技术交流-丹东科亮

1、 电动机保护的种类及发展趋势电动机保护的种类及发展趋势 丹东科亮电子有限公司丹东科亮电子有限公司 前前 言言 丹东科亮电子有限公司是专业从事电动丹东科亮电子有限公司是专业从事电动机保护研发和生产的企业。其主要生产产品是机保护研发和生产的企业。其主要生产产品是为电动机、发电机、船舶发电机、风力发电机为电动机、发电机、船舶发电机、风力发电机等相关产业提供保护产品的。我公司生产的产等相关产业提供保护产品的。我公司生产的产品主要有品主要有PTC热敏电阻热敏电阻、热敏开关热敏开关、温度传感温度传感器类器类、防潮加热带防潮加热带、PTC温控模块温控模块、各种智能各种智能仪表仪表、各类温度变送器各类温度变送

2、器、各种、各种水泄漏检测控制水泄漏检测控制装置装置等，现开发出等，现开发出磁式磁式、旋变式旋变式编码器。现有编码器。现有生产厂房达七千多平方米面积，固定资产达八生产厂房达七千多平方米面积，固定资产达八百万，员工百万，员工170多人。技术人员多人。技术人员44名，中高级名，中高级技术人员技术人员17名。是国家高新技术企业。名。是国家高新技术企业。 一、电动机保护的发展史一、电动机保护的发展史 电动机的诞生，就是把人们从繁重的体力劳动中解脱出来。同时又由于使用的不慎而烧毁，给人们带来了烦恼。而电动机的保护又给人们留下了一个长时间难解的难题。电机保护也由最初利用铅丝过热熔断保护，到后来在供电电路中加

3、装双金属过热保护继电器，前前后后经历几十年。随着科学的进步和发展，时至今日采用各种方式对电动机加装的保护，解脱了因电动机烧毁带来的不便。 二、电动机保护的种类二、电动机保护的种类 目前电动机的保护可分为两种基本保护方式，一种是内置式控制保护；另一种是外置式控制保护。随着微电脑技术的发展可将内置式和外置式控制保护有机的结合起来，利用微电脑运算速度快、检测准确、控制方便，从而实现综合控制，达到综合保护目的。 1 1、电动机外置式保护、电动机外置式保护 外置式保护目前有，利用微电脑检测电动机运行电流、电压等参数作保护依据。将电动机的电流及各种参数设置输入微电脑中，运行时就依据设置的参数来检测判断电动

4、机运行情况。外置式电动机保护器工作原理： 2 2 、电动机内置式保护、电动机内置式保护 电动机内置式保护又分成：电动机内置式保护又分成： 定值式保护；定值式保护； 非定值式保护。非定值式保护。 a a、定值式保护、定值式保护 定值式保护是将要保护对象的控温点以固定形式制造出来。其特点是利用某些材料对温度敏感特性，制成固定温度点式的保护装置。目前有两种：1 1）PTCPTC热敏电阻热敏电阻 热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两种。PTC是正温度系数热敏电阻英文缩写。原理是利用几种金属氧化物的合成，经高温工艺烧结制成半导体陶瓷，NTC是电阻值随温度减少。PTC是温度达到居里温度点后电阻值产生阶跃变

5、化的机理。利用这一特性制成保护装置。特点是： 在常温下（25）时是以低阻态存在，当温度上升达到一定值后，即电动机要求的温度保护点时（又称为Tk点）PTC热敏电阻阻值产生阶跃变化。在TK-5以下时温度上升而电阻却变化很小。当达到Tk点时其电阻值可达常温阻值的数倍以上，所以利用这一特性制成电动机保护用的感温原件（详见曲线图）。这种保护现作为国际上电动机保护通用方式。其特点：感温元件体积小，成本低、反应速度快，可靠性高。可作为电动电动机堵转、缺相、过载机堵转、缺相、过载的理想的保护元件。使用时需配专用的保护模块与之配套。PTC 结构图： 我公司生产的PTC结构是：基片是圆形的，其目的。1、便利基片生

