三相异步电动机断相保护电路.docx
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三相异步电动机断相保护电路
三相异步电动机断相保护电路2
大庆师范学院课
程设计2010年12月24日
1.设计要求··································································································12.方案设计··································································································1
2.1常见的信号源制作方法·······································································1
2.2方案论证·························································································23.单元电路设计和器件选择············································································2
3.1单元电路设计···················································································2
3.2器件选择························································································34.电路的工作原理························································································6
5.总结········································································································6
6.系统需要的元器件清单···············································································7参考文献····································································································7
1.设计要求
异步电动机在运行过程中经常发生电断相的故障，这主要是由某一相的熔断器断造成的另外外部电源断相、交流接触器某一对主触点接触不良、接线松动和电动绕组内部开路。
也可能引起断相故障。
断相出现负序分量，正序对称电压和负序对称压分别产生两个旋转方向相反的旋转磁场二者合成后为一椭圆形旋转磁场。
负序电激发的负序磁场使电机输出功率和电磁转下降。
在空载或轻载时，电源断相后，电动般不会停止运行，但是剩下的两相负载流明显增大。
如果是重载时断相，断相后电机的最大转矩一般小于额定转矩，如果负转矩大于此时的最大输出转矩，电动机将断减速，直至堵转。
对于恒转矩和恒功率载．电流将增大至正常运行时的好几倍，如没有有效的保护，电动机的绕组将会很快毁。
水泵风机类负载的负载转矩与转速的方成正比，如果在重载时断相，转速下降后负载转矩下降得很多，断相后可以稳定运行但是断相后的稳态电流可能超过额定电流。
实践表明，电源断相是异步电动机烧毁的要原因，据统计，在异步电动机绕组烧毁的障中，7O%以上是由电源断相引起的，因此必要给异步电动机（特别是大中型异步电机）设置可靠的断相保护装置。
针对三相异步电动机定子绕组烧毁的原因，一般采用的保护技术有过热保护、过流保护和断相保护。
断相保护是指电动机损坏，大多数是断相运行造成的，而人们对断相运行给电机造成什么样的危害，应采取什么样的保护方式合适，至今尚没有比较一致的意见。
很长一段时间比较普遍的观点认为；断相运行将导致电机绕组过热而损坏。
断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反．电势给电机造成的危害远大于过热给电机造成的危害，况且断相故障又不能自动排除，因此对电机的断相保护应瞬时动作保护而不是反时限特性保护和过热保护。
电动机保护器（电机保护器）应采取动作灵敏的电子式而不是动作缓慢的机电式。
2.方案设计
2.1系统简图
本系统具有断相监测显示功能，在断相情况下先使故障显示电路工作后，再切断主电源电路。
具有断相切断主回路电源，保证了电动机的安全功能。
1
三相交流电源熔断器FU1KM
FPM
三相异步
电动机断相显示电路接触器KM中间继电器KA
图1系统简图
2.2方案论证
由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，时间一长，导致接头氧化腐蚀，还有开关、触点发热阻值变大，有时会出现缺（断）相运行的情况，而85％～95％以上的电动机烧毁，均因缺相引起的，其余是三相电源供电严重不平衡引起一般用溶断器作短路保护，热继电器进行过载保护。
电动机启动时缺相的话,会发出异常声音,电机无法启动.如果电机在运行时缺相的话,电机也会发出异常声音,而电动机会因为惯性的作用下继续运转,如果不立即停机,而继续运转的话,电机的绕组会被烧坏.因此需在电动机的控制电路设置断相保护.用断相保护继电器获取断相信号，据输出电压变化构成断相保护电路实现保护。
3.单元电路设计和器件选择
3.1单元电路设计
3.1.1断相显示电路
