三相智能电动机缺相保护在工业维护中的应用与选型

王蒙蒙

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：电源缺相易造成电动机烧损，不仅严重危害电动机的运行，而且造成维护困难。在不添加缺相保护器前提下，同时不改变原有设备性能，对电动机控制电路做适当调整，实现缺相保护功能，有效保护电动机。该法简单易行，成本极低。

关键词：三相电动机；缺相故障；保护电路；电路改进；故障对比

0 引言

    三相电动机作为一种不可或缺的设备，在天车、消防泵、水泵、风泵、油泵、空气压缩机、大型车床等有着广泛的应用。三相电动机为大多数设备提供着动力，一个现代化的工厂甚至需要几百到上万台电动机，因此三相电动机的事故率严重影响着工业生产的效率、安全和维护成本。然而在各种设备在出厂设计和制造过程中，三相电动机启动和运行控制电路，大部分采用降压启动（即星三角形启动、自耦变压器降压启动等），决大多数在控制方面仅仅考虑电压不足时的保护，没有考虑当三相交流电出现缺相时如何对电动机进行控制保护。然而，电源缺相，对三相电动机的启动和运行危害很大，极易造成电动机烧损，常常给生产带来不便，造成企业损失。

    在长期实际维护中，对三相电机故障原因进行了统计分析，故障原因占比如图1所示。

图1三相电机故障分

    其中，三相电机缺相故障占比达到71%，三相电机缺相是造成电动机损毁的主要原因，其造成的安全隐患和经济损失不可轻视。如何进行三相电机的缺相保护是工业维护的重中之重。

    现在，对三相电动机的缺相保护已较多采用电子电路缺相保护、集成电路缺相保护等，但这些保护方法，电路复杂价格较贵，不利于降低企业成本。本文选择一种三相电机永不缺相启动和运行的控制线路应用在三相电机中，在不添加缺相保护器的前提下，同时不改变原有设备性能，对三相电动机控制电路稍调整，就达到缺相保护功能的方式，有效保护三相电动机。

1 缺相保护原理

    根据三相交流异步电机启动和运行控制原理要求，在原有三相电机控制线路基础上稍作调整，使其线路具有缺保相护作用，电路如图2（a）所示。

图2系统原理图

    图 2(a)中 SB1启动常开按钮,SB2停机常闭按钮，KA继电器，KM接触器，FU熔断器，FR热继电器。

    1）启动原理

    如图2所示，先将按钮（SB1）触头闭合，A相电源流经继电器（KA）线圈B相电源得电，使得串联在继电器（KA）触头闭合，同时A相电源经过接触器（KM）线圈与继电器（KA）闭合触头取C相电源得电，接触器（KM）工作，电机就启动运转。

    2）停止原理

    按下按钮（SB2）触头断开，A相电源就断开。继电器（KA）与接触器（KM）的线圈无法取A相电源而失电，则接触器无法工作，电机无法启动运转。

    3）缺相停机原理

    若A、B、C缺A相，KA、KM的线圈电源取A、C相，接触器继电器失电，电机就无法启动运转。若A、B、C缺B相，KA的线圈电源取A、B相，KA失电无法工作，常开触头不动作，KM线圈就无法通过KA常开触头取C相电源，电机就无法启动运转。若A、B、C缺C相，接触器KM线圈电源是取C、A相电源，接触器失电电机就无法启动运转。

    总之，三相交流电源缺任何一相，电机都无法启动运转。当电源缺相时达到有效控制电动机，使电动机停止运行，起到缺相保护器作用。

2 三相电机保护电路改进及应用

    三相异步电动机缺相时，电动机将无法启动。转子左右摆动，有强烈的尖叫声。对电动机造成磨损。当电动机在运行中电源缺相时，如不降低负载，电动机的定子电流势必增加，引起过热，长时运行致使三相电机烧毁。在分析三相电机缺相保护原理基础上，对某机务段约120台各型三相电动机（其中37kW以上的三相交流异步电动机有35台，25kW的三相异步电动机85台），运用三相电机永不缺相启动和运行的控制线路技术进行改造，历时一年多竣工；经性能鉴定，完全符合各类大功率三相电机的控制要求，已正式投入使用。在很大程度上克服了三相电机缺相时对电动机本身的伤害，消除了缺相损坏三相电动机对机车检修，日常维护的影响。线路简单，改造方便，材料便宜，该技术实用性较强，完全可以满足大规模三相电动机改造的要求。