6、产的自动化。2、基片在烧结过程中受热温度均匀，产品的一致性好。3、圆基片的尖端放电。 我公司的PTC由于采用圆片外表面无需加包封树脂，其耐电压远远满足客户的要求，尤其是ABB公司的技术要求比较高，都满足了要求。 由于没有包封树脂，减少了热响应时间，感温反映时间缩短。提高保护可靠性。工作原理工作原理 PTCPTC热敏电阻温度传感元件的结构分为两大类：一类是高分子热敏电阻温度传感元件的结构分为两大类：一类是高分子材料的材料的PTCPTC热敏电阻元件，它的结构是由聚乙烯掺入导电的石墨粉所热敏电阻元件，它的结构是由聚乙烯掺入导电的石墨粉所组成。其导电机理是高分子聚乙烯受热后膨胀，将导电的石墨粉拉开组成

7、。其导电机理是高分子聚乙烯受热后膨胀，将导电的石墨粉拉开间距从而阻值变大，其缺点是居里点温度不可调整（居里温度为间距从而阻值变大，其缺点是居里点温度不可调整（居里温度为2 2倍倍的常温阻值所对应的温度）且仅为的常温阻值所对应的温度）且仅为8080左右。它主要用于过电流（通左右。它主要用于过电流（通常称为不熔断保险丝）保护。另一类为半导体陶瓷的常称为不熔断保险丝）保护。另一类为半导体陶瓷的PTCPTC热敏电阻元热敏电阻元件，它的主体结构是钛酸钡（件，它的主体结构是钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）陶瓷（也称为半导体陶瓷），）陶瓷（也称为半导体陶瓷），即是由掺入不同量的锶和铅来改变不同的居里点所

8、组成。它的导电机即是由掺入不同量的锶和铅来改变不同的居里点所组成。它的导电机理是在小于居里温度时，它的分子结构晶格不是正六方体，掺杂的（理是在小于居里温度时，它的分子结构晶格不是正六方体，掺杂的（例如钇）自由电子移动阻力较小（阻值很小），所以可以导电；而当例如钇）自由电子移动阻力较小（阻值很小），所以可以导电；而当温度为居里点温度时，它的分子结构晶格为正立方体，所以自由电子温度为居里点温度时，它的分子结构晶格为正立方体，所以自由电子移动阻力增大（阻值很大）。它主要用于温度控制、彩电消磁及单相移动阻力增大（阻值很大）。它主要用于温度控制、彩电消磁及单相电动机起动等。用于电动机保护的电动机起动等。

9、用于电动机保护的PTCPTC热敏电阻属于这种钛酸钡（热敏电阻属于这种钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）陶瓷结构，其特征可以从）陶瓷结构，其特征可以从MZ6MZ6型单支热敏电阻的阻温曲线中看型单支热敏电阻的阻温曲线中看出，如下图所示。出，如下图所示。热敏电阻的选型： 根据电动机的绝缘等级的不同，选择热敏电阻的Tk点比绝缘等级低510（如下表）。控制原理图：控制原理图：PTCPTC串联式串联式 M:电机电机Q:电磁开关电磁开关U:PTC温控模块温控模块H:故障指示灯故障指示灯TA:停止按钮停止按钮QA:启动按钮启动按钮R1、R2、R3:热敏电阻热敏电阻 PTC星联式保护： M:电机电机 Q:电磁

10、开关电磁开关U:PTC温控模块温控模块TA:停止按钮停止按钮QA:启动按钮启动按钮T1、T2、T3:热敏电阻热敏电阻样品照片： 安装注意事项：安装注意事项： 2）热敏开关 热敏开关是利用两种膨胀系数不同的金属材料通过碾压使彼此牢固结合在一起，其中膨胀系数较高的一层为主动层，膨胀系数低的一层为被动层（如下图1）。将双金属片在常温下压成要求的碟片，见（图2中的a）。当该碟片在规定的温度下被动层受主动层拉伸产生向内的压力，而主动层产生向外拉力从而使得蝶形双金属片翻转，见（图2中的b ）.当环境温度下降时双金属片又回到常温状态。 双金属开关式温度传感元件（以下简称热敏开关）广泛应用于机械设备、家用电器

