三相电机的保护控制系统的分析与研究

2022-02-19黄小燕

科技创新与应用 2022年2期

黄小燕

（广西二轻技师学院，广西南宁530000）

电机的应用在现阶段来说十分广泛，几乎所有的工厂都离不开电机的使用，电机在工作和应用当中出现的问题也逐渐增多。如：缺相、过流、欠压等，这些情况的出现会导致电机无法正常运行，严重的话电机就会遭到损坏，使用寿命会缩短。目前，随着新型技术的不断出现，新工艺的不断发展和使用，对传统技术和工艺发起挑战。计算机监控系统已经逐渐替代了传统的测控仪表，现代化的控制算法也逐渐使经典的控制算法销声匿迹。针对上述这些变化，可以说这就是目前所需要考虑的首要问题。

1 三相电机保护的现状

随着电子技术的迅速发展与普及，在20 世纪70 年代末，电子式的电机保护装置就已经被发明和使用了[1]。电子式是在电器的基础上，所开发的一种可以反时限对机器自身进行保护的新型设备，这一新型设备的构成主要分为两个部分：第一，监测部分。第二，执行部分。监测部分简单来说，就是是通过电流互感器来完成监测，主要是利用电流互感器中的磁滞回线所包含的直线部分来获取信息和信号。信号的组成与一般的电路、过电流等进行相比，主要的作用就是对电路等相关的元件进行保护，为的是使电源等部分的组成可以更加完善和完备。监测部分的工作原理就是通过电流互感器来实现对电机运行各环节的观察和监测，如果出现问题及时提醒，也就是对电机中的电流进行保护，延长寿命周期。但是与热继电器进行对比的话，电子式继电器不会有发热这一问题的出现，并且还有动作稳定、可以有效适应环境温度等优点，并且在保护功能和灵敏度等方面都占据优势。总得来说就是必须要具备先进的技术，所获取的信息准确无误，整定值可以进行连续的调节。这样的话就可以使得电机被保护的十分安全，可以有效避免过载、断路、三相不平、过压等原因而造成的电机损坏。

电子式的电机所采用的保护装置都是通过人工可以进行调节的，尽管可以进行调节可是依旧无法实现与电机热过载曲线相匹配的反时限特征进行保护，仅仅只能实现单点保护，并且保护装置所采取的保护方式就是对启动时所产生的电流进行避让，那么为了能够更好地保障电机启动的安全性，杜绝保护动作失误的现象出现，这就需要注意。电子式继电器与热继电器进行相比较的话，优点比较突出，如：动作灵敏、精确度高、重复性好、功能强大、耗能小等，正是这些优势使电机保护装置的重要性被彰显出来。

2 电机常见的保护措施以及存在的问题分析

2.1 电压保护

电机的电磁转矩、定子电流和电压之间的关系都异常的亲密。定子电压无论是高于或低于额定电压，都会使电机运行出现变故，如果电磁转矩与定子电流发生了变化，都会十分明显地表现出来。电机在正常运行的时候，假设电压长时间高于额定电压，这种情况就会极其容易对定子绕组间的绝缘体造成破坏[2]。还有欠电压，也就是低电压，这一电压在运行过程当中与电压进行相比较是更加容易出现问题的环节。也就是说，在电动机机械所能够负荷的情况下，电网、电压逐渐降低，导致定子电流出现比较明显的上升，从而使损耗、温度都会随着电流的变化随之增加。如果供电电压恢复速度比较缓慢的话，那么就会使电动机启动的时间加长。在这种情况下，不单单是电机，整个配电系统都会受到比较大的影响，如果电机长时间处于这种被启动电流所影响的作用下，将会加速绝缘体过热，严重的话电机自身会被损坏。另外，在配电电路系统中，如果电流过大，就会导致较大的电压损失，也会影响电网电压的恢复，使其成为恶性循环，最终导致电机烧毁。不仅如此，有时甚至会造成配电表系统的故障。正是基于上述种种原因，对低电压进行保护成为一项不可缺少的措施。

