趙清江

【摘要】 機(jī)床故障中電器故障占大多數(shù)。其中三相異步電動(dòng)機(jī)缺相時(shí)無(wú)法正常起動(dòng),運(yùn)行中缺相時(shí)轉(zhuǎn)速變慢,缺相是造成電動(dòng)機(jī)損壞的主要原因。為保證安全、可靠運(yùn)行,三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)設(shè)置電源缺相保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】 實(shí)訓(xùn)機(jī)床設(shè)備;三相異步電動(dòng)機(jī);缺相起動(dòng);缺相運(yùn)行;缺相保護(hù)

隨著職業(yè)教育的快速發(fā)展,我院實(shí)訓(xùn)設(shè)備不斷增加,機(jī)床達(dá)400余臺(tái);學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)的機(jī)床故障不斷增多,特別是電器故障占大多數(shù),其中電源開(kāi)關(guān)的一極接觸不良或斷開(kāi)、熔斷器一相熔斷、接線頭接觸不良或脫落、定子繞組一相斷線等,都會(huì)造成三相異步電動(dòng)機(jī)一相斷電,稱為缺相。本文結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),對(duì)常用實(shí)訓(xùn)機(jī)床電動(dòng)機(jī)的缺項(xiàng)故障進(jìn)行了探討。

一、缺相時(shí)的物理現(xiàn)象分析

三相異步電動(dòng)機(jī)三相繞組通以三相對(duì)稱的交流電時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)在缺相時(shí)兩相繞組串聯(lián)通以兩相交流電時(shí),相當(dāng)于單相繞組通單相交流電流,產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一脈振磁動(dòng)勢(shì),即該磁場(chǎng)軸線位置是固定的,而空間各點(diǎn)的磁勢(shì)大小隨時(shí)間變化而變化。脈振磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)等幅值、等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向相反旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F和F。這可以用圖解法加以說(shuō)明(如圖1所示)脈振磁勢(shì)的分解可用圖示1的空間向量說(shuō)明,空間向量F表示單相繞組的脈

振磁勢(shì),其幅值位置在空間固定不變,大小隨時(shí)間脈振,在脈振過(guò)程中的每一瞬間都可以理解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)向量的相量相加,而且這兩個(gè)向量大小相等、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反,當(dāng)脈振磁勢(shì)的幅伯達(dá)最大時(shí).兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的向量位置恰好與脈振磁勢(shì)的向量重合或同相。這兩個(gè)反向的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F+和F-在空氣隙中建立正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)φ和φ。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,并分別在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。該電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正向和反向的電磁轉(zhuǎn)矩T+和T--。T+企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn);T-企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩疊加即為推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的合成轉(zhuǎn)矩T。

不論是T+還是T-它們的大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系和三相異步電動(dòng)機(jī)的情況一樣的。若電動(dòng)機(jī)沿正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)速為n,則對(duì)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言,轉(zhuǎn)差率S+=(n1一n}/ n1=S,而對(duì)反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言,轉(zhuǎn)差率S-=(一n1一n}/ 一n1=2一S,即當(dāng)S+= 0時(shí),相當(dāng)于S-= 2;當(dāng)S=0時(shí),相當(dāng)于S+= 2 。T+和T-與S的關(guān)系曲線(如圖2中兩條虛線所示)三相異步電動(dòng)機(jī)缺相狀態(tài)下的T= f(S)曲線為T+= f( S)和T-=f (S)兩條特性曲線疊加而成的。從圖2可知,當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),正反向旋轉(zhuǎn)

磁場(chǎng)以等速n 和反向切割轉(zhuǎn)了繞組,在轉(zhuǎn)了繞組中感應(yīng)出大小相等而相序相反的電動(dòng)勢(shì)和電流,它們分別產(chǎn)生大小相等而方向相反的兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩,使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為零。即n=O, S= 1,T=T++T-=0,說(shuō)明沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn),因此三相異步電動(dòng)機(jī)缺相時(shí)不能起動(dòng)。這是因鐵芯中有磁通,所以發(fā)出“嗡嗡”聲響。

如果人為的使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子向正常方向轉(zhuǎn)動(dòng),正向磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率S 處在1→0的范圍,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是正的,它拉著轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)是動(dòng)力轉(zhuǎn)矩;而反向磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率S 處在1→2的范圍,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是負(fù)的,它阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,只不過(guò)此時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小,電動(dòng)機(jī)有可能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)有人使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),則正向磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率S+處在1→2的范圍,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),它成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;反向磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率S-在1→0的范圍,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩有助于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),它成為動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn),在這種情況下,電動(dòng)機(jī)向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性從圖2的曲線也可看出,只要電動(dòng)機(jī)向某方向轉(zhuǎn)動(dòng),S≠0時(shí),動(dòng)力轉(zhuǎn)矩總是大于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。至于能否在起動(dòng)后升至額定轉(zhuǎn)速,這取決與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩與合成轉(zhuǎn)矩T的大小之間關(guān)系,如果合成轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,則能。反之,則不能。

