相三异步电动机断相保护设计--本科毕业设计.doc

摘 要

本文列举了造成三相异步电动机断相的原因，以及断相对电动机所造成的危害。在三相异步电动的运作故障中，由于断相运行而烧毁电动机的现象比例很大，本文分析了三相异步电动机断相运行的电气参数，阐述了电源断相保护、电源不对称保护、三相电机电流不对称保护等几种方法和保护电路。

关键词：三相异步电动机;控制电路;断相保护;三相对称电流

Abstract
This article lists the reasons of Loss of Phase for three-phase asynchronous motor and the harm caused by the Loss of Phase. The phenomenon of the burning of motor accounts for a large proportion due to the Loss of Phase in all faults of Three-phase Asynchronous motor. This article analyzes the electrical parameters while Three-phase Asynchronous Motor is working at a condition of Phase lost, expounds several methods and protection circuits of open-phase power protection, Asymmetric power protection and Asymmetric current protection of three-phase motor.
Keywords: Three-phase asynchronous motor; Control circuit; Open-phase Protection; Symmetrical three-phase current

目录
第一章 前言 1
第二章 三相异步电动机断相的原因及危害 2
第一节 断相原因 2
第二节 断相的危害 2
2.2.1 起动前断相 2
第三节 电动机运行中断相的运行状态分析 3
第三章 断相运行电流的分析 4
第一节 起动前断相 4
第四章 三相异步电动机的断相保护 12
第一节 电源断相保护 12
第二节 三相电源不对称及断相保护 13
第三节 电机电流不对称及断相保护 14
第四节 保护器 15
结束语 19
谢辞 20
参考文献 21
〖附录1〗 22

第一章 前言
三相异步电动机结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，是当前工农业生产中应用最普遍的电动机，因此了解电动机的运行性能、故障原因等极为重要。在生产过程中电动机能否正常运行直接影响生产效益，故对电动机采取保护措施是必不可少的。然而造成三相电动机损坏、烧毁的原因很多，其中断相运行(也称缺相或单相运行)是电动机损坏的主要原因之一。本文就三相异步电动机断相保护进行分析，并探讨几种断相保护电路在实际中的应用。
目的和意义：
本文主要是运用电机学知识对三相异步电动机断相进行分析，从而得出断相后与断相前之间的电流关系，如果电流长期过大，会导致电机损毁。然后以三相异步电动机连续控制电路为例进行分析，克服断相不能被控制电路检测的缺点，采用接触器来控制，来设计一个能完成断相控制的控制电路图。此电路简捷，控制及时、精确，而且能减少更多的资金投入，使之运用到实际生产、生活中，避免更多的损失。

