电机保护电路的原理分析与修复
——HBHQ-0-1及JD6型电子式多功能电机保护器
由三相交流电机组成的电力驱动系统构成了工业现代化的基础支撑。 三相交流电机(以下简称电机)的保护一直是一个长期存在的挑战。
20世纪80年代之前,电子技术的应用还处于起步阶段,电机保护主要由热继电器提供。国产车型包括JR20-XX系列和JR36-XX系列。其保护机制如下。 热继电器由加热元件、双金属片、触点以及一系列传动和调节机构组成。加热元件是电阻很小的电阻丝,串联在被保护电机的主电路中。双金属板是通过轧制两种具有不同热膨胀系数的金属板制造的。当电机过载时,流过加热元件的电流超过设定电流,不同膨胀系数的双金属片发生变形,当变形达到一定距离时,推动连杆,控制打开(常闭) )。由于线圈失电,触点断开,控制主电路接触器断开,切断主电路,实现电机过载保护。
热继电器因其体积小、结构简单、成本低而得到广泛应用。但与此同时,也存在难以克服的缺点,例如: 在双金属片的加热和弯曲过程中,由于热传递需要时间,因此不能使用热继电器进行短路保护。但只能用于过载保护。电机的短路保护通常是通过在电源电路中串联熔断器来实现,但热继电器可以依靠机械动作来提供停机保护。如果模型变形,动作阈值就会偏离设定值,导致误动作或保护失效。 普通热继电器没有缺相保护功能。
使用热继电器保护电机的典型电路如下图所示。
图1. 使用热继电器的电机过载保护电路
热继电器FR1串联在主电路中,FR1的常闭触点串联在控制回路中。当发生过载故障时,FR1的控制触点断开,交流接触器KM1的线圈失电。KM1 打开并发生过载停机。
1、启动和运行过程中电机可能出现的故障及保护功能:
1)电机过载
电机的一个重要运行参数是额定运行电流。如果电机在额定电流范围内运行,则处于安全运行区域。当工作电流因机械负载或电源电压变化而发生变化而出现异常情况时,电机过载,转速下降,电机绕组中的电流增大,超过额定工作电流,绕组温度将升高。上升。增加。过载运行会使电机绕组绝缘恶化,缩短电机的使用寿命。严重时,绕组绝缘会被破坏,导致短路、绕组起火等故障。电机的过载运行是指由于过电流导致滑差增大,导致绕组异常温升,也称为过电流运行。
电动机过电流的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,电机的短时过载和低级过载是难以避免的,但能够容忍的过电流量称为反时限保护特性,与过电流能够承受的时间成反比。容忍做。如下图所示。
图2 电机过载保护反向限位保护特性曲线
过载保护激活阈值设定点约为电机额定电流的0.95 至1.05。即运行电流小于1.1倍额定电流时,电机不应引起长期保护性停机运行。周期运行;如果过载程度继续增加,则必须根据过流程度缩短保护动作时间。一般认为,电动机的启动电流为额定电流的47倍,保护动作不仅要避免正常启动电流,而且要在出现过载时实施有效的停机保护。例如,如果额定电流为4倍额定电流,则保护动作将延迟10秒发生,如果额定电流为7倍额定电流,则保护动作将延迟2秒发生。由于对运行中的短期过载有一定的延时处理,因此可以有效地处理长期过载,不会出现误保护动作。
2)电机短路
短路保护是过载保护的一种有限情况。三相交流电机的短路故障包括单相接地故障和相间短路故障,电缆短路直接导致电机短路。三相电源。电机内部短路主要是电机绝缘损坏造成的,表现为线圈绕组间短路、层间短路、相间短路、对地(电机外壳、转子)短路等。单相对地短路通常会形成不同大小的接地电流,具体取决于外壳的接地电阻。会产生短路电流,通常会导致电机严重烧毁。
一般来说,任何大于电机额定电流八倍的电流都被视为短路电流。电机短路保护需要较小的时间常数(动作越快越好)。
另外,如果电机在运行过程中由于机械因素造成堵转,堵转电流可能达到额定电流的58倍。如果运行过程中出现超过5倍额定电流的电流,则认为电机堵转故障。考虑实施相应的反时限保护。
