淺談低電壓電機的過載保護技術

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，并對現有的保護技術與保護設備進行分析和評估，指出其中存在的問題，提出解決方法。

【關鍵詞】低電壓;電機;過載保護

一、引言

電機在運行過程中會發熱，而在過載的情況下，發熱狀況將更為明顯。此時發熱量很大，常常會損壞電機。因此，對電機進行過載保護是必須的。自上個世紀末以來，隨著電機的升級，以熱繼電器為常見設備的電機的過載保護技術也得到了長足的發展。盡管如此，現有的技術還是存在很多缺陷，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工作，在過載狀態下，電流過大，發熱量增加，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。可見，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：依據電動機繞組過載保護特性國家標準（見表1），對電流大小等指標進行采樣，判斷是否采取跳閘等措施。目前常用的設備是不同種類的繼電器，這些繼電器的主要區別在于檢測指標和取樣方式的不同。

表1 過載保護特性國家標準

序號 過電流整定電流 動作時間 起始狀態

1 1.05 2h不動作 冷態

2 1.2 <20min 熱態

3 1.5 <3min 熱態

4 6.0 ≥5s 冷態

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

熱繼電器關鍵部分是兩種不同熱膨脹系數的雙金屬片，兩片金屬緊密結合，通電產生熱量時，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構，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。但是其結構限制了其靈敏性，而且易受環境影響。同時，熱繼電器沒有完整的邏輯電路的結構，缺乏邏輯性，準確度偏低。

（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，根據電流的磁滯回線的直線部分獲取信號。保護執行的部分結構較復雜，一般有電源、延時、觸發、信號比較、過電流保護等部分，不僅能夠實現過載保護，還能實現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構，可靠性高;整定值可連續調整，精度高;取樣電流，反應速度快。可見電子式繼電器具有更多的優勢。但是，這種繼電器制作工藝復雜，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。將熔體串聯到回路中，當線路中有過載或短路等狀態時，溫度上升，當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，而且穩定性、準確性和可靠性都比較高。但是，由于熔體熔點固定且與環境溫度、濕度有關，因此此類繼電器的工作溫度單一，離散性大，更易受到環境的影響。最重要的是，一般電機都是工作在三相態，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測三相的熔體狀態，即采用熔斷器監視保護繼電器。

（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雜，成本較高，這一點需要改進。不過，在國外，這項技術已經取得了突破，因此，盡管我國的溫度控制技術剛剛起步，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，反應速度很快，模塊化和數字化水平很高，因此很適合大規模的電機使用。當然，這也意味著該類保護器的工藝流程復雜，成本較高，需要進一步研究和簡化。

四、過載技術的改進

本節內容將以繼電器為主，分析現有的過載保護技術可做出的某些改進。

1.聯合繼電器

為了改善單一繼電器的工作效果，在實際生產中往往采用兩種繼電器聯合使用的方法。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

傳統設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對過載保護功率的設定值，啟動時間過長時熱量的累積會導致可能出現提前跳閘的情況。

根據經驗，在回路中設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生產現場確定，通常情況下取16s。

3.單片機

現在，單片機技術被應用在很多工業生產的裝置中。單片機高集成化和高智能化的優點能夠提高整個硬件設備的工作效率。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，經過整理后進入MSP430的A/D轉化接口進行轉換，經過MSP430的中央處理器處理后做出報警或者故障指示，采取相應措施。

這種保護方式有很多優點：高效且準確，而且能夠對電路的很多指標進行監控，能夠對電機的各種故障做出反應;電源電路可采用備用電池，保證了工作的連續性;監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。因此，盡管這類保護器結構十分復雜，但在這個趨向于大規模集成化的時代，這種保護器必然會成為發展的主流。

五、結束語

工業生產對電機的要求越來越高，為了應對這些要求，電機的內部結構將更加復雜，過載保護技術需要納入的因素越來越多。電機的過載保護技術形式會更多樣，設備種類也會更多，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備的發展趨勢。而且，隨著計算機技術、微電子技術和傳感技術的引入和發展，保護器將具備更多更綜合的功能。

參考文獻

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