電機(jī)缺相保護(hù)器的工作原理
缺相保護(hù)器是一種電路保護(hù)器,也就被稱為電機(jī)缺相保護(hù)器,或者是電源缺相保護(hù)器。這種缺相保護(hù)器主要是運(yùn)用在三相電機(jī)電路上面。
缺相保護(hù)器對(duì)于三相電機(jī)電路來說,具有非常良好的保護(hù)作用。主要就是保護(hù)電機(jī)或者是保護(hù)和電機(jī)有關(guān)的設(shè)備。那么現(xiàn)在市場(chǎng)上的缺相保護(hù)器的工作原理是什么呢?
缺相就是三相電源供電,實(shí)際到的不是三相,而是兩相或只有一相電。三相電機(jī)電源缺相后電機(jī)無法正常工作,長(zhǎng)時(shí)間缺一相電會(huì)燒壞電機(jī)線圈繞組,使用三相380V電源變220V控制電源,會(huì)因?yàn)槿毕鄾]有220V電壓。可以使用萬用表測(cè)量三相電源相間電壓,如果不都是380V左右,說明電源缺相。
三相低壓斷路器,如果是空氣開關(guān),帶欠壓保護(hù)的跳閘線圈,那么,可以實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù),當(dāng)供電電壓低于正常值的75-70%時(shí),為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行,帶有欠壓保護(hù)的回路,必須跳閘。
在低電壓時(shí),繼續(xù)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行電流大大增加,可能燒毀電機(jī)。那么把三相電線同時(shí)繞在一個(gè)鐵芯上,三相平衡時(shí),鐵芯的磁通量為0,當(dāng)三相不平衡時(shí),鐵芯的磁通量不為0.同樣繞在這個(gè)鐵芯上的檢測(cè)線圈就產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過放大處理,就控制接觸器脫扣保護(hù)。
三相缺相、相序錯(cuò)誤保護(hù)器是為三相電源缺相或錯(cuò)相引起三相系統(tǒng)故障而設(shè)計(jì)的保護(hù)器,主要應(yīng)用在三相系統(tǒng)異??赡芤鸸I(yè)生產(chǎn)發(fā)生嚴(yán)重事故的場(chǎng)所,比如相序錯(cuò)誤影響并網(wǎng)逆變器設(shè)備正常工作,電氣控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)等。
電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖
在三相交流電氣控制系統(tǒng)中,正常三相相序情況下,三相供電電壓為ABC,供電相電壓220V,相電壓380V,工作頻率50Hz,當(dāng)合上刀閘開關(guān)QF1時(shí),系統(tǒng)帶電,PLC等控制器控制KM1接觸器吸合,KM2接觸器斷開時(shí),電動(dòng)機(jī)M開始正向轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為50Hz,合計(jì)3000轉(zhuǎn)/分鐘。當(dāng)控制KM2接觸器吸合,KM1接觸器斷開時(shí),電動(dòng)機(jī)M開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
運(yùn)行控制設(shè)備可以是礦井提升機(jī),物料傳送帶等設(shè)備,當(dāng)三相系統(tǒng)相序反向時(shí),會(huì)使提升機(jī)反向運(yùn)行,必定危機(jī)生產(chǎn)安全。
并網(wǎng)逆變器原理圖
在三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)情況下,需要檢測(cè)電網(wǎng)正常三相相序,只有在電網(wǎng)相序正常情況下,才允許逆變器并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行,而當(dāng)三相相序不正?;蛉嗳毕嗲闆r下,逆變器需要停止運(yùn)行。當(dāng)然,這些保護(hù)功能,逆變器本身都會(huì)集成,但在工程驗(yàn)收發(fā)電調(diào)試期間,需要檢測(cè)正確的電網(wǎng)相序才能夠進(jìn)行發(fā)電調(diào)試。
三相缺相保護(hù)器特點(diǎn):
1 三相電壓經(jīng)過串聯(lián)電阻接入保護(hù)器。
2 工作電源為9~36V供電范圍;
3 當(dāng)三相電源不缺相或相序正常時(shí),保護(hù)器上綠燈亮,當(dāng)缺相或相序錯(cuò)誤時(shí),保護(hù)器上紅燈亮。并驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作,給外部保護(hù)設(shè)備提供保護(hù)接入觸點(diǎn)。
4 適用于三相相序檢測(cè)缺相報(bào)警,保護(hù)三相交流電動(dòng)機(jī),應(yīng)用在使用三相交流電的工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行相序監(jiān)控和保護(hù)。
三相缺相相序保護(hù)器原理分析:
相序檢測(cè)原理圖
設(shè)三相電源分別為UA,UB,UC,經(jīng)過電阻R接入到保護(hù)器,保護(hù)器內(nèi)部由三個(gè)元器件對(duì)接入電壓進(jìn)行檢測(cè),分別是電容C接到A相,電阻R1接到B相,電阻R2接到C相。
檢測(cè)三個(gè)元器件的電壓UaNo, UbNo, UcNo,根據(jù)三個(gè)元器件的電壓值就可以判斷是否發(fā)生了電壓相序故障。
