电动机过负荷智能保护方案浅析

　　摘要：电动机在日常生活中的应用越来越频繁，为生产生活提供了极大的便利，但同时也存在着一些容易被忽略的问题，需要引起重视。若电动机长期过负荷或过负荷太严重，则会导致电动机损坏。本研究针对电动机易发生的过负荷故障，在分析电动机的发热机理和传统反时限过负荷保护存在的问题的基础上提出了一套基于热积累、负序电流等因素的电动机过负荷智能保护设计方案，力求真实全面地反映电动机过负荷时的实际情况，提高保护的可靠性。

　　电动机因其结构简单、成本低，运行维护方便和较好的机械特性而在工业控制与各种电气传动系统中有着广泛的应用，其保护问题长期以来未能得到很好地解决，烧毁电动机绕组的事故时有发生。因此，对电动机进行智能保护，当回路电流超过过负荷保护装置预设值时，过负荷保护装置自动断开电流回路，起到保护有效负载的作用。

　　1.电动机出现过负荷的原因

　　1.1 电网电能质量差

　　非正弦电压、不对称电压、电压和频率偏离额定值太多，会使电能质量受到严重影响，这是电动机过负荷的普遍原因。在实际生产中负荷过重主要原因有以下方面：皮带、齿轮等传动机构过紧或过松；传动机构有异物卡住；润滑油干涩，机械锈死；电压过高过低，使损耗增加；负载搭配不当，电动机额定功率小于实际负载。另外，供电设备容量不足或供电导线截面过小，会使电压损失过大，造成负荷电压太低。当电网电压增加时，电动机的激磁电流增加，定子的铜损、定子和转子的铁损也加大，使电动机内部过热。不对称的电网电压，使电动机内部的基波磁场被消弱，电磁转矩下降，但负荷的阻力转矩不变。这样，电动机的定子电流将增大，导致铜损增加。另外，高次谐波磁场引起定子转子和铁芯中的铁损增加，电动机发热。不对称电压过大，将造成电动机各相电流分配不平衡。这样就会使某一相绕组有可能过负荷。电网交流频率增加时，定子绕组会出现匝间短路、局部接地、断路等，从而引起定子绕组中某一相或某两相电流增大，最后导致绕组中铜损上升，电动机过负荷。

　　1.2 电动机发生故障以及超常工作

　　电动机发生故障后，往往是电机负荷过重，电机过热受损。如电机不能启动或电机转速太慢，都是负载过重所致；电机转速太高，主要是电源电压太高；电刷冒火花及换向器电刷发热，一般是电刷与换向器接触不好；电机运转时发热是由于电机绕组中有短路、通地故障所致；电机运行时有噪声是由于轴承磨蚀，使电枢和极靴相碰等所致。另外，换向片上有烧焦墨斑、反向旋转时火花大、电机冒烟等故障，都是电动机过负荷所致。电动机超常工作，如不按规定频繁启动、制动、正反转运行、低速运行时间过长都能造成电动机电流过负荷。另外，矿山建筑作业主要是运输矿石和沙矿，工作量很大。在这种工作过程中，负荷往往增大。电动机过负荷就引起电流增大、损耗增大，绝缘材料过热。

　　1.3 电动机超过额定容量长期运行

　　当系统发生短路故障时，电机定子和转子都有可能短时过负荷，使其电流超过额定值。如果超过额定值较多时，就会使绕组温度有超过允许限值时的危险，使绝缘材料老化过快，甚至造成机械损坏。过负荷数值愈大、持续时间愈长危险性愈严重。过负荷的允许数值不仅和持续时间有关，还与发电机的冷却方式有关，直接内冷的绕组在发热时容易变形，所以其过负荷的允许值比间接冷却的要小。要使绝缘材料在一定的温度下工作，引起电机发热的电流就不能长时间超过额定值。电动机在启动时由于时间短促，几乎不存在传导散热的过程，热量都储存在绕组中，使局部温度迅速升高，过大的热应力导致绕组损坏、绝缘材料老化、电机受损。电动机在堵转时发热最严重。这时电动机要有较长时间经受高倍额定电流的作用，电动机急剧发热，温度急速上升。若不立刻切断电源，就会把电动机烧坏。电动机在额定时间内过负荷是允许的，每种电动机都有它的过负荷特性。电动机允许过负荷特性是指负荷数量与允许过负荷时间的关系。为了保护电动机，要根据过负荷特性配备适当的保护。

　　2.电动机过负荷智能保护方案

　　2.1 电动机的发热保护

　　电动机在运行时，总有一定的能量损耗，包括铜耗、铁耗和机械损耗，其中铜损与电流的平方成正比，而铁耗和机械损耗几乎不变。这些损耗将全部转变成热能，使电动机自身温度升高，超过周围环境温度。温度的上升导致其与周围介质的温差越来越大，散发到周围介质中的热量也逐渐增加，温升增加变慢，直到散热量等于发热量时温度就不再升高，它所产生的全部热量散发到周围介质中，即达到稳定温升，则电动机保持着一个稳定不变的温升运行。但是，电动机长时间过负荷运行将使电动机温升超过允许值，从而加速绕组绝缘老化，甚至将电动机烧坏。所以对电动机来说，合理地模拟其定子的温升特性，更好地反映电动机的过负荷能力显得尤为重要。

　　2.2 电动机热积累模型分析

　　过负荷是一种非正常运行状态，一定范围或一定时间内的过负荷是允许的，但长时间过负荷是不允许的。长时间过负荷会导致电机的热量积聚，其电气绝缘水平会逐渐下降，最终导致绝缘击穿，设备损坏。电动机的三种不同工况，即堵转或停止、加速、运行，对应不同的热容限特性。在进行过负荷保护时，要考虑到电动机运行时由于实际的供电电压不平衡以及电动机绕组不完全对称而产生的负序电流会引起转子损耗显著增加这一现象。当负序电流流过定子绕组时，将产生逆转子旋转方向的旋转磁场。如果大于额定负载电流，则判定电动机处于热积累过程，否则为热发散。

　　2.3 电动机热发散模型分析

　　电动机工作时，其温升不仅决定于负载的大小，而且与负载的持续时间有关。同一台电动机，如果工作时间长短不同，则能够承担的负载功率也不同。发热和冷却的速度取决于发热和冷却时的时间。物体的热容量越大，时间常数就越大；散热能力越好，时间常数就越小。当电动机的过负载消失，电动机进入冷却状态，所积累的热量按指数规律衰减。无论是发热还是冷却，在最初阶段，物体的温升总是上升或下降较快，因此测温要快，时间间隔要短，随后时间间隔可逐步放长。

　　3.结语

　　综上所述，由于过负荷原因而造成电动机损坏在电动机故障总数中占相当大的比例。因此，必须装设过负荷保护。综合考虑热积累、负序电流等因素后的过流保护，能较真实地反映电动机过负荷时的实际情况，提高了保护的可靠性。