11、、电子、电路中，以及电动机过热保护等。它属于定值式的非线性温度传感元件，其特点是结构简单、成本低廉、性能可靠。该MK1热敏开关主要适应于三相电机。对于电机的欠压、过压、过载等反映在线圈上的温度，传导到热敏开关使其发生形变断开。 此开关特点是：当电动机由于缺相、堵转时，温度升高的特别快。热敏开关外壳是金属的热熔性比较大，吸热时间长，反应较迟钝。不适用电动机的堵转、缺相保护，只适用于电动机过载保护时的超温保护不适用电动机的堵转、缺相保护，只适用于电动机过载保护时的超温保护。 用理论分析热敏开关吸热容量为： Q=s(T2-T1) Q=s(T2-T1) ：材料导热系数 W/m2 （黄铜的导热系数为12

12、5.6 W/m2 ） S: 传热面积 m2 T：温度差 经计算热敏开关的热容量达1.4W多。由于热容量较大，根本不适用电动机的温度剧升如堵转、缺相的保护。 热敏开关使用最佳方案：热敏开关使用最佳方案： 但可与本公司的智能型电动机综合保护器配套使用，完成电动机外部的相序、电压高低检测、电流、过载、堵转、缺相保护（市场销售的无超温保护），电动机内部的超温保护。 PTO开关选型：热敏开关的选型是以电动机的绝缘等级低热敏开关的选型是以电动机的绝缘等级低10101515。 热敏开关结构图主要技术指标：主要技术指标：控制原理图：控制原理图：过流、超温热敏开关：过流、超温热敏开关： 17AM热敏开关的结构如

13、下图所示。当电动机绕组温度超过规定温度时双金属片弯曲带动触点离开静触点，使电路断开。当环境温度低于回翻值时双金属片恢复原状态自动接通电路。当电动机的运行电流超过设限值时，电流通过双金属片而产生热量，则双金属片形变弯曲带动触电离开静触电，使电路断开。当温度达到回复值时双金属片恢复原状使电路接通。（此开关用在2KW以下单相电动机的保护上）外壳 动触点双金属片静触点固定铁钉底板绝缘纸三相星接电动机保护器：三相星接电动机保护器： 适用于星型连接的电动机，将保护器连接在三相电动机绕组的星点上。当电动机超温或过电流时能自动的切断星点连接处，从而切断了三相电源。当温度下降后自动恢复电源接通。 控制原理图：控

14、制原理图：安装注意事项：安装注意事项：b 、非定值式保护、非定值式保护 这类保护主要是利用金属电阻值的随温度呈线性变化而变化特性，并且传感器是与检测仪表或智能化仪表组成的电动机保护装置。其特点是：保护温度可按要保护的对象及要求设置温度值。检测温度比较精准，反应准确，缺点是：成本高些。这类传感器主要有： （1 1）Pt100Pt100温度传感器温度传感器 原理是利用金属鉑在温度变化时，金属电阻与温度变化是呈线性的原理，制成各种形状的温度传感器（详见阻温表）。安装方式有：安装方式有：1 1、线圈绕组位置、线圈绕组位置 该种传感器安装在普通电机的绕组端部，引线沿壳体引出固定在接线盒该种传感器安装在普

15、通电机的绕组端部，引线沿壳体引出固定在接线盒内，最后烘干完成。使用时，接专用内，最后烘干完成。使用时，接专用PT100PT100型测温仪表。型测温仪表。2 2、绕组槽、绕组槽 将将WZPDAWZPDA条形热电阻传感器嵌入在绕组与铁心之间，引线沿壳体引到电机条形热电阻传感器嵌入在绕组与铁心之间，引线沿壳体引到电机接线盒内。使用时，接接线盒内。使用时，接PT100PT100型测温仪表。型测温仪表。3 3、轴承、轴承 将电机轴承室打一孔（穿通）绞相应的螺纹，再将轴承测温用热电阻传感将电机轴承室打一孔（穿通）绞相应的螺纹，再将轴承测温用热电阻传感器安装牢固，使得传感器的端面接触到轴承外环上，连线引到接

