(shè)備，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國每年由于電動(dòng)機(jī)的損壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失，估計(jì)要達(dá)數(shù)億元 ,由于電動(dòng)機(jī)缺相導(dǎo)致燒毀的比率占總數(shù)的 58%。 我 們已經(jīng)學(xué)過三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本條件是：三相異步電動(dòng)機(jī)三相繞組通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生均衡而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 （如三根火線中任何一根斷開）或三相繞組中有任何一相斷開。這樣將 發(fā)生過熱而使電動(dòng)機(jī)燒毀。 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的各項(xiàng)要求，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的缺相運(yùn)行進(jìn)行分析，并根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行的各種情況，分析出具體原因，并針對(duì)性的研究設(shè)計(jì)出符合技術(shù)要求的缺相保護(hù)電路，包括主電路、操作電路和控制電路。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，做到準(zhǔn)確分析，正確設(shè)計(jì)。 目前，國內(nèi)主要采用電子式缺相或錯(cuò)相保護(hù)電路，這類電路大多采用了較多的電子元件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較高，且工作可靠性較差，維護(hù)工作量較大?；蛘甙讶与娐方映尚切腿毕鄷r(shí)，利用星型電路的中性點(diǎn)與電源零線之間的電壓不為零的特點(diǎn)，經(jīng)過一系列變換控制電路，來使執(zhí)行元件動(dòng)作，最終達(dá)到保護(hù)的效果。此外，這些電路的元件多，價(jià)格高，可靠性較差，得不到廣泛使用和推廣。 本文提出三種較為簡(jiǎn)單實(shí)用的控制線路，僅用繼電器、附加電容和電阻，便構(gòu)成了相序測(cè)量環(huán)節(jié)，且具有錯(cuò)相和缺相的保護(hù)控制功能。它避免了這些移動(dòng)設(shè)備在重新接線過程中對(duì)設(shè)備損害、減少了系統(tǒng)故障和電機(jī)燒壞等事故，并大大加快了系統(tǒng)調(diào)試速度。 研究缺相保護(hù)的各種方案中，就其原理而言，可分為參數(shù)平衡檢測(cè)、熱效應(yīng)檢測(cè)兩大類。執(zhí)行缺相保護(hù)的元件一般可分為：利用缺相信號(hào)直接推動(dòng)繼電器動(dòng)作的電磁式缺相保護(hù)；利用缺相信號(hào)，通過晶體管電子線路動(dòng)作的電子式缺相保護(hù)；利用熱繼電器或熱敏元件的缺相保護(hù)等。隨著設(shè)備的集中控制及自控、程控程度的提高，電機(jī)缺相保護(hù)的集中監(jiān)視的探討，也具有很大的實(shí)用價(jià)值。所以本設(shè)計(jì)的正文部分也分為兩大部分，即三相異步電動(dòng)機(jī)的缺相運(yùn)行分析和三相異步電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。分析三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行的目的，在于了解缺相狀態(tài)下電壓或電流的變化規(guī)律。而三相異步電動(dòng)機(jī)的缺相情況，從大體上來分即三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前缺相和起動(dòng)后缺相兩種情況，另外再根據(jù)電動(dòng)機(jī)繞組接法 Y/△不同來進(jìn)行分析。 在第二部分中，主要根據(jù)對(duì)缺相信號(hào)的不同檢測(cè)方法分別討論一些三相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)缺相分析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 7 的缺相保護(hù)電路，例如電流平衡檢測(cè)、電壓平衡檢測(cè)、邏輯控制等。對(duì)于設(shè)計(jì)出的缺相保護(hù)電路，都從原理和電路圖作出詳細(xì)的分析比較說明。比較分析了文中所介紹的缺相保護(hù)電路，指出它們各自的適用情況，優(yōu)劣情況，并作出一張匯總表，力求做到形象直觀地反映各種缺相保護(hù)方案的特點(diǎn)，適用的電動(dòng)機(jī)情況等等。其現(xiàn)象表現(xiàn)為：電機(jī)嗡嗡直叫、發(fā)熱、轉(zhuǎn)速較慢或者不轉(zhuǎn)動(dòng)。