馬達接觸器和電壓驟降

發現問題

工廠內 6.6kV、3000kW 大容量馬達對電壓驟降敏感問題被發現，經查明是其 230V 控制電路內之電驛和接觸器元件對電壓驟降敏感所導致。EPRI  Solutions 工程師建議採取電驛和接觸器於電壓驟降期間跳>脫之防止措施，但衍生的問題為若使接觸器在電壓驟降期間不跳脫或延遲跳脫，馬達會損壞嗎？

問題描述

電壓驟降是影響工業和商業用戶電力品質之重大問題之一，在此特殊情況下，馬達接觸器若可容忍持續 0.2 秒、降幅 50%的電壓驟降，則多數的電壓驟降事件就不致於會影響到馬達的正常運轉。

電壓驟降的發生主要是因輸配電系統的故障，此故障經由保護裝置自動檢出並隔離，可於很短的時間內回復至原來電壓。常見的電壓驟降實例為降幅小於 30%，而持續時間短於 20 週波(0.33 秒)，如圖 1 所示。

分析

感應馬達在電壓驟降時將引起電樞電流的增加，此乃因感應馬達在電壓驟降期間的電壓範圍內，具有典型的定百萬伏安(MVA)特性。電壓驟降將使馬達電磁力矩降低(力矩與電壓平方成正比關係)，此時所關心的問題為馬達電流增加所引起潛在熱損壞問題，及電磁力矩降低所引起馬達逆轉問題(機械負載力矩大於電磁力矩時會造成馬達轉速降低甚而停止)。

馬達內裝置啟動器或接觸器已沿用一段很長的時間，可以提供保護馬達的功能，但需注意的是馬達保護並不是僅依賴此設備，多數的馬達是以具有時間反比特性之過電流電驛保護。馬達過載(過電流)保護設備主要為電驛內時間反比特性之瞬時元件(有時以熱過載裝置替代)，在嚴重事故下(超過馬達啟動電流準位時)，此電驛內之瞬時元件會自動將馬達跳脫。

感應馬達設計為必須於啟動期間內工作，故具有可在數秒內容忍 6 倍額定電流之能力，而不會帶來熱損壞問題。500 馬力、4kV 馬達的標準加速曲線和熱極限曲線，如圖 2 所示。

在馬達加速曲線和熱極限曲線間，任何特定馬達之過電流電驛的選擇與設定，可用各線狀表示電驛的特性。

由圖 2 觀察，特定馬達在 2.0 標么電流值(50%電壓驟降)下，能夠容忍的持續時間長達 100 秒，同時也很明確指出在持續 0.2 秒之50%壓降幅度情況下，馬達不會有任何重大熱損壞情形發生。

圖 3 描繪典型的感應馬達電磁力矩(以電壓函數表示)和機械負載(藍線)之關係，穩態運轉點即指機械力矩曲線(藍線)和相對應之馬達力矩曲線(50%、65%和 100%電壓)之交點。

由圖 3 可知，當壓降幅度為 50%時，馬達電磁力矩將減少，但若馬達仍運轉於電壓驟降前之 100%速度和 100%電壓，則馬達力矩將降到藍線所表示的機械負載力矩曲線之下，並開始減速，馬達轉速一旦變慢，將拖曳堵住轉子電流，最終會使馬達跳脫。如前所述，馬達接觸器雖然尚未動作，因過電流電驛之設定仍會使馬達跳脫，馬達不會受到損壞(過電流電驛設定是設計來保護馬達的)。

感應馬達在電壓驟降期間之特性，可從動態模擬得知，然而實際上，因電壓驟降發生前之馬達貯能不足以補償驟降期間所短缺之動能，造成馬達轉速不會下降得太快。只要電壓驟降現象不要持續太久，亦即過電流電驛跳脫前(多久的時間依據馬達特性訂定)，馬達應可安全渡過，且俟電壓恢復後即刻可再加速。若以馬達之堵住轉子電流時間 2~5 秒作為電驛設定時間，在電壓驟降持續 0.2 秒期間，極不可能造成過電流電驛跳脫。

其他值得注意的相關課題為同步馬達比感應馬達對電壓驟降更為敏感，因電壓驟降會引起同步馬達與系統間的失步甚至於跳脫，故建議執行動態模擬以評估各類型馬達對電壓驟降的影響程度。

結論