王 晶

(武汉船舶职业技术学院电气与电子工程学院，湖北武汉 430050)



三相异步电动机热保护元件的探究

王 晶

(武汉船舶职业技术学院电气与电子工程学院，湖北武汉 430050)

三相异步电动机在实际的应用中经常会出现过载的问题，所以对三相异步电机的热保护就显得格外重要。现在市面上热保护元件众多，本文从热保护元件的原理入手，经过对不同热保护元件的工作特性及优缺点进行分析，并对它们进行分类对比，从而更有利于读者进行热保护元件的选用。

过热保护；热保护元件的原理；热保护元件的对比

在工业现场，三相异步电机是应用范围最广、数量最多的设备。在实际应用中，由于功率不匹配、传动不畅、负载变大等原因，三相异步电机的过载是经常出现的。据不完全统计，在三相异步电机出现的各种故障中，过载的故障率高达30%以上，所以对三相异步电机的热保护就显得格外重要。各大电气厂商对三相异步电机的热保护都十分重视，分别推出了自己形形色色、多种多样的热保护元件，现在的热保护元件有越来越贴近不同的行业应用甚至不同的工艺应用的趋势。对于三相异步电机来说，这样的细分可以更有针对性地实现热保护，但对于电气技术人员来说，如何在众多的热保护元件中选择出一个更贴近自己的现场应用环境的，就显得更加复杂。本文将从热保护元件的原理入手，再经过不同热保护元件的工作特性优缺点分析来对它们进行分类对比，从而使各个元件的特征更加清晰。国内低压保护元件中施耐德品牌的现场应用较多，本文中具体的型号将以施耐德产品为例。

1 工作原理

无论三相异步电机是因为什么原因过载，都会导致电机的定子和转子的转差率增大，从而引起定子电流增大，当定子绕组的电流增大并持续足够的时间后就会引起温度过高甚至是烧毁。过热保护元件就是通过检测定子绕组的电流或者直接检测定子绕组的温度来实现对电机的热保护。

1.1 电流检测型

电流检测型热保护元件是通过检测定子绕组的电流大小来实现热保护的，由于电机启动时电流较大，设计和选型时要考虑到避开启动电流，避免其在启动过程中误动作。

1.1.1 机械式

机械式热保护元件采用的是双金属片，电流过大时会引起双金属温度片发生形变，从而触发对应的触点动作。很多热磁断路器和机械式热继电器都是采用的这种结构，相对来说它结构和功能简单，成本也较低。由于机械式热保护元件利用的是双金属片的发热形变，它的保护曲线通常是反时限的曲线，即电流越大动作时间越短，电流越小动作时间越长，脱扣曲线如下图1所示。

参考脱扣曲线，在选用机械式热保护元件时需要注意几个问题：

(1)脱扣等级：由于双金属片材料的限制，脱扣等级是固定的。考虑到电机启动时电流较大，需要参考不同的脱扣曲线来进行选择，避免因为脱扣等级过低导致热保护元件误动。

(2)热态和冷态：机械式热保护元件是靠双金属片发热形变来动作的，如果电机长时间运行会有热积累的问题，脱扣时间比电机从冷态开始运行要短。

图1 脱扣曲线

(3)工作环境：机械式热保护元件对环境温度有严格的要求，因为过高的环境温度会导致双金属片预热，从而导致脱扣时间发生变化。

(4)单相交流负载和直流负载的保护：机械式热保护元件通常是为三相异步电机的热保护设计制造的，如果想用这种元件来实现对单相交流负载或者直流负载的热保护，需要把元件的三极串联起来，以使元件的三极都有电流而且电流是平衡的。如果是热磁断路器带直流负载，还要充分考虑断路器的分断能力。

1.1.2 电子式

和机械式热保护元件不同，电子式热保护元件是利用电子元器件来对电流进行检测和运算的，如果检测到的电流和持续的时间达到脱扣条件则触发对应的触点动作。电子式热保护元件有脱扣等级固定的电子式热继电器，也有启动时间和脱扣时间可调的电子过流继电器。由于采用的是电子元器件回路，电子式热保护元件的功能更多也更灵活，但成本较高。在选用电子式热保护元件时要注意几个问题：