在缺相時(shí)，電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載下，電流增大 倍，一般認(rèn)為熱繼電器可以很好的保護(hù)電動(dòng)機(jī)。而熱繼電器設(shè)定的電流一般調(diào)得偏大，在缺相時(shí)基本沒有反映，所以熱繼電器保護(hù)電動(dòng)機(jī)是非常不完備的。 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行 當(dāng) 三相異步電動(dòng)機(jī)三相繞組通入三相交流電時(shí)，定子繞組產(chǎn)生均衡的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，是三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本條件。 （如三相火線中任何一根斷開）或三相繞組中有任何一相斷開。 缺相的各種原因 在眾多的人為和自然因素中，缺相也有著明顯的劃分種類，首先根據(jù)星形接法和三角形接法電動(dòng)機(jī) 的 缺相情況不同，可以歸為兩類。對(duì)三角形接法電動(dòng)機(jī)，電源缺相和繞組缺相需分開考慮，當(dāng)供電電源一線斷開時(shí)，三個(gè)繞組通入單相交流電，電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行；當(dāng)繞組一相斷開時(shí)，另兩相接在三相電源上，由兩相交流電供電，可稱為兩相運(yùn)行。由上可見，造成缺相運(yùn)行的原因有兩個(gè)方面，即供電電源和電動(dòng)機(jī)本身，這樣可歸納為下述四種缺相故障情況： 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相分析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 9 （ 1）星形接法電動(dòng)機(jī)電源線或繞組斷開； （ 2）三角形接法電動(dòng)機(jī)電源一線斷開； （ 3）三角形接法電動(dòng)機(jī)繞組一相斷開； （ 4）多臺(tái)電動(dòng)機(jī)公用供電母線一線斷開。對(duì)于中小型三相異步電動(dòng)機(jī)造成供電電源一線斷開的原因是：低壓熔斷器或刀閘（包括鐵殼開關(guān)）接觸不良；電磁接觸器由于長期頻繁動(dòng)作，觸頭燒毛，以至不能可靠接通；熔絲由于使用過長而氧化腐蝕，以至受起動(dòng)電流沖擊燒斷； 電動(dòng)機(jī)出線盒或接線端子松脫等等。為此，國際電工委員會(huì)（ IEC）規(guī)定：凡使用熔斷器保護(hù)的地方，應(yīng)設(shè)有防止缺相的保護(hù)裝置。這樣原理的保護(hù)不僅可以保護(hù)低壓缺相還可以保護(hù)高壓缺相。負(fù)序電流是反映不平衡故障的特征量，正常情況下，三相供電平衡，負(fù)序電流值為 0，由于測(cè)量誤差，可能會(huì)有非常小的數(shù)字。 對(duì)于缺相運(yùn)行的具體分析方法，我們可采用對(duì)稱分量法。這是取出缺相故障信號(hào)，擬定缺相保護(hù)方案和衡量缺相保護(hù)方案的有效性、合理性的理論依據(jù)。 用 .AU 、 .BU 、 .CU 表示三個(gè)不對(duì)稱 分量，則可分解成正序電壓 .1U 、負(fù)序電壓 .2U 和零序電壓 .0U ，它們的關(guān)系是： . . . .0. . . .21. . . .221()31()31()3A B CA B CA B CU U U UU U a U a UU U a U a U? ? ?? ? ?? ? ?????????? (1) a —— 算子。 星型接法 電動(dòng)機(jī)的缺相分析 根據(jù)星型電動(dòng)機(jī)的缺相是否出現(xiàn)在運(yùn)行狀態(tài)，我們可以分為起動(dòng)前和起動(dòng)后，下面將詳細(xì)介紹這兩種情況。它可以分解為正序和負(fù)序兩個(gè)大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)對(duì)稱分量分析，相應(yīng)地產(chǎn)生兩個(gè)相反方向的電磁轉(zhuǎn)矩。 起動(dòng)時(shí)合成轉(zhuǎn)矩 12M M M??，由式（ 4）可以知道，因 1S? 時(shí)， 12MM? ，故0M? 。此時(shí)，其他兩相繞組串聯(lián)后接到線電壓 XU 上。 式中： Z? 、 U? —— 分別是每相繞組阻抗、相電壓。因三相運(yùn)行時(shí)的起動(dòng)電流為電動(dòng)機(jī)額 定電流的 6～ 7 倍，故起動(dòng)前缺相除斷開的一相繞組外，其他兩相繞組將很可能被燒壞。若輸出保持不變，由于三相運(yùn)行時(shí)的功率3 3 33 c osY X XP U I ?? ，則缺相運(yùn)行時(shí)的線電流 333 c os / c osX d X dII??? 。 如圖 1 中 A 相斷開后，在不對(duì)稱電壓作用下中性點(diǎn) O 的電壓產(chǎn)生偏移。OOU 表示，各相電壓以 . 39。BOU 、 . 39。由圖 1可知， . . .39。