第二章 三相异步电动机断相的原因及危害
第一节 断相原因
三相异步电动机断相运行的原因很多,常见的情况有以下几种: ①气候恶劣(如刮风,下雨,下雪等),造成电网一相电源断线；②闸刀开关上的熔体没有拧紧，或拧得过紧（将熔体端头压断），熔体出现浮接现象。此外，熔体选择不当，有一相熔体较细而熔断（占比例最大）；③电动机绕组引出线与接线端子之间一相松脱；④闸刀开关、自动空气开关、接触器等开关电器的一相触头损坏等；⑤电动机定子绕组一相断线等等[1]。将以上各种情况归纳为：电动机外部电源断相和电动机内部绕组断线断相两种。
第二节 断相的危害
电动机缺相运行是不允许的[2]。电动机缺相运行对电动机造成危害的有：起动前断相和运行中断相。
2.2.1 起动前断相
起动前断相也就是三相异步电动机静止状态时电源断一相。当缺相发生在三相异步电动机起动前，那么接通电源后，由于定子无法形成旋转磁场也就无法起动，转子左右摆动，有强烈的“嗡嗡”声。这时电动机绕组内流过的电流是堵转电流[3]，这个电流很大，电流约为工作电流的4～7倍，使电动机绕组严重发热，若保护装置不动作，时间一长必会烧毁电动机。
2.2.2 运行中断相
缺相发生在三相异步电动机正常运行过程中，造成严重的三相电压、三相电流不平衡，定子磁场由三相旋转磁场变为单相脉振磁场[4]，电动机转矩大大降低，只要负载转矩允许电动机仍能转动，但出力将大大降低，此时电动机二相运行的电流等于额定电流1.5～2 倍，由于大电流长时间在定子绕组中流动，会使定子绕组过热，以致烧毁。负载越大电动机就越容易烧毁。
综上所述，电源断相或绕组断线，使电动机单相运行是不利的，所以应选择适当的保护措施，对三相异步电动机进行断相保护，否则会造成电动机过流过载而烧毁。
第三节 电动机运行中断相的运行状态分析
电动机静止状态断相时，由于电流很大，一般保护装置能实现保护功能，但是当电动机在运行中，断相问题就复杂了[5]。在运行中电源缺相，电源由三相变成了单相，定子磁场由三相旋转磁场变成了单位相脉动磁场，但这一单相脉动磁场可分成两个互为反向的旋转磁场[6]。其中正向旋转磁场产生一个正向转矩使电动机转子继续旋转，但这一转矩比原来的电磁矩降低了许多，反向旋转磁场产生了反向制动转矩，它抵消了一部分正向转矩，使本来就降低的电磁转矩又降低了许多，故使电动机的出力大为降低，如果负载不降低，电动机的定子电流势必增加，引起过热，所以必须停止运行，否则，可能烧毁电动机。

第三章 断相运行电流的分析
为了正确选择断相保护装置，需要知道在断相运行状态下，线电流与相电流的变化情况，现在我们来确定断相运行状态下，线电流和相电流的相对值。
第一节 起动前断相
三相供电导线之一在电动机起动前断开时，合闸后电动机在单相电源上，电动机定子线圈产生单相脉动磁场，电动机无法运转。
一．Y接电动机一相电源或一相绕组断开，如图1.

1．电动机启动前断相：
a）正常起动时的起动电流IQ：
b）断相起动时的起动电流：，
=0.866IQ
注：1）电机在断相前后线电压仍保持对称，因此有；2）电机在断相前后每相绕组的阻抗值（模）不变，即 =
式中：-断相前相电压；-断相前线电压；-断相后线电压；
-断相前每相绕组的阻抗值（模）；-断相后每相绕组的阻抗值（模）。
对于一般低压异步电动机，~7）倍额定电流(IN)，所以断相后电动机的起动电流=~6）IN。
2．电动机在运行中断相：
a）正常运行时电动机输出功率P：
P=COS
b）断相运行时电动机输出功率：

假定断相后电动机的输出功率、功率因数与效率均不变，即：
P=；；
而电压：；
由上面关系则有： 即
式中：-电动机正常运行时的线电流；-电动机断相运行时的线电流；
-电动机正常运行时的功率因数；-电动机断相运行时的功率因数；
-电动机正常运行时的效率；-电动机断相运行时的效率。
当负载率：1）β=时 =0

2）β=时 =0

二．Δ接电动机一相绕组断开，如图2.

图2等效电路如图3.
设每相绕组阻抗为，其中为断相后功率因数角。
以线电压为参考正弦量（断相后线电压仍对对称）则有：

由上面关系则有：；
由基尔霍夫电流定律： 则有：

上述关系其向量图如图4.

由图4可求得与夹角为，于是可按

图5求与的数值关系，由余弦定
可得：
=

1、电动机在起动前断相：
a）正常起动时的起动电流：

b）断相后起动时起动电流：
=
由上面关系则有：
；

对于一般低压异步电动机，~7）倍额定电流(IN)，所以断相后电动机的起动电流 ：

2．电动机在运行中断相：
a）正常运行时电动机输出功率P：
P=COS
b）断相运行时电动机输出功率：

假定断相后电动机的输出功率、功率因数与效率均不变，即：
P=；；
由上面关系则有：

当：1）β=时 ==

2）β=时 ==0.58

式中：-电动机正常运行时的相电流； -电动机的额定相电流；
-电动机的额定线电流
三．Δ接电动机电源一相断开，如图6.

