低压电气控制在制冷压缩机中的应用及发展趋势

• 关键词：电机,流量计,直流调速,工控
• 作者：刘卫东 史晓伟（烟台冰轮股份有限公司）

简介：制冷压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机。压缩机是制冷行业的核心，保障压缩机的正常使用和安全十分重要，而电机烧毁又是危害压缩机安全的最为常见故障。导致电机烧毁的原因很多，而烧毁后又难以找出导致烧毁的直接原因，这给事故后期的分析与判定带来很大的困难。本文介绍了压缩机用接触器以及继电线路保护装置在制冷行业的应用，并揭示了接触器、供电线路、操作环境与电机烧毁之间的联系，并对低压电气控制在制冷压缩机的发展趋势提出了自己的期望。
关键字：电机烧毁  电机绕组 供电保护 低温潮湿

制冷压缩机（以下简称压缩机）的故障可以分为机械故障(包括曲轴，连杆，活塞，阀片，缸盖垫等) 和电机故障。机械故障往往使电机超负荷运转甚至堵转，是电机损坏的主要原因之一。 电机故障主要表现为定子绕组绝缘层破坏（短路）和断路等。定子绕组损坏后很难及时被发现，最终可能导致电机烧毁。电机烧毁后，难以找出导致烧毁的直接原因，这给事故后期的分析与判定带来了很大的困难。
然而，电机的正常运转离不开稳定的供电线路，合理的电机负荷，良好的散热和电机绕组漆包线绝缘层的保护。根据这几方面进行分析，可以归纳出电机烧毁的如下六种原因：
(1) 异常负荷和堵转；
(2) 金属屑引起的电机绕组短路；
(3) 压缩机用接触器问题；
(4) 电源缺相和电压异常；
(5) 电机冷却不足；
(6) 用压缩机抽真空。
实际上，电机损坏往往是多种因素共同作用的结果。
以下我们着重谈谈接触器以及供电保护装置在制冷压缩机中的应用。
1．接触器
在大型制冷工程中，压缩机功率较大，并会根据系统要求选择多台压缩机并联的方式。根据现场工况的不同，压缩机会出现持续满载运行、低负荷运行、交替运行等各种情况，特别是像医疗血液储藏库和冷藏食品加工及贮藏企业，会有大量的血液或食品需要加工和冷藏，一旦由于接触器故障造成压缩机停机，冷藏间的低温环境将难以保持，并且会快速升高，冻品会因为温度升高而腐败变质，这将会给用户带来巨大的损失。所以选择合理并且性能可靠的接触器对于压缩机的使用和安全至关重要。
如果接触器选型偏小，触头不能承受电弧和由于频繁开停循环或不稳定控制回路电压产生的高温，可能焊合或从触头架中脱落。焊合的触头将产生永久性单相状态，使过载保护器持续地循环接通和断开。 需要特别强调的是，接触器触点焊合后，依赖接触器断开压缩机电源回路的所有控制（比如高低压控制，油压控制，融霜控制等）将全部失效，压缩机处于无保护状态。
触点抖动的接触器频繁地启停电机。电机频繁启动，巨大的启动电流和发热,会加剧绕组绝缘层的老化。每次启动时，磁性力矩使电机绕组有微小的移动和相互摩擦。如果有其它因素配合（如金属屑，绝缘性差的润滑油等），很容易引起绕组间短路。热保护系统并未设计成能防止这种毁坏。此外，抖动的接触器线圈容易失效。如果有接触线圈损坏，容易出现缺相状态。
因此压缩机用接触器必须满足以下几个方面的性能要求：
（1）快速循环。
（2）持续超载和低电压。
（3）必须有足够大的面积以散发负载电流所产生的热量。
（4）触点材料必须能在启动或堵转等大电流情况下防止焊合。
（5）具有良好的分段能力，压缩机接触器要能同时断开三相电路。
（6）具有很好的人身安全防护能力，并且便于检查和更换接触器线圈。
在美国，谷轮公司认可的接触器必须满足如下四项：
•  接触器必须满足ARI标准780-78“专用接触器标准”规定的工作和测试准则。
•  制造商必须保证接触器在室温下，在最低铭牌电压的80％时能闭合。
•  当使用单个接触器时，接触器额定电流必须大于电机铭牌电流额定值(RLA).同时，接触器必须能承受电机堵转电流。如果接触器下游还有其它负载，比如电机风扇等，也必须考虑。
•  当使用两个接触器时，每个接触器的分绕组堵转额定值必须等于或大于压缩机半绕组堵转额定值。
在某些特殊情况下，即使选择了合适的接触器，也避免不了接触器损坏情况的发生。一旦接触器出现故障，使得压缩机不能正常启动，就需要在短时间内对接触器进行快速的维修或更换。针对这一问题，我们选择了ABB公司生产的A系列交流接触器。
接触器结构剖析图如下：

