异步电动机的安全运行与控制技术

 

第一节   异步电动机安全要点

异步电动机是各个机械加工、工厂、煤矿及使用电能生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为机械能。煤矿中电动机消耗的电能占能耗量的60%以上。其中用得最多的是笼型异步电动机，其结构简单，起动方便，体积较小，工作可靠，坚固耐用，便于维护和检修。为了保证异步电动机的安全运行，电气工作人员必须掌握有关异步电动机的安全运行的基本知识，了解对异步电动机的安全评估，做到尽可能地及时发现和消除电动机的事故隐患。

一、异步电动机选用

为生产机械选择合适的电动机，包括确定电动机的额定电压、额定转速、结构型式和额定容量等。主要考虑以下4个方面的问题。

(一)根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与电源电压相符合。

(二)在机械特性方面，所选用的电动机应满足被拖动生产机械提出的要求。

(三)电动机的结构型式，应适应周围环境条件的要求。

(四)正确选择电动机的容量。电动机的容量必须与生产机械的负载大小相匹配，同时要考虑生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。选小了，不能保证生产机械的正常工作，对电动机来说，将使它的各部分过载、过热，温度上升超过允许的限度而过早损坏；选大了，则增加设备的投资费用，电动机容量不能充分利用，而且使效率和功率因数降低。

二、电机运转前的准备工作与电动机气隙测量

电机运转前的准备工作（鼠笼式、绕线式共同介绍）

1、仔细察看电机内部情况，不得有异物存在。

2、用大约2个大气压的干燥压缩空气，清除电机各部分之灰尘，为避免损坏线圈的绝缘起见，不能用金属吹管。

3、用煤油或专用清洗液清洗轴承。

4、用油滑式润滑的轴承，将润滑油注入轴承中到所规定的油面高度，润滑油注入之前，应检查油的牌号是否合乎要求，油是否变质或不清洁。如不清洁时，必须调换新油。

对一般电机而言、用油滑润滑者，采用机器油，用压力加油润滑或混合式润滑者，采用透平油。

滚动轴承的润滑材料，一般电机采用钙钠基润滑脂，湿热带型电机采用硫化铂复合钙基脂或锂基润滑脂。

5、如电机和其它机器直接连接时，须检查联轴器是否良好，同时检查机组的中心线是否在一直线上。

6、如电机和其它机器借减速齿轮箱连接时，须检查联轴器的连接情况，并检查齿轮轮中有无异常情况。

7、用手或工具转动转子，看转动是否灵活。以便检查安装质量和轴承润滑情况是否良好。

8、用沾有少量汽油的棉纱，将换向器及集电环的表面揩净，如集电环上有铜锈时，必须用细砂皮纸按去，如果换向片间槽中有灰尘和其它杂物时，应用硬纸板去清除。

9、检查集电环和换向路上的电刷装置是否正确，刷架的固定必须牢固，电刷在刷盒内应能上下移动自如，但不应有偏转，其配合应符合规定与标准，电刷盒与集电环或换向器间的间隔应保持在2—3毫米之间，并须注意电刷与刷盒间空隙不要有凝结水。

10、电刷与集电环或换向器的接触应良好，如接触不良时，应该用细沙皮纸按电机旋转方向磨光电刷。

11、检查电刷压力，电刷压力为0．15一0.2公斤／厘米、集电环上电刷压力对于1500转/分者为0．2一0.4公斤／厘米、对于1000转/分及以下者为0、2一0．25公斤／厘米、电刷彼此间的压力相差不应大于±10％、电刷上的编织导线，不能与机壳或不同极性的电刷相碰。

12、测量电机的定转子绝缘电阻，应不小于国家有关规定及安全标准。(如运转前恰为干燥后不久，则此时不必再测量)。

13、用塞尺测量同步电机各个磁极顶部与定于间之气隙不均匀度，以及励磁机主极与电枢间的气隙不均匀度，其最大或最小气隙与平均气隙之差对平均气隙之比，一般不得超过±5％，在低速电机中，不应超过±10％。

14、检查同步电机和励磁机的气隙值，当气隙为3毫米及以下者，容差为±10％，气隙超过3毫米以上者，容差不应超过±5％。

15、检查电机之出线和励磁机之连接线是否正确，接头是否牢固。

16、检查轴电流之绝缘是否良好，或检查轴电流之短路电刷是否接触良好。

17、检查所有保护设备、信号设备和操作设备，是否全部接好，动作是否灵敏以及是否校准好。

18、检查电机之各紧固零件，尤其是转子上及导电用的联接线上的螺钉，如有松动必须旋紧，并用制动垫圈将螺帽锁紧。

19、检查电机的额定电压与电源线路的电压是否相符。

20、在正式运转以前，应先行试车，让电机空转，达额定转速后再停下检查，看旋转方向是否与技术条件相符，机械部分是否良好，应无碰击和振动。然后再空转1—2小时，检查轴承的温升，如为滑动轴承，温升不应超过40℃，如为滚动轴承，温升不应超过55℃（有特殊规定的应参考电动机铭牌上的技术数据）。同时不应有噪音，振动及局部过热现象，有不正常现象时，应立即停机检查，并排除故障。在试运转时，应使电刷与集电环及换向器接触。