设每相绕组阻抗为，其中为断相后功率因数角。
以线电压为参考正弦量（断相后线电压仍对对称 则有：

=
=

由基尔霍夫电流定律：
由上面关系则有：；
； 因此有：
1． 电动机在起动前断相：
a）正常起动时的起动电流：
b）断相后起动时的起动电流：；
；
因此有：又由于
则有：
2．电动机在运行中断相：
a）正常运行时电动机输出功率P：
P=COS η
b）断相运行时电动机输出功率：

假定断相后电动机的输出功率、功率因数与效率均不变，即：
P=；；
由上面关系则有：
因此有：

当：1）β=时 ==1.732
；
2）β=时 =

3）β=时 =0.866

式中：-电动机正常运行时的相电流； -电动机的额定相电流；
-电动机的额定线电流。
将上述不同负载率时的断相故障电流关系列表如下：

断
相
类
型
编
号

电动机接线方式类型

起动前断相

运行中断相
满载β=100%
轻载

Y接电机电源一相或两相断开

1

=

=1.732

β=
58%

=

断
相
类
型
编
号

电动机接线方式类型

起动前断相

运行中断相
满载β=100%
轻载

Δ接电机一相绕组断开

2

=
=

=0.866

β=
67%

=0.58

Δ
接
电
机
电
源
一
相
断
开

3

=

=1.732

β=
58%

=

β=
50%

=0.866

第四章 三相异步电动机的断相保护
本文就以最常用的三相异步电动机连续控制电路为例进行分析。三相异步电动机绕组有星形和三角形两种接法，不同的接法，断相引起各绕组电流变化也不一样，但其现象都是电动机因过流过热而烧毁电机。
一般三相交流异步电动机的控制电路仅取三相交流电中的两相，如图5所示。若断相发生在两相中的一相（A相或B相），控制电路中KM1线圈失电，接触器KM1 主触点随之断开，使电动机脱离电源；若电源断相正好不是这两相而是另一相（如C相），控制电路仍然正常工作，电动机在断相下运行，这样电动机处于不正常的工作状态。

图5 基本连续控制电路图
第一节 电源断相保护
针对上例，为了克服因断相不能被控制电路所检测的缺点，在投资不多的情况下，采用中间接触器KA和接触器KM线圈互锁供电的控制电路如图6所示，无论哪一相断相，可自动切断电路，从而保护了电动机。其控制电路工作原理：
(1) 电动机全相工作时：按下起动按钮SB1,KM1线圈得电,KM1主触点闭合,电动机得电起动运行,同时KM1辅助触点闭合,KA线圈得电,KA常开触点闭合,KA与KM互锁,电动机正常运行。
(2) 电动机断相时（设C相）：若C相断相，KA线圈不得电，KA常开触点不闭合（不能形成互锁），松开起动按钮SB1，电动机停转。两个接触器线圈的电压分别来自三相中的电压回路，所以，如果三相中的任何一相断相，都能使两个接触器中的一个或两个释放，切断主电路,保护了电动机。

