详解高速电机的特性及工作原理

　　电动机保护器

 

　　电动机保护器的作用是给电机全面的保护控制，在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。

 

　　主要种类

 

　　（一）热继电器是五十年代初引进苏联技术开发的金属片机械式电动机过载保护器。它在保护电动机过载方面具有反时限性能和结构简单的特点。但存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，扫膛、堵转、长期过载；频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。

 

　　（二）温度继电器是采用双金属片制成的盘式或其他形式的继电器，具有结构简单、动作可靠，保护范围广泛等优点，但动作缓慢，返回时间长，3KW以上的三角形接法电动机不宜使用。如今在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面大量使用。

 

　　温度继电器与热继电器不同。温度继电器是装在电动机内部，靠温度变化时期动作的。而热继电器装在动力线上，靠电流热效应动作的。

 

　　（三）电子式电动机保护器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。

 

　　1.电动机保护器（电机保护器）是以检测线电流的变化（包括采取、正序、负序、零序和过流）为原则，可检测断相或过载信号。除具有断相保护功能外，还具有过负荷、堵转保护功能。

 

　　2.智能保护：集保护、遥测、通讯、遥控与一体的电动机保护装置，对电动机发生断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障时实现保护，还具有电流电压显示，时间控制，软件自诊断，来电自恢复，自启动顺序，故障记忆，自琐和远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用代号闪烁示警，配置RS485通讯接口，实现计算机联网。同时可监控、监测256台电动机工作等功能。

 

　　（四）电动机保护器在国民经济和节能事业中的重要意义

 

　　电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件。是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。

 

　　《中华人民共和国节约能源法》规定：“节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”；“节能发展经济的一项长远战略方针”。节能是系统工程。 据不完全统计，全国运行的1KW-320KW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿度，修理费高达数100亿元左右，造成停工停产损失竟达数100亿元。仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影响企业正常生产。

 

　　注意事项

 

　　1．电机比过去更容易烧毁绕组，是由于绝缘技术的不断发展，在电机的设计上既要求增加出力，又要求减小体积，使新型电动机的热容量越来越小，过负荷能力越来越弱；再由于生产自动化程度的提高，要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式，对电动机保护装置提出了更高的要求。另外，电动机的应用面更广。常工作于环境极为恶劣的场合，如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。再加上电动机制造上的不规范，设备管理上的疏漏。所有这些，造成了如今的电动机比过去更容易损坏，尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率最高

 

　　2．传统的保护装置保护效果不甚理想，是传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。熔断器主要用于短路保护，熔断器电流的选择需考虑电动机的起动电流，所以单独使用熔断器保护电动机是不可取的。热继电器是应用最广的电机过载保护装置，但热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差，保护不可靠。事实也正是这样，尽管许多设备安装了热继电器，但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。传统的保护装置还没有能够实现电动机的机械磨损监测、定转子偏心监测的产品。

 

　　3、电机保护器如今已由过去的机械式发展为电子式和智能型，灵敏度高，可靠性高，功能多，调试方便。可直接显示电动机的电流、电压、温度等参数，保护动作后故障种类一目了然，极大方便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外，根据电动机气隙磁场进行电动机偏心检测技术使电动机磨损状态在线监测成为可能，通过曲线显示反映电动机偏心程度的值的变化趋势，记录两年时间该值的变化情况，可早期发现轴承故障，做到早发现，早处理，避免扫膛事故发生。

 

　　3．选用电动机保护装置的目的，既能使电动机充分发挥过载能力，又能免于损坏，而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。在能满足保护要求的情况下首先考虑最简单保护装置，当简单的保护装置不能满足要求时，或对保护功能和特性提出更高要求时，才考虑应用复杂的保护装置，做到经济性和可靠性的统一。具体的功能选择应根据综合考虑电动机的本身的价值、负载情况、环境好坏、电动机的重要程度、退出运行是否对生产系统造成严重影响等因素，力争做到经济合理。

 

　　4、 理想的电动机保护器不是功能最多，也不是所谓最先进的，而是应该最实用的。那么何为实用呢？实用应满足可靠、经济、方便等要素，具有较高的性能价格比。那么何为可靠呢？可靠首先应满足功能的可靠，如过电流、断相功能必须对各种场合、各种过程、各种方式发生的过电流、断相均能可靠的动作。其次自身的可靠（既然保护器是保护别人的，尤其应具有很高的可靠性）必须具有对各种恶劣环境的适应性稳定性、耐久性。经济性：采用先进的设计、合理的结构，专业化、规模化的生产，降低产品成本，给用户带来极高的经济效益。方便性：必须在安装、使用、调整、接线等方面，尽可能的简易方便。

 

　　选型方法

 

　　一、 选型基本原则

 

　　如今，市场上电动机保护产品没有统一标准，型号规格五花八门。制造厂商为了满足用户不同的使用需求派生出很多的系列产品，种类繁多给广大用户选型带来诸多不便，用户在选型时应充分考虑电动机保护实际需求，合理选择保护功能和保护方式，才能达到良好的保护效果，达到提高设备运行可靠性，减少非计划停车，减少事故损失的目的。

 

　　二、选型的基本方法

 

　　（一）与选型有关的条件：

 

　　电机保护的选型存在着电动机与保护器二者怎样合理配用关系，以下提供几个与保护有关的条件、因素，为用户选型时提供参考。

 

　　1、电机方面：要先了解的型号规格、电动机功能特性、防护型式、额定电压、额定电流、额定功率、电源频率、绝缘等级等。这些内容基本能给用户如何正确使用和维护及选型保护器提供了参考依据。

