淺談低電壓電機的過載保護技術(shù)

皇甫振偉

【摘要】本文將對低電壓電機的保護原理進行簡單的介紹，并對現(xiàn)有的保護技術(shù)與保護設(shè)備進行分析和評估，指出其中存在的問題，提出解決方法。

【關(guān)鍵詞】低電壓;電機;過載保護

一、引言

電機在運行過程中會發(fā)熱，而在過載的情況下，發(fā)熱狀況將更為明顯。此時發(fā)熱量很大，常常會損壞電機。因此，對電機進行過載保護是必須的。自上個世紀(jì)末以來，隨著電機的升級，以熱繼電器為常見設(shè)備的電機的過載保護技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。盡管如此，現(xiàn)有的技術(shù)還是存在很多缺陷，需要進一步改進，才能滿足電機保護的要求。

二、過載保護原理

1.低電壓電機的過載

電動機利用電流的磁效應(yīng)工作，在過載狀態(tài)下，電流過大，發(fā)熱量增加，不僅引起工作溫度劇增，還會破壞絕緣性能。電動機的損壞往往是由于繞組過熱或絕緣性能降低?？梢?，過載對電機的損害很大，因此，對電機進行過載保護十分必要。

2.過載保護原理

過載保護的一般原理是：依據(jù)電動機繞組過載保護特性國家標(biāo)準(zhǔn)（見表1），對電流大小等指標(biāo)進行采樣，判斷是否采取跳閘等措施。目前常用的設(shè)備是不同種類的繼電器，這些繼電器的主要區(qū)別在于檢測指標(biāo)和取樣方式的不同。

表1 過載保護特性國家標(biāo)準(zhǔn)

序號 過電流整定電流 動作時間 起始狀態(tài)

1 1.05 2h不動作 冷態(tài)

2 1.2 <20min 熱態(tài)

3 1.5 <3min 熱態(tài)

4 6.0 ≥5s 冷態(tài)

三、過載保護常用裝置

1.繼電器

繼電器是目前最常見的過載保護裝置。常用的繼電器種類有熱繼電器、電子式繼電器、熔斷式繼電器和溫度保護繼電器。

（1）熱繼電器

熱繼電器關(guān)鍵部分是兩種不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片，兩片金屬緊密結(jié)合，通電產(chǎn)生熱量時，由于兩片金屬伸展的長度有差異，雙金屬片將彎曲成弧形，從而推動彈簧瞬跳結(jié)構(gòu)，斷開電路進行過電流保護。

熱繼電器原理清晰，工藝簡單，制作成本較低。但是其結(jié)構(gòu)限制了其靈敏性，而且易受環(huán)境影響。同時，熱繼電器沒有完整的邏輯電路的結(jié)構(gòu)，缺乏邏輯性，準(zhǔn)確度偏低。

（2）電子式繼電器

電子式繼電器取電流樣品。該繼電器通常利用電流互感器取樣，根據(jù)電流的磁滯回線的直線部分獲取信號。保護執(zhí)行的部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般有電源、延時、觸發(fā)、信號比較、過電流保護等部分，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護，還能實現(xiàn)短路保護等其他功能。

比起熱繼電器，電子式繼電器的靈敏度和保護能力都更高。而且，電子式繼電器具有完整的邏輯結(jié)構(gòu)，可靠性高;整定值可連續(xù)調(diào)整，精度高;取樣電流，反應(yīng)速度快?？梢婋娮邮嚼^電器具有更多的優(yōu)勢。但是，這種繼電器制作工藝復(fù)雜，而且易受到互感器精度的影響，仍需改進。

（3）熔斷式繼電器

熔斷式繼電器是一種傳統(tǒng)而成熟的保護方式。熔斷式繼電器的工作原理類似于老式保險絲。將熔體串聯(lián)到回路中，當(dāng)線路中有過載或短路等狀態(tài)時，溫度上升，當(dāng)熔體溫度上升至熔點時，熔體熔化，切斷電路，從而起到保護作用。

熔斷式繼電器比起熱繼電器更為簡單，所占空間體積小，成本和維護費用很低，而且穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性都比較高。但是，由于熔體熔點固定且與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)，因此此類繼電器的工作溫度單一，離散性大，更易受到環(huán)境的影響。最重要的是，一般電機都是工作在三相態(tài)，只斷開一相（即缺相）時，電機會很快被損壞，這一缺點必須被修正。

