电机控制、保护及应用全解析

# 电机控制、保护及应用全解析 ## 1. 电压不平衡对电机的影响 电压不平衡会导致电机温度上升，其温度上升百分比（%DT）约为电压不平衡百分比的平方的 2 倍，公式如下： \[DT\% = 2\times(\Delta V_{unbalance}\%)^2\] 假设电机在额定负载下运行，由于三相电压不平衡导致的预期温度上升\(T_{UBV}\)可由以下公式计算： \[T_{UBV}=T_{rated}\times(1 + \frac{\%DT}{100})\] ### 1.1 示例计算 以一台三相、460 V、60 Hz 四极感应电机为例，该电机在不平衡三相电源下以额定功率运行，线电压分别为 460 V、455 V 和 445 V，预期使用寿命为 18 年，额定负载下的近似预期电机温度为 40°C。 - **计算平均电压和最大电压偏差**： - 平均电压\(V_{avrg}=\frac{460 + 455 + 445}{3}=453.33V\) - 电压偏差百分比\(\% \Delta V = (\frac{8.33}{453.33})\times100 = 1.84\%\) - **计算温度上升**： - \(\%DT = 2\times(1.84)^2 = 6.75\%\) - \(T_{UBV}=110\times(1 + \frac{6.75}{100}) = 117.4°C\) - 温度上升了\(117.4 - 110 = 7.4°C\) - **计算电机寿命减少**： - 寿命减少比例\(\approx\frac{1}{2^{\Delta T/10}}=\frac{1}{2^{7.4/10}} = 0.60\)，即 60% - 运行寿命\(=18\times0.6 = 10.75\approx11\)年 ## 2. 低压、欠压、电压降和断相电机保护 ### 2.1 过载保护 - 低压电机保护通常包括过载和短路保护，过载保护主要是防止过载产生的热效应。 - 电机输入电流由于损耗和功率因数的原因，通常大于由输出功率决定的正常电流。 - NEC 第 430 条给出了典型的满载电流，但过载保护应使用电机铭牌上的满载电流额定值。 - 对于服务系数为 1.15 或更高且标注温度上升为 40°C 或更低的电机，过载保护要求为铭牌额定值的 125%；对于其他电机，要求为 115%。 - 低压电机的过载继电器分为熔化合金、双金属或固态三种类型。熔化合金继电器通常是手动复位设备，双金属继电器可以是自动复位或手动复位。 ### 2.2 电压降和断相 - 电压降或断相（电源某点突然电压损失）的标准限制为在半个周期（即 10 ms 至 1 分钟）内为标称电压的 90%。短时间断相是指电压低于标称电压的 90% 持续时间少于 3 分钟，长时间断相是指持续时间超过 3 分钟，微电压降或断相持续时间约为 1 毫秒或更短。 - 电压变化可能由随机外部现象（如电源故障或意外短路）或连接重负载（如大型电机或变压器）引起，会对电机产生强烈影响。当电压下降时，异步电机的转矩（与电压的平方成正比）会突然下降，导致速度降低，甚至可能使电机停止（堵转）。电压恢复后，会产生重新加速的涌流，接近电机启动电流（高达额定电流的 10 倍）。 ### 2.3 不同类型继电器特点 | 继电器类型 | 特点 | | ---- | ---- | | 熔化合金继电器 | 通常为手动复位设备 | | 双金属继电器 | 可自动复位或手动复位，有温度补偿和非补偿类型。非补偿类型在继电器和电机处于相同环境温度时有优势，因为其断开时间随温度变化与电机相同；温度补偿继电器适用于电机环境温度恒定但继电器环境温度变化的情况 | | 固态继电器 | 同一物理继电器可用于不同类型电机，通过调整继电器设置来匹配受保护电机，还可提供缺相保护 | ### 2.4 NEMA 对过载继电器的分类 NEMA ICS 2 - 2000 根据堵转电流时的跳闸时间延迟将电机过载继电器分为三类： - Class 10：在 6 倍继电器过载额定值时，10 秒内跳闸。 - Class 20：在 6 倍过载额定值时，20 秒内跳闸。 - Class 30：在 6 倍过载额定值时，30 秒内跳闸。 ### 2.5 短路保护 - 短路保护通常涉及熔断器或断路器（电机电路保护器）。 - NEC 第 430 - 52 条规定了不同类型电机和保护装置组合的限制。 - 短路保护不仅保护电机，还保护电机电源电路和接触器。 - 电机电路导体的载流量应不小于 NEC 第 430 条表格中确定的电机满载电流的 125%，而不是铭牌上的满载电流额定值，以避免未来更换电机时电缆尺寸过小。 ### 2.6 示例说明 以一台 480 V、300 HP 鼠笼式感应电机为例，铭牌满载电流额定值为 355 A。 - NEC 表 430.250 中用于确定电机分支电路导体尺寸的满载电流额定值为 361 A。 - 从 NEC 表 310 - 16 中选择每相 500 kcmil 电缆，载流量为 380 A 来为电机供电。 - 选择符合制造商建议的 Class 10 熔化合金过载继电器进行过载保护。 - 使用根据 NEC 表 430.52 确定的 800 A 磁式断路器进行短路保护，该值为电机满载电流的 800%。 ### 2.7 断相保护 三相电机可能因电源断相而损坏，断相有两种基本类型： - 第一种是三角形 - 星形或星形 - 三角形变压器或变压器组的初级断开，会导致两相电流增加 115%