16、线盒内。器安装牢固，使得传感器的端面接触到轴承外环上，连线引到接线盒内。工作原理工作原理 热电阻温度传感器元件工作原理如下：金属导体电阻是随温度增加而增加，温度与电阻变化是呈线性的（曲线图见下图）。阻值与温度的关系式如下： R=R0+KT式中 R热电阻的阻值； R00时的阻值； K温度系数； T热电阻所在位置处被测量的温度。 Pt100测温范围为-200800，温度系数 K=0.385/ 测量接线方式有以下几种： 特点：测量温度精确度高，体积可根据使用条件制成绕丝的或选择片状Pt100。 Pt100 接线方式： 两线制：在传感器两端分别接一红一白引线。接线（如图 ）， 特点测量时含两导线的电阻

17、，具体分析后。 为了测量出电阻在温度变化时的阻值，采用电桥电路来测量。即电阻的变化，转化为电压的输出变化。 当温度处于测量下限时Rt=Rtmin、合理设计桥路电阻值使之满足： R3（Rtmin+2r）=R2R4 2r=r1+r2 此时电桥平衡，则直流U=0 即： U=（ Rtmin+2r Rtmin+2r+R4）E-（R2 R2+R3R2+R3） E=0 （一） 当温度上升时使当温度上升时使Rt=Rt=Rtmin+RtRt 桥路失去平衡，有桥路失去平衡，有 U=（ Rtmin+Rt+2R1 Rtmin+Rt+2R1+R4）E-（R2 R2+R3R2+R3） E=0 则U0 R1=r1+r2 当

18、Rt Rtmin+2r+R4时，U与Rt之间呈现较好的正比关系。根据U的变化可知道Rt的变化，从而测得温度。 在实际应用中热电阻被安装在电动机或设备中。感受被测介质的温度变化，而测量电阻在电桥桥路通常是作为信号处理器（温度变送器）或显示仪表的输入单元。随相应的仪表安装于控制室。由于热电阻的引入，桥路连接导线的电阻值也随环境温度的变化而变化时，根据（一）式中所示，当环境温度变化时，连接导线电阻值r的变化2r将与热电阻阻值变化相叠加此时： U=（ Rtmin+Rt+2r+2r Rtmin+Rt+2r+2r+R4）E-（R2 R2+R3R2+R3） E （二） 比较式（一）和式（二） U出现变化，从

19、而给测量带来较大的温度附加误差。因此，工业上常采用三线制解法来消除导线误差。 三线制：三线制： 在传感器一端接白线另一端接两根红线。 从热电阻接线端上引出两根线，使导线电阻分别加在电桥相邻的两个桥臂Ab、Ac上以及供电线路上。因此： U=（ Rtmin+Rt+r+r+R1 Rtmin+r+r+Rt+R4）E-（R2+r+r R2+R2+r+r+R3R3） E 由此可见，连接导线电阻的变化对测量的影响基本消除，尽管这种补偿是不完全的，连接导线的温度附加误差依然存在，但采用三线制接法在环境050内使用，可以满足工程要求。如果还要提高检测精度，那么只能采用四线制接线。Pt100温度特性： 应用范围-

20、200850 在-2000其电阻温度特性方程为： Rt=R01+a1t+a2t2+a3t3t-100 在0850 电阻温度特性为： Rt=R01+a1t+a2t2 式中： a1=3.9684710-3 a2=-5.84710-7 2 a3=-4.2210-12 3四线制：接线如下图四线制：接线如下图 电动机使用WZP铂热电阻传感器的选型：（2 2）铜热电阻：）铜热电阻： WZC铜热电阻温度传感器元件，因为它的测温范围为-40150，其温度系数K=0.428/，在要求测量范围及精度不高时可以采用（但很少采用）。（3 3）热电偶型温度传感器热电偶型温度传感器 这一类都是利用两种不同金属材料焊接在一

