王 晶

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430050)

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三相異步電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)元件的探究

王 晶

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430050)

三相異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際的應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的問(wèn)題，所以對(duì)三相異步電機(jī)的熱保護(hù)就顯得格外重要?，F(xiàn)在市面上熱保護(hù)元件眾多，本文從熱保護(hù)元件的原理入手，經(jīng)過(guò)對(duì)不同熱保護(hù)元件的工作特性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比，從而更有利于讀者進(jìn)行熱保護(hù)元件的選用。

過(guò)熱保護(hù)；熱保護(hù)元件的原理；熱保護(hù)元件的對(duì)比

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，三相異步電機(jī)是應(yīng)用范圍最廣、數(shù)量最多的設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率不匹配、傳動(dòng)不暢、負(fù)載變大等原因，三相異步電機(jī)的過(guò)載是經(jīng)常出現(xiàn)的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在三相異步電機(jī)出現(xiàn)的各種故障中，過(guò)載的故障率高達(dá)30%以上，所以對(duì)三相異步電機(jī)的熱保護(hù)就顯得格外重要。各大電氣廠商對(duì)三相異步電機(jī)的熱保護(hù)都十分重視，分別推出了自己形形色色、多種多樣的熱保護(hù)元件，現(xiàn)在的熱保護(hù)元件有越來(lái)越貼近不同的行業(yè)應(yīng)用甚至不同的工藝應(yīng)用的趨勢(shì)。對(duì)于三相異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，這樣的細(xì)分可以更有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)，但對(duì)于電氣技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，如何在眾多的熱保護(hù)元件中選擇出一個(gè)更貼近自己的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的，就顯得更加復(fù)雜。本文將從熱保護(hù)元件的原理入手，再經(jīng)過(guò)不同熱保護(hù)元件的工作特性優(yōu)缺點(diǎn)分析來(lái)對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比，從而使各個(gè)元件的特征更加清晰。國(guó)內(nèi)低壓保護(hù)元件中施耐德品牌的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多，本文中具體的型號(hào)將以施耐德產(chǎn)品為例。

1 工作原理

無(wú)論三相異步電機(jī)是因?yàn)槭裁丛蜻^(guò)載，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率增大，從而引起定子電流增大，當(dāng)定子繞組的電流增大并持續(xù)足夠的時(shí)間后就會(huì)引起溫度過(guò)高甚至是燒毀。過(guò)熱保護(hù)元件就是通過(guò)檢測(cè)定子繞組的電流或者直接檢測(cè)定子繞組的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的熱保護(hù)。

1.1 電流檢測(cè)型

電流檢測(cè)型熱保護(hù)元件是通過(guò)檢測(cè)定子繞組的電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)的，由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流較大，設(shè)計(jì)和選型時(shí)要考慮到避開(kāi)啟動(dòng)電流，避免其在啟動(dòng)過(guò)程中誤動(dòng)作。

1.1.1 機(jī)械式

機(jī)械式熱保護(hù)元件采用的是雙金屬片，電流過(guò)大時(shí)會(huì)引起雙金屬溫度片發(fā)生形變，從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作。很多熱磁斷路器和機(jī)械式熱繼電器都是采用的這種結(jié)構(gòu)，相對(duì)來(lái)說(shuō)它結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)單，成本也較低。由于機(jī)械式熱保護(hù)元件利用的是雙金屬片的發(fā)熱形變，它的保護(hù)曲線通常是反時(shí)限的曲線，即電流越大動(dòng)作時(shí)間越短，電流越小動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，脫扣曲線如下圖1所示。

參考脫扣曲線，在選用機(jī)械式熱保護(hù)元件時(shí)需要注意幾個(gè)問(wèn)題：

(1)脫扣等級(jí)：由于雙金屬片材料的限制，脫扣等級(jí)是固定的?？紤]到電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流較大，需要參考不同的脫扣曲線來(lái)進(jìn)行選擇，避免因?yàn)槊摽鄣燃?jí)過(guò)低導(dǎo)致熱保護(hù)元件誤動(dòng)。

(2)熱態(tài)和冷態(tài)：機(jī)械式熱保護(hù)元件是靠雙金屬片發(fā)熱形變來(lái)動(dòng)作的，如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)有熱積累的問(wèn)題，脫扣時(shí)間比電機(jī)從冷態(tài)開(kāi)始運(yùn)行要短。