3)电机缺相
电机停电运行可分为以下几种情况:
a. 电源缺相。如果启动前电机缺相,可能会导致启动困难或无法启动。如果没有保护,电机很容易堵转和烧毁。工作时虽然可以在轻负载下工作,但工作电流可能会变得明显不平衡,并可能发生过流工作。在重负载下,它们很容易失速、严重过载和损坏。
b.电机绕组断线故障。电源正常,但由于电机绕组断线故障而出现缺相,运转无力,电机振动较大,故障现象与a相同。
c. 电机电缆断线故障。故障现象与电源缺相相同。
电子式电动机保护装置的出现,在一定程度上可以完全实现电动机的过载、短路、缺相保护,提高了控制功能和保护效果。本章重点是各种电子式电机保护电路的原理分析和故障检修指导。电子式电动机保护装置以下简称电动机保护装置。
2、电机保护装置如何采样故障信号:
1)过载、短路故障信号采样。电机启动时出现过载或短路故障,表现为流经电机绕组的电流异常增大。通常,电机保护电路使用三个电流互感器对工作电流信号进行采样并将其与采样信号进行比较。它通过比较电流参考信号来判断是否处于过载或短路故障状态,并在出现故障时输出停机信号。该电路采集并处理模拟电压信号,将——电流互感器输出的电流信号通过负载电阻转换为信号电压送入电压比较电路,得到故障信号输出。
当出现单相接地故障信号时,可通过零相电流互感器进行取样,其原理与漏电保护器相同。或者对电机壳电压进行采样,得到漏电信号。
2) 缺相信号的采样。如上所述,电机缺相可表现为多种故障,如电源缺相、电机电缆断线、电机绕组断线等。采用对三相电源电压进行采样的方法,只能对电源缺相故障进行保护,而完成后两种缺相故障检测的方法是不完整的。基本方法是采用三相电流采样方法来判断缺相故障。这使您能够准确响应三相失电故障,采取相应的技术措施,并确定三相电流不平衡度。
一般情况下,判断缺相运行时,重点是比较三相电流信号的有无和缺相,而不是电流信号的幅值。我收到信号。为此,通常将电流检测信号处理成数字信号,通过逻辑运算得到缺相保护信号。
3、电动机保护装置的一般电路配置:
图3 电机保护电路的典型配置
从上图可以看出,三个电流互感器LH1LH3取电机的三相工作电流信号,送至后续的过载、短路信号采样处理电路和输出电路。输出电路有多种形式,包括继电器触点信号输出和晶闸管元件开关。信号输出、晶体管集电极开路信号输出等
请注意,一些电机保护设备使用微控制器来处理电流和电压采样信号(尽管本章介绍了电流信号采样电路的前端电路)(类似于电路)。另外,故障动作电流值如下。您还可以从操作显示面板设置工作电流值、电压值等。虽然功能更加强大和智能,但范围还不够广泛。此外,一些产品,如变频器和软启动器,将过载、短路和缺相保护电路作为控制电路的组成部分。本章所述的电机保护器是采用模拟或数字硬件电路并作为独立部件使用的保护装置(产品)。
本节总结了这两类保护电路。首先是因为它们的电路结构和原理相似,其次很多低压电器厂家都生产此类产品,其他型号如JD-5、JDB-80也是因为也生产此类产品。与本文中的电路类似或相同。此类保护装置广泛应用于电机启动柜的制造和装配中。但该类产品的缺点是控制接线稍复杂。关机状态下显示缺相,进入缺相保护状态。输出控制触点为常闭触点,当发生过载或缺相时,触点打开并发出停机信号。
从各个工控网站上很多网友的帖子可以看出,很多人对于这类电机保护装置的接线和控制原理并不是很了解。因此,我将根据手头的(物理)原理图来解释电路。下面我们详细分析一下该类电机保护装置的原理和控制特性,希望对您有所帮助。
1、保护器控制接线
图4 保护器控制接线图
保护装置的控制接线如上图所示。该保护装置有四个控制端子。端子1、2为保护装置电源输入(也是主电路接触器线圈电源控制端子)。 (上图保护器采用380V控制电源。)3、4为端子内部常闭触点,输出异常动作信号。上图控制接线中,JD6保护器和接触器线圈一起通电(如果保护器先于接触器线圈通电,则失相控制触点动作!),端子3和3始终处于闭合状态。四者串联,当发生故障时,KM1自锁,接触器KM1和保护器JD6均失电。保护器端子内部电路请参见下图6、图7。