    以其空气压缩机为例，改造仅仅加装一只继电器，不改变原有设备性能，对三相电动机控制电路稍调整，就达到缺相保护功能的方式，有效保护电动机。如图2（b）所示，虚红框内为改装部分。

3 应用效果

    经改造的线路简单，仅增加很少电子元件；占用空间小，不改变原有电器整体布局；投资小，有效保护电机，使用效果良好。

3.1经济效果

    直接经济效益：

    该段现有37kW以上的大功率三相交流异步电动机有35台，25kW的三相异步电动机85台。如果从市场重新购买缺相保护器需要成本7.45万元以上，每台缺相保护器单价为（600~700）元。通过技术改造，只需调整电机控制线路，加装一只继电器，每只继电器单价为95元，共计1.1万元，从而节约设备配件购置成本约6万元。

    设备改进前该机务段全年总计发生大小三相电机故障71起，其中三相电机缺相造成的设备故障总计51起占到了电机故障的71%，该段设备车间在维修该类电机的技术力量薄弱，一般外委修理，一台37kW三相电机修理费用为2000元以上(每千瓦的维修费用为60元）每年直接造成的经济损失就约8万元，其中部分三相电机用于机车上需检修的重要设备，如天车、空气压缩机等。在技术改造前，此类电机共发生故障12起，造成的误工停时费用为2000元/d台。修复一台故障三相电机需要3d，产生的误工停时费6000元，间接因电机故障产生的误工停时费每年约7万元。

    可见，改造后效益显著。

    安全效益：技术改造以前，由于各类设备上的三相电机，在电源缺相情况下，发生各类电机故障甚至发生三相电机烧毁，严重影响设备的安全运行。而技术改造后，设备正常运行得到了有效的保证，从根本上杜绝了因为电源缺相而引起的各类三相电机事故。技术改造产生了良好的安全效果。

3.2改进前后三相电机故障对比

    三相电机控制线路改造前，各类设备因电源缺相，频繁发生电机烧损的现象，在三相电机中各类故障中占约71.4%。通过认真执行三相电动机缺相保护改进工作，初步改造后电动机缺相故障降到了全年26件，三相电机缺相故障占比降至约54%。之后，经过了全面改造三相电动机的质量有了显著提高，效果十分明显，试行阶段统计，全年三相电机缺相故障共发生3件（占比约12%），其中临修2件，超范围修1件（烧损1件，技术故障2件），故障件数大幅度下降，设备改进完毕并通过，全面性能鉴定后（约120台），正式投入使用，全年未发生一次因缺相造成的三相电机损毁，三相电机缺相故障率降至0%，总计减少开支15万元，改造前后，各种原因下的三相电动机故障次数分布如图3所示。

图3三相电机故障情况表

4 安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型

4.1产品简介

    ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。

4.2产品选型

产品功能

5 结语

    理论与实际相结合，在分析三相电机缺相保护原理基础上，采取低成本思路，在原有三相电机控制线路基础上稍作调整，使其控制线路具有缺相保护作用。通过这次技术改造，该段三相电机使用情况良好，未再发生因缺相造成的故障现象，改造后电机运行稳定可靠。既实现全电机的缺相保护，又节约经济成本21万余元，故这种三相电机缺相保护电路简便、可靠、成本极低，具有市场推广价值。

参考文献：

   [1]谢仕勇，罗云.一种工频控制的电机保护电路、装置及系统：CN208062777V[P].2018-11-06.

   [2]于庆，王宏.三相异步电动机缺相运行的危害、原因与对策[J].山东工业技术，2017（2）：174.

   [3]高波，耿芸仙.三相电动机缺相保护在工业维护中的应用[J].云南冶金，2020（49）：119-121.

   [4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版

作者简介：

   王蒙蒙，女，本科安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为电动机保护器的设计与应用