圖1 脫扣曲線

(3)工作環(huán)境：機(jī)械式熱保護(hù)元件對(duì)環(huán)境溫度有嚴(yán)格的要求，因?yàn)檫^(guò)高的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致雙金屬片預(yù)熱，從而導(dǎo)致脫扣時(shí)間發(fā)生變化。

(4)單相交流負(fù)載和直流負(fù)載的保護(hù)：機(jī)械式熱保護(hù)元件通常是為三相異步電機(jī)的熱保護(hù)設(shè)計(jì)制造的，如果想用這種元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單相交流負(fù)載或者直流負(fù)載的熱保護(hù)，需要把元件的三極串聯(lián)起來(lái)，以使元件的三極都有電流而且電流是平衡的。如果是熱磁斷路器帶直流負(fù)載，還要充分考慮斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

1.1.2 電子式

和機(jī)械式熱保護(hù)元件不同，電子式熱保護(hù)元件是利用電子元器件來(lái)對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)和運(yùn)算的，如果檢測(cè)到的電流和持續(xù)的時(shí)間達(dá)到脫扣條件則觸發(fā)對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作。電子式熱保護(hù)元件有脫扣等級(jí)固定的電子式熱繼電器，也有啟動(dòng)時(shí)間和脫扣時(shí)間可調(diào)的電子過(guò)流繼電器。由于采用的是電子元器件回路，電子式熱保護(hù)元件的功能更多也更靈活，但成本較高。在選用電子式熱保護(hù)元件時(shí)要注意幾個(gè)問(wèn)題：

(1)相不平衡保護(hù)：很多電子式熱保護(hù)元件都有相不平衡保護(hù)，它會(huì)計(jì)算不同相之間的時(shí)間差，這種元件是不適用于單相交流負(fù)載和直流負(fù)載的。因?yàn)榧词故侨啻?lián)起來(lái)，相間還是沒(méi)有時(shí)間差，熱保護(hù)元件會(huì)因?yàn)橄嗖黄胶舛鴦?dòng)作。

(2)諧波干擾：相對(duì)于機(jī)械式熱保護(hù)元件，電子式熱保護(hù)元件更容易受到諧波的干擾而誤動(dòng)，在應(yīng)用場(chǎng)合上要充分考慮到諧波的因素，盡量把諧波抑制在電子式熱保護(hù)元件要求的工作環(huán)境條件內(nèi)。

1.2 溫度檢測(cè)型

圖2 施耐德LT3熱敏保護(hù)繼電器配套的熱敏電阻特性曲線圖

溫度檢測(cè)型熱保護(hù)元件是利用定子繞組中預(yù)埋的熱敏電阻探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)的，在定子繞組因?yàn)殡娏鞯拇笮《l(fā)生溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)配套使用的熱敏保護(hù)繼電器等設(shè)備檢測(cè)其阻值，可以實(shí)現(xiàn)在溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警或停機(jī)。圖2為施耐德LT3熱敏保護(hù)繼電器配套的熱敏電阻的電阻特性曲線圖。

相對(duì)于電流式熱保護(hù)元件通過(guò)電流的大小和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)體現(xiàn)溫度，溫度式熱保護(hù)元件是通過(guò)熱敏電阻來(lái)直接檢測(cè)定子繞組的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)的，要更加直觀。但是熱敏電阻一旦選定，它的電阻特性曲線是固定的，保護(hù)定值無(wú)法人為做調(diào)整。

2 產(chǎn)品對(duì)比

2.1 熱磁斷路器

熱磁斷路器是同時(shí)具有短路保護(hù)(磁保護(hù))和過(guò)載保護(hù)(熱保護(hù))的元件，GV2、GV3小型電動(dòng)機(jī)斷路器以及帶有電機(jī)保護(hù)電子脫扣單元的NSX塑殼短路器就屬于這一類(lèi)產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：熱磁斷路器集成了磁保護(hù)和熱保護(hù)兩種功能，加上控制電機(jī)的接觸器后就可以直接連接電機(jī)，屬于較簡(jiǎn)單的電機(jī)保護(hù)控制方案，安裝簡(jiǎn)單且節(jié)省空間。其額定電流在一個(gè)范圍內(nèi)是可以設(shè)置的，使用方便且利于選型。

