一种低成本的小型电动机内置缺相过载保护技术

张显亮

(衡阳市大地泵业有限责任公司，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

电动机的使用几乎渗透到国民经济与人民生活的各个领域，是工业、农业和国防建设及正常生产的重要保证。电动机时常会在缺相或过载、堵转等情况下异常发热而造成损坏。目前，在各领域中常常使用各种各样的电动机缺相过载保护装置来保护电动机不会在缺相或过载、堵转的情况下因过热而损坏。对于一些小型三相电动机，由于本身价值较低，若再单独买一个缺相过载的电机保护器，从成本考虑很不划算。因此很多小型三相电动机处于无保护运行状态，一旦缺相或过载就会烧坏。比较简单的三相异步电动机缺相、过载保护装置用一只双金属片式的热保护器作过载保护。该热保护器要求电机必须是星形接法，热保护器必须接在电机绕组的星形点上，结构简单、使用方便，但由于其外形尺寸较大，不能嵌在电机端部，故不能真实反映电机绕组的实际温度，在电机温度下降后会自动复位，存在安全隐患。最大的缺点是电动机会在缺相、过载状态下反复停止再运行，频繁动作最终导致电动机烧坏，不但对电机起不到保护作用，反而使电机加速老化进而烧坏，因而该保护方式已基本淘汰。本文引用一种带PTC的热保护器，从根本上解决上述问题。

1 PTC热保护器内置电机保护方法

PTC热保护器是一种在双金属片热保护器的基础上增加PTC元件构成自保功能的热保护器，其包括金属外壳和安装在金属外壳内的由双金属片构成的开关和一个具有正温度系数的热敏电阻PTC。双金属片开关底板有发热丝，当电流增大时，热保护器自身发热量增大，双金属片脱扣时间缩短，使得开关具有电流时间特性；热敏电阻PTC并联在由双金属片构成的开关两端并紧贴在金属外壳上，在常温下其电阻率很小,在保护器双金属片触头断开的瞬间，电流通过PTC元件,使其温度很快升到居里点,PTC元件电阻增大数千倍，这时整个电路的电流变得很小，只有几毫安,仅PTC元件工作发热,始终维持双金属片上翘状态,构成自保功能，只有断开电源，使触头冷却到复位温度时才能自动复位。PTC热保护器的原理图如图1所示。热保护器的拆装图如图2所示。17AM系列热保护器的电流时间特性曲线图和电流温度特性曲线图分别如图3、图4所示。

图1 PTC热保护器的原理

图2 热保护器的拆装图

图3 17AM系列热保护器的电流-时间特性

图4 17AM系列热保护器的电流-温度特性

PTC热保护器在小型三相异步电动机中内置使用是将3只热保护器分别串接在电机的三相绕组中，把热保护器绑扎在电机绕组端部，使3只热保护器都能直接感应到三相绕组的温度和电流，当某一绕组温度升高或电流增大使热保护器达到动作温度时，该绕组对应的热保护器动作，断开该绕组，从而达到保护该绕组的目的。4kW及以下小型三相异步电动机一般采用星形接法。此时也可任选两相绕组作为保护对象，只要装2个热保护器，因为当串接热保护器的两相绕组被断开后，另一相没接热保护器的绕组也会处于断电状态，从而达到三相都得到保护的目的。不管绕组是三角形接法还是星形接法，当电机缺一相时，会引起另外两相的电流增大，从而导致该两相绕组温度升高，同时由于热保护器具有图3所示的电流-时间特性，电流越大，断开时间越短，从而使三相绕组都处于断电状态，达到保护电机的目的。一般11kW 以下铜心绕组小型电动机在缺相时达到极限允许温升(90℃)的时间在26s以上，而热保护器由于电流增大，自身发热，在电机达到极限允许温升之前已经相继断开了。当电机处于过载运行状态，三相绕组温度均会异常升高，且相差不大，当温度达到热保护器动作温度时，总会有一个热保护器首先动作，在保护对应绕组的同时，引起电机缺相，进入上述电机缺相保护过程。星形接法的两种保护方式分别如图5、图6所示，三角形接法保护方式如图7所示。