21、起，将结合部放在被检测位置上，其原理是工作原理根据塞贝克效应，在两种不同的金属或金属合金的接点T1、T2处温度不同将产生不同的热电动势，感温器区与感温区外之间称温度梯度区，既是热电势产生区（见下图）。如果T1接点为基点（参考端）并且温度为恒温（例如0），则T2随着温度变化所产生的热电动势也随着温度变化，由此可测出T2的温度,所谓的热电偶就是根据以上原理制作的。热电偶可根据采用不同金属材料组合成各种不同形式的热电偶，具体有以下几种。 a a、k k偶偶 材料是镍铬材料是镍铬1010、镍硅、镍硅3 3，温度误差为，温度误差为22。适用温度范围。适用温度范围0 01300 1300 b b、J J偶

22、偶 材料是铁、康铜，温度误差为材料是铁、康铜，温度误差为2.52.5。适用温度范围。适用温度范围0 0600 600 c c、T T偶偶 材料是铜、铜镍合金，温度误差为材料是铜、铜镍合金，温度误差为1.51.5。适用温度范围。适用温度范围200200600 600 另还有其它形式的热电偶，如另还有其它形式的热电偶，如R R、S S、N N、E E、B B偶，这些热电偶是根据使用的偶，这些热电偶是根据使用的温度而选择的。温度而选择的。 R R偶偶 0 01760 1760 S S偶偶 0 01600 1600 N N偶偶 0 01400 1400 E E偶偶 0 0800 800 B B偶偶 7

23、007001800 1800 以上热电阻及各种热电偶温度传感器，其表现的温度值及保护控制，都必以上热电阻及各种热电偶温度传感器，其表现的温度值及保护控制，都必须是通过显示仪表来完成的。目前仪表有两大类：须是通过显示仪表来完成的。目前仪表有两大类：一类：完成温度显示，不能进行温度控制，这种仪表成本低价位也低。二类：采用以运放电路进行比较放大而进行一般控制。三类：利用微型计算俗称单片机的仪表，这种仪表是动过人工智能化来完成温度显示、温度控制及其它各种复杂控制。它的原理是通过检测温度时时与要求控制点及动作要求进行比对。特点是：温度变化反应快，控制精度高，可完成人类赋予的工作，如超温报警、严重超温停止

24、工作。当温度下降后自动接通电源恢复工作等。缺点：价位高。（3 3）KTY8384KTY8384系列温度传感器系列温度传感器 这是一种国外近年推出的新型温度传感器。特点是体积小，采用半导体硅材料制成。温度与阻值呈线性变化。现在国内国外小型电机都安装此类温度传感元件作保护用。尤其是在变频电动机采用的较多。KTY系列有82、83、84、85其区分是按检测环境温度25和100，1mA条件下温度偏差值大小来确定。KTY85的温度偏差值为最小。 技术参数：KTY系列传感器偏差值：KTY系列传感器偏差值：（4 4）NTCNTC热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 NTC是负温度系数热敏电阻英文缩写。 NTC

25、热敏电阻是利用一些金属氧化物按一定比例混合从而获得负温度系数的半导体材料，利用温度越高电阻值呈下降趋势越低的特性。目前利用NTC作保护的只有小型电动机，其主要是利用其温度与阻值在某一段是线性的特性，关键参数是25与50的对数比值称为B值和25的电阻值。选用25的阻值越大的，其保护点的温度值越高。 4、电动机的防潮保护电动机的防潮保护 电动机对绝缘要求非常严格，尤其是高压电动机要求更严。有些电动机长期工作在恶劣环境下，对电机的绝缘保证有严格要求。 当电机 受潮后其绝缘性能下降，电机绕组内易造成匝间短路从而烧毁电机。为避免电机的烧毁，所以工作在潮湿场合的电机必须加装防潮加热带。当电机停止工作后加热

26、带队电机绕组通电加热，让电机内部产生比环境温度高5的温度。从而避免电机绕组因潮湿结露降低绝缘性，保护电机能正常工作。 电机防潮工作方式有：电机防潮工作方式有： 1）、空间加热器：利用加热管对电机内空气加热，利用空气的热传递使电动机的定子和绕组升温。 2）、加热带：利用硅橡胶材料制作成比较柔软的带状加热器，缠绕在电机绕组上，对电动机绕组加热。 电动机的防潮原理：电动机的防潮原理： 利用加热器产生的热量，使电动机的内部温度比外部环境温度高5的温差，从而防止外部的湿空气进入电动机内部，完成了电动机的防潮保护。原理如下： 加热器的加热量：Q=0.24I2Rt 0.24：热功当量系数。电阻1导体通过1A

