1.13　電氣控制系統(tǒng)常用的保護(hù)環(huán)節(jié)

為了保證電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)及各種電器和控制電路能正常運(yùn)行，消除可能出現(xiàn)的有害因素，并在出現(xiàn)電氣故障時(shí)，盡可能使故障縮小到最小范圍，以保障人身和設(shè)備的安全，必須對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)置必要的保護(hù)環(huán)節(jié)。常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有過(guò)電流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、失電壓保護(hù)、斷相保護(hù)、弱磁保護(hù)與超速保護(hù)等。本節(jié)主要介紹低壓電動(dòng)機(jī)常用的保護(hù)環(huán)節(jié)。

1.13.1　電流保護(hù)

電氣元件在正常工作中，通過(guò)的電流一般在額定電流以內(nèi)。短時(shí)間內(nèi)，只要溫升允許，超過(guò)額定電流也是可以的，這就是各種電氣設(shè)備或元件根據(jù)其絕緣情況的不同，具有不同的過(guò)載能力的原因。電流保護(hù)的基本原理是將保護(hù)電器檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)變換或者放大后去控制被保護(hù)對(duì)象，當(dāng)達(dá)到整定數(shù)值時(shí)，保護(hù)電器動(dòng)作。電流型保護(hù)主要有過(guò)流、過(guò)載、短路和斷相幾種。

（1）短路保護(hù)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組和導(dǎo)線的絕緣損壞，或者控制電器及線路損壞發(fā)生故障時(shí)，線路將出現(xiàn)短路現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的短路電流，可達(dá)額定電流的幾十倍，使電動(dòng)機(jī)、電器、導(dǎo)線等電氣設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，因此在發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)電器必須立即動(dòng)作，迅速將電源切斷。

常用的短路保護(hù)電器是熔斷器和斷路器。熔斷器的熔體與被保護(hù)的電路串聯(lián)，當(dāng)電路正常工作時(shí)，熔斷器的熔體不起作用。當(dāng)電路短路時(shí)，很大的短路電流流過(guò)熔體，使熔體立即熔斷，切斷電動(dòng)機(jī)電源。同樣，若在電路中接入自動(dòng)空氣斷路器，當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，斷路器會(huì)立即動(dòng)作，切斷電源使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。圖1-89中就使用了熔斷器作短路保護(hù)，若將電源開關(guān)QS換成斷路器，同樣可以起到短路保護(hù)作用。

（2）過(guò)載保護(hù)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大，啟動(dòng)操作頻繁或缺相運(yùn)行時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的工作電流長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)其額定電流，電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱，溫升超過(guò)其允許值，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的絕緣材料變脆，壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)損壞。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，保護(hù)電器應(yīng)動(dòng)作，切斷電源使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，避免電動(dòng)機(jī)在過(guò)載下運(yùn)行。

常用的過(guò)載保護(hù)電器是熱繼電器。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作電流等于額定電流時(shí)，熱繼電器不動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正常工作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載或過(guò)載電流較小時(shí)，熱繼電器不動(dòng)作，或經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才動(dòng)作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載電流較大時(shí)，熱繼電器動(dòng)作，先后切斷控制電路和主電路的電源，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。圖1-89中就使用了熱繼電器作過(guò)載保護(hù)。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)進(jìn)行缺相保護(hù)，可選用帶斷相保護(hù)的熱繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，一般要進(jìn)行短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)。

（3）斷相保護(hù)

在故障發(fā)生時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)的電源有時(shí)出現(xiàn)斷相，如果有兩相電斷開，電動(dòng)機(jī)處于斷電狀態(tài)，只要注意防止觸電事故，通常是沒有危險(xiǎn)的。但是如果只有一相電斷開，電動(dòng)機(jī)是可以運(yùn)行的，但電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩很小，運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生燒毀電動(dòng)機(jī)的事故，因此要進(jìn)行斷相保護(hù)。

圖1-89所示是簡(jiǎn)單星形零序電壓斷相保護(hù)原理圖，通常星形連接電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，當(dāng)發(fā)生斷相時(shí)，會(huì)造成零電位點(diǎn)存在電位差，從而使繼電器KA吸合，使控制回路的接觸器線圈斷電，從而切斷主回路，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1-90所示是欠電流繼電器斷相保護(hù)原理圖。圖中使用3只繼電器，當(dāng)沒有發(fā)生斷相事故時(shí)，欠電流繼電器的線圈帶電，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)可以正常運(yùn)行；而當(dāng)有一相斷路時(shí)，欠電流繼電器的線圈斷電，從而使接觸器的線圈斷電，使主電路斷電，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，起到斷相保護(hù)作用。

