电动机保护器的故障信号采样方法

1）对过载、短路故障信号的采样。电动机起动运行中的过载和短路故障体现在流经电动机绕组的异常增大的电流值上，一般电动机保护器电路是采用3只电流互感器采样运行电流信号，将采样信号与电流基准信号相比较，判断是否处于过载或短路故障状态，故障时输出停机信号。电路采集处理的为模拟电压信号——电流互感器输出的电流信号经负载电阻转变为信号电压，送入电压比较器电路，得到故障信号输出。

单相对地短路故障信号的采样可通过零序电流互感器取得（原理同漏电断路器），或采样电动机外壳电压，取得漏电信号。

2）对断相故障信号的采样。如上所述，电动机的断相故障表现为电源断相、电动机电缆断路、电动机绕组断路等不同故障内容，若采用对三相电源电压进行采样的方法，仅能对电源断相故障进行保护，无法完成对后两种断相故障的检测，是不彻底的一个方法。根本的方法是采用对三相电流进行采样来判断断相故障的方法，对三种断相故障都能做出准确反应，采取相应的电路措施，还能对三相电流不平衡做出判断。

一般对断相运行的判断，不是着眼于电流信号幅度的大小，而是着重于三相电流信号的有无，比较三相电流信号的有无，得到断相故障信号。因而通常是将电流检测信号处理为数字信号，经逻辑运算，得到断相故障保护信号。

（1）断相保护、故障记忆和故障指示电路

本例电路断相故障检测电路设计思路新颖、电路简洁、动作可靠，具有断相故障检测、三相电流不平衡检测、断相故障信号记忆与指示功能，且能区分停机状态和运行中的断相状态，停机状态中断相保护信号无输出，断相指示灯不亮，不会误报断相故障。

电流互感器LH1、LH2、LH3和运放放大器1N1、1N2、1N3（3路运放电路接成3路电压比较器的电路形式）和晶闸管VT3等元件组成断相故障检测、故障记忆和指示电路。

1）停机状态下不误输出断相故障信号：在停机状态，三相电流检测信号电压为零，1N1、1N2、1N3等3路运放电路的同相输入端信号电压为0V。此时由电阻R12、R13对+12V分压，取得约1.1V的电压，经D7、D10、D13三只隔离二极管引入3路运放电路的反相输入端，“强制”使3路放大器输出端为低电平，不输出断相故障信号。R12、R13、D7、D10、D13又可称为“上电钳位电路”。

2）正常运行中也无断相故障输出：三相运行电流信号经3只电流互感器取出，在R3、R6、R9等3只互感器负载电阻上转化为交流电压信号，再经D6、D9、D12整流和电容滤波变为直流电压信号，经电阻分压后输入3路电压比较器1N1、1N2、1N3的反相输入端。3只稳压二极管DW1、DW2、DW3并接于3路运放放大器的反相输入端，用于吸收电动机起动期间产生的高幅度电流检测信号（起动期间检测信号达30V以上，运行期间的过电流信号小于10V以下），使运放电路不受输入信号的高电压冲击。此时，因电压比较器反相端输入的电流检测信号幅值，远远高于同相输入端R12、R13对+12V的分压值（1.1V），二极管D7、D10、D13反偏截止，“上电钳位电路”的使命已经完成。

同时，二极管D5、D8、D11和C10等整流滤波元件也将三相运行电流信号整流后滤波，经R14、R15分压后，作为“浮动基准电压”，供入3路电压比较器的同相输入端。电动机正常运行时，3路电压比较器同相输入端的“浮动基准电压”跟随于运行电流的变化而变化，但其电压幅值总是低于3个反相端输入的三相电流检测信号的电压幅度，使输出端均能保持低电平（正常运行）信号输出。