2.2 堵转保护

机械故障、负载过大、电压较低等问题的出现，是直接导致转子处于堵转的主要原因之一。如果在这样的情况下，不及时对旋转、低速旋转的状态进行调整，电机在安全电压下就会出现堵转，电流将会以额定电流的倍数持续增长，并且由于散热条件差，电机损坏的几率就会增加。所以，在对电机进行堵转故障检测时，要对系统进行保护，针对问题及时采取行动措施。在电机启动时，通常会产生7~8 倍的额定电流，如果想要避开此时启动所带来的影响，就需要在电机启动的时候使其进行闭锁，这样等到结束后就可以正常运行了。

2.3 过载保护

电机出现被烧毁的现象，大多数都是因为电机绕组的电流超过了额定电流，在这样情况下，电机就极其容易被烧毁。究其原因在于电机内部温度过高。由于电机不断运行使得在运行过程中温度逐渐上升导致温度过高，使电机烧毁的严重后果。因此，电流过载保护这一方法在电机中较常使用。例如：传统的热继电器、电流继电器、断路器等，都是属于保护的其中一种。过载保护在字面上跟过电流保护区别不大，两者之间可能还存在某些联系。但是在实际操作的过程中，区别异常明显。过载保护一般都是在工艺生产中进行的，因为突然间负荷的增加会导致其过载，过电流保护则是与工作人员相关，在使用电机时没有按照相关的规定和程序，这种情况下进行启动，就可以最大化地对负载进行转矩。

2.4 不平衡保护

这主要是针对电动机的各类不定性原因所导致的故障，面对这样的情况最好的处理方法就是实施单独保护，也被称为不平衡保护。一般情况下，供电电压器原方、副方这两方之间都有一相断线，这可能是由于电源电压三相之间的关系不平衡所导致的，这种情况下会导致电动机总转矩的功能降低，在这其中可能会出现抖动或者是电机的温度逐渐升高等。这样不平衡的运行出现一两次还好，如果长时间都处于不平衡的运行状态下，电机将会被烧坏。因此，电机保护器中不能缺少对不平衡的保护。

2.5 过电流保护

一般来说，过电流就是指机器在日常电流运行良好的情况下进行工作，其他电流是有一定限制的，一般都是小于短路电流的现象过多，并且小于或者等于正常工作状态下的电流，在6 倍大小左右[3]。对于这一环节的保护来说，主要是因为工作人员在使用的过程中没有按照相关的规定和要求来对电机进行启动。此外，还有一个原因就是在运行过程中过大或者过多的负载导致转矩。在使用的过程中，就是要和接触器一起合作进行使用。过电流保护还需要接触器为媒介来进行保护，两者之间需要相互合作才能够让过电流保护环节在真正意义上得到保护。

2.6 短路保护

短路故障是所有故障中最危险的，因此，对三相异步电动机控制的短路保护环节就显得十分重要的。短路的产生一般都是线路、控制回路等方面出现了问题。当发生短路时，线路中的电流就与生产情况下的电流有所差别。此时的电流要比正常情况下的电流大很多，进而使电气设备处于一个不正常的状态下，从而影响电机运行。这样就极有可能损坏电器设备、甚至会发生火灾。故而，实施短路保护的方法对其进行保护。

2.7 热保护

上述的各种情况中，无论是哪种故障，导致电机烧毁的原因还是由于电机局部绕组的运行时间过长，从而使温度升高造成烧毁。正是基于这些原因，在对有些电机进行保护方案制定的时候，就是直接通过预先观察，让其可以在转轴或者内部绕组内实现温度传感，通过温度传感器来对内部温度升高、降低进行监测，这样既可以实现对电机的保护，还能进行有效监测。这种保护措施仅仅只能针对一些特定的电机进行实施，对于一些比较普通或是内部没有温度传感器的电机来说是无法适用的，主要是因为对于普通电机来说，在原有基础上增加安装温度传感器没有太大必要[4]。就算可以把传感器安装到电机外侧，还是无法很好地实现这一目标。主要原因在于外壳的热传导性比较差，外部环境温度与室内差别大，通风条件有限，这些因素都是导致电机烧毁的主要原因。基于此，保证电机的散热性能可以有效地减少电机烧毁的风险与几率。

