馬達(dá)過熱保護(hù)的目的

馬達(dá)是應(yīng)用十分廣泛的機(jī)電設(shè)備，在日常生活以及各行各業(yè)工作中經(jīng)常使用，如果不對(duì)馬達(dá)采取保護(hù)措施，就會(huì)可能造成安全事故。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電器在使用中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)有電擊危險(xiǎn)，起火危險(xiǎn)與過熱危險(xiǎn)。本文就過熱危險(xiǎn)討論一下馬達(dá)的過熱保護(hù)。馬達(dá)過熱的原因有很多，例如運(yùn)行過載，選型不合適，冷卻故障，缺乏監(jiān)控和必要的維護(hù)導(dǎo)致絕緣過早老化等。馬達(dá)在運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗一方面降低了馬達(dá)的效率，另一方面損耗轉(zhuǎn)變成馬達(dá)發(fā)熱，使馬達(dá)繞組的溫度升高。繞組絕緣材料的使用壽命，同它的工作溫度有關(guān)，溫度過高，絕緣材料就會(huì)加速老化，使絕緣性能急劇降低，大幅縮短馬達(dá)的使用壽命，甚致出現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)與觸電危險(xiǎn)。所以，馬達(dá)過熱保護(hù)的目的，主要是在馬達(dá)的設(shè)計(jì)、制造、安裝以及使用環(huán)節(jié)采用保護(hù)措施，當(dāng)馬達(dá)在一定的負(fù)載和散熱條件下工作時(shí)，繞組的溫度不超過標(biāo)準(zhǔn)的允許值。

 二、馬達(dá)過熱保護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

每個(gè)國(guó)家或每個(gè)單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)馬達(dá)過熱保護(hù)的要求會(huì)有差異，我們以加拿大電氣法規(guī)（Canadian Electrical Code,Part I, Safety Standard for Electrical Installations）和加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之一（ANational Standard of Canada）CAN/CSA-C22.2 NO.68 Motor-OperatedAppliances (Household and Commercial) 作為例子，簡(jiǎn)單解讀一下標(biāo)準(zhǔn)要求。以上的兩本標(biāo)準(zhǔn)都是CSA(Canadian Standards Association) 制定的標(biāo)準(zhǔn)，由加拿大政府采納為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

附圖Fig-1，摘自CEC PartI，說明了馬達(dá)主回路的一些保護(hù)措施。我們先了解一下主要的馬達(dá)保護(hù)器的分類與用法，如表-1：

表-1馬達(dá)保護(hù)措施的比較表

保護(hù)種類

主要作用

采用的器件舉例

短路保護(hù)或過流保護(hù)

(Overcurrent Protection)

當(dāng)電器設(shè)備或配電線路出現(xiàn)過載或短路故障時(shí)，無延時(shí)自動(dòng)斷開電路,短路保護(hù)器斷開電路的方式可以是保險(xiǎn)絲熔斷（fusing of metal） 或者機(jī)電方式。

熔斷器，斷路器

過載保護(hù)

(Overload Protection)

對(duì)馬達(dá)電流響應(yīng)，提供過載電流保護(hù)，不一定是短路保護(hù)，以一定的時(shí)限自動(dòng)斷開電路，過載保護(hù)器斷開電路的方式同樣可以是保險(xiǎn)絲熔斷或者機(jī)電方式。

熔斷器，斷路器, 熱繼電器

過熱保護(hù)

(Overheating Protection)

馬達(dá)裝有裝入式熱保護(hù)器，可以響應(yīng)馬達(dá)的電流與溫度，或者只響應(yīng)馬達(dá)的溫度，當(dāng)超過允許的溫度時(shí)，自動(dòng)斷開電路防止馬達(dá)過熱。

熱熔斷體，自動(dòng)復(fù)位保護(hù)器，手動(dòng)復(fù)位保護(hù)器, 自身阻抗保護(hù)

注：為了對(duì)馬達(dá)保護(hù)器有個(gè)初步印象，請(qǐng)參考附圖Fig-2.

 三、實(shí)現(xiàn)馬達(dá)過熱保護(hù)的方法

我們以加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)/ CSA標(biāo)準(zhǔn)CAN/CSA-C22.2NO.68作為例子，了解一下對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電器如何實(shí)現(xiàn)馬達(dá)過熱保護(hù)以符合標(biāo)準(zhǔn)求，標(biāo)準(zhǔn)列出了如下途徑或者可能情況：

