机电工程系：论文浅谈三相异步电动机启动与故障处理方法

浅谈三相异步电动机启动与故障处理方法摘要随着世界第二次工业革命的兴起,人类社会进入了电气时代。于是人类进入了一个全新的社会,电气化给人类带来的改变是巨大的,由于电气时代的不断开展和进步,加快了人类进入现代科技信息时代的步伐,在探索和研究人类社会起着重大的作用。电机的创造,正是推动人类社会进步的一个关键。电动机〔Motors〕是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大局部是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机〔电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步〕。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线〔磁场方向〕方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。电机的使用开展到今天,可以说是遍布世界各地。如果没有电机的创造和使用,世界肯定会落后几十年甚至上百年。因此可以说,电器时代的来临,让人类社会的开展走向了一个崭新的时代。看看当今的世界,大到上百吨的工业军事机器,小到的振动器,都与电机的使用密不可分。那么,这么使用密集的电气化产品,在使用过程中三相异步电动机有那些启动方式？当中会发生什么样的故障呢?本文从电机的启动故障说起,简要分析形成故障的原因,并提出正确的解决方法。关键词：电动机；启动方式；故障；解决方法目录一、三相异步电动机的组成介绍11.1定子11.2转子21.3三相异步电动机的其它附件2二、异步电机的几种启动方式及原理.22.1直接启动22.2电阻或电抗器降压启动32.3Y－△降压启动32.4自耦变压器降压启动32.5延边三角形启动42.6晶闸管软启动器4三、电动机常见故障及解决方法43.1机械故障53.2电气故障5总结9致谢10参考文献11附录 12一、三相异步电动机的组成介绍三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格廉价，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。下面我们来了解一下三相异步电动机的组成结构。1.1定子.1、定子铁心〔1〕作用：电机磁路的一局部，并在其上放置定子绕组。〔2〕构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚外表具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁心槽型有以下几种〔1〕半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。〔2〕半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。〔3〕开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。2、定子绕组〔1〕作用：是电动机的电路局部，通入三相交流电，产生旋转磁场。〔2〕构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。〔3〕定子绕组的主要绝缘工程有以下三种：〔保证绕组的各导电局部与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘〕。对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1〔U1〕、2〔V1〕、3〔W1〕，下排三个接线桩自左至右排列的编号为6〔W2〕、4〔U2〕、5〔V2〕，.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。3、机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。1.2转子1、三相异步电动机的转子铁心：作用：作为电机磁路的一局部以及在铁心槽内放置转子绕组。构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机〔转子直径300~400毫米以上〕的转子铁心那么借助与转子支架压在转轴上。2、三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。〔1〕鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。假设去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。〔2〕绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。1.3三相异步电动机的其它附件1、端盖：支撑作用。2、轴承：连接转动局部与不动局部。3、轴承端盖：保护轴承。4、风扇：冷却电动机。二、异步电机的几种启动方式及原理：2.1直接启动〔见附图一〕所谓直接启动，就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，再额定下启动，如图示。由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下才允许采用直接启动，主要取决于电动机的果农功率与供电变压器的容量之比值。直接启动因无需附加设备，且操作和控制简单、可靠、所以，在条件允许的情况下应尽量采用，考虑到目前在大中型厂矿企业中，变压器的容量已经足够大，因此，绝大数中，小型鼠笼式异步电动机都采用直接启动。2.2电阻或电抗器降压启动〔见附图二〕异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图示。启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻Rst串入定子电路，启动电流减小；待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，RST被短接时，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。这种启动方法的缺点是：〔1〕启动转距随定子电压的平方关系下降，故它只适用于空载或轻载启动的场合。〔2〕不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，假设采用电抗器代替电阻器所需设备较贵，且体积大。2.3Y－△降压启动〔见附图三〕Y-△降压启动适用于正常工作时定子绕组作三角形连接的电动机。由于方法简便且经济，所以使用较普遍，但启动转矩只有全压启动的三分之一，故只适用于空载或轻载启动。Y-△启动器有OX3-13、Qx3—30、、Qx3—55、QX3—125型等。OX3后的数字系指额定电压为380V时，启动器可控制电动机的最大功率值(以kW计)。合上电源开关Qs后，按下启动按钮SB2，接触器KM和KMl线圈同时获电吸合，KM和KMl主触头闭合，电动机接成Y降压启动，与此同时，时间继电器KT的线圈同时获电，I<T动断(常闭)触头延时断开，KMl线圈断电释放，KT动合(常开)触头延时闭合，KM2线圈获电吸合，电动机定子绕组Y自动换接成△，时间继电器KT的触头延时动作时间，由电动机的容量及启动时间的快慢等决定。