三相指示部分由电阻R4~R6及发光二极管VL1~VL3等元件组成，三只发光二极管发光表示电源不断相.若电源断相，则相应相的发光二极管不亮。
其中FU1~FU3为熔断器，起短路保护作用。
2
3.1.2控制电路
T为降压变压器，一次绕组接380V线电压，二次输出9V，经整流桥整流，电容滤波及三端稳压器7806稳压后，输出6V直流供控制电路使用。
电容器C6~C8接成“人为中性点E”。
合上开关，按下启动按钮，接触器KM得电吸合并自锁，电动机启动运转。
当电动机正常运行且三相电源平衡时，“E”点电位为零，变压器T2无输出，三极管截止，继电器KA不闭合，其动触点KA保持闭合，电动机正常运行。
当电源断相或三相不平衡时，“E”点电位升高，经变压器T2，D10整流，C5滤波，再经稳压管VZ，R2C3延时，送至三极管VT基极，使其导通，中间继电器KA得电吸合，其动断触点KA断开，使KM失电释放，电动机失电停转，这就避免了电动机断相运行。
3.2器件选择
3.2.1光电耦合器
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。
光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。
当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。
IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。
其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。
光电耦合器可作为线性耦合器使用。
在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。
光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。
在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。
3.2.2接触器
交流接触器由以下四部分组成：
（1）电磁机构电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作。
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（2）触点系统包括主触点和辅助触点。
主触点用于通断主电路，通常为三对常开触点。
辅助触点用于控制电路，起电气联锁作用，故又称联锁触点，一般常开、常闭各两对。
（3）灭弧装置容量在10A以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口触点灭弧、电动力灭弧、相间弧板隔弧及陶土灭弧罩灭弧。
对于大容量的接触器，采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧。
（4）其他部件包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。
电磁式接触器的工作原理如下：
线圈通电后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力。
此电磁吸力克服弹簧反力使得衔铁吸合，带动触点机构动作，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通线路。
线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触点机构复位，断开线路或解除互锁。
1.额定电压：
铭牌额定电压是指主触点上的额定电压，通常用的电压等级为
直流接触器：
220V440V660V
交流接触器：
220V380V500V如果某负载是380V的三相感应电动机，则应选用380V的交流接触器
2.额定电流：
铭牌额定电流是指处触点的额定电流。
通常用的电流等级为：
直流接触器：
254060100150250400600A
交流接触器：
510204060100150250400600A
上述电流是指接触器安装在敞开式控制屏上，触点工作不超过额定温升，负载为间断--长期工作制时的电流值。
如果超过8小时，必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。
如果上述条件改变，就要做相应修正起电流值，具体如下：
当接触器安装在箱柜内，由于冷却条件差，电流要降低百分之十到百分之二十使用。
当接触器工作于长期制，而且通电持续不超过百分之四十；敞开安装，电流允许提高百分之十到百分之二十五；箱柜安装，允许提高百分之五到百分之十。
3.线圈的额定电压：
通常的电压等级为
直流线圈：
2448220440V
交流线圈：
36127220380V
（选择时一般交流对交流，直流对直流，但交流负载频繁动作时可以采用直流吸引线圈的接触器；直流接触器断开时产生的过电压高达十到20倍，所以不适合采用高电压等级，电压太低，接通线圈用的继电器或接触器的连锁触点不可靠）
4.操作频率：
指每小时接通的次数，交流接触器最高为600次每小时，直流接触器可达1200次每小时。
5.辅助触头的工作电流：
辅助触头（或为辅助开关）的微动开关，它有两个电流参数，一是约定发热电流，一是工作电流。
工作电流有多种，而约定发热电源只有一个。
工作电流：
由它所控制的电磁铁在闭合状态下的负载功能来决定。
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辅助触头的工作电流的确定：
GN14048.5-93《低压开关设备和控制设备