三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中,由于某種原因引起一相斷電,此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于缺相運(yùn)行,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上作用著兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩,一個(gè)正向轉(zhuǎn)矩拉著轉(zhuǎn)子要使其繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),另外出現(xiàn)一個(gè)反向轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用,使總的合成轉(zhuǎn)矩減小,但只要電動(dòng)機(jī)的電磁合成轉(zhuǎn)矩還大于機(jī)軸上的阻力轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)還是可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的,但是轉(zhuǎn)速變慢。一般說(shuō)來(lái),假如三相異步電動(dòng)機(jī)在缺相前以額定負(fù)載運(yùn)行,并且電動(dòng)機(jī)在正'常狀況時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)大于2。那么在缺相后電動(dòng)機(jī)將能繼續(xù)運(yùn)行。

如果三相正常運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載,一相斷電后仍帶同樣的負(fù)載運(yùn)行,轉(zhuǎn)子電流和定子電流都將增大,此情況下約增大根號(hào)3倍。由于電流增大,轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗都會(huì)增加,電動(dòng)機(jī)易過(guò)熱,威脅定子繞組的絕緣,嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。

由于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的存在,三相異步電動(dòng)機(jī)在缺相運(yùn)行時(shí)定子電流中的無(wú)功分量增加,因而功率因數(shù)較低,效率也比三相運(yùn)行時(shí)低。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)電源缺相保護(hù)

三相異步電動(dòng)機(jī)電源缺相錯(cuò)相保護(hù)電路如圖3所示。該保護(hù)電路采用一塊厚膜集成電路TH221A組成三相電動(dòng)機(jī)缺相和錯(cuò)相保護(hù)電路,不需要使用互感器,可直接通過(guò)降壓電阻降壓后,直接接上380V電壓。通電后該裝置處于工作狀態(tài),三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),三個(gè)降壓電阻分別將三相異步電動(dòng)機(jī)的信號(hào)通過(guò)TH221A厚膜集成電路1,3,5輸入端送給取樣電路,經(jīng)過(guò)取樣電路進(jìn)一步降壓和變換,再送給缺相判斷電路和相序邏輯鑒別電路進(jìn)行判斷。

當(dāng)相序正確且無(wú)缺相時(shí),功率放大電路不工作,接在TH221A厚膜集成電路14和16腳綠色發(fā)光二極管發(fā)光,表示相序正確且無(wú)缺相,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。當(dāng)相序不正確或有缺相時(shí),相序邏輯鑒別電路或缺相判斷電路將有信號(hào)輸出,此時(shí)功率放大電路開(kāi)始工作,它將相序邏輯鑒別電路或缺相判斷電路送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大,并控制外接的直流繼電器KA,使三相異步電動(dòng)機(jī)的供電電源斷電,同時(shí)接在TH221A集成電路15腳的紅色發(fā)光二極管發(fā)光,表示相序有錯(cuò)誤或有缺相情況發(fā)生。排除故障后,電動(dòng)機(jī)方可正'常運(yùn)行。外接的直流繼電器KA和TH221A集成電路所要的直流電源,是相電壓經(jīng)電容降壓、全波橋式整流、濾波、經(jīng)電阻分壓后,供給直流繼電器和TH221A集成電路的,因此,整個(gè)保護(hù)裝置線路簡(jiǎn)單,外接元器件少,可靠性高。由于TH221A厚膜集成電路將取樣電路、相序邏輯鑒別電路、缺相判斷電路、功率放大電路集于一體,因此性能可靠.而且外部接線比轉(zhuǎn)簡(jiǎn)單。

三、結(jié)束語(yǔ)

三相異步電動(dòng)機(jī)在缺相條件下無(wú)法自行起動(dòng),是因單相脈動(dòng)磁場(chǎng)不能產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下缺相的三相異步電動(dòng)機(jī),由于轉(zhuǎn)矩不為零和較正'常時(shí)減小,因此有時(shí)能繼續(xù)運(yùn)行,但轉(zhuǎn)速變慢,這不僅影響正'常生產(chǎn),而且定、轉(zhuǎn)子的溫升會(huì)劇增,威脅絕緣甚至燒毀電動(dòng)機(jī),因此在使用或維修機(jī)床時(shí)應(yīng)密切注意三相電流以防缺相,必要時(shí)應(yīng)裝設(shè)電源缺相保護(hù)裝置,確保實(shí)訓(xùn)設(shè)備正常運(yùn)行及快速維修。

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