2.4自耦变压器降压启动〔见附图四〕此图为交流电动机自耦降压启动自动切换控制电路，自动切换靠时间继电器完成，用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程，不会造成启动时间的长短不一的情况，也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故。控制过程如下：〔1〕合上空气开关QF接通三相电源。〔2〕按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头〔例如65％〕将三相电压的65％接入电动。〔3〕KM1辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。〔4〕由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM1线圈断电，KM1常开触点全部释放，主触头断开，使自耦变压器线圈封星端翻开；同时KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM1已经复位的常闭触点，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。〔5〕KM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，使时间继电器KT可处于断电状态。〔6〕欲停车时，可按SB1那么控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。〔7〕电动机的过载保护由热继电器FR完成。自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。接线：自耦变压器的高压边投入电网，低压边接至电动机，有几个不同电压比的分接头供选择。自耦变压器副边有2～3组抽头，如二次电压分别为原边电压的80%、60%、40%。自耦变压器降压启动，比起定子串接电抗器启动，当限定的起动电流相同时，启动转矩损失的较少;比起Y-△起动，有几种抽头供选用比拟灵活。但是自耦变压器体积大，价格高，也不能拖动重负载起动。2.5延边三角形启动〔见附图五〕按下启动按钮ST，1KM线圈获电动作并自保。与此同时，3KM、时间继电器KT线圈获电，电动机绕组接成延边三角形降压启动。Kt的整定时间到达之后，延时断开的常闭触点断开，使3KM线圈失电释放，其常辅助闭触点闭合。同时，KT的延时闭合常开触点闭合，2KM线圈获电吸合并自锁。3KM主触头释放，2KM主触头闭合，电动机绕组由延边三角形转换为三角形接法，启动结束，运转开始。该电路适用于要求启动转矩较大的场合。采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机，除了简单的绕组接线切换装置之外，不需要其他专用起动设备。但是，电动机的定子绕组不但为△接，有抽头，而且需要专门设计，制成后抽头又不能随意变动。2.6晶闸管软启动器软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，防止启动过流跳闸。待电机到达额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网防止了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，防止自由停车引起的转矩冲击。三、电动机常见故障及解决方法三相异步电动机是机械工业生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为机械能。具有机械效率高，结构简单，起步方便，起动转矩大，噪声低，振动小，体积小，工作可靠，巩固耐用，便于维护和检修的特点。为了保证异步电动机的平安运行，电气工作人员必须掌握有关三相异步电动机的平安运行的根本知识，了解对异步电动机的平安评估，做到尽可能地及时发现和消除电动机的事故隐患，保证电动机平安运行。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。3.1机械故障机械方面常见的故障有定、转子铁芯故障,轴承过热、损坏等故障:1、定、转子铁芯故障。定、转子都是由相互绝缘的硅钢片叠成,是电动机的磁路局部。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。一般由于轴承严重超差及端盖内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形,使机座、端盖、转子三者不同轴心引起扫膛。如发现对轴承应及时更换,对端盖进行更换或刷镀处理。如果轴承过度磨损或装配不良,那么会造成定、转子相擦,使铁芯外表损伤,进而造成硅钢片间短路,电动机铁损增加,使电动机温升过高。这时应用细锉等工具去除毛刺,消除硅钢片短接,清理干净后涂上绝缘漆,并加热烘干。假设撤除旧绕组时用力过大,使盗槽歪斜和向外张开。此时应用尖嘴钳、木榔头等工具予以修整,使齿糟复位,并在不好复位的有缝隙的硅钢片间参加青壳纸、胶木板等硬质绝缘材料另外,因受潮等原因造成铁芯外表锈蚀。此时需用砂纸打磨干净,清理后涂上绝缘漆。围绕组接地产生高热烧毁铁芯糟或齿部。可用凿子或刮刀等工具将熔积物剔除干净,涂上绝缘漆烘干。2、轴承过热、损坏等故障。电动机转子转轴通过轴承支撑转动,是负荷最重的局部,又是容易磨损的部件。如果轴承工作不正常,可凭经验用听觉及温度来判断。用听棒(铜棒)接触轴承盒,假设听到冲击声,就表示可能有一只或几只滚珠扎碎,如果听到有咝咝声,那就是表示轴承的润滑油缺乏,因为电动机要每运行3000-5000小时左右需换一次润滑脂。在添润滑脂时不易太多,如果太多会使轴承旋转局部和润滑脂之间产生很大的磨擦而发热,一般轴承盒内所放润滑脂约为全溶积二分之一到三分之二即可。在轴承安装时如果不正确,配合公差太紧或太松,也都会引起轴承发热。在卧式电动机中装配良好的轴承只受径向应力,如果配合过盈过大,装配后会使轴承间隙过小,有时接近于零,用手转动不灵活,这样运行中就会发热。另外轴承外外表上的锈斑可用砂纸擦除,然后放入汽油中清洗;假设轴承有裂纹、内外圈碎裂或轴承过度磨损时,应更换新轴承。更换新轴承时,要选用与原来型号相同的轴承。3.2电气故障电气方面常见的故障有电压不正常、绕组接地、绕组短路、绕组断路、缺相运行等。1、电压不正常。电源电压偏高,激磁电流增大,电动时机过分发热,过分的高电压会危机电动机的绝缘,使其有被击穿的危险。电源电压过低时,电磁转矩就会大大降低,如果负载转距没有减小,转子转数过低,这时转差率增大造成电动机过载而发热,长时间会影响电动机的寿命。当三相电压不对称时,即一相电压偏高或偏低时,会导致某相电流过大,电动机发热,同时转距减小会发出“翁嗡”声,时间长会损坏绕组。总之无论电压过高过低或三相电压不对称都会使电流增加,电动机发热而损坏电动机。2、绕组接地。〔1〕故障现象：机壳带电、控制线路失控、绕组短路发热，致使电动机无法正常运行。〔2〕产生原因：绕组受潮使绝缘电阻下降；电动机长期过载运行；有害气体腐蚀；属异物侵入绕组内部损坏绝缘；重绕定子绕组时绝缘损坏碰铁心；绕组端部碰端盖机座；定、转子磨擦引起绝缘灼伤；引出线绝缘损坏与壳体相碰；过电压〔如雷击〕使绝缘击穿。〔3〕检查方法：观察法：通过目测绕组端部及线槽内绝缘物观察有无损伤和焦黑的痕迹，如有就是接地点。

