一种新型电机保护装置设计

邵 伟， 杨海东

（1.安徽中烟工业有限责任公司 阜阳卷烟厂，安徽 阜阳 236000；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

随着工业现代化水平不断提高，电机的安全稳定运行对于现代工业的重要性是不言而喻的，因此对电机运行状态进行有效监控和保护具有重要的理论意义和工程应用价值［1］。现阶段电机保护装置使用比较普遍的是热继电器。热继电器是金属片机械式电机过载保护器，利用负载电流流经校准的电阻元件，使双金属片加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组损坏前动作。但它的保护功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅、扫膛、堵转、长期过载及频繁启动等故障也不能起保护作用。此外，热继电器还存在重复性能差、大电流过载或短路故障后不能再次使用、调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动、功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。而且传统的热继电器由于要接入动力回路［2］，体积较大，安装和接线也比较繁复。电子热继电器能克服上述缺点，但三相电流的取样信号仍比较繁复，同时线路板要有工作电流，增加了接线。对此国内外众多学者提出了多种改进方法，文献［3］采用电机保护器取代热继电器以实现节能，利用单片机对电机运行进行保护也是研究的热点［4－6］，但上述策略均或多或少地增加了系统的复杂性，并且保护措施不够全面。本文基于实际工作经验，设计了一种使用简便、功能又比较强的新型电机保护装置，有一定实用价值。

1 原理介绍

电机运行时要产生损耗，这些损耗都转变为热能，使电机各部分的温度升高。电机某部件的温度与周围介质温度之差为该部件的温升。电机的温升限度主要是就绕组而言，绕组中通过电流产生热量，绕组的周围是铁芯，铁芯因为铁芯损耗发热，因此绕组的散热条件最差，传统意义的热保护是基于绕组的温升限值而言的。

傅里叶定律表明，单位时间内通过等温面的热量与各点在等温面的法线方向上的空间温度梯度成正比，即

其中，q为热流强度；λ为导热系数；gradT为温度梯度。在电机运行过程中，当绕组的温升超过了绝缘结构所允许的最高温度，就要输出保护信号。

与一般电机保护装置只检测高限不同，本装置引入了低限检测线路，通过对称负载中任一相电流的变化反映电机不同的工作状态，其装置组成如图1所示。该装置可分为信号采集与处理、比较与控制两大模块。

工作过程如下：信号采集与处理模块利用负载电流流经电流互感器后获得线路的实际电流检测值，经放大、检波和滤波后获得稳定的直流电压作为电流反馈值。在比较与控制模块中将该电压与给定高精度电压比较，获得比较电压作为控制器的输入，进行电平变换后，产生晶闸管门极触发所需的控制电压。交流电源经晶闸管倍压整流后产生直流电作为主电路接触器KM线圈的控制电压，进而控制主电路电动机的启动与停止。在倍压式负载电路的设计计算中，其电压关系和工作频率的计算对于总电路图的设计至关重要［7］。

图1 装置组成原理图

2 装置电路原理及调试

2.1 装置电路原理

装置电路如图2所示。

图2 装置电路图

由于检测信号是通过二次回路获得的，避免了强电流对电路的影响，同时也大大扩展了装置的测量范围。通过调节分流电阻R的大小和整流放大倍数［8］，可使装置适应多种规格的交流电机保护，通过调节上限与下限的设定值，可满足不同幅值的监控要求。