图5 两只热保护器星形接法保护方式

图6 三只热保护器星形接法保护方式

图7 三角形接法保护方式

2 可靠性及成本分析

电机是否需要保护，其根本的判断依据是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温度，因而电机的热保护又称为万能保护。上述保护方案是热保护器直接感应各绕组的实际温度并始终感知绕组电流，使电机得到有效而可靠的保护。使用过程中的关键是热保护器要选择合适的断开温度，这要根据电机的绝缘等级和电机的冷却方式来选取，同时考虑电机的实际最高温度部位，如端部导体温度比槽内导体温度高，则以端部导体温度为准。考虑到接触温差，可以选取热保护器动作温度比电机绝缘等级温度低5～10℃为宜，如端部导体温度比槽内导体温度低，则还要减去两者的温差。另外，在工艺操作过程中，热保护器要尽可能紧贴被保护的绕组，并用绑扎带包紧，使绕组的温度能被热保护器可靠地感应到。该热保护器由于体积较小，除引接线外，一般尺寸为25mm×11mm×7mm，因此操作上非常方便。目前，单相电机基本上都是用1个该热保护器起保护作用，只是有的带了PTC，有的没有带。该热保护器由于额定电流较小，只能用于小型电机，要求以电机的相电流为依据，选择热保护器的额定电流不低于电机的相电流，一般用于7.5kW及以下电动机。由于电机三角形接法时，线电流是相电流的1.732倍，为了降低配套热保护器的额定电流，可以把电机设计成三角形接法。该热保护器由于有自保功能，电机不会自行起动，只有切断电机外部电源，使PTC失电，开关冷却到复位温度后，所有开关复位，才能进入下一轮的起动运行。一般开关的复位温度比断开温度低40℃，根据电机冷却方式不同，复位时间在10～20min。这就提高了电机使用的安全性，不会在不确定的情况下自行起动，也不会出现频繁动作而使电机烧坏的现象。

目前，该热保护器的市场价格约2.7元，即使每台电机装3只，加上工艺过程中的耗材和工时费用，仅约10元，约占电机成本的1%～2%，而相应的外配电机保护器或保护开关价格都在几十到几百元不等，很多用户会因为外配保护装置的价格过高而不配保护装置，使电机处于无保护状态运行，另一方面外配保护装置不能直接感应电机的绕组温度，其保护参数需要专业人员进行选取或调试，一般用户难以做到，因此即使配了保护装置，也可能使电机处于过保护或欠保护状态。一旦电机烧坏，一方面直接影响生产，另一方面会尽可能把原因推给厂家，使厂家的三包返修率提高。因此，该技术降低三包维修费用的同时，其推广应用具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。

3 应用实例

由于潜水电泵使用环境恶劣，三包返修率一般约在8%。试验时选用配套电泵的2.2kW潜水电机。该电机B级绝缘，绕组星形接法，电机冲油式，电机正常运行电流5.5A，试验采用如图5的保护方式。电机内置2个热保护器，热保护器额定电流8A，断开温度为100℃，用3个电流表监测三相电流。首先，进行过载试验。当电流7A时，运行4h不动作，当电流8A时，电机在50min有一相断开，之后另两相在3s之内相继断开。进行缺相试验时，先让电机正常运行，之后断开一相电源，另两相在15s时断开，三相轮换操作，均在10～15s全部断开，接着让电机在缺相情况下起动，另两相基本上都在8～12s全部断开。最后，在电机空载2.5A情况下做缺相试验，同样起到保护作用，只是因空载缺相电流较少，热保护器约在3min断开。近年，2.2kW潜水电机使用该保护方式以后，三包返修率同比下降70%以上，带来明显的经济效益。

【参考文献】

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