2、时基电路NE555电路原理简析
上述型号电子式电动机保护装置的核心元件主要采用时基电路NE555。由于本节的保护电路采用NE555和NE556电路,因此在分析整个电路之前我们先简单讨论一下NE555的性能和原理。
NE555是原始产品型号,以后还出现了LM555、A555、CA555、CB555等许多仿制品,统称为555。这些通常采用8 引脚2 行封装。可交换的。部分产品,如RV6555DC、LB8555和M52051,采用16引脚2排封装。更换时,必须注意引脚功能的差异。 NE555电路芯片应用灵活,常用来组成单稳态、双稳态、非稳态三种电路类型。 555芯片组成的电路广泛应用于工业(电子)控制领域。因此,也称为时间电路或时基电路。
图5 时基电路NE555的等效功能框图
NE556包含一个时基电路,为2排14引脚封装,相当于两个NE555电路的组合。上述555电路内部集成电路是双极型晶体管器件,兼容5-15V电源电压范围。
ICM7555和ICM7556器件的电路结构与NE555和NE556相同,但内部集成器件是CMOS场效应器件。类似器件型号有555CMS、556CMS、PD5555、PD5556、LMC555、LMC556、TLC555、TLC556、5G7555、5G7556等,适用电源电压范围2~18V,器件功耗低,适用功率范围宽。
如果满足电源条件,通常可以互换双极器件555和CMOS器件556(不考虑工作电流的差异)。
上图5是555时基电路的等效功能框图。 555器件是模拟和数字电路的“混合”电路,包含两个比较放大器A1和A2以及两个与非门电路1和2。逆变电路、驱动器N1和放电晶体管Q1。比较器A1和A2的输出分别用作与非门1和2的复位(R)和置位(S)信号,以控制由门1和2组成的R-S触发器的状态。 R-S触发器的输出直接控制放电晶体管T1的通断,并通过反相驱动器提供信号输出。
555电路芯片及各引脚功能:引脚8和引脚1为电源引脚,引脚4为主复位控制端,在引脚4无论输入/如何强制为0电平时使用。 A1和A2的输出状态第3脚输出Vo=0。引脚3是输出端,引脚5是控制端。通过添加外部电路,可以改变芯片内部的固定分压器值。输入触发信号和阈值信号的电压阈值。 7脚为放电端,与3脚的输出状态相反。通常用于对引脚2 和6 上的外部电容器进行放电,以完成时序控制。电路状态转换,2脚为触发信号输入端,6脚为阈值电压输入端。两个引脚上的输入信号决定输出状态。使用555芯片作为触发时,2脚又称为置位(S)端(下降沿信号输入有效),6脚又称为复位(R)端(上升沿信号输入有效)。有效的)。
555电路芯片工作原理:
A1比较器的同相端和A2比较器的反相端通过三个5k电阻分压,分别设置为2/3Vcc和1/3Vcc。当主复位控制端4号引脚为高电平“1”时,2、6引脚输入的触发和阈值电压信号要么是数字信号,要么是模拟电压信号,由5引脚外部电路调节控制。您可以更改引脚2 和6 上输入信号的工作阈值。
当引脚5为空且引脚4为高电平时,电路根据引脚2和引脚6处的输入电压信号幅值与1/3Vcc和2/3Vcc阈值电压的比较来确定输出状态。如果2脚输入电压值为2/3Vcc,则电路处于输出复位状态,2脚输入电压值为2/3Vcc,不允许输入。
3、HBHQ-0-1电机缺相过载保护装置
HBHQ-0-1电机缺相过载保护电路完整电路由控制电源、缺相保护电路、过载保护电路组成。
图6 HBHQ-0-1电机缺相过载保护装置完整电路
【电源电路】通过电源变压器降压得到AC12V电压,用LED1作为电源指示灯,实际显示“运行中”。此时,由于控制接线的原因,保护器和主电路接触器同时得电,发生故障时同时失电。