2.2 装置电路调试

整个装置总体包含了检测、SCR门极触发电路及倍压整流3个部分。图2中，通过加入IC1对由线圈L的感生交流电压进行精密检波，正负对称直流电源则由K1、K2组成倍压式整流回路提供［9－10］。K1、K2选用规格为1A、600V 的单向可控硅。由于K1、K2的门极要由此直流电压触发，所以还需要加入D1、D2及R1～R3组成启动元件。因为需要检测毫伏级的信号，所以对电源波动抑制有较高的要求，故对电源经过2次稳压，IC1及其外围元件组成对信号的检波和滤波，使之成为平滑直流电压。通过调节R4改变信号幅值，使比较电路能在理想范围内工作，同时也扩展了检测范围［11－12］。IC2、IC3组成窗口检测器，由R5、R6引入正反馈，使输出产生跳变。IC4为控制器，汇总各种控制电压，在原理上可看作是一个开环的电压比较器，通过加入R7，产生较大的回差电压［13］，C1在IC4正向导通后进行缓慢的充电，该充电过程就是为开机时延迟起控的时间，C1的充电量为由R8、R9组成的分压电路决定的数值，此时V1＜V2，IC1维持正向导通。若此时IC2、IC3检测超限，IC2或IC3将输出负压，通过D3、D4组成的或门，使V2减小，当V1＞V2时，IC4反向导通，输出负压［14］，控制 K1、K2门极关闭，电机停转，此时V1＝V2，即使D3、D4不输出负压，也不能使其复原。C1通过R3缓慢放电，重新使V1＜V2所耗费时间即为故障停机后的恢复时间，也可以在R10上并联手动按钮，加速放电时间，以便对设备进行维修。但是在人为正常停机时，需要消除这段恢复等待时间，即C1在IC4反向导通后要快速放电。

为了区分两者，本文假设正常停机时IC2、IC3不会输出负压，则V3为0，当突然断电后，C2右端幅值为－7V的电压消失，V3被拉成正压，使T1正偏导通，C1得以放电。如果是故障停机，则D5、D6端定有一负压，则此时V3不能被拉成正压，C1也无法放电。为了使IC2、IC3在正常停机时没有输出负压的瞬间，需要保持IC2、IC3的输入在掉电时因D7立即失电，使T2导通，将原电源电压加在C4上，延长维持时间。T3、T4、T5、T6是K1、K2门极电平转移线路，为了防止加电瞬间抖动，分别加了反向置零电容［15］，使V1＞V2时，无论多少次加电试图开机，都不会发生偶然的抖动，增加了装置的可靠性。

3 结构与安装

本装置设计虽然元件较多，但多为小型元件，电阻选用1／8Ω或1／4Ω，电解电容选用16V以下，若T7、T8选用BD135、BD136中型管，则最大通过电流为2A，已可满足大部分装置的保护要求，可通过加大K1、K2、T7、T8的耗散功率来加大装置的驱动能力。

将装置装入规格为10cm×16cm×3.5cm的塑盒中，装置实物图如图3所示，图3采用香蕉插头连接磁环，用小型两眼接线端子引出交流接线，在选用以上元件规格的情况下，导通电压降为9.2V，阻断时通过电流为4mA。选用CMOS运放和开关器件，将进一步简化装置结构，提高装置的通、断性能。

图3 装置实物图

4 电机保护试验

可靠性试验的目的是测试产品在规定条件下、规定的试用期内完成规定任务所能达到的可靠性指标。由于电机保护装置在电机额定运行工况下，不会发出保护信号，所以本文采用加速寿命试验的办法来测试其可靠性。加速寿命试验的理论基础是建立在一定的实效物理基础上的，一般可借助于热、电、机械等外界或内部应力使之加速。对该电机保护器所加的应力可以是电压、电流、功率、温度和机械应力等，对本产品通过增大电机负载的方法进行。

试验电机参数如下：额定电压为380V；额定输出功率为11kW；相数为3；极对数为2；绝缘等级为F；额定温升为70℃。

在额定电压及频率不变的情况下，改变电机负载从0.3PN到1.3PN对电机进行测试，试验结果与原设计思路一致：过载时能快速保护电机，通过调整参数还能充分利用电机的过载能力。

5 结束语

本文所设计的新型电机保护装置在安装、调制、应用时简单方便，可用于不同功率电机的运行保护，尤其适用于控制回路没有安装变频器或软起动器的大功率电机的保护，可提高电机的使用寿命，同时还可为预知维修提供方便。

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