三相异步电动机运行管理安全保护措施探究
文章依据三相异步电动机基本结构、工作原理, 简单对三相异步电动机正常使用、日常管理中使用的安全保护措施进行分析, 以期全面提高三相异步电动机的经济效率和使用价值, 为三相异步电动机的正常化使用和规范化管理提供帮助和便利。
《电机与控制应用》(月刊)创刊于1959年，由上海电器科学研究所(集团)有限公司主办。为电机行业的技术性刊物。刊登电机研究、设计、工艺制造技术及电机应用技术方面的论文，报道国内外动态与信息。主要栏目有研究与设计、控制与保护、工艺与材料、测试与试验、运行与维修、国外信息等。
随着我国工业化的快速发展, 电动机作为原动力被各行各业广泛使用。在我国的农业科研领域, 大量小型三相异步电动机被普遍使用着。然而, 因工作人员对三相异步电动机工作原理了解不够透彻, 安全保护措施不到位, 使用监管脱节等原因, 导致每年三相异步电动机损坏、烧毁事件居高不下, 造成较大的经济损失。因此, 对三相异步电动机的基本结构、工作原理、安全保护措施、正常使用和规范管理进行分析尤为重要。本文主要对小型三相异步电动机结构、原理、应用以及安全保护措施进行简单分析, 以期对三相异步电动机使用寿命的延长、提高工作效率、经济效益起到促进作用。
一、三相异步电动机的基本结构
三相异步电动机基本结构简单分析由两部分组成, 即定子部分和转子部分。顾名思义, 首先固定不动的部分叫做定子部分, 它包括机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部件;其次旋转的部分叫做转子部分, 它包括转子铁芯、转子绕组、转轴、风叶等部件。
由于三相异步电动机转子绕组结构的不同, 它又分为鼠笼式转子和绕线式转子两类。鼠笼型转子绕组像一个圆柱形的笼子, 在转子铁芯槽中放置着若干铜条或铝条, 两端用端环短接。而绕线式转子绕组则与定子绕组相似, 在转子铁芯槽内放着对称的三相绕组, 该三相绕组一般做星型联结, 转子绕组的三相末端连接在一起, 三个首端分别连接到转轴上的三个彼此绝缘的铜制集电环上, 环与环、环与转轴之间相互绝缘, 是通过电刷与外电路的联结开始工作。
二、三相异步电动机的基本工作原理
1. 三相异步电动机磁路的产生
因为三相异步电动机底座是用铸铁制成, 机座内装有相互绝缘的硅钢片, 并且叠制成桶型铁芯, 铁芯内腔有分布均匀的槽, 槽内放置定子三相绕组。三相异步电动机的转子铁心也是用硅钢片制成, 硅钢片表面也有均匀分布的槽, 其作用是用来放置转子绕组, 并且制成圆柱体安装在转轴上, 转子铁心与定子铁心之间存在一定空隙, 如此的分布使三相异步电动机的磁路自然就形成了。
2. 三相异步电动机旋转磁场的形成
为了理解方便, 我们假想把三相异步电动机的三相对称定子绕组放置理想的空间, 要求做成相同的三个绕组, 彼此摆放之间间隔120度, 并且三个相同的三相绕组做成星型联结。当给对称三相定子绕组通入对称的三相交流电流时, 瞬间定子电流就会产生磁场, 并且以相同的转速按照顺时针方向旋转, 和停止的转子之间有着相对运动, 相当于磁场静止, 此时转子沿着逆时针方向旋转切割磁感应线而产生的感应电压, 其方向是用右手测定确定。由于转子绕组电路是通过短路环自行封闭, 所以在感应电压作用下, 在转子导体中产生转子电流, 而转子导体处于磁场之中, 将会受到电磁力的作用, 此时电磁力对转轴形成了电磁转矩, 于是转子在电磁转矩的作用下转动起来。其方向与旋转磁场方向一致, 这就是三相异步电动机转动的原理。值得注意的是, 三相异步电动机的转向与旋转磁场的转向相同, 但是电动机的转速始终低于旋转磁场的转速, 这就是三相异步电动机独特之处。同时也只有必备这个条件, 三相异步电动机才能转动起来。这也是为什么叫三相异步电动机的原因。
三、三相异步电动机的应用
三相异步电动机其实就是将电能转化为机械能的一种设备。并且它是利用电磁感应原理工作, 因此也叫三相感应电动机。三相异步电动机与其他三相电动机相比较, 其优点表现在:首先是工作效率高, 噪音低, 振动小、结构简单、制造容易、价格便宜、运行可靠、维护方便;其次是三相异步电动机过载能力要比其他三相电动机过载能力强, (电动机过载能力大小是衡量电动机性能优差主要依据。根据资料和曲线图分析得知, 一般电动机过载能力为1.8~2.5, 而小型三相异步电动机过载能力为2.2~2.4) 。因此, 三相异步电动机的应用广泛性远超过其他类型的三相电动机。但是, 三相异步电动机也存在一些不足, 主要表现是功率因素低, 调速性能差。所以三相异步电动机的应用也受到了一定的限制。随着我国科技技术不断向前迈进, 不久会使得三相异步电动机的技术得到进一步完善, 应用得到进一步发展。