(1)相不平衡保护：很多电子式热保护元件都有相不平衡保护，它会计算不同相之间的时间差，这种元件是不适用于单相交流负载和直流负载的。因为即使是三相串联起来，相间还是没有时间差，热保护元件会因为相不平衡而动作。

(2)谐波干扰：相对于机械式热保护元件，电子式热保护元件更容易受到谐波的干扰而误动，在应用场合上要充分考虑到谐波的因素，尽量把谐波抑制在电子式热保护元件要求的工作环境条件内。

1.2 温度检测型

图2 施耐德LT3热敏保护继电器配套的热敏电阻特性曲线图

温度检测型热保护元件是利用定子绕组中预埋的热敏电阻探头来实现热保护的，在定子绕组因为电流的大小而发生温度变化时，热敏电阻的阻值会发生变化，通过配套使用的热敏保护继电器等设备检测其阻值，可以实现在温度过高时报警或停机。图2为施耐德LT3热敏保护继电器配套的热敏电阻的电阻特性曲线图。

相对于电流式热保护元件通过电流的大小和持续时间的长短来体现温度，温度式热保护元件是通过热敏电阻来直接检测定子绕组的温度来实现热保护的，要更加直观。但是热敏电阻一旦选定，它的电阻特性曲线是固定的，保护定值无法人为做调整。

2 产品对比

2.1 热磁断路器

热磁断路器是同时具有短路保护(磁保护)和过载保护(热保护)的元件，GV2、GV3小型电动机断路器以及带有电机保护电子脱扣单元的NSX塑壳短路器就属于这一类产品。

优点：热磁断路器集成了磁保护和热保护两种功能，加上控制电机的接触器后就可以直接连接电机，属于较简单的电机保护控制方案，安装简单且节省空间。其额定电流在一个范围内是可以设置的，使用方便且利于选型。

2.2 热继电器

热继电器是检测电流做热保护的典型元件，通常带有一个常开和一个常闭的辅助触点，过载时辅助触点动作，主回路不分断。常见的有LRD、LRE、LR9F等系列的产品。

优点：热继在出现过载时主回路不分断，可以在各个行业灵活运用。如果出现过载时需要把主回路分断开，可以把热继的常闭触点跟控制电机的接触器的线圈串联；如果类似消防水泵的应用，可以把热继的常开触点做故障信号。热继结构简单，成本低，设置简便，是现场应用中最常见的热保护元件。

缺点：热继在选型时要考虑安装的问题，如果是跟接触器直接插接的话比较节省空间，但是要考虑热继和接触器的匹配问题，选型比较麻烦；如果是热继单独安装的话部分热继需要选择使用独立安装附件，而且占用的空间较大，热继和接触器间需要用线缆或者线排连接。

2.3 电子过流继电器

电子过流继电器是可以灵活设置的电子式电流检测热保护元件，它的启动时间和脱扣时间是可调的，常见的有LR97D、LT47系列。

优点：由于电子过流继电器的启动时间和脱扣时间是可调的，它的使用范围很广，特别是启动峰值电流大，启动时间超长的电机。

不仅这些，在雄安一站，“请微微抬头，让我看看您的脸!”“结算完成，欢迎您再来!”首次进入智能无人店购物的甄先生，按照提示音结算完成后兴奋地说：“这里令人眼界大开，真是超前、智能、高颜值!”该站除传统的加油区、便利店外，还增设了汽车充电、快餐、书吧、智能无人体验店等业务，满足客户不同消费需求。地磁感应、车牌识别、刷脸支付、优选智能便利店、智能化支付、电子发票、智慧环保等智能元素融入其中，为顾客提供更高的服务体验。由此，雄安一站刚一亮相，立即引来众多客户的啧啧称赞。该站也成为中国石油在雄安新区展示其品牌形象的亮丽“窗口”。

缺点：LR97D、LT47系列的电子过流继电器能够直接检测的电流范围都很小，如果实际电机电流很小，LT47系列需要在自带的互感器上多次穿线；如果实际电机电流很大，需要外加电流互感器，再用电子过流继电器检测二次侧电流。

