一種低成本的小型電動機內置缺相過載保護技術

張顯亮

(衡陽市大地泵業有限責任公司，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

電動機的使用幾乎滲透到國民經濟與人民生活的各個領域，是工業、農業和國防建設及正常生產的重要保證。電動機時常會在缺相或過載、堵轉等情況下異常發熱而造成損壞。目前，在各領域中常常使用各種各樣的電動機缺相過載保護裝置來保護電動機不會在缺相或過載、堵轉的情況下因過熱而損壞。對于一些小型三相電動機，由于本身價值較低，若再單獨買一個缺相過載的電機保護器，從成本考慮很不劃算。因此很多小型三相電動機處于無保護運行狀態，一旦缺相或過載就會燒壞。比較簡單的三相異步電動機缺相、過載保護裝置用一只雙金屬片式的熱保護器作過載保護。該熱保護器要求電機必須是星形接法，熱保護器必須接在電機繞組的星形點上，結構簡單、使用方便，但由于其外形尺寸較大，不能嵌在電機端部，故不能真實反映電機繞組的實際溫度，在電機溫度下降后會自動復位，存在安全隱患。最大的缺點是電動機會在缺相、過載狀態下反復停止再運行，頻繁動作最終導致電動機燒壞，不但對電機起不到保護作用，反而使電機加速老化進而燒壞，因而該保護方式已基本淘汰。本文引用一種帶PTC的熱保護器，從根本上解決上述問題。

1 PTC熱保護器內置電機保護方法

PTC熱保護器是一種在雙金屬片熱保護器的基礎上增加PTC元件構成自保功能的熱保護器，其包括金屬外殼和安裝在金屬外殼內的由雙金屬片構成的開關和一個具有正溫度系數的熱敏電阻PTC。雙金屬片開關底板有發熱絲，當電流增大時，熱保護器自身發熱量增大，雙金屬片脫扣時間縮短，使得開關具有電流時間特性；熱敏電阻PTC并聯在由雙金屬片構成的開關兩端并緊貼在金屬外殼上，在常溫下其電阻率很小,在保護器雙金屬片觸頭斷開的瞬間，電流通過PTC元件,使其溫度很快升到居里點,PTC元件電阻增大數千倍，這時整個電路的電流變得很小，只有幾毫安,僅PTC元件工作發熱,始終維持雙金屬片上翹狀態,構成自保功能，只有斷開電源，使觸頭冷卻到復位溫度時才能自動復位。PTC熱保護器的原理圖如圖1所示。熱保護器的拆裝圖如圖2所示。17AM系列熱保護器的電流時間特性曲線圖和電流溫度特性曲線圖分別如圖3、圖4所示。

圖1 PTC熱保護器的原理

圖2 熱保護器的拆裝圖

圖3 17AM系列熱保護器的電流-時間特性

圖4 17AM系列熱保護器的電流-溫度特性

PTC熱保護器在小型三相異步電動機中內置使用是將3只熱保護器分別串接在電機的三相繞組中，把熱保護器綁扎在電機繞組端部，使3只熱保護器都能直接感應到三相繞組的溫度和電流，當某一繞組溫度升高或電流增大使熱保護器達到動作溫度時，該繞組對應的熱保護器動作，斷開該繞組，從而達到保護該繞組的目的。4kW及以下小型三相異步電動機一般采用星形接法。此時也可任選兩相繞組作為保護對象，只要裝2個熱保護器，因為當串接熱保護器的兩相繞組被斷開后，另一相沒接熱保護器的繞組也會處于斷電狀態，從而達到三相都得到保護的目的。不管繞組是三角形接法還是星形接法，當電機缺一相時，會引起另外兩相的電流增大，從而導致該兩相繞組溫度升高，同時由于熱保護器具有圖3所示的電流-時間特性，電流越大，斷開時間越短，從而使三相繞組都處于斷電狀態，達到保護電機的目的。一般11kW 以下銅心繞組小型電動機在缺相時達到極限允許溫升(90℃)的時間在26s以上，而熱保護器由于電流增大，自身發熱，在電機達到極限允許溫升之前已經相繼斷開了。當電機處于過載運行狀態，三相繞組溫度均會異常升高，且相差不大，當溫度達到熱保護器動作溫度時，總會有一個熱保護器首先動作，在保護對應繞組的同時，引起電機缺相，進入上述電機缺相保護過程。星形接法的兩種保護方式分別如圖5、圖6所示，三角形接法保護方式如圖7所示。