3 三相感应电机出现电流故障的分析

三相感应电机常见的故障就是对称故障和不对称故障这两种，下面就对其进行简述分析。对称故障主要包括的内容，如：对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对于电机的损害主要是由于电流的增大造成的，从而引起的一种热效应。在对称故障中，电机故障电流的表现主要是以三相电流对称为主，并且还会超出电流，这样过电流就会出现不同程度的损坏，也可以说是过电流所产生电流的程度大小与故障原因联系紧密。所以，对称故障可以通过过电流的速度来进行反映和研究，同时这也是实现对电机保护的基础内容。

电机的不对称故障如：断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行等等，除了严重的情况下会造成故障相电流增大外，不对称故障的大多数一般不会有比较明显的电流幅值变化，也就是说在对过流进行保护时，时常都不能对其进行鉴别。不对称故障对于电机的损害不仅仅表现在温度过高而引起的发热、烧毁等，还可以引起负序效应，给电机运行带来一些不确定隐患。因此，对电机运行缺陷进行早期的诊断是十分重要的。

不对称故障可以对其进行进一步的细致划分，那就是可以分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障。非接地性故障所包括的内容与不对称故障大致相同，但接地性不对称故障与其也存在一些微小差异，表现为：单相接地短路、双相接地短路。

4 三相感应电机保护的故障判断

通过对三相感应电机常见故障的分析，可以清楚发现，当电机发生各类对称故障和不对称故障的时候，应该采用的是对称分量法，也就是说可以把电机的故障电流分解为正序电流分量、负序电流分量、零序电流分量这三种类型。并且各序电流分量的不同组合以及幅度值得大小都与故障类型有较大的联系。在电机正常运行的过程中，三相电流基本对称，负序电流和零序电流的分量为零；当发生非接地性不对称故障的时候，负序电流就会使幅值增大，但是这里零序电流的分量依旧为零。所以，零序电流的分量与其他两种进行区分。通过对故障进行详细的分析可以得出一些结论，采集一些资料，这样有助于出现故障时可以对其进行对照，尽早解决问题[5]。

5 电机控制技术的发展

5.1 监控系统智能化

单片机、DSP、嵌入式系统等都是典型的具有CPU 的控制系统，这些系统的出现对于许多仪器仪表的设计都带来了根本性的改变。究其原因这主要是因为他们自身性能的强大、可靠，能够适应工业、测控现场的严苛环境和各种严格要求。人们常常把他们作为是仪器、设备的控制中心。这类控制中心所具备的特点如下：

第一，灵活性比较强。由于这种控制器是由软件和硬件结合而成的，主要是用来解决人们的需求。因此，对于同一种硬件结构的装置来说，只要换一种方式也就是换个软件，就可以实现不同的功能，因此进行升级换代就是为了方便，也有利于减少开发成本。

第二，综合处理能力强。利用CPU 超强的处理能力，可以实现各种复杂的逻辑，对其进行控制、时序控制以及大量的数字运算。综合处理能力可以有效地解决各种问题。

5.2 智能控制器

这种智能控制器具有功耗低、接口简单、结构紧凑、精度高、可靠性好等特点，智能控制系统就是为了能够更好地把各种窗口进行区分，可以更好地对三相电机进行检测，并发现问题所在。智能化的控制器可以有效地解决电机中的这些问题。在电机的正常运作中，如果没有智能化的检测手段，就很难发现其中的问题。

5.3 监控系统网络化

随着生产过程自动化技术的发展，越来越多的用户要求电机保护器应具有一定的通信功能，这样可以更好的实现对电机的集中控制。传统方法中，对于电机的集中监测方式主要采用4-20mA 信号来进行实施，对一对信号电缆传送到中央控制室，即要监控多少个或者至少要监控多少个参数的电缆。近年来，由于现场总线的发展，这些数据的传送往往只需要对总线进行。但是如果当前所开发的电机保护器都对通信这一方面进行注重的话，这就需要对其进行更加深入地研究。