27、电流时每分钟产生的热量。 防潮加热带绑扎在电动机绕组的端部，相当于板状加热器。因此，防潮加热带对电动机的绕组加热有两种方式：1）传导传热、2）对流传热。当防潮加热带绑扎在电动机绕组的端部时，加热带通电加热。加热带下部与电动机的绕组线圈接触是传导传热将绕组加热。加热带上部是通过空气在电动机的内形成对流传导热量，而使电动机内部的温度升高，再传到电动机的外壳。传导传热的公式： Q=s Q=s T T ：材料导热系数 W/m2 S:传热面积 m2 T：温度差 对流传热的公式： Q=Ha(TQ=Ha(TS S-T-Tf f） h：散热系数 A：散热面积 TS：固体表面温度 Tf：流体温度（空气温度） 由

28、于绕组线圈经电动机定子与外壳内表面接触，经外壳将热量散热到空气中。那么线圈与定子的散热面积为： S=(D S=(D2 2 -Z-Z1 1b b0101）L/3L/3 b b01:01:定子槽口宽度 D :转子外径 Z1:定子槽数 L :定子铁芯长度 电动机壳体周边的空气的温度是随着吸收机壳表面热量的增加而上升的，从而将电动机内的一部分热量带走，假定它沿机座轴向长度线性增加，则单位轴向长度的温度上升量为： d dta=ta=T Trm/rm/L Lfrfr Lfr：机座长度 Trm： 电动机的表面温升： T Trm=Pt0/Qa/1185rm=Pt0/Qa/1185 电动机的表面温度： T Tx

29、 x=d=dtatad dL L 当dL=4r 时空气温度达到最高值Trm机座的散热面积： C=CC=C11+ C+ C2 2 C C1 1=(2h=(2hfinfin+b+bfinfin）h hfinfin C C2 2=d=dfrfr-n-nfinfinb bfinfin C C1 1：散热筋侧面积 C C2 2：散热筋风沟底部面积 ：机壳的导热系数 =39.2w/m.k 机壳散热面积： A=CLA=CL L：为电动机轴的长度 机壳散热系数：=9.37+14V=9.37+14V0.620.62 当电动机是停止状态时V=0 =9.37 散热效率： =th=th（mhmhfinfin ）/ /

30、（mhmhfinfin） m= m=（2/2/frfrb b）1/21/2 定子散热：定子由定子绕组和定子铁芯组成，铁芯至机壳的导热面积。 S=DL/3 S=DL/3 D: D:定子铁芯外径定子铁芯外径 L L：铁芯长度：铁芯长度 机壳向外散热的途径有两部分组成，一部分是机壳内部的热传导，热量从单元中心，经过1/2机壳厚度传导到机壳；另一部分由机壳表面通过空气对流将热量带走。传导热阻为： R Rfrdfrd= =（ththfrfr/2/2）/S/Sfrfrfrfr Sfr：机壳径向热传导面积 Sfr=dfrLdfrLfrfr ththfrfr： 机壳厚度 经过以上的理论计算分析，可以得出电动机

31、防潮加热带工作原理是。 防潮加热带的加热功率与电动机的体积之比是很小的，也就是加热带的发热量小于电动机机壳散热量，这中间主要是利用了各种材料热传导的速度不同，产生了温度差。也就是不同的材料传热系数不同，加热带产生的热量由于材料传热不同而使散热量不同，这个差值是保证电动机内部比外部高5的防潮要求。这些材料的导热系数是： 铜的导热系数：=385W/m.k 硅钢的导热系数：=39W/m.k 铸铁的导热系数：=39.2W/m.k 槽绝缘的导热系数：=0.15W/m.k 浸漆的导热系数（有机 ）：=0.185W/m.k 导线漆层的导热系数：=0.15W/m.k 根据以上原理所以根据以上原理所以 防潮加热（管）带的功率选择：防潮加热（管）带的功率选择： 电动机防潮加热带的额定功率选择参照电动机防潮加热带的额定功率选择参照JBJBT7836.1-20