張顯亮

(衡陽市大地泵業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

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

1 PTC熱保護(hù)器內(nèi)置電機(jī)保護(hù)方法

PTC熱保護(hù)器是一種在雙金屬片熱保護(hù)器的基礎(chǔ)上增加PTC元件構(gòu)成自保功能的熱保護(hù)器，其包括金屬外殼和安裝在金屬外殼內(nèi)的由雙金屬片構(gòu)成的開關(guān)和一個具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻PTC。雙金屬片開關(guān)底板有發(fā)熱絲，當(dāng)電流增大時，熱保護(hù)器自身發(fā)熱量增大，雙金屬片脫扣時間縮短，使得開關(guān)具有電流時間特性；熱敏電阻PTC并聯(lián)在由雙金屬片構(gòu)成的開關(guān)兩端并緊貼在金屬外殼上，在常溫下其電阻率很小,在保護(hù)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(shù)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(fā)熱,始終維持雙金屬片上翹狀態(tài),構(gòu)成自保功能，只有斷開電源，使觸頭冷卻到復(fù)位溫度時才能自動復(fù)位。PTC熱保護(hù)器的原理圖如圖1所示。熱保護(hù)器的拆裝圖如圖2所示。17AM系列熱保護(hù)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(hù)器的原理

圖2 熱保護(hù)器的拆裝圖

圖3 17AM系列熱保護(hù)器的電流-時間特性

圖4 17AM系列熱保護(hù)器的電流-溫度特性

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

圖5 兩只熱保護(hù)器星形接法保護(hù)方式

圖6 三只熱保護(hù)器星形接法保護(hù)方式

圖7 三角形接法保護(hù)方式

2 可靠性及成本分析

電機(jī)是否需要保護(hù)，其根本的判斷依據(jù)是電機(jī)繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度，因而電機(jī)的熱保護(hù)又稱為萬能保護(hù)。上述保護(hù)方案是熱保護(hù)器直接感應(yīng)各繞組的實際溫度并始終感知繞組電流，使電機(jī)得到有效而可靠的保護(hù)。使用過程中的關(guān)鍵是熱保護(hù)器要選擇合適的斷開溫度，這要根據(jù)電機(jī)的絕緣等級和電機(jī)的冷卻方式來選取，同時考慮電機(jī)的實際最高溫度部位，如端部導(dǎo)體溫度比槽內(nèi)導(dǎo)體溫度高，則以端部導(dǎo)體溫度為準(zhǔn)?？紤]到接觸溫差，可以選取熱保護(hù)器動作溫度比電機(jī)絕緣等級溫度低5～10℃為宜，如端部導(dǎo)體溫度比槽內(nèi)導(dǎo)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(hù)器要盡可能緊貼被保護(hù)的繞組，并用綁扎帶包緊，使繞組的溫度能被熱保護(hù)器可靠地感應(yīng)到。該熱保護(hù)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(jī)基本上都是用1個該熱保護(hù)器起保護(hù)作用，只是有的帶了PTC，有的沒有帶。該熱保護(hù)器由于額定電流較小，只能用于小型電機(jī)，要求以電機(jī)的相電流為依據(jù)，選擇熱保護(hù)器的額定電流不低于電機(jī)的相電流，一般用于7.5kW及以下電動機(jī)。由于電機(jī)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(hù)器的額定電流，可以把電機(jī)設(shè)計成三角形接法。該熱保護(hù)器由于有自保功能，電機(jī)不會自行起動，只有切斷電機(jī)外部電源，使PTC失電，開關(guān)冷卻到復(fù)位溫度后，所有開關(guān)復(fù)位，才能進(jìn)入下一輪的起動運行。一般開關(guān)的復(fù)位溫度比斷開溫度低40℃，根據(jù)電機(jī)冷卻方式不同，復(fù)位時間在10～20min。這就提高了電機(jī)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(xiàn)頻繁動作而使電機(jī)燒壞的現(xiàn)象。

目前，該熱保護(hù)器的市場價格約2.7元，即使每臺電機(jī)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(jī)成本的1%～2%，而相應(yīng)的外配電機(jī)保護(hù)器或保護(hù)開關(guān)價格都在幾十到幾百元不等，很多用戶會因為外配保護(hù)裝置的價格過高而不配保護(hù)裝置，使電機(jī)處于無保護(hù)狀態(tài)運行，另一方面外配保護(hù)裝置不能直接感應(yīng)電機(jī)的繞組溫度，其保護(hù)參數(shù)需要專業(yè)人員進(jìn)行選取或調(diào)試，一般用戶難以做到，因此即使配了保護(hù)裝置，也可能使電機(jī)處于過保護(hù)或欠保護(hù)狀態(tài)。一旦電機(jī)燒壞，一方面直接影響生產(chǎn)，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(shù)降低三包維修費用的同時，其推廣應(yīng)用具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)的重要意義。

3 應(yīng)用實例

由于潛水電泵使用環(huán)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(jī)。該電機(jī)B級絕緣，繞組星形接法，電機(jī)沖油式，電機(jī)正常運行電流5.5A，試驗采用如圖5的保護(hù)方式。電機(jī)內(nèi)置2個熱保護(hù)器，熱保護(hù)器額定電流8A，斷開溫度為100℃，用3個電流表監(jiān)測三相電流。首先，進(jìn)行過載試驗。當(dāng)電流7A時，運行4h不動作，當(dāng)電流8A時，電機(jī)在50min有一相斷開，之后另兩相在3s之內(nèi)相繼斷開。進(jìn)行缺相試驗時，先讓電機(jī)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(jī)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(jī)空載2.5A情況下做缺相試驗，同樣起到保護(hù)作用，只是因空載缺相電流較少，熱保護(hù)器約在3min斷開。近年，2.2kW潛水電機(jī)使用該保護(hù)方式以后，三包返修率同比下降70%以上，帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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