BO BO OOU U U??； . . .39。CO CO OOU U U?? 于是可得： . . . . .39。 39。12OO AOZUUZZ? ? (7) 同樣可得： ..1239。12A O AOZZUUZZ?? ? 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相分析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 13 則開斷點(diǎn)電壓 . . . . . .239。 39。 39。123 3A A A O A O O O A O O OZU U U U U UZZ? ? ? ? ?? (8) 由式（ 8）可見，星型接法電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)開斷點(diǎn)兩端電壓 . 39。OOU 的 3倍。OOU ，如圖 2。OOU ，再從正三角形 ABC 的頂點(diǎn) A 畫平行于 . 39。 3 39。A ，則三角形 39。由 39。A 、 B 、 C 連線，則線段 39。AC分別是電動(dòng)機(jī)端子間的電壓。O O 39。AAU 和中性點(diǎn)偏移電壓 . 39。39。39。2/rs、 39。2/2rs? 、 39。 由式（ 9） 可知， 1Z 與 2Z 隨轉(zhuǎn)差率 S 而變。當(dāng)0s? ，即轉(zhuǎn)子處于理想空載時(shí)， 1Z?? ， 2Z 為某一數(shù)值，故在 S 很少時(shí)， 1Z 遠(yuǎn)大于 2Z 。OO AOA BsUUC Ds?? ? (10) 式中： A、 B、 C、 D—— （復(fù)）常數(shù)。O 的 變化軌跡為圓。當(dāng) 0s? 時(shí)， 1Z?? ，則. 39。O 與 O 重合；當(dāng) 1s? 時(shí)，12ZZ? ，則..39?？梢?，星型接法電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組中性點(diǎn)電壓偏移，隨負(fù)荷增大（即 S增大）而增加。2/rs很大， 1Z 呈電阻性質(zhì)，而 2Z 呈電感性質(zhì)，則 . 39。 同理，按式（ 8）關(guān)系，可知星型接法電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)缺相點(diǎn) 39。 我們知道，缺相運(yùn)行時(shí)的相電壓 .39。AoU 與三相運(yùn)行時(shí)的相電壓 .AoU 相比，旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，其值下降了，下降程度依負(fù)荷大小而變。39。 XUU? (11) 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相分析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 15 值得 注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s 較小時(shí)，電動(dòng)機(jī)各端子間電壓下降得很少，即缺相時(shí)負(fù)荷較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)端電壓幾乎不變。這說明利用電壓變化實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)的方案，在輕負(fù)荷情況下往往是不可靠的。 三角形接法 電動(dòng)機(jī)的缺相分析 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后缺相，三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于單相或兩相狀況下繼續(xù)運(yùn)行。但由于負(fù)序轉(zhuǎn)矩的存在，合成電磁轉(zhuǎn)矩下降，因而轉(zhuǎn)差增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和定子電流明顯上升，各相電壓亦發(fā)生變化。 因未斷開的兩相繞組接到相位差 120 的交流電源上，在空間上又不在同一位置，因此產(chǎn)生移進(jìn)磁場(chǎng)作用下，就產(chǎn)生一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即 0QM? 。 此時(shí)， 3330 .5 5 73QXQ d Q Q XII I I??? ? ? (12) 由式（ 12）可見，三角形接法電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前繞組一相斷開，通過的線電流為三相運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流的 ％。 此時(shí)，其中兩相繞組串聯(lián)后與第三組并聯(lián)接到單相電源上，這時(shí)線電流 3 3 33 3 3 33 0 . 