四、三相异步电动机运行管理安全保护措施
第一, 从三相异步电动机的运行来看:三相异步电动机故障大体可以分为两部分, 一部分是机械原因, 主要表现为轴承和风机的磨损与损坏, 另一部分是电磁故障, 二者相互关联。轴承损坏, 引起三相异步电动机过载, 甚至堵转, 致使风机损坏, 导致电动机散热困难, 温度快速升高, 造成绝缘受损, 使用寿命缩短。解决方法就是对设备制定规范管理模式, 定期做维护保养。
第二, 从三相异步电动机的结构看:鼠笼式三相异步电动机的空子铁芯放置在绕组槽内必须有良好的绝缘。绕线式三相异步电动机的转子绕组与空子绕组一样, 绕组与铁芯间有绝缘层, 三个端线所接的铜 (或铝) 制滑环, 环与环之间、环与转轴之间也是彼此存在可靠的绝缘性能。为了确保三相异步电动机相与相之间、相与带电体之间、带电体和外壳之间的绝缘性能, 必须使用耐热等级较好的绝缘材料。避免三相异步电动机运行中出现异常温差, 异常抖动, 异常磨损, 异常响声等因素给三相异步电动机带来伤害。
第三, 三相异步电动机日常使用、管理保护措施不到位: (1) 三相异步电动机日常使用、管理保护措施经常被人们忽视, 导致三相异步电动机因管理不当而缩短使用寿命甚至造成损坏情况较多。因此, 三相异步电动机的使用单位要求管理人、使用人必须有足够的业务技能知识, 有较强的工作责任心, 在使用前应充分考虑周围环境因素。否则, 会出现因使用环境恶劣, 如潮湿、有震动、有腐蚀性气体、散热条件差等因素, 使得触头损坏、接线柱氧化或接触不良, 造成三相异步电动机缺相烧毁事件。为了避免三相异步电动机使用环境因素和管理措施不到位造成的伤害, 在使用前必须选择满足环境要求的三相异步电动机、电器元件, 符合要求的安全防护措施。必要时强制改善周围环境, 定期更换电器元器件。使得三相异步电动机的性能、使用价值得到充分利用。 (2) 三相异步电动机在安装中, 因安装人员技能水平不高, 管理松散, 工作人员工作不认真等因素导致三相异步电动机安装存在缺陷, 造成导线断裂或绝缘受损等情况, 出现漏电、短路、缺相。因此在安装施工过程中, 要严格遵循行业规范、认真组织、文明施工、严格把关, 待安装完毕后验收合格后方可使用。在使用期间要做到定期检查, 按照周期进行保养。避免三相异步电动机的接触触头损坏严重, 而造成三相异步电动机缺相短路运行。 (3) 三相异步电动机本身质量不好。线圈绕组焊接工艺不达标, 引线和线圈接触不良;电气元件质量不合格, 耐压性能达不到标准, 造成触点损坏、粘死等异常现象。因此三相异步电动机在购置时应选择正规厂家、正规品牌、质量有保证的电动机;选择合格、合适的元器件, 安装前应该进行认真检查、仔细核对、对号入座, 从而有效提高三相异步电动机工作效率和使用价值。
五、三相异步电动机安全保护措施
为了确保三相异步电动机安全运行, 延长使用寿命, 三相异步电动机的安全保护措施一般分为机械保护和电气保护措施。机械保护措施主要是指三相异步电动机运行时对轴承、风叶等的保护, 做到多听运行声音, 多观察运行情况, 对轴承、风叶进行定期保养, 就会使三相异步电动机最大化地延长使用寿命。三相异步电动机本身和电气设施安全保护措施主要有:短路保护、过负荷保护、缺相保护、欠电压保护和失压保护、接零和接地保护。
1. 短路保护
为了防止三相异步电动机线路、绕组、控制电气等某绝缘部位受外力或其他原因导致损坏设置的保护措施。三相异步电动机发生短路故障时, 如果不能自动快速得到保护, 迅速切断电源, 将会立即出现很大的短路电流, 发生电动机烧毁事故。因此, 在发生短路故障时, 保护措施必须迅速切断电源。通常短路保护设施是由熔断器和自动空气断路器来完成。熔断器和自动空气断路器串联在被保护的电路中, 当电路出现短路时, 很大的短路电流流过熔体时, 熔体立即熔断, 切断该相供电电源, 但是熔断体在熔断时并不能三相全部熔断, 所以会造成三相异步电动机缺相运行, 此时三相异步电动机至少有一相实际电流远超出电动机额定电流, 而此时自动空气断路器会立即自动将三相电源同时断开, 使三相异步电动机停止, 完成电动机的短路保护,
2. 过负荷保护
三相异步电动机过负荷运行特点就是会出现较大工作电流, 三相异步电动机如遇到轴承磨损严重, 外在阻力加大, 负载加重, 缺相运行时都会使三相异步电动机的实际工作电流超过允许的最大工作电流值, 此时电动机本身绝缘和电气部分绝缘均会受到伤害, 此时工作电流越大, 电动机抗损能力越小, 时间越短, 三相异步电动机损坏就越严重。为了避免电动机过载超负荷运行, 常使用过载保护器热继电器和断路器对三相异步电动机进行保护。当电动机出现实际工作电流较大时, 热继电器在很短时间内就会切断电源, 电动机超负荷 (就是大电流) 运行保护措施完成。