图6 电源断相控制之一
第二节 三相电源不对称及断相保护
对于图6中线圈KA和KM工作电压范围在350V～400V，当三相交流电源发生不对称时，该控制电路灵敏度差[10]，不能判别和控制，电机可能因长期在不正常情况下工作而影响寿命。为此将电路改进如图7所示，在控制电路中串联了电流继电器KA的常闭触点。工作情况如下：
（1） 当三相电源对称时，三相对称电压分别经三个电阻R接于同一点E，此时点E与零线点N的电压UEN＝0V，整流桥堆输出无电压，电流继电器KA没有电流流过，控制电路正常工作，三相电动机正常运行。
（2） 若某原因引起三相电源非对称，此时点E与中线点N的电压UEN≠0V，整流输出电压大于零，那么就有电流流过线圈KA，其KA常闭触点打开，切断控制电路供电，使电动机与电源断开，从而保护了电动机。只要整定好电路各器件参数就可以使电路达到较好的灵敏度，能够检测出电源非对称性＜5%，从而较大程度地提高了电动机工作的安全性。
对于图7中的电路不足之处有：（1） 只能判别电机外部三相电源是否正常，但对电动机内部绕组断相不能判别和控制；（2） 此电路需要三相四线制电源，而在实际生产中动力电源往往采用三相三线制，故此电路适用范围有限。

图7 电源断相控制之二
第三节 电机电流不对称及断相保护
电机损坏的原因主要有过流、过载、断相等，但这些故障的出现都会使电机电流随之作出相应的反映，通常会使电机输入电流增大而且不对称[11]。而电流的增大是引起电机烧毁的根本原因，所以以电机电流作为被检测对象才是控制的最根本点。以电机电流为检测对象的断相保护电路如图8所示，电机三相电流、、经三相电流互感器、电阻R汇接于点E。其工作作原理如下：

图8 电机电流检测的断相保护
（1） 当外电源三相对称且电动机三相绕组对称时，一定必有三相对称电流、、且， 经电流互感器和电阻R汇接于点E的电压一定为零，整流无输出电压，KA不动作，电机正常运行。
（2） 当外电源断相不对称或者电动机断相三相绕组不对称中有一种情况发生时，一定引起三者电流，此时点E的电压UEG≠0V，整流输出电压使电流继电器KA线圈得电,常闭触点断开,切断KM线圈的供电,使电动机不工作，保护了电动机。只要合理选择器件、整定好参数就可以使电路起到很好的保护作用。此电路主要优点有:（1） 具有电机内、外部断相保护；（2） 三相电源、三相负载不对称保护；（3） 具有过载、过流保护；（4） 检测电路相对独立、隔离性好、安全可靠，不需要中线等。
第四节 保护器
首先对以前典型的电动机断相保护电路分析：(1)保险丝保护，即加大保险丝容量，选择额定电流3.5～5倍的熔丝，使熔丝在非短路情况下不会熔断。但是这种方案只能防止因保险丝熔断而造成的电动机缺相，却不能阻止电动机缺相运行，尤其是因电网故障造成的线路缺相。(2)在星形接法电动机的星点与零线之间接入一个24V交流继电器，并将继电器的触点串联在交流接触器的控制回路中。电动机正常运转时三相平衡，电动机中性点或人造中性点与零线之闻电位差为零，继电器不工作。当任何一相断电后，星点与零线之间存有30V左右的电位差，继电器吸合使交流接触器线圈断电释放，达到保护目的。这种保护电路虽然造价低廉，但只能保护电源到中性点之间的断相，保护不了中性点到电机之间的断相。采用中性点或人造中性点对零线电流或电压取样，由于单相负载投入或切除，必然会使中性点电压或零线电流变化[12]，将使保护整定值难以确定。
由于电动机断相最显著的特征就是电动机的温升提高，所以首先想到利用电动机发热为依据对电动机进行保护，则保护元件的选择当然首选是热继电器，只要调整好就可以进行断相保护。但这种方式对于电动机绕组为星型连接的比较适宜，而对于三角形连接的就有一定的缺陷，主要是由于这种接法的三相电动机的线电流在有些情况下不能完全反映相电流的过载情况，致使热继电器的发热元件还未动作，绕组已因过热而烧毁。
电源一相断线后，定子绕组为星型连接时，断相发生使中性点偏移[13]，零序电压出现，这样就可以采用低电压继电器，当电动机在正常运行时，接于负载的中性点与大地之间的低电压继电器两端不会有电压存在，继电器不动作。而发生断相时则会出现零序电压[14]，而引起零序电流，低电压继电器便会动作，从而切断控制电路，继而是主电路，保护了电路。
由于断相时，电动机的相电流与线电流都会发生变化，这样可以采用欠电流继电器，即在三相电源进线上各接串1个欠电流继电器，在正常运行时3个欠电流继电器的常开触头闭合，而发生断相时接于断相线的欠电流继电器就会因电流为零而失电释放，从而切断控制电路和主电路，即使断相发生在三角形连接的绕组，则由于有两相的线电流降低，使欠电流继电器释放，而起到了保护作用。
综上所述，三相异步电动机无论在起动前断相，还是在运行中断相，无论是星形接法，还是三角形接法，都存在过负荷现象[15]。因此，必须采取保护措施对电动机进行保护。目前，通常采用热继电器对电动机进行过负荷保护。普通型热继电器有两相结构和三相结构两种，但是它们均不具备断相保护功能[16]。两相结构的热继电器可以作为异步电动机均衡过载时的保护，但不适用于异步电动机定子为三角形接法的绕组内部一相断开的断相保护。已知分析三角形接法内部绕组一相断开时，三相线中一相线电流为三相运行时线电流的1.9倍，而其余两相线电流仅是三相运行时线电流的1.09倍。即仅一相线电流明显增大，此时这一线电流可能不流过热继电器而起不到保护作用。所以必须采用具有断相保护功能的三相热继电器。

