电动机保护器电路原理与故障维修详解
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有关电动机保护器的电路原理，热继电器对电动机进行保护的典型电路，电动机在起动和运行过程中的故障与保护特点，电动机的保护器的典型电路结构等。 上世纪八十年代之前，电子技术的应用尚处于初级阶段，对电动机的保护任务多由热继电器承担，国内型号为为JR20-XX系列、JR36-XX系列等。 其保护机理如下：热继电器由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。 双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制（常闭）触点断开，进而控制主电路接触器因线圈失电而释放，断开主电路，实现电动机的过载保护。 热继电器以其体积小，结构简单、成本低等优点得到了广泛应用。但同时存在不易克服的下述缺点：双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护。对电动机的短路保护，通常采用在电源回路中串接熔断器的方法来实施；热继电器依赖于机械结构所形成的机械动作来实现停机保护，当动作结构产生机械疲劳（老化）、机型形变时，会使动作阀值偏离设定值，造成误动作或保护失效；普通的热继电器，不具备断相保护功能。 用热继电器对电动机进行保护的典型电路，见下图：
图1、用热继电器组成的电动机过载保护电路 热继电器FR1串接于主电路中，FR1的常闭触点串接于控制回路，过载故障发生时，FR1控制触点断开，交流接触器KM1线圈失电，KM1开断，起到过载停机保护作用。 1、电动机在起动和运行过程中可能发生的故障和保护特点： 1）电动机的过载 电动机的一个重要工作参数即额定工作电流，在定额电流以内运行，为安全工作区。机械负载或供电电压变化，都会引起工作电流的变化，出现异常情况时使电动机过载，转速下降，电动机绕组中的电流增大，超过额定工作电流，绕组温度升高。过载运行，会导致电动机绕组绝缘老化、缩短电机使用寿命，严重时使绕组绝缘击穿造成短路，绕组起火烧毁等故障。电动机的过载运行，指转差率增大由过流引起绕组异常温升，所以又称为过流运行。 电动机的过电流大小与过电流时间之间的关系称为过载特性。在实际运行中，电机短时过载和较低程度的过载，是难以避免的，也是可以允许的，过电流大小和过电流允许时间呈反比，称为反时限保护特性，见下图。
图2 电动机过载保护反限保护特性曲线 过载保护运行阀值的整定点在电动机额定电流的0.95～1.05左右，即运行电流在额定电流的1.1倍以下时，电动机能长期运行不应该产生保护停机动作；过载程度继续加大时，保护动作时间应随过流程度而缩短。一般认为，电动机的起动电流为额定电流的4～7倍，保护动作应该既能避开正常的起动电流，又能在过载时，实施有效的停机保护。比如在4倍额定电流时，延时10s产生保护动作，在7倍额定电流时，延时2s即应产生保护动作。对运行中的短时过载，有一定的时间延时处理，不会产生误保护动作，对长时间过载，则能作出有效的反应。 2）电动机的短路 短路保护是过载保护的一个极限情况。三相交流电动机的短路故障，有单相接地短路故障、相间短路故障等，当电缆短路时，更直接造成对三相电源的短路。电机内部短路大都是电机绝缘损坏引起的，表现为线圈匝间短路、层间短路、相间短路和对地（电机外壳、转子）短路等。单相对地短路，一般不会烧毁电机，据外壳接地电阻的不同，形成大小不同的接地电流；（两相或三相）相间短路时，会形成较大的短路电流，通常会使电机严重烧毁。 一般，将大于电动机8倍额定电流，视为短路电流。对电动机的短路保护，要求实施速断保护，时间常数越小越好（动作越快越好）。 另外，当电动机在运行中因机械原因出现堵转时，其堵转电流有可能达到额定电流的5～8倍，在运行中出现5倍以上额定电流时，视为电动机堵转故障，也应实施相应的反时限保护。 3）电机机的断相 电动机的断相运行，可分为以下几种情况： a、供电电源缺相。在电动机起动前断相，会造成起动困难或无法起动，起动声音异常，无保护时电机因堵转极易烧毁；在运行中断相，轻载时尚能运转，但运行电流严重不平衡，可能出现过流运行。重载时易发生堵转、严重过载而损坏。 b、电动机绕组断路故障。