2.4 TesysT

TesysT系列电动机管理控制器可以通过内置电流互感器检测电机主回路上的电流，除了普通热保护外它还可以提供相不平衡或相位故障、堵转、起动时间过长、倒相、接地故障等多种功能，通过外加的附件和扩展模块，它还可以实现电机温度监视、电压监视、功率监视、功率因数监视等复杂功能，而且根据型号不同还内置了不同的通讯协议，是一款功能强大的产品。

优点：功能强大而灵活，它的各种保护定值可以根据实际要求自定义；监视数据可以通过面板直接显示；由于内置了通讯协议，还可以通过通讯将其检测到的数据传送给上位机用来做显示或故障报警。

缺点：成本较高；检测电流范围小，如果实际电流超出检测范围一样要通过绕线或者外加电流互感器来实现检测。

2.5 TesysU

TesysU是一款模块化产品，它可以将断路器、热继、接触器三种元件的功能整合在一个元件里。通过选择不同的控制单元，它不仅可以实现普通的热保护，还可以实现报警、故障区分、故障记录、相不平衡保护等复杂功能。通过添加通讯模块，还可以实现不同协议的通讯。

优点：结构紧凑，如果大量使用的话可以节省很多接线和安装空间；模块式结构，可以根据现场的需求自定义功能；功能强大。

缺点：可以直接检测的电流最大只能到32A，电流过大需要外加电流互感器并选用控制底座；型号繁多，选型时需要对多个型号进行对比，现场组装时对技术能力要求较高。

2.6 LT3热敏保护继电器

此继电器可以连接电机定子绕组预埋的PTC热敏电阻，通过热敏电阻阻值随着温度的变化来持续监控电机的热状态，当电机过载时利用热敏电阻阻值的迅速攀升来使触点动作，从而停机或者报警。

优点：PTC热敏电阻是预埋在定子绕组里的，直接反映电机的温度，是最直观准确的热状态检测。

缺点：成本高；PTC热敏电阻的热特性是固定，其保护定值无法调整；PTC热敏电阻在现场，LT3热敏保护继电器在中控室或现场箱，距离较远的情况下要充分考虑抗干扰的问题。

以上列出的各种产品中，除了LT3热敏保护继电器是温度检测型的以外其他的都是电流检测性热保护元件。相对而言电流检测性的成本更低、安装更简单，在现场应用得要更为广泛一些。在电流检测性热保护元件中，热磁断路器和热继电器可以参考具体的应用行业来进行选择，它们也是最常见的热保护元件；如果所带电机 的负载比较特殊，如启动电流峰值大且启动时间超长，可以考虑电子过流继电器；如果对电机的保护功能要求十分完善，且需要利用通讯来监视电机的状态，可以考虑tesysT或tesysU。

3 结 语

现在很多变频器、软启等设备都可以通过检测电流来实现热保护，并且很多型号都可以扩展连接PTC热敏电阻来检测温度，但热保护并不是他们的主要功能，所以他们都不在本文讨论范围内。如果现场有变频器、软起等设备，可以充分利用其自身的热保护功能，不需要另外选择热保护元件。如果想另选热保护元件来提高安全性，要充分考虑变频器、软起等设备的谐波因素，实际选型需要把电流参考值适当放大。

1 邵群涛.电机及拖动基础(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2008

2 季杏法.三相异步电动机技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，1987

3 甄广国.三相异步电动机保护技术探讨[J].电世界,1995(5)

4 邵则波,陈庆.机电设备管理技术[M].北京：化学工业出版社，2005

(责任编辑：张 辉)

Research on the Protection Element of Three-phase Asynchronous Motor

WANG Jin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

The over temperature protection of the three-phase asynchronous motor is very important, because the motor often with the problem of overload in practical applications. Now there are so many overheat protection elements on the market, this article with the beginning of the principle of protection element, through analyzing and contrasting the work characteristics of different thermal protection elements and the advantages and disadvantages of them, the readers can select the protection element easier and properly.

overheat protection; the principle of protection element; the contrast of protection element

2015-01-17

王 晶，主要从事电了与电气方面的教学和科研工作。

TM34

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1671-8100(2015)03-0051-04