8 6 62 2 2 2 2X X XQ X d Q Q X Q XUU U UI I I IZ Z Z Z ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? (13) 由式（ 13） 可知，三角形接法電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前電源一線斷開，通過的線電流為三相運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流的 ％。 則 A B dIII???、 3CdII?? (14) 由式（ 14）可見，三角形接法電動(dòng)機(jī)與斷開繞組相聯(lián)的兩個(gè)線電流相等，都等于相電流，另一個(gè)線電流為相電流的 3 倍。式（ 16）說明，與斷開繞組相聯(lián)的兩個(gè)線電流小于正常三相狀態(tài)時(shí)的線電流，但另一個(gè)線電流將達(dá)正常三相狀態(tài)時(shí)的 倍。此時(shí)，若只用一個(gè)三極結(jié)構(gòu)熱繼電器保護(hù)，通常會(huì)不動(dòng)作，所以應(yīng)該采用三個(gè)單極結(jié)構(gòu)的熱繼電器。斷相運(yùn)行時(shí)線電流 ..23CA BII?，..BCII?? 。 缺相運(yùn)行時(shí)由于各相電流差別較大，所以各相 繞組的發(fā)熱情況相差懸殊。 缺相運(yùn)行的功率為 3c o s c o s2d X X d d X B C dP U I U I??? ??。設(shè)負(fù)載率3dNPX P???，式中： 3NP? 三相正常運(yùn)行時(shí)的額定功率。 當(dāng) 52%X? 時(shí)，缺相運(yùn)行時(shí)線電流由式（ 19）、（ 20）可知 3 3 33 3 3 2 . 25 2 % 2 . 2 5 2 % 5 2 %2 2 2 3X d B C N X N X NI I I I I?? ? ? ? ? ? ? ? ? (22) 式中： 3XNI —— 三相正常運(yùn)行時(shí)的額定線電流。因電源供電線上裝有的熱繼電器如整定在額定電流，則可能不會(huì)動(dòng)作，而其中一相電流已為額定相電流的 倍，電動(dòng)機(jī)可能燒壞?？紤]缺相保護(hù)時(shí)，應(yīng)予以特別注意。如多臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生缺相，由于定子繞組中存在感應(yīng)電壓，使電機(jī)三根進(jìn)線中都有電流通過，其中除單獨(dú)一臺(tái)電機(jī)引起的斷相電流外還附加一電流分量，其 大小視兩臺(tái)電機(jī)感應(yīng)電壓、相位、繞組阻抗值而定。 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相分析及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 19 第三章 三相異步電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)方案 電流型和電壓型的保護(hù)方案在有著很大的差異，通過采樣電動(dòng)機(jī)缺相時(shí)的電壓信號(hào)，來設(shè)計(jì)保護(hù)方案，具有一定的局限性，因電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生單相故障，它將繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其反電動(dòng)勢(shì)的存在使三相電壓值與缺相前的電壓值不甚明顯，因此其保護(hù)可靠性較差，但對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前的缺相保護(hù)則很可靠。 電流傳感型缺相保護(hù) 通過對(duì)電流信號(hào)的采樣，這種方法一般可靠性比較高，保護(hù)范圍也比取出電壓的方法廣泛，下面分別詳細(xì)介紹 6 種關(guān)于電流傳感的保護(hù)方案。 新中興數(shù)顯智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 GDH— 30 系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是濟(jì)南新中興電器有限公司最新研制的數(shù)顯式、智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。它采用國際最先進(jìn)的單片計(jì)算機(jī)做中央處理器、 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器為信號(hào)采樣，因而具有顯示直觀、控制精度高、保護(hù)功能齊全、性能可靠、工作穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)。而故障預(yù)報(bào)警功能保證了用戶能及時(shí)處理故障，避免因過多停機(jī)而造成的不必要的損失。因此，在電氣系統(tǒng)中可直接替代同規(guī)格的熱繼電器，是熱繼電器理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 M