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谈电机保护器的种类与局限性

 很少有电动机像制冷(空调、冷冻、冰箱等)压缩机的电动机那样,必须频繁面对严重的过载。在炎热的夏天,一台额定功率为20千瓦的空调压缩机,它的输入功率可能高达30-35千瓦,并且可能连续工作数日。尽管如此,人们采取了很多措施,使压缩机的故障率降低到千分之几甚至更低,这些措施也包括电机保护器。
    
     现在的压缩机电机都配有保护器(MotorProtector),但是电机烧毁(MotorBurnout)可能要占到全部故障的一少半。人们不禁要问:难道电机保护器不能有效保护电机的安全?
    
     要回答这个问题,我们还得从电机保护器的种类、工作原理和局限性谈起。目前,国内外广泛使用的压缩机电机保护器有大两类:双金属型和热敏电阻+电子模块型。它们的结构不同,作用也不同。
    
     双金属型保护器
    
     双金属型保护器实际上是一种用双金属片制成的开关或继电器,由于价格低廉而得到广泛应用。双金属片由两层热膨胀系数不同的合金叠合而成,其中,膨胀系数较大的称为主动层;膨胀系数较小的称为被动层。由于两层材料膨胀系数不同,双金属片在温度升高时会弯曲变形,而温度降低后又会恢复原来的样子。人们利用这一现象,制作出能够在指定温度下闭合或断开的开关。
    
     对于压缩机电机而言,当绕组温度升高到一定温度时(比如110℃),需要及时断开电源,以防烧毁;而当温度降低到某个温度(比如60℃)后又可自动复位,压缩机恢复运转。这就是双金属片保护器的工作原理。
    
     双金属型保护器可分为两种:热保护器和过载保护器。热保护器自身不发热,热量来自被保护部位的发热。过载保护器内有电热器(电热丝或电热盘),当电流过大时,电热器的发热会引起双金属片变形。
    
     热保护器外观像铅笔头,常捆绑或粘贴在定子绕组温度比较高的位置,绕组温度通过金属壳体传给双金属片。当绕组温度超过设定温度后,热保护器跳开,与热保护器相连的控制回路就断开,从而触发主回路接触器跳开,压缩机停止运转。热保护器的热响应时间是一个重要参数,一般都可以在到达设定温度后几秒内会动作。安装时一定要确保热接触良好,否则就无法及时动作,起不到热保护作用。
    
     与热保护器不同,过载保护器内有一个或多个小电热器(电热丝或电热片),电热器串联在单相或三相主回路中。当电机出现过载时,电流增大,电热器温度迅速升高并引起双金属片变形,连接主回路的触点分离,压缩机停机。
    
     过载保护器也可以通过壳体传热,因此过载保护器本身也是一个热保护器。过载保护器体积大,热响应比较慢。此外,外置过载保护器不能当热保护器使用。
    
     在安装方面,各有利弊。热保护器与主回路无关,因此对电机电流几乎没有限制,但需要串联在控制回路中,接线复杂。过载保护器直接串联在主回路,不需要额外接线,简单直观,但不适合电流很大的电器,以免触点拉弧或焊合。
    
     热保护器可以很好的应付电机过热,比如电压异常、相不平衡甚至缺相引起的过热,电机冷却不足(如制冷剂泄漏和回气压力过低)引起的过热,高低压串气(涡盘损坏、活塞环损坏、泄压阀打开等)引起的过热、润滑不佳、抱轴甚至
    
     堵转等引起的过热。
    
    热保护器不能很好应付大电流问题,因此往往还需要在主回路过载保护器或配置限流器等。
     过载保护器对大电流反应很快,引起大电流的常见现象包括:电源性相不平衡、缺相以及由接触器引起的缺相、冷凝压力过高、润滑不佳引起的抱轴、连杆断裂或活塞咬缸引起的堵转、涡盘或十字滑环损坏等引起的堵转。目前15HP以下的商用压缩机普遍采用Klixon等品牌过载保护器。
    
     热敏电阻+电子模块型热保护器
    
     大压缩机的工作电流很大,过载保护器吸合时引会起电弧,无法使用。目前普遍采用的保护方式热敏电阻+电子模块的保护方式。在三相绕组中布置几个热敏电阻,并将热敏电阻串联(也有并联的)起来,与电子模块相应端子相连。当热敏电阻温度到达某个临界温度时,其阻值会从正常温度下的几百欧姆剧烈增大到几千欧姆甚至上万欧姆,触发电子模块内的控制回路断开,压缩机停机;而当温度降低到设定值后,模块内控制回路会自动闭合,电机恢复运转。
    
     热敏电阻体积小,可以安置于绕组中,热响应很快。此外,热敏电阻价格低廉,因此可以多布置几个,大大增加监测范围。电子模块除监测热敏电阻的阻值外,还具有判断主回路缺相和相序错误等功能。对涡旋压缩机、螺杆压缩机和离心压缩机,相序错误是一个很大的错误,模块会自动锁定。
    
     大型涡旋压缩机、多缸活塞压缩机、螺杆压缩机等普遍选用热敏电阻+电子模块这种热保护方式。
    
     电机保护器的局限性
    
     电机保护的主要目的就是保护电机以防烧毁,而保护器的功能很有限,这显然是一个不可能完成的任务。实际应用中,能引起电机烧毁的原因很多,大概可以分为以下五大类:(1)各种原因引起的电机过载,电流过大、(2)电压太低或太高、相不平衡或缺相(包括接触器故障引起的缺相)引起的电流不平衡、(3)制冷剂泄漏或管路问题引起的回气压力过低,电机冷却不足、(4)绕组绝缘层受损或制冷剂含水量过高,短路烧毁等。理论上,过载保护器能有效应付前2种情况,而热保护器能应付前3种情况。第4种情况中的“短路”可能与质量或安装有关,也可能与金属屑或制冷剂含水量太高有关。实际使用中,几种情况可能同时出现,并且互为因果,不可能像实验室那样,总是用崭新的压缩机作测试,而且往往将问题简单化。
    
     目前使用的热保护器和过载保护器的*大局限在与无法从根子上避免上述所有现象的发生,因而对电机的保护也只能停留于事后的“冷却疗法”,即暂时停机,让压缩机自然冷却,然后再运转。热保护器和过载保护器没有吸合次数限制,电机往往会在“保护-运转-再保护-再运转”的循环中烧毁。对于突发事件,如由铜屑等引起的绕组绝缘损坏或短路,电机会瞬间高温烧毁,热保护器和过载保护器都来不及反应,无法保护。
    
     现在,我们可以回答本文开头时的问题了。“热”和“过载”是电机烧毁的表象而不是根本原因,自然也不能单靠一个热保护器或过载保护器解决问题,这就是电机烧毁仍然无法完全避免的原因。
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