万用表检查法：用万用表低阻档检查，读书很小，那么为接地。

兆欧表法：根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组电阻的绝缘电阻，假设读数为零，那么表示该项绕组接地，但对电机绝缘受潮或因事故而击穿，需依据经验判定，一般说来指针在“0”处摇摆不定时，可认为其具有一定的电阻值。

试灯法：如果试灯亮，说明绕组接地，假设发现某处伴有火花或冒烟，那么该处为绕组接地故障点。假设灯微亮那么绝缘有接地击穿。假设灯不亮，但测试棒接地时也出现火花，说明绕组尚未击穿，只是严重受潮。也可用硬木在外壳的止口边缘轻敲，敲到某一处等一灭一亮时，说明电流时通时断，那么该处就是接地点。

电流穿烧法：用一台调压变压器，接上电源后，接地点很快发热，绝缘物冒烟处即为接地点。应特别注意小型电机不得超过额定电流的两倍，时间不超过半分钟；大电机为额定电流的20%-50%或逐步增大电流，到接地点刚冒烟时立即断电。

分组淘汰法：对于接地点在铁芯心里面且烧灼比拟厉害，烧损的铜线与铁芯熔在一起。采用的方法是把接地的一相绕组分成两半，依此类推，最后找出接地点。此外，还有高压试验法、磁针探索法、工频振动法等，此处不一一介绍。3.2电气故障1、电源接通后，电动机不能起动，但有嗡嗡声。

可能原因：〔1〕电源没有全部接通或缺相起动；〔2〕电动机过载；〔3〕被拖动机械卡住；〔4〕绕线式电动机转子回路开路或断线；〔5〕定子内部首端位置接错，或有断线、短路。

处理方法：〔1〕检查电源线、电动机引出线、熔断器、空开、接触器的各对触点，找出断路位置，予以排除；〔2〕卸载后空载或半载起动；〔3〕检查被拖动机械，排除故障；〔4〕检查电刷，滑环和起动电阻各个接触器的接合情况;〔5〕重新判定三相的首尾端，并检查三相绕组是否有断线和短路。

2、电动机起动困难，加额定负载后，转速较低。

可能原因：〔1〕电源电压较低；〔2〕原为三角形接法误接成星形接法；〔3〕鼠笼型转子的笼条端脱焊，松动或断裂。

处理方法：〔1〕提高电压；〔2〕检查铭牌接线方法，改正定子绕组接线方式；〔3〕进行检查后并对症处理。

3、电动机起动后发热超过温升标准或冒烟

可能原因：〔1〕电源电压过低，电动机在额定负载下造成温升过高；〔2〕电动机通风不良或环境湿度过高；〔3〕电动机过载或缺相运行；〔4〕电动机起动频繁或正反转次数过多；〔5〕定子和转子相摩擦。