（1）   使用馬達(dá)裝入式熱保護(hù)器，符合CSA標(biāo)準(zhǔn)C22.2 No.77 Motor with Inherent OverheatingProtection.這些馬達(dá)過熱保護(hù)器如上表所列，使用時(shí)需要注意，保護(hù)器不能只響應(yīng)馬達(dá)的電流，還需要有適當(dāng)?shù)念~定工作電壓，電流值與溫度預(yù)定保護(hù)值，而且熱保護(hù)器需要適用于馬達(dá)。標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試有RunningHeating Temperature test, Locked-Rotor Temperature test andLocked-Rotor Endurance test. 如果馬達(dá)符合這本標(biāo)準(zhǔn)，就可以標(biāo)上 “THERMALLY PROTECTED”（熱保護(hù)馬達(dá)）。也就是說，當(dāng)馬達(dá)符合整機(jī)電器的標(biāo)準(zhǔn)CSA68與馬達(dá)標(biāo)準(zhǔn)CSA77，馬達(dá)在正常工作額定負(fù)載（Rating），過載（RunningHeating）以及堵轉(zhuǎn)(Locked-Rotor)的應(yīng)用條件下都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，馬達(dá)得到了過熱保護(hù)。

（2）    如果馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電器裝有過載保護(hù)器（Overload Protectiondevice）,就不一定需要過熱保護(hù)。這種情況就須要符合CEC PartI的要求，這種過載保護(hù)器與前面所講的過熱保護(hù)器不同，它只依靠響應(yīng)馬達(dá)的電流來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可以單獨(dú)于馬達(dá)也可以附裝于馬達(dá)，對(duì)于脫扣電流的選擇，保護(hù)器的脫扣電流與馬達(dá)額定電流之比一般不超過1.15.如果選擇用Fuses（熔斷器）作為單獨(dú)于馬達(dá)的過載保護(hù)器，這種Fuse就須要用Time-delay fuse of the type(“D” Fuse).

（3）   對(duì)于一些商用的電器，需要連接（PermanentConnection）到建筑物的配電線路的情況，不一定需要在電器內(nèi)裝有過載保護(hù)器，但必須在電器安裝連接時(shí)確保配電線路提供過載保護(hù)，而且電器需要有警告語標(biāo)簽(CAUTION)

（4）   對(duì)于一些特定電器，標(biāo)準(zhǔn)豁免馬達(dá)過熱保護(hù)器， 例如，使用瞬時(shí)接觸開關(guān)（Momentary ContactSwitch）控制馬達(dá)的電器，手持式電器，有人值守間斷工作制而且內(nèi)裝熔斷器的家用電器。另外，對(duì)于有人值守間斷工作制的家用電器，如果通過堵轉(zhuǎn)測(cè)試評(píng)估，亦可以豁免馬達(dá)過熱保護(hù)器。

 四、舉例子

例如，某廠家生產(chǎn)空氣壓縮機(jī)，銷售市場(chǎng)在北美（加拿大與美國(guó)），申請(qǐng)CSA產(chǎn)品安全認(rèn)證以符合北美標(biāo)準(zhǔn)。這類產(chǎn)品適用的標(biāo)準(zhǔn)是CAN/CSA-C22.2NO.68. 其中空壓機(jī)使用的馬達(dá)銘牌信息摘錄如下：

表-2 馬達(dá)銘牌信息

Model:

YY-電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步馬達(dá)

ABC公司名

產(chǎn)品經(jīng)CSA認(rèn)證后可以標(biāo)上CSA的認(rèn)證標(biāo)志。

Rated Power:

1/2 HP

Fl Load Speed:

 1150 RPM

Rated Voltage:

115 V

Fl Load Amps:

9.8 A

Frequency:

60 Hz

Max. Ambient:

40 oC

Phase:

Single

Insation Class:

B

THERMALLY PROTECTED

馬達(dá)使用CSA認(rèn)證的裝入式熱保護(hù)器，類型是自動(dòng)復(fù)位馬達(dá)熱保護(hù)器(Motor thermal automatic resetprotector)。如上述的熱保護(hù)方法，適用方法（1），馬達(dá)須要符合CSA標(biāo)準(zhǔn)C22.2 No.77.以下將會(huì)舉例介紹這本標(biāo)準(zhǔn)其中要求的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)溫度測(cè)試：

馬達(dá)堵轉(zhuǎn)溫度測(cè)試(LOCKED ROTOR TEMPERATURE)

1．測(cè)試目的

堵轉(zhuǎn)溫度測(cè)試的目的主要是評(píng)價(jià)馬達(dá)運(yùn)行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，繞組的溫度不超過標(biāo)準(zhǔn)允許值，過熱保護(hù)器能起到保護(hù)馬達(dá)避免過熱的作用。

2．測(cè)試方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)量馬達(dá)堵轉(zhuǎn)溫度適用電阻法或熱電偶法。一般情況下，要根據(jù)馬達(dá)的類型或?qū)嶒?yàn)室的情況選用合適的測(cè)試方法。

表-3電阻法與熱電偶法對(duì)比

測(cè)量方法

特點(diǎn)以及適用范圍

電阻法

適用于測(cè)量帶繞組的電器，如馬達(dá)，變壓器。測(cè)量不是Zui熱點(diǎn)的溫度，而是繞組的平均溫度。常用的儀器有直流電橋，歐姆表，繞組帶電測(cè)量?jī)x，前兩者需要繞組斷電才能測(cè)量。馬達(dá)溫升測(cè)試多選用此法，測(cè)試準(zhǔn)確度高。對(duì)于堵轉(zhuǎn)測(cè)試，此方法較難實(shí)現(xiàn)記錄連續(xù)測(cè)試數(shù)據(jù)及描繪溫度曲線。

