常用实训机床设备缺相故障的探讨

【摘要】 机床故障中电器故障占大多数。其中三相异步电动机缺相时无法正常起动,运行中缺相时转速变慢,缺相是造成电动机损坏的主要原因。为保证安全、可靠运行,三相异步电动机应设置电源缺相保护。

【关键词】 实训机床设备;三相异步电动机;缺相起动;缺相运行;缺相保护

随着职业教育的快速发展,我院实训设备不断增加,机床达400余台;学生实训时的机床故障不断增多,特别是电器故障占大多数,其中电源开关的一极接触不良或断开、熔断器一相熔断、接线头接触不良或脱落、定子绕组一相断线等,都会造成三相异步电动机一相断电,称为缺相。本文结合作者的实际工作经验,对常用实训机床电动机的缺项故障进行了探讨。

一、缺相时的物理现象分析

三相异步电动机三相绕组通以三相对称的交流电时产生旋转磁场。当三相异步电动机在缺相时两相绕组串联通以两相交流电时,相当于单相绕组通单相交流电流,产生的磁场是一脉振磁动势,即该磁场轴线位置是固定的,而空间各点的磁势大小随时间变化而变化。脉振磁动势可以分解为两个等幅值、等转速、转向相反旋转的旋转磁动势F和F。这可以用图解法加以说明(如图1所示)脉振磁势的分解可用图示1的空间向量说明,空间向量F表示单相绕组的脉

振磁势,其幅值位置在空间固定不变,大小随时间脉振,在脉振过程中的每一瞬间都可以理解为两个旋转向量的相量相加,而且这两个向量大小相等、转速相同、转向相反,当脉振磁势的幅伯达最大时.两个旋转磁势的向量位置恰好与脉振磁势的向量重合或同相。这两个反向的旋转磁势F+和F-在空气隙中建立正转和反转磁场φ和φ。这两个旋转磁场切割转子导体,并分别在转子导体中感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作用产生正向和反向的电磁转矩T+和T--。T+企图使转子正转;T-企图使转子反转。这两个转矩叠加即为推动电动机转动的合成转矩T。

不论是T+还是T-它们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况一样的。若电动机沿正转磁场方向的转速为n,则对正转磁场而言,转差率S+=(n1一n}/ n1=S,而对反转磁场而言,转差率S-=(一n1一n}/ 一n1=2一S,即当S+= 0时,相当于S-= 2;当S=0时,相当于S+= 2 。T+和T-与S的关系曲线(如图2中两条虚线所示)三相异步电动机缺相状态下的T= f(S)曲线为T+= f( S)和T-=f (S)两条特性曲线叠加而成的。从图2可知,当转子静止时,正反向旋转

磁场以等速n 和反向切割转了绕组,在转了绕组中感应出大小相等而相序相反的电动势和电流,它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转矩,使合成的电磁转矩为零。即n=O, S= 1,T=T++T-=0,说明没有起动转,因此三相异步电动机缺相时不能起动。这是因铁芯中有磁通,所以发出“嗡嗡”声响。

如果人为的使电动机转子向正常方向转动,正向磁场与转子的转差率S 处在10的范围,产生的转矩是正的,它拉着转子继续转动,此时是动力转矩;而反向磁场与转子转差率S 处在12的范围,产生的转矩是负的,它阻碍转子的转动,此时是制动转矩,只不过此时制动转矩较小,电动机有可能继续转动。

当有人使电动机转子反方向转动时,则正向磁场与转子的转差率S+处在12的范围,产生的转矩阻碍转子的转动,它成为制动转矩;反向磁场与转子转差率S-在10的范围,产生的转矩有助于转子的转动,它成为动力转矩,使电动机继续反转。由此可见,在这种情况下,电动机向两个方向转动的可能性从图2的曲线也可看出,只要电动机向某方向转动,S≠0时,动力转矩总是大于制动转矩,电动机能继续转动。至于能否在起动后升至额定转速,这取决与机械负载转矩与合成转矩T的大小之间关系,如果合成转矩大于负载转矩,则能。反之,则不能。

三相异步电动机在运行中,由于某种原因引起一相断电,此时电动机处于缺相运行,电动机转子上作用着两个电磁转矩,一个正向转矩拉着转子要使其继续转动,另外出现一个反向转矩起制动作用,使总的合成转矩减小,但只要电动机的电磁合成转矩还大于机轴上的阻力转矩时,电动机还是可以继续转动的,但是转速变慢。一般说来,假如三相异步电动机在缺相前以额定负载运行,并且电动机在正'常状况时的最大转矩倍数(最大转矩/额定转矩)大于2。那么在缺相后电动机将能继续运行。

如果三相正常运行的电动机带额定负载,一相断电后仍带同样的负载运行,转子电流和定子电流都将增大,此情况下约增大根号3倍。由于电流增大,转子损耗和定子损耗都会增加,电动机易过热,威胁定子绕组的绝缘,严重时甚至烧毁电动机。

由于反向旋转磁场的存在,三相异步电动机在缺相运行时定子电流中的无功分量增加,因而功率因数较低,效率也比三相运行时低。

二、三相异步电动机电源缺相保护

三相异步电动机电源缺相错相保护电路如图3所示。该保护电路采用一块厚膜集成电路TH221A组成三相电动机缺相和错相保护电路,不需要使用互感器,可直接通过降压电阻降压后,直接接上380V电压。通电后该装置处于工作状态,三相异步电动机起动时,三个降压电阻分别将三相异步电动机的信号通过TH221A厚膜集成电路1,3,5输入端送给取样电路,经过取样电路进一步降压和变换,再送给缺相判断电路和相序逻辑鉴别电路进行判断。

当相序正确且无缺相时,功率放大电路不工作,接在TH221A厚膜集成电路14和16脚绿色发光二极管发光,表示相序正确且无缺相,电动机运行正常。当相序不正确或有缺相时,相序逻辑鉴别电路或缺相判断电路将有信号输出,此时功率放大电路开始工作,它将相序逻辑鉴别电路或缺相判断电路送来的信号进行放大,并控制外接的直流继电器KA,使三相异步电动机的供电电源断电,同时接在TH221A集成电路15脚的红色发光二极管发光,表示相序有错误或有缺相情况发生。排除故障后,电动机方可正'常运行。外接的直流继电器KA和TH221A集成电路所要的直流电源,是相电压经电容降压、全波桥式整流、滤波、经电阻分压后,供给直流继电器和TH221A集成电路的,因此,整个保护装置线路简单,外接元器件少,可靠性高。由于TH221A厚膜集成电路将取样电路、相序逻辑鉴别电路、缺相判断电路、功率放大电路集于一体,因此性能可靠.而且外部接线比转简单。

三、结束语

三相异步电动机在缺相条件下无法自行起动,是因单相脉动磁场不能产生起动转矩,即起动转矩为零。运动状态下缺相的三相异步电动机,由于转矩不为零和较正'常时减小,因此有时能继续运行,但转速变慢,这不仅影响正'常生产,而且定、转子的温升会剧增,威胁绝缘甚至烧毁电动机,因此在使用或维修机床时应密切注意三相电流以防缺相,必要时应装设电源缺相保护装置,确保实训设备正常运行及快速维修。

参考文献

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[2]胡之光.电机磁场的分析与计算

[3]承林等编.电机学