21、压力加油润滑的轴承或者复合式润滑的轴承，应检查；油路系统有无阻塞现象，循环油量是否符合电机外型图上注明的要求。

22、管道通风的电机，如装有空气过滤器时，应检查过滤器上有无灰尘阻塞其通风孔道，如有灰尘，必须洗清。对全封闭式气体闭路循环之电机，下方装有空气冷却器，需检查冷却器的水路系统，进水温度不得超过33℃，已冷却气体的温度与进水温度间的温差不得超过7℃，并须注意冷却器间有无灰尘阻塞现象。

三、电动机运行

电动机运行前，应检查电动机各部分装配情况，按电动机铭牌要求接线。测量绝缘电阻，绕组绝缘电阻应符合要求，人工转动电动机转动部分，应灵活无卡阻。

(一)、运行参数，一般电动机允许电压波动为额定电压的±10%，三相电压之差不得大于5%；允许各相电流不平衡值不得超过10%。

(二)、电动机的保护，为使电动机安全运行，必须正确配置所用的低压断路器、接触器、熔断器和热继电器等控制电器和保护电器，对于重要的电动机还应装设缺相保护。另外，电动机外壳应根据电网的运行方式可靠地接零或接地。

(三)、保养和维护，电动机应保持主体完整、零附件齐全、无损坏以及周围环境的清洁。定期对电动机进行检修和保养，是确保电动机安全运行的重要工作。日常维修包括清除外部灰尘和油污，监听有无异常杂音，并定期更换润滑油。换油周期一般滑动轴承为1kh ，滚动轴承为5kh。在巡视检查中要注意电动机的温升、气味及振动情况。正常运行的电动机，其声音应轻而均匀，无杂音和特殊的叫声，无明显振动，转速达到额定转速，三相电流基本上平衡。

总之，我们必须详细了解、仔细观察和正确的运用，从根本上做到对电动机的运行特性、工作状况、故障现象与正常的检查维修等各个方面的技术合理使用、确实领会以及熟练掌握，才能使电动机在生产中良好的工作、运行，从而提高我们的工作和生产效率，并且使电动机的故障及不良运行状况消灭在萌芽时期，以最大限度的杜绝由于电动机的故障而造成的影响生产的顺利进行。

四、异步电动机的常见故障及分析

电动机在运行中由于种种原因，会出现故障，故障分机械与电气两方面。

(一)机械方面有扫膛、振动、轴承过热、损坏等故障。

异步电动机定、转子之间气隙很小，容易导致定、转子之间相碰。一般由于轴承损坏、端盖轴室内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形，使机座、端盖、转子三者不同轴引起扫膛。

振动应先区分是电动机本身引起的，还是传动装置不良所造成的，或者是机械负载端传递过来的，而后针对具体情况进行排除。属于电动机本身引起的振动，多数是由于转子动平衡不好，以及轴承不良，转轴弯曲，或端盖、机座、转子不同轴，或者电动机安装地基不平，安装不到位，紧固件松动造成的。振动会产生噪声，还会产生额外负荷。

(二)电气方面故障有定子绕组缺相运行，定子绕组首尾反接，三相电流不平衡，绕组短路和接地，绕组过热和转子断条、断路等。

1、缺相运行是常见故障之一。三相电源中只要有一相断路就会造成电动机缺相运行。缺相运行可能由于线路上熔断器熔体熔断，开关触点或导线接头接触不良等原因造成。

三相电动机缺一相电源后，如在停止状态，由于合成转矩为零因而堵转(无法起动)。电动机的堵转电流比正常工作的电流大得多。因此，在此情况下接通电源时间过长或多次频繁地接通电源起动将导致电动机烧毁。运行中的电动机缺一相时，如负载转矩很小，仍可维持运转，仅转速略有下降，并发出异常响声；负载重时，运行时间过长，将会使电动机绕组烧毁。

2、三相绕组首尾错接时，接通电源后会出现三相电流严重的不平衡，转速下降，温升剧增，振动加剧，声音急变等现象。如保护装置不动作，很容易烧坏电动机绕组。所以必须辨清电动机出线端首、尾后，方可通电运转。