2.2 熱繼電器

熱繼電器是檢測(cè)電流做熱保護(hù)的典型元件，通常帶有一個(gè)常開(kāi)和一個(gè)常閉的輔助觸點(diǎn)，過(guò)載時(shí)輔助觸點(diǎn)動(dòng)作，主回路不分?jǐn)?。常?jiàn)的有LRD、LRE、LR9F等系列的產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：熱繼在出現(xiàn)過(guò)載時(shí)主回路不分?jǐn)?，可以在各個(gè)行業(yè)靈活運(yùn)用。如果出現(xiàn)過(guò)載時(shí)需要把主回路分?jǐn)嚅_(kāi)，可以把熱繼的常閉觸點(diǎn)跟控制電機(jī)的接觸器的線圈串聯(lián)；如果類(lèi)似消防水泵的應(yīng)用，可以把熱繼的常開(kāi)觸點(diǎn)做故障信號(hào)。熱繼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)置簡(jiǎn)便，是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中最常見(jiàn)的熱保護(hù)元件。

缺點(diǎn)：熱繼在選型時(shí)要考慮安裝的問(wèn)題，如果是跟接觸器直接插接的話比較節(jié)省空間，但是要考慮熱繼和接觸器的匹配問(wèn)題，選型比較麻煩；如果是熱繼單獨(dú)安裝的話部分熱繼需要選擇使用獨(dú)立安裝附件，而且占用的空間較大，熱繼和接觸器間需要用線纜或者線排連接。

2.3 電子過(guò)流繼電器

電子過(guò)流繼電器是可以靈活設(shè)置的電子式電流檢測(cè)熱保護(hù)元件，它的啟動(dòng)時(shí)間和脫扣時(shí)間是可調(diào)的，常見(jiàn)的有LR97D、LT47系列。

優(yōu)點(diǎn)：由于電子過(guò)流繼電器的啟動(dòng)時(shí)間和脫扣時(shí)間是可調(diào)的，它的使用范圍很廣，特別是啟動(dòng)峰值電流大，啟動(dòng)時(shí)間超長(zhǎng)的電機(jī)。

不僅這些，在雄安一站，“請(qǐng)微微抬頭，讓我看看您的臉!”“結(jié)算完成，歡迎您再來(lái)!”首次進(jìn)入智能無(wú)人店購(gòu)物的甄先生，按照提示音結(jié)算完成后興奮地說(shuō)：“這里令人眼界大開(kāi)，真是超前、智能、高顏值!”該站除傳統(tǒng)的加油區(qū)、便利店外，還增設(shè)了汽車(chē)充電、快餐、書(shū)吧、智能無(wú)人體驗(yàn)店等業(yè)務(wù)，滿足客戶不同消費(fèi)需求。地磁感應(yīng)、車(chē)牌識(shí)別、刷臉支付、優(yōu)選智能便利店、智能化支付、電子發(fā)票、智慧環(huán)保等智能元素融入其中，為顧客提供更高的服務(wù)體驗(yàn)。由此，雄安一站剛一亮相，立即引來(lái)眾多客戶的嘖嘖稱贊。該站也成為中國(guó)石油在雄安新區(qū)展示其品牌形象的亮麗“窗口”。

缺點(diǎn)：LR97D、LT47系列的電子過(guò)流繼電器能夠直接檢測(cè)的電流范圍都很小，如果實(shí)際電機(jī)電流很小，LT47系列需要在自帶的互感器上多次穿線；如果實(shí)際電機(jī)電流很大，需要外加電流互感器，再用電子過(guò)流繼電器檢測(cè)二次側(cè)電流。

2.4 TesysT

TesysT系列電動(dòng)機(jī)管理控制器可以通過(guò)內(nèi)置電流互感器檢測(cè)電機(jī)主回路上的電流，除了普通熱保護(hù)外它還可以提供相不平衡或相位故障、堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、倒相、接地故障等多種功能，通過(guò)外加的附件和擴(kuò)展模塊，它還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度監(jiān)視、電壓監(jiān)視、功率監(jiān)視、功率因數(shù)監(jiān)視等復(fù)雜功能，而且根據(jù)型號(hào)不同還內(nèi)置了不同的通訊協(xié)議，是一款功能強(qiáng)大的產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大而靈活，它的各種保護(hù)定值可以根據(jù)實(shí)際要求自定義；監(jiān)視數(shù)據(jù)可以通過(guò)面板直接顯示；由于內(nèi)置了通訊協(xié)議，還可以通過(guò)通訊將其檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)用來(lái)做顯示或故障報(bào)警。

缺點(diǎn)：成本較高；檢測(cè)電流范圍小，如果實(shí)際電流超出檢測(cè)范圍一樣要通過(guò)繞線或者外加電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