3）三相运行电流严重不平衡时，有断相故障信号输出：一种情况为某相电流远远大于另两相正常电流，但因电动机是处于轻载运行，所以并不能报出过载故障。三相电流不平衡的程度较为严重时，如电流互感器LH1感应电流信号偏大，而另两只电流互感器感应电流信号正常时，二极管D5和C10整滤波后输出电压升高，使3路电压比较器的同相端电压一同升高，因1N2、1N3反相输入端输入的正常电流检测信号幅度较低，1N2、1N3输出端变为高电平，二极管D15、D16正偏导通，输出断相故障信号；一种情况是某相电流远远小于另两相运行电流值时，也能报出故障信号。如LH3感应电流信号严重偏小时，致使1N3反相输入端电压值低于同相端输入电压值，1N3输出高电平，使二极管D16正向导通，电路也能输出断相故障信号。电路中D14、D15、D16为隔离二极管，使1N1、1N2、1N3三级电压比较器的输出端电位不产生相互影响。

4）发生断相故障时，有断相故障信号输出：断相故障发生时，如发生L2/B相断相故障时，LH2电流互感器的输出电流为0，1N2反相输入端电压低于同相输入端电压值，1N2的输出端8脚变为高电平，二极管D15正偏导通，向后级电路输出断相故障信号。

1N1、1N2、1N3等3路电压比较电路，其断相检测是对同相输入端和反相输入端电流信号的有、无进行比较来判断的；对不平衡故障的检测，则是利用两个输入端信号大小的显著差异来判断的。两输入信号都是随运行电流而“浮动变化的”，并不与一个固定基准电压进行比较，电路检测信号并不着眼于一个“精确电流值”，而仅是判断输入电流信号的有无和显著的大小差异。这也是断相检测电路的一个特点。

故障记忆和指示电路的工作原理如下所述：

当断相、三相电流不平衡故障发生后，控制电路输出停机保护信号，电动机停止运行，使三相运行电流信号消失，断相故障检测电路因“丢失电流检测信号”而停止故障信号的输出。要做到保护停机后仍有故障指示，便于告知操作人员故障原因，利于故障检修，这需要后级电路具有“触发器性质”，受瞬态故障信号触发后，便能自行维持故障信号的输出，起到故障闭锁和故障记忆作用。并且在其故障闭锁期间，使输入起动信号无效，同时并能显示停机原因（因发生何种故障而保护停机），做出相应的故障指示。

单向晶闸管VT3、发光二极管HL2、晶体管Q4等元件组成断相故障记忆、断相故障指示和停机信号输出电路。

在停机和正常运行状态，单向晶闸管VT3的门极（或称控制极）一直为低电平，VT3处于截止状态；当断相故障信号形成后，VT3的门极变为高电平，VT3受触发而导通，并经HL2断相故障指示灯和电阻R22提供晶体管Q4的正向基极偏流，Q4导通，向后级电路输送停机保护信号。电动机停止运行后，1N1～1N3输出的断相检测信号消失，但因晶闸管VT3的“导通状态自保持”作用，一直处于通态，HL2一直点亮，显示断相故障，直到工作人员操作停机按钮SB1后，解除故障锁定状态。

（2）过载/短路保护、故障记忆和故障指示电路(www.xing528.com)

电动机在起动和运行过程中可能发生的故障和保护特点：

1）电动机的过载。

电动机的一个重要工作参数即额定工作电流，在额定电流以内运行为安全工作区。机械负载或供电电压变化都会引起工作电流的变化，出现异常情况时使电动机过载，转速下降，电动机绕组中的电流增大，超过额定工作电流，绕组温度升高。过载运行会导致电动机绕组绝缘老化、缩短电动机使用寿命，严重时使绕组绝缘击穿造成短路，绕组起火烧毁等故障。电动机的过载运行，指转差率增大由过电流引起绕组异常温升，所以又称为过电流运行。

电动机的过电流大小与过电流时间之间的关系称为过载特性。在实际运行中，电动机短时过载和较低程度的过载是难以避免的，也是被允许的，过电流大小和过电流允许时间呈反比，称为反时限保护特性，其特性曲线如图3-9所示。