3. 缺相保护
三相异步电动机缺相运行分为以下几种:一是三相异步电动机外部电源线或电气某环节出现异常造成一相或两相缺相;二是三相异步电动机内部定子或转子某部位出现异常造成一相或两相缺相。无论哪种情况, 都会使三相异步电动机三相工作电压迅速失去平衡, 至少有一项电流会快速增大, 导致三相异步电动机受损或烧毁。保护措施一般选用三级热继电器和自动空气断路器就可以迅速切断电源, 使电动机停机而达到保护目的。
4. 失压保护和欠电压保护
失压保护是为了防止因人为或非人为原因导致的停电, 当电源恢复后, 阻止电动机再次自行启动的一种保护措施。欠压保护是为了避免因某种原因导致电源电压下浮过多, 而出现实际工作电流过大危害电动机安全所采取的保护措施。失压保护和欠压保护 (小功率电动机) , 一般采用低电压继电器自行释放即可自动完成保护功能。
5. 接地保护和接零保护
在电源中性点不接地的供电系统 (即380V三相四线制供电系统) 中, 接地保护是指三相异步电动机本身和其配套设施不应该带电的部位与接地装置牢靠连接在一起, 防止人身伤害的一种保护措施。在供电系统中如果不采取该保护措施, 三相异步电动机本身和其配套设施因带电部分绝缘损坏导致不该带电部位带电, 当人体接触该部位时, 接地电流全部经过人体流过, 具有生命危险。采用接地保护措施后, 接地电流沿着接地体和人体两条途径同时流过, 由于人体与接地体是并联关系, 每条路径的流过电流与本身电阻成反比关系, 因为人体电阻比接地体电阻大很多, 所以经过人体的电流很小。潮湿的地方及有必要时还要采取重复接地保护措施, 从而避免触电伤害。在中性点接地系统 (三相五线制供电系统) 中为预防由于其他原因导致电动机自身和其他配套设施非带电部位出现危险电压, 应该根据电力有关规定, 采取保护接地和保护接零保护措施, 以保障人身和设备的安全。
六、三相异步电动机线路和其配套保护电气的选择
1. 电动机线路和其配套保护电气选择
可由热继电器、接触继电器和带有灵敏度较高瞬间保护的自动空气断路器组成。接触器用来启动、停止三相异步电动机, 热继电器用来保护电动机的超载过负荷, 带有较高灵敏度瞬间保护的自动空气断路器保护电动机的短路故障。
2. 电动机线路和其配套保护电气选择
可由热继电器, 接触器和熔断器 (FS) 组成并实施。热继电器保护电动机过载, 接触器用来停止和启动三相异步电动机, 熔断器是用来避免三相异步电动机短路故障。
3. 电动机线路和其配套保护电气选择
可由保护性自动空气断路器组成, 电动机自动空气断路器既用做电动机启动和停止, 又可用作确保电动机过载和短路故障产生的大电流保护。
4. 电动机线路和其配套保护电气选择
可由接触器和保护型断路器组成。接触器作为电动机的启动和停止使用, 电动机保护性自动空气断路器作为电动机的过载和短路故障保护措施。
工作经验结论:第一、第二种适合频繁启动、停止的三相异步电动机的保护措施使用, 但是不经济, 适用于地下车库污水泵、食堂和面机等三相异步电动机保护。第三种只能适用于不频繁启动、停止的三相异步电动机使用, 适合绿化抗旱水泵、垃圾场垃圾起吊箱等部位使用的三相异步电动机的保护, 并且第三种最经济但是安全程度不高。第四种适用于不经常不频繁启用的三相异步电动机保护措施使用, 适用于自动伸缩门, 电动升降机等三相异步电动机的保护。
工作实践证明, 规范化、科学化、合理的选用和使用三相异步电动机可以提高生产效率、获取经济效益。在运行中对三相异步电动机科学化运行、规范化管理、定期维护保养、安全保护措施落实到位, 使三相异步电动机始终处于一个理想化的工作状态, 延长使用寿命、提高工作效率和经济效益是非常有必要的。三相异步电动机安全保护措施是一个在实际工作中亟待解决的现实问题。目前市场已开发了智能型塑壳式断路器, 更有科技含量较高的新型三相电动机综合保护器研发问世, 如果能早日投入应用, 则对三相异步电动机延长使用寿命、提高经济效益、工作价值能起到保障作用。
参考文献
[1]刘惠鹏.电机学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1989.
[2]叶水音.电机学[M].3版.北京:中国电力出版社, 2015.
[3]安顺合.电气设备安全运行和维修手册[M].北京:机械工业出版社, 1999.
[4]丘立尚, 张琳.电工与电子技术基础[M].2版.广州:华南理工大学出版社, 2006.