熱電偶法

適用于非繞組部位溫度測(cè)量，測(cè)量是布點(diǎn)的溫度，需要測(cè)試員有經(jīng)驗(yàn)或能力判別Zui熱點(diǎn)。需要采用熱電偶與測(cè)量?jī)x器組合使用。對(duì)于堵轉(zhuǎn)測(cè)試，此方法可以同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量，記錄連續(xù)數(shù)據(jù)，描繪溫度曲線，還可以實(shí)現(xiàn)同計(jì)算機(jī)通信。

3. 測(cè)試條件

-    標(biāo)準(zhǔn)要求的是型式測(cè)試，選取有代表的樣品(馬達(dá)與保護(hù)器的組合)進(jìn)行測(cè)試。

-    馬達(dá)樣品須要用木材或其他隔熱材料作為夾具固定馬達(dá)，以及堵轉(zhuǎn)馬達(dá)軸。

-     除非有特別說明，馬達(dá)的安裝位置必須使保護(hù)器Zui大程度置于下方，稱為“WorstCase”，因?yàn)榘凑諢醾鲗?dǎo)的對(duì)流原理，繞組的上方通常比下方的溫度要高，當(dāng)保護(hù)器在下方脫扣時(shí)，繞組上方的溫度將會(huì)Zui高。

-     為了確定繞組溫度Zui熱點(diǎn)，須要把熱電偶布在實(shí)際工作的繞組上，例子中電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步馬達(dá)，就要布在實(shí)際工作的主繞組上，一般Zui少布4點(diǎn)熱電偶，例如布在繞組上面前后，下面前后各一點(diǎn)，

-     馬達(dá)測(cè)試電壓，基于馬達(dá)銘牌的額定電壓，一般選用標(biāo)準(zhǔn)指定對(duì)應(yīng)的市電標(biāo)稱電壓，例如銘牌電壓110-120V，測(cè)試電壓則為120 V. 本例子中，馬達(dá)銘牌電壓115 V，那么測(cè)試電壓就用120 V.

-     馬達(dá)的金屬外殼串聯(lián)一個(gè)3 A 保險(xiǎn)絲接到電源地線。如果3A保險(xiǎn)絲熔斷，就能檢查出馬達(dá)絕緣損壞外殼帶電。

-    需要準(zhǔn)備記錄的數(shù)據(jù)有電壓，頻率，堵轉(zhuǎn)電流，環(huán)境溫度，連續(xù)繞組溫度。

4、  測(cè)試程序與結(jié)果判定

以單相馬達(dá)與自動(dòng)復(fù)位熱保護(hù)器組合為例說明，其他情況請(qǐng)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試在室溫環(huán)境進(jìn)行，堵轉(zhuǎn)72小時(shí)，其間熱保護(hù)器必須因繞組溫度升高斷開電路又自動(dòng)復(fù)位，儀器連續(xù)記錄繞組溫度，圖-1的示意圖由經(jīng)驗(yàn)所得。整個(gè)過程到結(jié)束，必須符合以下結(jié)果:

 -         繞組溫度不超過表-4的限值，本例子中馬達(dá)的絕緣等級(jí)Class B.

表-4 繞組Zui高堵轉(zhuǎn)溫度限值

保護(hù)器類型自動(dòng)復(fù)位

溫度(oC),對(duì)應(yīng)不同絕緣等級(jí)

A

B

F

H

a)第一小時(shí)內(nèi)

200

225

250

275

b)第一小時(shí)后

175

200

225

250

c)第一小時(shí)后的算術(shù)平均值

150

175

200

225

-         接地的保險(xiǎn)絲不能熔斷。

-         馬達(dá)不能著火。

-         馬達(dá)的絕緣材料不能出現(xiàn)剝落，變脆，炭化等嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象。

-         馬達(dá)不能有電氣或機(jī)械故障。

-         能通過耐壓測(cè)試（Dielectric Voltage-Withstand Test）。

圖-1 時(shí)間與堵轉(zhuǎn)繞組溫度的曲線（舉例單相馬達(dá)與自動(dòng)復(fù)位熱保護(hù)器組合） 

文章Zui后還要指出，每個(gè)國(guó)家或每個(gè)單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)馬達(dá)過熱保護(hù)的要求會(huì)有差異，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展或者標(biāo)準(zhǔn)的更新完善，標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)因版本而異，切不可“一本通勝讀到老”，生搬硬套或張冠李戴標(biāo)準(zhǔn)。

Fig-1馬達(dá)控制與保護(hù)電路

Fig-2 馬達(dá)保護(hù)設(shè)備例圖