路电器和开关元件第一部分控制电机电式控制电路电器》的附录C“某些使用类别的辅助触头名义额定值举例”中，列出目前使用较多的AC-15和DC-13的动作电流,AC-15类别中,辅助触头的Ith＝２.５Ａ时，控制电磁铁闭合状态下的功率（容量）为１８０ＶＡ；Ｉth＝５Ａ，控制功率为３６０ＶＡ,Ｉth=10A控制功率为７２０VA;DC-13（直流）Ith=1A,控制功率为２８Ｗ。
3.2.3热继电器
它是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。
若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。
所以，这种过载是电动机不能承受的。
热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。
当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，而又不能推动人字形拨杆。
常闭触头处于闭合状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。
若电动机出现过载情况，绕组中电流增大，通过热继电器元件中的电流增大使双金属片温度升得更高，弯曲程度加大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头断开而断开交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。
可见，热继电器通常是直接断开接触器的控制回路来断开主回路的。
1）类型选择：
一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。
对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。
（2）热继电器额定电流选择：
热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。
然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。
（3）热元件额定电流的选择和整定：
热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。
当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。
一般情况，可按电动机的
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额定电流选取热继电器，热继电器的整定值为电动机额定电流的0.95~1.05倍，则三相异步电动机的额定电流为I=PE*100/UA。
3.2.4中间继电器
它的特点是触点数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触点数目和电流容量）的作用。
中间继电器分许多种，一般来说有一个电压线圈。
以DZB-31B来说，具有4付常开常闭接点，2付常开接点。
电压的正负对继电器没有影响。
另外还有的中间继电器具有1个自保持电流线圈和一个电压线圈。
或者一个电压自保持线圈和一个电流线圈。
中间继电器的选择应具备以下条件：
①控制电路的电源电压，能提供的最大电流；②被控制电路中的电压和电流；③被控电路需要几组、什么形式的触点。
选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。
控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。
4.电路的工作原理
电路如图2所示,3个阻值相同的电阻分别接在电动机的3个进线端,它们接成星形。
继电器KA的常闭触点串接在控制异步电动机的交流接触器的自锁电路中。
假设三相电源电压是对称的,且各相电压的有效值相同。
电源没有断相时,星形电阻的中点M点与N点（三相电源的中性导线）之间无电压,接在它们之间的光电耦合器的发光二极管不亮。
电源断相对,M点与N点之间将产生较大的电位差,使光电耦合器的发光二极管发光,它的光敏三极管饱和导通,继电器KA的线圈得电,它的常闭触点断开,使交流接触器的线圈失电,电机停止运行。
图2
断相保护原理图
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5.总结
（1）三相异步电动机运行时一相断相后气隙磁场由圆形旋转磁场变为幅值变化非恒速旋转的椭圆形旋转磁场。
（2）三相异步电动机运行时一相断相后带载能力下降电动机电流大于正常运行电流是否大于额定电流要看负载率。
（3）三相异步电动机运行时一相断相后负载率小于37%左右电动机定子电流不会大于额定电流负载率大于37%左右电动机定子电流就会大于额定电流但效率和功率因数要降低。
（4）只要监测电动机定子电流大于额定值时及时切断电源就可以有效保护电动机降低电动机的故障率。
6.系统需要的元器件清单
表1
元器件清单
器件名称变压器熔断器热继电器接触器稳压器二极管电容变阻器电阻三极管
规格型号220V/9V
个数1个3个3个
CJ10-2078062CP112.5uf1034.7KPNP
1K
1个1个2个1个1个各1个2个
参考文献
[1]陈明义,电子技术课程设计实用教程[S],2002.5
7
[2]齐宝林,实用电动机控制电路200例,2004.6
[3]陈海波,新编电动机检修161例,2004.4
[4]辛长平,电工应用电路图说,2006.4
[5]五维俭,电气主设备继电保护原理与应用,中国电力出版社,1996.1
[6]陈德树,计算机继电保护原理与技术,水利电子出版社,1992.1
[7]许实章,电机学（上,下）,机械工业出版社,1990.5
[8]高景德,黄立培,异步电动机起动过程的研究,电工技术杂志,1984
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