图3-9 电动机过载保护反时限保护特性曲线

过载保护运行阈值的整定点在电动机额定电流的0.95～1.05倍，即运行电流在额定电流的1.1倍以下时，电动机应该能长期运行不产生保护停机动作；过载程度继续加大时，保护动作时间应随过电流程度的加重而缩短。一般认为，电动机的起动电流为额定电流的4～7倍，保护动作应该既能避开正常的起动电流，又能在过载时实施有效的停机保护。比如在4倍额定电流时，延时15s产生保护动作，在7倍额定电流时，延时2s即应产生保护动作。对运行中的短时轻度过载，有一定的时间延时处理，不会产生误保护动作，对长时间过载，则能做出有效的反应。

2）电动机的短路。

短路保护是过载保护的一个极限情况。三相交流电动机的短路故障，有单相接地短路故障、相间短路故障等，当电缆或电动机绕组短路时，更直接造成对三相电源的短路。电动机内部短路大都是电动机绝缘损坏引起的，表现为线圈匝间短路、层间短路、相间短路和绕组对地（电动机外壳）短路等。单相对地短路，一般不会烧毁电动机，据外壳接地电阻的不同，形成大小不同的接地电流；（两相或三相）相间短路时，会形成较大的短路电流，通常会使电动机严重烧毁。

一般，将大于电动机8倍额定电流，视为短路电流。对电动机的短路保护，要求实施速断保护，时间常数越小越好（动作越快越好）。

另外，当电动机在运行中因机械原因出现堵转时，其堵转电流有可能达到额定电流的5～8倍，在运行中出现5倍以上额定电流时，视为电动机堵转故障，也应实施相应的反时限保护。

本例机型的过载/短路保护电路由过载保护动作整定值电位器RP1、电压比较器1N4等外围元件组成。

经二极管D5、D8、D11、C10等整流滤波元件，取得的三相运行电流信号，输入到由半可变电位器RP1的上端子，经整定后由中心活动臂输出至后级电路，RP1用于出厂整定，其整定值的大小与电压比较器1N4反相输入端的基准电压相关，就本电路而言，整定原则是：当负载电动机的工作电流等于额定电流的1.1倍以下时，调整RP1电位器，使其中心活动臂的输出信号电压值为3V左右。

过载反时限保护电路：由R17、C14组成的积分电路，是为满足过载反时限保护特性而设的。在起动过程或运行中过载发生时，当过载电流倍数在1.15～7倍以内时，RP1中心臂输出电压值为3.1～19V，但1N4的同相输入端电压值，由于R17、C14的积分延时作用，会缓慢上升到3V动作阈值电压以上。对应于过载电流倍数在1.15～7倍的输入电流信号，延时时间从数分钟到数秒。既避过了正常的起动电流，又在过载发生时，据过载程度的轻重，实施不同时间常数的延时保护。因正常起动过程电流有一个由小到大的过程，电容C14上电压随RP1中心臂电压值逐渐上升，使稳压二极管DW5负端和正端电位差总是维持于小于6V状态，因而DW5一直处于非击穿状态，积分延时电路发挥着正常的过载延时保护作用。

短路故障发生时的速断保护电路：短路故障，往往发生在刹那之间，运行电流急剧上升，RP1中心臂与C14正端的电压差迅即上升到6V以上，DW5处于击穿状态，相当于将R17短接，使积分延时电路失去作用，短路信号电压近乎无延时地输入到1N4的同相输入端，实现了短路故障发生时（ms级）的速断保护；还有一种情况，是起动或运行电流增大到一定程度时，发生的短路故障。当异常运行电流值达到约8倍额定电流以上时，DW5两端电压差达6V以上，处于击穿状态，使1N4放大器输出变为高电平，也达到了速断保护。

后级的短路故障记忆与指示电路与断相故障信号电路一样，不再赘述。

本例整机电路，核心元件为LM324集成运放电路，虽然属于模拟电路，但电路却并非工作于线性放大状态，从输入、输出信号的逻辑关系来看，电路恰恰是工作于开关状态的，电路的基本形式为电压比较器，输出（H/L）状态的转换是依据对两输入端信号电压的比较。选用模拟电路来处理开关信号，对输入信号的范围和动作转换点，可以灵活设置，有时比选用开关电路，应用上更为方便。