（4）過(guò)電流、欠電流保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)是區(qū)別于短路保護(hù)的一種電流型保護(hù)。所謂過(guò)電流，是指電動(dòng)機(jī)或電氣元件超過(guò)其額定電流的運(yùn)行狀態(tài)，它一般比短路電流小，不超過(guò)6倍的額定電流。在過(guò)電流的情況下，電氣元件并不會(huì)馬上損壞，只要在達(dá)到最大允許溫升之前電流值能恢復(fù)正常，還是允許的。但過(guò)大的沖擊負(fù)載會(huì)使電動(dòng)機(jī)經(jīng)受過(guò)大的沖擊電流，以致?lián)p壞電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，過(guò)大的電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)使機(jī)械的傳動(dòng)部件受到損壞，因此要瞬時(shí)切斷電源。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生過(guò)電流的可能性要比發(fā)生短路時(shí)要大，特別是在頻繁啟動(dòng)和正/反轉(zhuǎn)、重復(fù)短時(shí)工作電動(dòng)機(jī)中更是如此。

過(guò)電流保護(hù)常用過(guò)電流繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常過(guò)電流繼電器與接觸器配合使用，即將過(guò)電流繼電器線圈串接在被保護(hù)電路中，當(dāng)電路電流達(dá)到其整定值時(shí)，過(guò)電流繼電器動(dòng)作，而過(guò)電流繼電器的常閉觸點(diǎn)串接在接觸器的線圈電路中，使接觸器的線圈斷電釋放，接觸器的主觸點(diǎn)斷開來(lái)切斷電動(dòng)機(jī)電源。這種過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)常用于直流電動(dòng)機(jī)和三相繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的控制電路中。若過(guò)流繼電器動(dòng)作電流為1.2倍電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，則過(guò)流繼電器亦可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)作用。

1.13.2　電壓保護(hù)

電動(dòng)機(jī)或者電氣元件是在一定的額定電壓下工作，電壓過(guò)高、過(guò)低或者工作過(guò)程中人為因素的突然斷電，都可能造成生產(chǎn)設(shè)備的損壞或者人員的傷亡，因此在電氣控制線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置失壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)及欠電壓保護(hù)。

（1）零電壓、欠電壓保護(hù)

生產(chǎn)機(jī)械在工作時(shí)若發(fā)生電網(wǎng)突然停電，則電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)，生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件也隨之停止運(yùn)轉(zhuǎn)。一般情況下操作人員不可能及時(shí)拉開電源開關(guān)，如果不采取措施，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時(shí)，電動(dòng)機(jī)便會(huì)自行啟動(dòng)，很可能造成人身和設(shè)備事故，并引起電網(wǎng)過(guò)電流和瞬間網(wǎng)絡(luò)電壓下降。因此必須采取零電壓保護(hù)措施。

在電氣控制線路中，用接觸器和中間繼電器進(jìn)行零電壓保護(hù)。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，接觸器和中間繼電器電流消失，觸點(diǎn)復(fù)位，切斷主電路和控制電路電源。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時(shí)，若不重新按下啟動(dòng)按鈕，則電動(dòng)機(jī)不會(huì)自行啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零電壓保護(hù)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)便在欠電壓下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，定子繞組電流增加。因?yàn)殡娏髟黾拥姆壬胁蛔阋允谷蹟嗥骱蜔崂^電器動(dòng)作，所以這兩種電器起不到保護(hù)作用，如果不采取保護(hù)措施，隨著時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱損壞。另一方面，欠電壓將引起一些電器釋放，使電路不能正常工作，也可能導(dǎo)致人身、設(shè)備事故。因此應(yīng)避免電動(dòng)機(jī)在欠電壓下運(yùn)行。

實(shí)際欠電壓保護(hù)的電器是接觸器和電磁式電壓繼電器。在機(jī)床電氣控制線路中，只有少數(shù)線路專門裝設(shè)了電磁式電壓繼電器以起欠電壓保護(hù)作用，而大多數(shù)控制線路由于接觸器已兼具欠電壓保護(hù)功能，所以不必再加設(shè)欠電壓保護(hù)電器。一般當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到額定電壓的85%以下時(shí)，接觸器或電壓繼電器動(dòng)作，切斷主電路和控制電路電源，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

（2）過(guò)電壓保護(hù)

電磁鐵、電磁吸盤等大電感負(fù)載及直流電磁機(jī)構(gòu)、直流繼電器等在通、斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將使電磁線圈絕緣擊穿而損壞，因此必須采用過(guò)電壓保護(hù)措施。通常對(duì)于交流回路，在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)電阻和電容，而對(duì)于直流回路，則在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，以形成一個(gè)放電回路，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓的保護(hù)，如圖1-91所示。

1.13.3　其他保護(hù)

除上述保護(hù)外，還有速度保護(hù)、漏電保護(hù)、超速保護(hù)、行程保護(hù)、油壓（水壓）等，這些都是在控制電路中串接一個(gè)受這些參量控制的常開觸點(diǎn)或常閉觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的電源控制。這些裝置有離心開關(guān)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、行程開關(guān)和壓力繼電器等。