处理方法：〔1〕测量空载和负载电压；〔2〕检查电动机风扇及清理通风道，加强通风降低环温；〔3〕用钳型电流表检查各相电流后，对症处理；〔4〕减少电动机正反转次数，或更换适应于频繁起动及正反转的电动机；〔5〕检查后对症处理。

4、绝缘电阻低

可能原因：〔1〕绕组受潮或淋水滴入电动机内部；〔2〕绕组上有粉尘，油圬；〔3〕定子绕组绝缘老化。

处理方法：〔1〕将定子，转子绕组加热烘干处理；〔2〕用汽油擦洗绕组端部烘干；〔3〕检查并恢复引出线绝缘或更换接线盒绝缘线板；〔4〕一般情况下需要更换全部绕组。

5、电动机外壳带电：

可能原因：〔1〕电动机引出线的绝缘或接线盒绝缘线板；〔2〕绕组端部碰机壳；〔3〕电动机外壳没有可靠接地。

处理方法：〔1〕恢复电动机引出线的绝缘或更换接线盒绝缘板；〔2〕如卸下端盖后接地现象即消失，可在绕组端部加绝缘后再装端盖；〔3〕按接地要求将电动机外壳进行可靠接地。

6、电动机运行时声音不正常可能原因：〔1〕定子绕组连接错误，局部短路或接地，造成三相电流不平衡而引起噪音；〔2〕轴承内部有异物或严重缺润滑油。

处理方法：〔1〕分别检查，对症下药；〔2〕清洗轴承后更换新润滑油，一般加到轴承室的1/2-2/3。

7、电动机振动

可能原因：〔1〕电动机安装根底不平；〔2〕电动机转子不平衡；〔3〕皮带轮或联轴器不平衡；〔4〕电动机轴弯曲或皮带轮偏心；〔5〕电动机风扇不平衡。

处理方法：〔1〕将电动机底座垫平，找水平后紧固；〔2〕转子校静平衡或动平衡；〔3〕进行皮带轮或联轴器校平衡；〔4〕校直转轴，将皮带轮找正后镶套重车；〔5〕对风扇校平衡或换新件。造成电动机缺相运行的原因有：①保险丝选择不当或压合不好，使熔丝断一相。②开关发触器的触头接触不良。③导线接头松动或断一根线。④有一相绕组开路。电动机缺相运行的后果〔1〕缺相时电机电流的变化正常起动或运行时，三相电机为对称负载，三相电流大小相等，小于或等于额定值。出现一相断线后，使一相线电流为零，另两相线电流会增大。例如，对于三角形接法的电动机，在额定值下正常运行时，每相绕组的相电流为电动机额定电流〔线电流〕的1/√3倍。当U相断开，如a所示，U、W两相绕组串联后再与V相绕组并联接在V、W两相电源上运行。在额定负载不变时，V相绕组的相电流将是最大，为正常运行时的2倍〔即为电动机额定电流的1.16倍〕，而U、W两相的相电流仍不变，而线路上的线电流增大到额定电流的√3倍。由于V相绕组的相电流比正常运行时增大了一倍，引起绕组过热。对于星形接法的电动机，当U相断开，b所示，V、W两相绕组串联接在电源V、W两相上运行。在额定负载不变时，U相电流为零，V、W两相绕组的电流增大到额定电流的√3倍，使绕组过热。从上述分析可知，两种接法的电动机，当发生缺相运行时，都会使某一相绕组〔三角形接法〕或某两相绕组〔星形接法〕的相电流和线电流增大。但增大的电流不能使熔丝熔断，可如果长期缺相运行，温度上升很快，容易烧毁电动机。事实证明，当电动机的负载为额定负载的40%以上发生缺相运行时，绕组的相电流就会超过正常值。所以在实践中60%-70%以上的电动机烧毁事故都是缺相运行所致，故对电动机的缺相防护十分重要。〔2〕运行中电动机缺相时①、当满载时缺相，电动机处于过流状态即电流超过额定电流，表现为电机噪声大，转速急速下降且无力，电机温度急速上升导致烧坏电机。②、轻载运行电动机断相时，电动时机因为惯性的作用下继续运转一段时间，但转速偏低，未断相的绕组电流迅速增加，使这相绕组由于温升过高而被烧毁。因此，一般在电动机的控制电路上都会设置有断相保护。3、启动时缺相：转子左右摆动，有强烈的“嗡嗡”声。电动机不能起动、其绕组电流为额定电流的4～7倍。发热量为正常温升的16～49倍，因其迅速超过允许温升而使电动机烧毁。总之，电动机运行时有一相断线，会产生如下后