供电电源正常，因电动机绕组断路故障出现断相运行，运转无力，电动机振动大，故障现象同a； c、电动机电缆断路故障。故障现象同供电电源缺相。 电子式电动机保护器的出现，为完善地实施电动机的过载、短路和断相保护提供了可能，一定程度上取代了热继电器，提升了控制功能和保护效果。本章内容的重点是对各种电子式电动机保护器电路的原理分析和故障维修指导，对电子式电动机保护器以下简称为电动机保护器。 2、电动机保护器对故障信号的采样方法： 1）对过载、短路故障信号的采样。电动机起动运行中的过载和短路故障，体现在流经电动机绕组的异常增大的电流值上，一般电动机保护器电路是采用3只电流互感器采样运行电流信号，将采样信号与电流基准信号相比较，判断是否处于过载或短路故障状态，故障时输出停机信号。电路采集处理的为模拟电压信号——电流互感器输出的电流信号经负载电阻转变为信号电压，送入电压比较器电路，得到故障信号输出。 当产生单相对地短路故障信号的采样，可通过零序电流互感器取得，原理同漏电保安器。或采样电机外壳电压，取得漏电信号。 2）对断相故障信号的采样。如上所述，电动机的断相故障表现为电源缺相、电动机电缆断路、电动机绕组断路等不同故障内容，若采用对三相电源电压进行采样的方法，仅能对电源缺相故障进行保护，无法完成对后两种缺相故障的检测，是不究竟的一个方法。根本的方法，是采用对三相电流进行采样来判断缺相故障的方法，对三种缺相故障都能做出准确反应，采取相应的技术措施，还能对三相电流不平衡作出判断。 一般对缺相运行的判断，不是着眼于电流信号幅度的大小，而是着重于三相电流信号的有无，比较三相电流信号的有无，得到断相故障信号。因而通常是将电流检测信号处理为数字信号，经逻辑运算，得到断相故障保护信号。 3、电动机的保护器的典型电路结构：
图3 电动机保护电路的典型结构 从上图可以看到，3只电流互感器LH1～LH3，将电动机的三相运行电流信号取出，分别送入后级过载、短路信号采样处理电路和断相信号采样处理电路，处理成开关量信号再送入信号输出电路和故障信号指示电路，输出电路的形式也有多种，一般为继电器接点信号输出，或晶闸管器件开关信号输出，或晶体管开路集电极信号输出等。 需要说明的是：部分电动机保护器，采用微控制器处理电流采样和电压采样信号（但电流信号采样电路的前级电路同本章所述电路相似），可从操作显示面板设置故障动作电流值，并可以监看运行电流值、电压电压值等，其功能更为强大，智能化程度更高，但应用面不够广泛。另外有的产品，如变频器，软起动器等产品，其过载、短路及断相保护电路作为控制电路的一个有机组成部分。本章所述电动机保护器，系全部采用模拟或数字电路硬件电路的，作为一个独立部件被应用的保护装置（产品）。 本节内容将这两种型号的保护器电路放在一起，一是因为其电路结构与原理近似，二是多家低压电器生产厂家生产此类产品，其它型号如JD-5、JDB-80，电路结构也与本文电路相似或相同，这类保护器在电动机起动柜的生产和组装中得到了广泛的应用。但缺点是该类产品的控制接线稍嫌复杂。在停机状态，显示断相故障，处于断相保护中。输出控制接点为常闭型触点，过载或断相故障发生时动作，触点开断，送出停机信号。 不少人对这类电动机保护器的接线和控制原理不甚了解，故据手头所绘（实物）电路图，对其电路原理和控制特点，做一个较为深入的分析。 1、保护器的控制接线
图4保护器的控制接线图 保护器控制接线见上图，保护器有4个控制接线端子，1、2端子为保护器电源输入（同时也是主电路接触器线圈的电源控制端），可据要求选用380V或220V供电级别（上图保护器采用380V控制电源），3、4为端子内部常闭接点，输出故障动作信号。上图的控制接线，JD6保护器与接触器线圈是一同得电的（保护器先于接触器线圈得电时，报断相故障控制接点动作！），而且3、4端子内部常闭点串接于KM1的自锁回路，当故障发生时，KM1的自锁被“破坏”，接触器KM1与保护器JD6一同失电。保护器的端子内部电路请参见下图6、图7。 2、时基电路NE555的电路原理简析 以上所述几个型号的电子式电动机保护器，电路的核心器件多采用时基电路NE555。本节保护器电路，采用NE555、NE556电路，故分析整机电路之前，先将NE555的性能与原理做一个简要介绍。
图5 时基电路NE555等效功能框图 |