图9 a)断电 b)正常运行 c)过载 d)单相断电
注：1 双金属片削面；2 上导板；3 下导板；4 杠杆
若采用普通三相结构的热继电器时，当电源一相发生故障，因只有两个双金属片被加热，则继电器的动作时间会增加，最小动作电流值也会提高(约提高1%)。这种情况会造成电动机的损坏，为避免这种情况而可靠保护电动机，应选用带断相保护的热继电器。
JR36系列为断相保护热继电器，部分结构示意如图9所示，其中剖面1为双金属片，虚线表示动作位置，图9(a)为断电时的位置。
当电流为额定值时，三个热元件均正常发热，其端部均向左弯曲，推动上、下导板同时左移，但到不了动作线，继电器不会动作，如图9(b)。
当电流过载到达整定值时，双金属片弯曲较大，把导板和杠杆推到动作位置，继电器动作，如图9(c)。
当一相断路时(设A相)，A相(右侧)热元件温度由原正常发热状态下降、双金属片由弯曲状态伸直，推动上导板右移；同时由于B、C电流较大推动下导板向左移，使杠杆扭转、继电器动作，起到断相保护作用。
JR36系列热过载继电器(以下简称热继电器)适用于交流50Hz/60Hz、电压至690V，电流0.25～160A的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。热继电器具有断相保护、温度补偿、自动与手动复位、产品性能稳定可靠。本产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准。热继电器只有独立安装方式。该产品与CJT1接触器组成QC36型的电磁起动器。JR36型热继电器主要技术数据、工作条件以及结构特点参照附录。

结束语
本次的设计解决了三项异步电动机连续控制电路断相不能被检测的缺点，采用接触器来完成断相控制，控制更精确、及时。提出了采用具有断相保护功能的三相热继电器对电动机进行过负荷保护。而且对三相异步电动机断相的电流进行了分析、计算。但由于电动机断相的不确定性和复杂性，自己的能力有限，本设计还有很多的不足，如增加电机的测温控制等使电机保护更全面，希望大家指正。

谢辞
在论文写作过程中，得到了李洪老师的亲切关怀和耐心的指导。再次感谢老师的关心和帮助! 谢谢!
同时也感谢我的学友们，两年时光仿佛如一瞬，在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从选题到顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给我了无言的帮助，在这里请接受我真情的谢意！最后感谢母校两年来对我的栽培。