1 當(dāng)發(fā)生缺相時(shí),對(duì)應(yīng)的元器件不流過電流,因此,與發(fā)生缺相相連接的元器件,如果是電阻器,則電阻兩端的電壓為0V。如果是電容器,可通過檢測(cè)電容電流為0A判斷,可知,缺相是一種非常好判斷的故障。
2 當(dāng)發(fā)生相序錯(cuò)誤時(shí),三個(gè)元器件的端電壓必然與相序正常情況下元器件端電壓不同。通過判斷元器件兩端的電壓變化情況即可判斷相序是否正常。
根據(jù)KCL,KVL理論可求解三個(gè)元器件的電壓值:
運(yùn)用復(fù)阻抗方法表示電容阻抗為1/Cω,應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法,列寫KCL方程:
用相量表示電壓,
令UA=220∠0 V,UB=220∠240 V,UC=220∠120 V,
R=10K,1/ Cω=R1=R2=1K,帶入公式中,計(jì)算Unon:
知道了中心點(diǎn)電壓后,就可以求出電阻R1兩端的電壓:
同樣的方式,可求出R2兩端的電壓:
這里假設(shè)電容所接的一相為A相,當(dāng)相序正常情況下,電阻R1所接的B相電壓,對(duì)應(yīng)的R1兩端電壓幅值為25.565V,電阻R2所接的C相電壓,對(duì)應(yīng)的R2兩端電壓幅值為15V,可見電阻R1兩端的電壓大于電阻R2兩端的電壓;而當(dāng)相序反向的時(shí)候,會(huì)使得電阻R2兩端的電壓大于電阻R1兩端的電壓。這樣就可以通過簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò)判斷電壓的相序。
到目前為止,我們討論了一種利用硬件實(shí)現(xiàn)電壓相序判斷的方法,是一種簡(jiǎn)單低成本的檢測(cè)相序方法,現(xiàn)實(shí)中,是否所有的三相設(shè)備都需要配備這種相序保護(hù)器哪?
當(dāng)然不是,有些設(shè)備可以就地取材來判斷相序,比如并網(wǎng)用逆變器設(shè)備。
并網(wǎng)用逆變器設(shè)備由于自身具有采樣網(wǎng)側(cè)電壓的需求,因此,通過數(shù)字處理器(DSP)已經(jīng)知道了三相電壓的大小,那么是否存在一種方法來計(jì)算是否電網(wǎng)存在缺相和相序錯(cuò)誤,下面來介紹一種軟件檢測(cè)電壓缺相的方法:
三相電壓從靜止坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo),可獲得直流電壓Ud+,即三相交流電壓的正序分量幅值。當(dāng)三相電壓相序反向時(shí),旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的正序直流電壓分量為0,而負(fù)序直流電壓分量的幅值Ud-等于當(dāng)三相電壓相序正常情況下的Ud+值。這樣,僅僅通過軟件計(jì)算就完全可以知道是否發(fā)生了相序錯(cuò)誤。
什么是靜止坐標(biāo):簡(jiǎn)單講,就是變量按時(shí)間順序進(jìn)行變化,坐標(biāo)軸不變化。
三相交流電壓是隨著時(shí)間按正弦波的形式變化的物理量,可以用幅相坐標(biāo)曲線表示。橫軸為相角ωt坐標(biāo)軸,角度隨時(shí)間做線性變化,縱軸為幅值坐標(biāo)軸,幅值隨著角度按正弦規(guī)律變化。
如果把ωt包含在坐標(biāo)軸變量里,那么這個(gè)關(guān)于ωt的時(shí)間坐標(biāo),就變化為關(guān)于αβ的兩相靜止坐標(biāo),兩相靜止坐標(biāo)中αβ都是關(guān)于ωt的函數(shù)變量。
如果把一個(gè)正弦波電壓量u表示成復(fù)指數(shù)形式:
那么,復(fù)指數(shù)形式電壓的實(shí)部就是該正弦波電壓量,虛部是與正弦波電壓成90度關(guān)系的電壓量。把橫坐標(biāo)定義為α軸,表示實(shí)部值,縱坐標(biāo)定義為β軸表示虛部值,這個(gè)新的坐標(biāo)就是兩相靜止坐標(biāo)。那么,Ua的幅值只在α軸上變化,此時(shí),如果把Ub和Uc兩個(gè)電壓也在一個(gè)坐標(biāo)下表示,那么,就得到了三相電壓的兩相靜止坐標(biāo)表示方式。
假設(shè)Ua初相角為0度,Ub初相角滯后Ua120度,Uc初相角超前Ua120度,那么,他們?cè)趦上囔o止坐標(biāo)空間上按順時(shí)針排列。任意時(shí)刻,三相電壓都能夠合成一個(gè)電壓矢量,而合成電壓也是按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的相量。
如果把這個(gè)合成電壓矢量當(dāng)做旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸,把與d軸垂直的軸當(dāng)做q軸,那么就得到了兩相靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。顯然Ud相對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸是靜止的,而旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸相對(duì)于α軸是旋轉(zhuǎn)的,即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)是坐標(biāo)軸在旋轉(zhuǎn)。
因此,如果坐標(biāo)中沒有正序分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn),只存在負(fù)序分量旋轉(zhuǎn),則Ud+=0,只有負(fù)序旋轉(zhuǎn)電壓Ud-。
通過程序計(jì)算Ud-,即可判斷是否發(fā)生了相序翻轉(zhuǎn)。