 

　　2、环境条件：主要指常温、高温、高寒、腐蚀度、震动度、风沙、海拔、电磁污染等。

 

　　3、电动机用途：主要指拖动机械设备要求特点，如风机、水泵、空压机、车床、油田抽油机等不同负载机械特性。

 

　　4、控制系统方面：控制模式有手动、自动、就地控制、远程控制、单机独立运行、生产线集中控制等情况。启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等启动方式。

 

　　5、其他方面：用户对现场生产监护管理是比较随意还是严谨，非正常性的停机对生产影响的严重程度等。

 

　　与保护器的选用有一定相关因素的还有很多，如安装位置、电源情况、与配电系统的配合等；还要考虑是对新购电动机保护配置，还是对电动机保护升级，还是对事故电动机保护的完善等；还要考虑电动机保护方式改变的难度和对生产影响程度；需根据现场实际工作条件综合考虑保护器的选型和调整。

 

　　（二）电动机保护器的常见类型

 

　　1、热继电器：普通小容量交流电机，良好工作条件，不存在频繁启动等恶劣工况，由于精度差，可靠性不能保证，不推荐使用。

 

　　2、电子型：检测三相电流值，整定电流值采用电位器旋钮或拔码开关操作，电路一般采用模拟式，采用反时限或定时限工作特性。保护功能包括过载、缺相、堵转等故障保护，故障类型采用指示灯显示，运行电量采用数码管显示。

 

　　3、智能型：检测三相电流值，保护器使用单片机，实现电动机智能化综合保护，集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定，通过操作面板按钮来操作，用户可以根据自己实际使用要求和保护情况在现场自行对各种参数修正设定，采用数码管作为显示窗口，或采用大屏幕液晶显示，能支持多种通讯协议，如ModBUS、ProfiBUS等，价格相对高些，用于较重要场合，如今高压电动机保护均采用智能型。

 

　　4、热保护型：在电动机中埋入热元件，根据电动机的温度进行保护，保护效果好，但电动机容量较大时，需与电流监测型配合使用，避免电动机堵转时温度急剧上升，由于测温元件的滞后性，导致电动机绕组受损。

 

　　5、磁场温度检测型：在电动机中埋入磁场检测线圈和温度探头，根据电动机内部旋转磁场的变化和温度的变化进行保护，主要功能包括过载、堵转、缺相、过热保护和磨损监测，保护功能完善，缺点是需在电动机内部安装磁场检测线圈和温度传感器。

 

　　（三） 保护器类型在电动机工作条件下的选择

 

　　1、对于工作条件要求不高、操作控制简单，监护、管理比较随意，停机对生产影响不大的单机独立运行电动机，可选用普通型保护器，因普通型保护器结构简单，在现场安装接线、替换、操作简单、方便，具有性价比高等特点。

 

　　2、对于工作条件要求很高，安全性和连续性又很关键的，而自动化程度高，且需要专人控制、监护、管理，需组网监控的MCC系统中，应选用中高档、功能较全的保护器。

 

　　3、对于防爆电机，由于轴承磨损造成偏心，可能导致防爆间隙处摩擦出现高温，产生爆炸危险，应选择磨损状态监测功能。对于大容量高压潜水泵，由于检查维护困难，也应选择磨损状态监测功能，避免发生扫膛事故造成重大经济损失。

 

　　4、应用于有防爆要求场所的保护器，要根据应用现场的具体要求，选用相应的防爆型保护器，避免安全事故发生。

　　高速电机的命名定义：

　　高速电机，也称主轴电机，广义范围来讲，高速电机又可以被称为电主轴，高速电主轴等等，通常是指转速超过10000r/min的电机，目前最高转速可达300000r/min

　　高速电机又分为：AC交流异步电机 、DC同步永磁电机、BLDC无刷电机、bldc变频电机等

　　高速电机优点：

　　一、由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于同等功率的普通电机，可以有效的节约材料；

　　二、可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小；

　　三、高速电机转动惯量小，所以动态响应快；

　　一、无刷直流电机工作原理

　　无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。

　　如图所示为无刷直流电机的转动原理示意图，为了方便描述，电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER，各相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V，功率管导通，对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动，会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，从而定子产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。

　　

　　无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式，它们各有特点。

　　按驱动波形：

　　● 方波驱动，这种驱动方式实现方便，易于实现电机无位置传感器控制；

　　● 正弦驱动，这种驱动方式可以改善电机运行效果，使输出力矩均匀，但实现过程相对复杂。同时，这种方法又有SPWM 和 SVPWM（空间矢量PWM）两种方式，SVPWM的效果好于SPWM。

　　二、永磁同步电机工作原理

　　永磁同步电机，英文名称为permanent magnet synchronous motor，简称PMSM，它实际上是一种交流电机，其定子运行是三项的相差 的交流电，而转子则是永磁体。但是这种电机最大的优势就是交流电能量由直流提供，这样就可以对电机进行精确的控制，而且解决了电刷带来的寿命问题。

　　永磁同步电机工作原理--特点

　　永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的特点主要有以下几种：

　　（1）PMSM本身的功率效率高以及功率因数高;

　　（2）PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小;

　　（3）系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护;

　　（4）PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高;

　　（5）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大;

　　（6）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。

　　首先永磁同步电机要建立主磁场，励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场;然后采用三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体;在原动机拖动转子旋转的情况下，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组，因此电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。