3、三相电流不平衡的故障，常常由于电动机外部电源电压不平衡所引起；其内部原因主要是绕组匝间短路或在电动机重绕修理时线圈匝数错误或接线错误。

4、绕组接地和短路都会造成电流过大。接地故障可用兆欧表检查。短路故障可在降低定子绕组电源电压情况下，通过测量电流来判断，也可以用测量其直流电阻来判断。

5、电动机过热主要原因是拖动的负荷过重，电压过高或过低也会使电动机过热。严重过热会使电动机内部发出绝缘烧焦气味，如不及时处理或保护装置不动作，很容易烧毁电动机。

6、笼型电动机转子铸铝导体断条或绕线式电动机转子绕组断路时，会造成定子电流不正常，出现时高时低周期性变化，还出现忽大忽小的噪声和振动。负载越重时，这种现象越显著。

 

第二节   异步电动机的保护装置

电动机过流保护主要有两大类：

（1）采用电流检测型的有：热继电器，带有热—磁脱扣的电动机保护用断路器，电子式和固态继电器，带电子式脱扣（电动机综合保护器）的电动机保护用断路器以及软起动器；

（2）直接检测电动机绕组温度的温度检测型有：双金属片温度继电器、热保护器、检测线圈和热敏电阻温度继电器等，但由于需直接埋入电机绕组，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用。最后指出不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

异步电动机的过流保护是个复杂的问题。在实际使用中，应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及起动设备。

一、电动机的保护与控制关系

电动机的过流保护往往与其控制方式有一定关系，即保护中有控制，控制中有保护。如电动机直接起动时，往往产生4—7倍额定电流的起动电流。若由接触器或断路器来控制，则电器的触头应能承受起动电流的接通和分断考核，即使是可频繁操作的接触器也会引起触头磨损加剧，以致损坏电器；对塑料外壳式断路器，即使是不频繁操作，也很难达到要求（所以煤矿规程要求必须普及真空化）。

因此，使用中往往与起动器串联在主回路中一起使用，此时由起动器中的接触器来承载接通起动电流的考核，而其它电器只承载通常运转中出现的电动机过载电流分断的考核，至于保护功能，由配套的保护装置来完成。

此外，对电动机的控制还可以采用无触点方式，即采用软起动控制系统。电动机主回路由晶闸管来接通和分断。有的为了避免在这些元件上的持续损耗，正常运行中采用真空接触器承载主回路(并联在晶闸管上)负载。这种控制有程控或非程控；近控或远控；慢速起动或快速起动等多种方式。另外，依赖电子线路，很容易做到如电子式继电器那样的各种保护功能。

二、电动机过流保护装置的基本方式原理

电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的，而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。已经知道对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类型。下面将基本方式作些介绍。

（一）电流检测型保护装置

1、热继电器

利用负载电流流过经校准的电阻元件，使双金属热元件加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作。其动作特性与电动机绕组的允许过载特性接近。热继电器虽则动作时间准确性一般，但对电动机可以实现有效的过载保护。随着结构设计的不断完善和改进，除有温度补偿外，它还具有断相保护及负载不平衡保护功能等。例如双金属片式热过载继电器。

  

热继电器

 

2、带有热—磁脱扣的电动机保护用断路器

热式作过载保护用，结构及动作原理同热继电器，其双金属热元件弯曲后有的直接顶脱扣装置，有的使触点接通，最后导致断路器断开。电磁铁的整定值较高，仅在短路时动作。其结构简单、体积小、价格低、动作特性符合现行标准、保护可靠，故日前仍被大量采用．特别是小容量断路器尤为显著。如DWl5低压万能断路器(200—630A)、S系列塑壳断路器(100、200、400)。

 

               带有热—磁脱扣的电动机保护用断路器

 

3、电子式过电流继电器（如各种电动机综合保护器，包括智能型电脑芯片等）

通过内部各相电流互感器检测故障电流信号，经电子电路处理后执行相应的动作。电子电路变化灵活，动作功能多样，能广泛满足各种类型的电动机的保护。其特点是：

（1）多种保护功能

主要有三种：过载保护、过载保护十断相保护、过载保护+断相保护+反相保护。

    （2）动作时间可选择

标准型(10级)：

7．2In(In为电动机额定电流)，4—1Os动作，用于标准电动机过载保护。

速动型(10A级)：

7．2In时，2—1Os动作，用于潜水电动机或压缩电动机过载保护。

慢动型(30级)：

7．2In时，9—30s动作，用于如鼓风机电机等起动时间长的电动机过载保护。

（3）电流整定范围广

其最大值与最小值之比一般可达3—4倍，甚至更大倍数(热继电器为1．56倍)，特别适用于电动机容量经常变动的场合(例如煤矿井下等)。

（4）有故障显示

由发光二极管显示故障类别， 便于检修。

 