通常采用機械方法或者邏輯電路來監(jiān)測三相的熔體狀態(tài)，即采用熔斷器監(jiān)視保護繼電器。

（4）溫度保護繼電器

溫度保護繼電器是一種直接保護方式。利用正溫度系數(shù)熱敏電阻的高溫時電阻隨溫度升高非線性增大的特性，將過載時的高溫信號轉(zhuǎn)化為電信號（阻抗），傳遞給保護和控制裝置，反饋給電機，從而起到過載保護作用。

此類繼電器已經(jīng)較為成熟，簡單可行，快速可靠。但是，熱敏電阻的制作工藝非常復(fù)雜，成本較高，這一點需要改進。不過，在國外，這項技術(shù)已經(jīng)取得了突破，因此，盡管我國的溫度控制技術(shù)剛剛起步，筆者依然相信它很快能得到大幅提高。

2.綜合保護器

電機綜合保護器采用了可進行基本運算、差值比較和簡單的邏輯判斷的電路，對三相電流、電壓、熱電阻值等多種信號進行采集和判斷。這種保護器綜合性極高，反應(yīng)速度很快，模塊化和數(shù)字化水平很高，因此很適合大規(guī)模的電機使用。當(dāng)然，這也意味著該類保護器的工藝流程復(fù)雜，成本較高，需要進一步研究和簡化。

四、過載技術(shù)的改進

本節(jié)內(nèi)容將以繼電器為主，分析現(xiàn)有的過載保護技術(shù)可做出的某些改進。

1.聯(lián)合繼電器

為了改善單一繼電器的工作效果，在實際生產(chǎn)中往往采用兩種繼電器聯(lián)合使用的方法。一般其中一種為熔斷式繼電器，另外一種為熱繼電器和電子式繼電器。兩類繼電器優(yōu)勢互補，能夠大大提高繼電器工作的可靠性。

2.延時控制回路

傳統(tǒng)設(shè)計的熱繼電器的電路有很多缺陷：電機啟動時間過長，且啟動電流（啟動負荷）較大，在啟動過程中非常容易超過正常運行狀態(tài)對過載保護功率的設(shè)定值，啟動時間過長時熱量的累積會導(dǎo)致可能出現(xiàn)提前跳閘的情況。

根據(jù)經(jīng)驗，在回路中設(shè)計延時控制回路可以大大改善上述狀況。這種改進方法最大的優(yōu)點是方法簡單，效果突出，只需在回路中增加一個延時繼電器T1。T1的整定時間需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場確定，通常情況下取16s。

3.單片機

現(xiàn)在，單片機技術(shù)被應(yīng)用在很多工業(yè)生產(chǎn)的裝置中。單片機高集成化和高智能化的優(yōu)點能夠提高整個硬件設(shè)備的工作效率。加入單片機的部分后，只需寫入算法就能快捷地模擬和改造電路。因此，近來利用單片機技術(shù)完善電機保護電路的研究越來越多。其中一種是基于MSP430單片機的改造方案。

在采集電路部分利用傳感器采集信號，經(jīng)過整理后進入MSP430的A/D轉(zhuǎn)化接口進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過MSP430的中央處理器處理后做出報警或者故障指示，采取相應(yīng)措施。

這種保護方式有很多優(yōu)點：高效且準(zhǔn)確，而且能夠?qū)﹄娐返暮芏嘀笜?biāo)進行監(jiān)控，能夠?qū)﹄姍C的各種故障做出反應(yīng);電源電路可采用備用電池，保證了工作的連續(xù)性;監(jiān)視電路可以提高單片機本身工作的可靠性;通訊電路使得整體可以組網(wǎng)。因此，盡管這類保護器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但在這個趨向于大規(guī)模集成化的時代，這種保護器必然會成為發(fā)展的主流。

五、結(jié)束語

工業(yè)生產(chǎn)對電機的要求越來越高，為了應(yīng)對這些要求，電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，過載保護技術(shù)需要納入的因素越來越多。電機的過載保護技術(shù)形式會更多樣，設(shè)備種類也會更多，但是，毫無疑問的，集成化、小型化和智能化將是電機過載保護設(shè)備的發(fā)展趨勢。而且，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感技術(shù)的引入和發(fā)展，保護器將具備更多更綜合的功能。

參考文獻

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