圖5 兩只熱保護器星形接法保護方式

圖6 三只熱保護器星形接法保護方式

圖7 三角形接法保護方式

2 可靠性及成本分析

電機是否需要保護，其根本的判斷依據是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度，因而電機的熱保護又稱為萬能保護。上述保護方案是熱保護器直接感應各繞組的實際溫度并始終感知繞組電流，使電機得到有效而可靠的保護。使用過程中的關鍵是熱保護器要選擇合適的斷開溫度，這要根據電機的絕緣等級和電機的冷卻方式來選取，同時考慮電機的實際最高溫度部位，如端部導體溫度比槽內導體溫度高，則以端部導體溫度為準。考慮到接觸溫差，可以選取熱保護器動作溫度比電機絕緣等級溫度低5～10℃為宜，如端部導體溫度比槽內導體溫度低，則還要減去兩者的溫差。另外，在工藝操作過程中，熱保護器要盡可能緊貼被保護的繞組，并用綁扎帶包緊，使繞組的溫度能被熱保護器可靠地感應到。該熱保護器由于體積較小，除引接線外，一般尺寸為25mm×11mm×7mm，因此操作上非常方便。目前，單相電機基本上都是用1個該熱保護器起保護作用，只是有的帶了PTC，有的沒有帶。該熱保護器由于額定電流較小，只能用于小型電機，要求以電機的相電流為依據，選擇熱保護器的額定電流不低于電機的相電流，一般用于7.5kW及以下電動機。由于電機三角形接法時，線電流是相電流的1.732倍，為了降低配套熱保護器的額定電流，可以把電機設計成三角形接法。該熱保護器由于有自保功能，電機不會自行起動，只有切斷電機外部電源，使PTC失電，開關冷卻到復位溫度后，所有開關復位，才能進入下一輪的起動運行。一般開關的復位溫度比斷開溫度低40℃，根據電機冷卻方式不同，復位時間在10～20min。這就提高了電機使用的安全性，不會在不確定的情況下自行起動，也不會出現頻繁動作而使電機燒壞的現象。

目前，該熱保護器的市場價格約2.7元，即使每臺電機裝3只，加上工藝過程中的耗材和工時費用，僅約10元，約占電機成本的1%～2%，而相應的外配電機保護器或保護開關價格都在幾十到幾百元不等，很多用戶會因為外配保護裝置的價格過高而不配保護裝置，使電機處于無保護狀態運行，另一方面外配保護裝置不能直接感應電機的繞組溫度，其保護參數需要專業人員進行選取或調試，一般用戶難以做到，因此即使配了保護裝置，也可能使電機處于過保護或欠保護狀態。一旦電機燒壞，一方面直接影響生產，另一方面會盡可能把原因推給廠家，使廠家的三包返修率提高。因此，該技術降低三包維修費用的同時，其推廣應用具有節能顯著、提高生產效率和經濟效益及保證安全生產的重要意義。

3 應用實例

由于潛水電泵使用環境惡劣，三包返修率一般約在8%。試驗時選用配套電泵的2.2kW潛水電機。該電機B級絕緣，繞組星形接法，電機沖油式，電機正常運行電流5.5A，試驗采用如圖5的保護方式。電機內置2個熱保護器，熱保護器額定電流8A，斷開溫度為100℃，用3個電流表監測三相電流。首先，進行過載試驗。當電流7A時，運行4h不動作，當電流8A時，電機在50min有一相斷開，之后另兩相在3s之內相繼斷開。進行缺相試驗時，先讓電機正常運行，之后斷開一相電源，另兩相在15s時斷開，三相輪換操作，均在10～15s全部斷開，接著讓電機在缺相情況下起動，另兩相基本上都在8～12s全部斷開。最后，在電機空載2.5A情況下做缺相試驗，同樣起到保護作用，只是因空載缺相電流較少，熱保護器約在3min斷開。近年，2.2kW潛水電機使用該保護方式以后，三包返修率同比下降70%以上，帶來明顯的經濟效益。

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