                        电子式过电流继电器

 

4、固态继电器

它是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功能的微处理器装置。其成本和价格随功能而异，最复杂的继电器实际上只能用于较大型、较昂贵的电动机或重要场合。它监视、测量和保护的主要功能有：

    （1）最大的起动冲击电流和时间；

    （2）热记忆；

    （3）大惯性负载的长时间加速；

    （4）断相或不平衡相电流；

    （5）相序；

    （6）欠电压或过电压；

    （7）过电流(过载)运行；

    （8）堵转；

    （9）失载(机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌)；

    （10）电动机绕组温度和负载的轴承温度；

    （11）超速或失速。

上述每一种信息均可编程输入微处理器（如我矿600型电牵引采煤机、375型双电机滚筒采煤机、EBJ120TP型综掘机的电动机等），主要是加上需要的时限，以确保在电动机起动或运转过程中产生损坏之前，将电源切断。还可用发光二极管或数字显示故障类别和原因，也可以对外向计算机输出数据。

   

                           固态继电器

 

5、带有电子式脱扣的电动机保护用断路器

其动作原理类同上述电子式过电流继电器或固态继电器。

功能主要有：电路参量显示(电流、电压、功率、功率因数等)，负载监控(按规定切除或投入负载)，多种保护特性(指数曲线反时限、I2t曲线反时限、定时限或其组合)，故障报警，试验功能，自诊断功能，通信功能等。

 

               带有电子式脱扣的电动机保护用断路器

6、软起动器

软起动器的主电路采用晶闸管，控制其分断或接通的保护装置一般做成故障检测模块，用来完成对电动机起动前后的异常故障检测，如断相、过热、短路、漏电和不平衡负载等故障，并发出相应的动作指令。其特点是系统结构简单，采用单片机即可完成，适用于工业控制。

  

                     软起动器

 

（二）温度检测型保护装置

1、双金属片热保护器

它是装在电动机本体上使用的热动式过载保护继电器保护。与温度继电器不同的是带2个触头的碗形双金属片作为触桥串在电动机回路，既有流过的过载电流使其发热，又有电动机温度使其升温，达到一定值时，双金属片瞬间反跳动作，触点断开，分断电动机电流。它可作小型三相电动机的温度、过载和断相保护。产品如SPB、DRB型热保护器（西安产375型双电机滚筒采煤机的油泵、截割电动机热保护就是该类型）。

     

BW插入式热保护器             KSD突跳式温控器

 

2、检测线圈测温

电动机定子每相绕组中埋入1—2个检测线圈，由自动平衡式温度计来监视绕组温度。

（3）热敏电阻温度继电器

它直接埋入电动机绕组中，一旦超过规定温度，其电阻值急剧增大10—1000倍。使用时，配以电子电路检测或直接串接在保护回路中然后使继电器动作。如JW9系列电子温度继电器（如佳木斯生产的S100型综掘机截割电动机使用的就是该类型）。

热敏电阻温度继电器

 

三、过流保护装置与异步电动机的协调配合

为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效的保护，必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。

    （一）过载保护装置与电动机的协调配合

1、过载保护装置的动作时间应比电动机起动时间略长一点。电动机过载保护装置的特性只有躲开电动机起动电流的特性，才能确保其正常运转；但其动作时间又不能太长，其特性只能在电动机热特性之下才能起到过载保护作用。

    2、过载保护装置瞬时动作电流应比电动机起动冲击电流略大一点。如有的保护装置带过载瞬时动作功能，则其动作电流应比起动电流的峰值大一些，才能使电动机正常起动。

3、过载保护装置的动作时间应比导线热特性小一点，才能起到供电线路后备保护的功能。

（二）过载保护装置与短路保护装置的协调配合

一般过载保护装置不具有分断短路电流的能力。一旦在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的短路保护装置(如断路器或熔断器等)来切断电路。若故障电流较小，属于过载范围，则仍应由过载保护装置切断电路。故两者的动作之间应有选择性。

异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键之一。直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，但热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式(从实际使用情况看，目前使用量占大多数)；

对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器制器与PLC可编程控控制器合并使用（如太原煤机600型电牵引采煤机、西安煤机厂375型双滚筒电机采煤机、太原煤科院EBJ120TP型综掘机的电动机等）；对一般要求，则采用带热—磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

 

 

 

 

 

 

                         银亿集团灵石国泰能源有限公司安监部

崔万忠