参考文献

[1] 电气工程师手册编辑委员会.电气工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社出版，1995，p：50～100
[2] 许晓峰. 电机与拖动[M]. 北京：高等教育出版社，2000,p：20～150
[3] 石生. 电路基本分析[M].北京：高等教育出版社，2000,p：120～130
[4] 邓星钟. 机电传动控制[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1998,p：76～83
[5] 倪小敏.三相异步电动机断相分析及保护[J].广西电力，2005 (2)：66～68
[6] 陈振明等. 三相异步电动机维护与故障处理[M]. 广州： 广东科技出版社，2002,p：73～200
[7] 任致程. 电动机电子保护器与软起动器应用指南:第一版[M].北京：机械工业出版社,2004,p：66～82
[8] 张植保. 电机原理及其运行与维护,第一版[M].北京：化学工业出版社，2005,p：99～101
[9] Smith, O.J.M. Shock, C.C. Circuitry innovation for three-phase motor operation on single-phase power [J]. Applied engineering in agriculture. Sept 1999. 15(5) p：577-582.
[10] 李新. 三相异步电动机断相保护的研究[J].渤海大学学报（自然科学版），2005 (2)：179～182
[11] 魏海燕.浅谈三相异步电动机断相保护[J].中国高新技术企业，2008 (20)：95～96
[12] 曲荣芝，宋春光.浅谈电动机的断相保护[J].山东煤炭科技，2007 (6)：52～53
[13] Alves-Filho,O. Simple thermal analysis of three-phase induction motor [J]. Conference Publication. Paper / Winter 1991. (916563)：25～32
[14] 赵杰，刘汉玉，高贵生.三相异步电动机断相运行的分析及解决方案[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001 (3)：324～327
[15] 芦新茹.三相异步电动机断相运行分析[J].辽宁工学院学报，2002 (3)：21～23
[16] 任政谏，卢利斌.三相异步电动机断相保护[J].电机技术，2008 (5)：44～45
[17] 纪学.三相异步电动机断相保护选择探讨[J].科技咨询导报，2007 (23)：127～128

附录
〖附录1〗
表1 JR36系列技术数据：

JR36-20
JR36-63
JR36-160
额定工作电流A
20
63
160
额定绝缘电压V
690
690
690
断相保护
有
有
有
手动与自动复位
有
有
有
温度补偿
有
有
有
测试按钮
有
有
有
安装方式
独立式
独立式
独立式
辅助触头
1NO+1NC
1NO+1NC
1NO+1NC
AC-15 380V 额定电流A
0.47
0.47
0.47
DC-15 220V 额定电流A
0.15
0.15
0.15
导线截面积
主回路
单芯或绞合线
1.0-4.0
6.0-16
16-70
接线螺钉
M5
M6
M8
辅助回路
0.5
2×（0.5-1）
2×（0.5-1）
2×（0.5-1）
接线螺钉
M3
M3
M3
〖附录2〗
1 正常工作条件：
1.1 海拔高度：不超过2000m。
1.2 周围空气温度：-5℃～+40℃,24小时平均温度不超过+35℃。
1.3 大气条件：在+40℃时大气相对湿度不超过50%，在较低的温度下可允许有较高相对湿度，最湿月的月平均最低温度不超过+25℃，该月的月平均最大相对湿度不超过90%，并考虑因温度变化发生在产品表面上的凝露。
1.4 安装面与垂直面倾斜度不超过5°。
1.5 在无爆炸危险介质中，且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体及导电尘埃存在的地方。
1.6 在有防雨雪设备及没有充满水蒸气的地方。
1.7 在无显著摇动、冲击和振动的地方。
2 结构特点：
2.1 该系列热继电器为三相双金属片式，脱扣级别为10A。
2.2 具有差动式断相保护。
2.3 具有整定电流连续可调装置。
2.4 具有温度补偿。
2.5 具有动作灵活性检测机构。
2.6 具有检测按钮，能手动断开常闭触头功能。
2.7 具有手动与自动复位转换的调节结构。
2.8 具有电气上可分的一常开和一常闭触头。
2.9 安装方式：独立安装。

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