皇甫振伟
【摘要】本文将对低电压电机的保护原理进行简单的介绍，并对现有的保护技术与保护设备进行分析和评估，指出其中存在的问题，提出解决方法。
【关键词】低电压;电机;过载保护
一、引言
电机在运行过程中会发热，而在过载的情况下，发热状况将更为明显。此时发热量很大，常常会损坏电机。因此，对电机进行过载保护是必须的。自上个世纪末以来，随着电机的升级，以热继电器为常见设备的电机的过载保护技术也得到了长足的发展。尽管如此，现有的技术还是存在很多缺陷，需要进一步改进，才能满足电机保护的要求。
二、过载保护原理
1.低电压电机的过载
电动机利用电流的磁效应工作，在过载状态下，电流过大，发热量增加，不仅引起工作温度剧增，还会破坏绝缘性能。电动机的损坏往往是由于绕组过热或绝缘性能降低。可见，过载对电机的损害很大，因此，对电机进行过载保护十分必要。
2.过载保护原理
过载保护的一般原理是：依据电动机绕组过载保护特性国家标准（见表1），对电流大小等指标进行采样，判断是否采取跳闸等措施。目前常用的设备是不同种类的继电器，这些继电器的主要区别在于检测指标和取样方式的不同。
表1 过载保护特性国家标准
序号 过电流整定电流 动作时间 起始状态
1 1.05 2h不动作 冷态
2 1.2 <20min 热态
3 1.5 <3min 热态
4 6.0 ≥5s 冷态
三、过载保护常用装置
1.继电器
继电器是目前最常见的过载保护装置。常用的继电器种类有热继电器、电子式继电器、熔断式继电器和温度保护继电器。
（1）热继电器
热继电器关键部分是两种不同热膨胀系数的双金属片，两片金属紧密结合，通电产生热量时，由于两片金属伸展的长度有差异，双金属片将弯曲成弧形，从而推动弹簧瞬跳结构，断开电路进行过电流保护。
热继电器原理清晰，工艺简单，制作成本较低。但是其结构限制了其灵敏性，而且易受环境影响。同时，热继电器没有完整的逻辑电路的结构，缺乏逻辑性，准确度偏低。
（2）电子式继电器
电子式继电器取电流样品。该继电器通常利用电流互感器取样，根据电流的磁滞回线的直线部分获取信号。保护执行的部分结构较复杂，一般有电源、延时、触发、信号比较、过电流保护等部分，不仅能够实现过载保护，还能实现短路保护等其他功能。
比起热继电器，电子式继电器的灵敏度和保护能力都更高。而且，电子式继电器具有完整的逻辑结构，可靠性高;整定值可连续调整，精度高;取样电流，反应速度快。可见电子式继电器具有更多的优势。但是，这种继电器制作工艺复杂，而且易受到互感器精度的影响，仍需改进。
（3）熔断式继电器
熔断式继电器是一种传统而成熟的保护方式。熔断式继电器的工作原理类似于老式保险丝。将熔体串联到回路中，当线路中有过载或短路等状态时，温度上升，当熔体温度上升至熔点时，熔体熔化，切断电路，从而起到保护作用。
熔断式继电器比起热继电器更为简单，所占空间体积小，成本和維护费用很低，而且稳定性、准确性和可靠性都比较高。但是，由于熔体熔点固定且与环境温度、湿度有关，因此此类继电器的工作温度单一，离散性大，更易受到环境的影响。最重要的是，一般电机都是工作在三相态，只断开一相（即缺相）时，电机会很快被损坏，这一缺点必须被修正。
通常采用机械方法或者逻辑电路来监测三相的熔体状态，即采用熔断器监视保护继电器。
（4）温度保护继电器
温度保护继电器是一种直接保护方式。利用正温度系数热敏电阻的高温时电阻随温度升高非线性增大的特性，将过载时的高温信号转化为电信号（阻抗），传递给保护和控制装置，反馈给电机，从而起到过载保护作用。
此类继电器已经较为成熟，简单可行，快速可靠。但是，热敏电阻的制作工艺非常复杂，成本较高，这一点需要改进。不过，在国外，这项技术已经取得了突破，因此，尽管我国的温度控制技术刚刚起步，笔者依然相信它很快能得到大幅提高。
2.综合保护器
电机综合保护器采用了可进行基本运算、差值比较和简单的逻辑判断的电路，对三相电流、电压、热电阻值等多种信号进行采集和判断。这种保护器综合性极高，反应速度很快，模块化和数字化水平很高，因此很适合大规模的电机使用。当然，这也意味着该类保护器的工艺流程复杂，成本较高，需要进一步研究和简化。
四、过载技术的改进
本节内容将以继电器为主，分析现有的过载保护技术可做出的某些改进。
1.联合继电器
为了改善单一继电器的工作效果，在实际生产中往往采用两种继电器联合使用的方法。一般其中一种为熔断式继电器，另外一种为热继电器和电子式继电器。两类继电器优势互补，能够大大提高继电器工作的可靠性。
2.延时控制回路
传统设计的热继电器的电路有很多缺陷：电机启动时间过长，且启动电流（启动负荷）较大，在启动过程中非常容易超过正常运行状态对过载保护功率的设定值，启动时间过长时热量的累积会导致可能出现提前跳闸的情况。
根据经验，在回路中设计延时控制回路可以大大改善上述状况。这种改进方法最大的优点是方法简单，效果突出，只需在回路中增加一个延时继电器T1。T1的整定时间需要根据生产现场确定，通常情况下取16s。
3.单片机
现在，单片机技术被应用在很多工业生产的装置中。单片机高集成化和高智能化的优点能够提高整个硬件设备的工作效率。加入单片机的部分后，只需写入算法就能快捷地模拟和改造电路。因此，近来利用单片机技术完善电机保护电路的研究越来越多。其中一种是基于MSP430单片机的改造方案。
在采集电路部分利用传感器采集信号，经过整理后进入MSP430的A/D转化接口进行转换，经过MSP430的中央处理器处理后做出报警或者故障指示，采取相应措施。
这种保护方式有很多优点：高效且准确，而且能够对电路的很多指标进行监控，能够对电机的各种故障做出反应;电源电路可采用备用电池，保证了工作的连续性;监视电路可以提高单片机本身工作的可靠性;通讯电路使得整体可以组网。因此，尽管这类保护器结构十分复杂，但在这个趋向于大规模集成化的时代，这种保护器必然会成为发展的主流。
五、结束语
工业生产对电机的要求越来越高，为了应对这些要求，电机的内部结构将更加复杂，过载保护技术需要纳入的因素越来越多。电机的过载保护技术形式会更多样，设备种类也会更多，但是，毫无疑问的，集成化、小型化和智能化将是电机过载保护设备的发展趋势。而且，随着计算机技术、微电子技术和传感技术的引入和发展，保护器将具备更多更综合的功能。
参考文献
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