2.5 TesysU

TesysU是一款模塊化產(chǎn)品，它可以將斷路器、熱繼、接觸器三種元件的功能整合在一個(gè)元件里。通過(guò)選擇不同的控制單元，它不僅可以實(shí)現(xiàn)普通的熱保護(hù)，還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警、故障區(qū)分、故障記錄、相不平衡保護(hù)等復(fù)雜功能。通過(guò)添加通訊模塊，還可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的通訊。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，如果大量使用的話可以節(jié)省很多接線和安裝空間；模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求自定義功能；功能強(qiáng)大。

缺點(diǎn)：可以直接檢測(cè)的電流最大只能到32A，電流過(guò)大需要外加電流互感器并選用控制底座；型號(hào)繁多，選型時(shí)需要對(duì)多個(gè)型號(hào)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)對(duì)技術(shù)能力要求較高。

2.6 LT3熱敏保護(hù)繼電器

此繼電器可以連接電機(jī)定子繞組預(yù)埋的PTC熱敏電阻，通過(guò)熱敏電阻阻值隨著溫度的變化來(lái)持續(xù)監(jiān)控電機(jī)的熱狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)過(guò)載時(shí)利用熱敏電阻阻值的迅速攀升來(lái)使觸點(diǎn)動(dòng)作，從而停機(jī)或者報(bào)警。

優(yōu)點(diǎn)：PTC熱敏電阻是預(yù)埋在定子繞組里的，直接反映電機(jī)的溫度，是最直觀準(zhǔn)確的熱狀態(tài)檢測(cè)。

缺點(diǎn)：成本高；PTC熱敏電阻的熱特性是固定，其保護(hù)定值無(wú)法調(diào)整；PTC熱敏電阻在現(xiàn)場(chǎng)，LT3熱敏保護(hù)繼電器在中控室或現(xiàn)場(chǎng)箱，距離較遠(yuǎn)的情況下要充分考慮抗干擾的問(wèn)題。

以上列出的各種產(chǎn)品中，除了LT3熱敏保護(hù)繼電器是溫度檢測(cè)型的以外其他的都是電流檢測(cè)性熱保護(hù)元件。相對(duì)而言電流檢測(cè)性的成本更低、安裝更簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得要更為廣泛一些。在電流檢測(cè)性熱保護(hù)元件中，熱磁斷路器和熱繼電器可以參考具體的應(yīng)用行業(yè)來(lái)進(jìn)行選擇，它們也是最常見(jiàn)的熱保護(hù)元件；如果所帶電機(jī) 的負(fù)載比較特殊，如啟動(dòng)電流峰值大且啟動(dòng)時(shí)間超長(zhǎng)，可以考慮電子過(guò)流繼電器；如果對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能要求十分完善，且需要利用通訊來(lái)監(jiān)視電機(jī)的狀態(tài)，可以考慮tesysT或tesysU。

3 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)在很多變頻器、軟啟等設(shè)備都可以通過(guò)檢測(cè)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)，并且很多型號(hào)都可以擴(kuò)展連接PTC熱敏電阻來(lái)檢測(cè)溫度，但熱保護(hù)并不是他們的主要功能，所以他們都不在本文討論范圍內(nèi)。如果現(xiàn)場(chǎng)有變頻器、軟起等設(shè)備，可以充分利用其自身的熱保護(hù)功能，不需要另外選擇熱保護(hù)元件。如果想另選熱保護(hù)元件來(lái)提高安全性，要充分考慮變頻器、軟起等設(shè)備的諧波因素，實(shí)際選型需要把電流參考值適當(dāng)放大。

1 邵群濤.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

2 季杏法.三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

3 甄廣國(guó).三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)技術(shù)探討[J].電世界,1995(5)

4 邵則波,陳慶.機(jī)電設(shè)備管理技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

(責(zé)任編輯：張 輝)

Research on the Protection Element of Three-phase Asynchronous Motor

WANG Jin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

The over temperature protection of the three-phase asynchronous motor is very important, because the motor often with the problem of overload in practical applications. Now there are so many overheat protection elements on the market, this article with the beginning of the principle of protection element, through analyzing and contrasting the work characteristics of different thermal protection elements and the advantages and disadvantages of them, the readers can select the protection element easier and properly.

overheat protection; the principle of protection element; the contrast of protection element

2015-01-17

王 晶，主要從事電了與電氣方面的教學(xué)和科研工作。

TM34

A

1671-8100(2015)03-0051-04