这款接触器不仅能够满足压缩机启动和运行中的各种复杂情况，并因此接触器的特殊结构，使得当故障发生时，不必移去电缆，将接触器整体拆除，只需将接触器前面板取下，就可使接触器的主要动作部分与底座分离，这样既便于快速更换线圈又可防止因意外接通电造成维修人员人身伤害及设备毁坏事故。
2．供电保护
由于制冷压缩机具有高噪声的特点，所以绝大多数制冷企业都建在距离市区较远的郊区，工厂所在地的电网供电质量较差，极易出现电压不正常和缺相等情况。当发生三相间电压不平衡或缺相时极易烧毁压缩机电机。电源电压变化范围不能超过额定电压的�10%。三相间的电压不平衡不能超过5%。如果发生缺相的同时压缩机正在运转，它将继续运行但会有大的负载电流。电机绕组会很快过热，正常情况下压缩机会被热保护。当电机绕组冷却至设定温度，接触器会闭合，但压缩机启动不起来，出现堵转，并进入“堵转－热保护－堵转”死循环。在个别严重的情况下,热继电还来不及做出保护，就已经烧毁压缩机电机了。
电压不平衡百分数计算方法为,相电压与三相电压平均值的最大偏差值与三相电压平均值比值.例如，标称380V三相电源，在压缩机接线端测量的电压分别为380V，366V，400V，可以计算出三相电压平均值382V，最大偏差为20V，所以电压不平衡百分数为5.2%。 作为电压不平衡的结果，在正常运行时，负载电流的不平衡几率是电压不平衡几率的4－10倍。美国国家电气制造商协会(NEMA)电动机和发电机标准出版物指出，由不平衡电压造成的相绕组温升百分比大约是电压不平衡百分点数平方的两倍。所以对于三相供电线路的监测就显得尤为重要。一份由U.L.(保险商实验室，美国)完成的调查显示，43％的电力公司允许3％的电压不平衡，另有30％的电力公司允许5％的电压不平衡。
制冷压缩机一般价格昂贵,并且会因其烧毁而带来更大的经济损失，所以一定要对压缩机的三相供电线路进行检测。
通过多年来对各种低压保护产品的使用，我们一致认为ABB公司生产的CM系列三相多功能监视继电器CM-MPS具有很高的可靠性。通过可以监测三相供电线路和系统线路中的相序、缺相、过欠压、相不平衡等参数，并可在故障发生时发出报警信号，使控制系统能够在机器设备遭到更大损坏之前予以适当的处理，从而使机器设备和系统获得最大程度的保护，提高机器、设备和系统的有效性，减少由于三相系统故障而引起的维护费用及维护时间。
三相监视功能曲线如下：

如果所有相完整、电压正确且相序正确，输出继电器动作。如果出现过/欠压（300-500V AC可调）、相不平衡（阀值2－15％可调）、缺相或相序不正确，则输出继电器复位且黄色LED熄灭。电压回复到设定范围（加上固定迟滞5%）继电器自动再次复位。
我们再来谈谈压缩机所处工作环境对压缩机控制柜内低压原件的影响。
（1）冷库冷间低温潮湿
在食品冷藏加工企业，由于操作现场的要求，部分冻结库体与制冷机组连接在一起的设备（如一体化平板速冻机）需要放置于潮湿的冷库冷间内。冷库冷间与一般的潮湿环境不同，如温度高于0℃的食品加工间，会因为环境卫生的要求而在室内喷淋大量带有弱腐蚀性的消毒液体，使得加工间内部湿度极大，一般均在90%以上。如此大的环境湿度会在控制柜表面形成凝水，并且凝水中还含有一定量的化学成分。长期的高湿度以及弱腐蚀性凝水的存在，会使水汽渐渐渗透电控箱，并腐蚀低压电气元件的金属部分以及内部电子元件，造成电气元件的性能降低甚至损坏。如果控制压缩机的电气元件受损，则会直接影响压缩机的正常运行，大大提升电机烧毁的几率。虽然可以由于通过各种手段防止电控箱透水情况的发生，但面对冷库冷间如此恶劣的操作环境，就要求柜内低压电气设备具有良好的抗低温、抗潮湿、抗腐蚀的特性。
（2）弱腐蚀性氨气的存在
氨气属弱腐蚀性气体，比空气轻，当环境中相对湿度较高时对电气设备有明显的腐蚀。氨气的爆炸极限为15.5%~27%。根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058－92中的第2.2.1条，氨机房的爆炸性气体环境危险区域被划分为2区，另根据《建筑设计防火规范》GBJ16-87中的第3.1.1条，氨机房的火灾危险性分类为乙类。氨机房内必须就地安装的电气设备，如照明灯具、液位计、压力表、断水继电器和氨机紧急停车按钮，在正常运行中决不允许产生火花，并且防腐防爆。
低压电气在制冷行业未来的发展方向：
随着科技的发展,工业自动化生产的水平也日益提高.人们现在也更多感受到科技进步给生活,工作带来的便利与快捷.同时也带来了麻烦。制冷行业作为机械制造的一部分,也随着制造业的发展而不断取得进步和创新。传统制冷理念也得到改进和提高.就制冷行业今后发展而言,制冷设备正朝着安全，实用,节能,环保,自动化的方向发展，但由于制冷行业的特殊性，就对配套使用的低压电气元件提出了更高的要求。总的来说，应用于制冷行业的低压电气的发展方向如下：
（1）实现低压电气产品的智能化，进一步改进产品的保护性能，扩大功能，不仅能准确监测和显示配电线路的运行情况，还能准确地切除过载、短路等各种故障；还能按运行人员的设置要求进行各种操作；与此同时，还能对电器本身进行监测和对故障自诊断及故障状况的显示。
(2)变频调速装置以及软启动的使用,使得制冷设<< p="">