【缺相保护电路】LH1~LH3电流互感器感应的电流信号经整流滤波后转换为直流电压信号,提供Q1~Q3晶体管的基极偏置电流。三个晶体管串联连接。电机正常工作时,Q1Q3均饱和导通,Q1集电极电压基本处于电源地电平。 U2电路反向偏置并截止。电平信号输入和无保护停机信号输出。
例如,当发生缺相时,LH1电流互感器的感应信号因缺相而变为零,Q2失去偏置电流,由饱和导通变为截止,Q1集电极变为高电平,二极管D3导通。将故障信号输入到U2触发电路,U2输出停机保护信号。
【过载保护电路】 U1(NE555)电路、R2、C2等构成“改进型多谐振荡器(不稳定)电路”,输出过载保护信号。保护器上电瞬间,C2电容两端电压不能快速变化,因此U1的2、6脚输入电压信号低于1/3VCC,电路处于置位状态,3脚为将被输出。高电平,“过载”指示灯熄灭,无电流流过,三极管Q4饱和导通,二极管D2反偏截止,U2无高电平过载保护信号输入。
正常工作条件下,电机的工作电流值在额定电流的1.1倍以内。电流互感器LH4感应出的工作电流信号经D1、C1整流滤波后的直流电压值小于2/3VCC。 U1无法维持原来的输出状态。半可变电位器RP1作为LH1的负载电阻,负责将感应电流信号转换为电压信号。同时,RP1用于根据LH1的额定电流设置过载保护动作阈值——。发动机。此时放电端子7脚内部晶体管处于截止(高阻)状态,不影响外部电路。
在过载情况下(或上电启动时启动电流增大),经D1、C1整流滤波后得到的电流信号电压为2脚、2脚连接的电容C2的充电电压。 6 上升。当U1超过2/3Vcc时,电路进入复位状态,输出脚接地,过载指示灯亮,三极管Q4失去基极偏压而截止,二极管D2的正端变为高电平。将是水平的。 – 施加电平电压,从阻断切换到正向导通,并发送过载保护信号。 U2 关断信号输出电路。同时,U1的7脚内部放电管对地导通,一方面将通过R1输入的过流信号对地短路,另一方面为C2提供放电通路。通过R2。当C2上的电压下降到1/3VCC电压值时,U1的输出状态反转,晶体管Q4再次导通,暂时切断U1到U2的电机过载信号的传输通道。同时,U1的7脚内部放电管再次断开,C2的放电结束。显然,如果电机过载作为短时或瞬时信号发生,则过载时间越长,U1向U2发送过载信号的时间就越长(取决于R2和C2电路的时间常数)。更短。如果过程中出现过载,D1和C1整流后得到的电流信号电压会再次对C2充电。因此,当C2上的电压增加到2/3Vcc时,U1的输出状态反转,通道反转。重新连接向U2发送过载信号的连接。如果过载持续时间较长,过载指示灯会多次灭亮,表明U1已进行多次“振荡输出”。
[关机信号输出电路] RP4、C4、U2等构成关机信号输出电路。其中,RP4和C4为过载延时电路;一个电路提供一定的延时以避免电机启动时出现过载信号,另一个电路在运行过程中出现过载信号时提供一定的延时。延迟过载保护信号的输出。反时限保护特性要求。 D2、D3为隔离二极管,当U1输入过载信号时,通过R5、RP2、R6向C4提供充电电流,当U1状态反转时,D2反向偏置截止,放电。 “被封锁”。由于“振荡输出”信号的作用,当过载达到一定时间时,C4上的信号电压“逐渐积累并增大”。过载信号使能,U2输出关断保护信号。
U1与R7、R8等元件一起组成“变换触发电路”。 R8和C3的积分电路在保护器上电的瞬间提供延时功能,将U2的2脚电压从零升高到Vcc电源电压,在上电的瞬间产生置位信号。该脚保持高电平输出,继电器KA1处于断电状态,不会因上电冲击而误动作。然后引脚2将被拉高电平。在过载和断相信号未激活期间,即D2和D3反向偏置截止期间,U2保持原来的电路状态不变。当过载和断相信号使能时,引脚6 为输出。当输入高于2/3Vcc的信号电压时,U2的输出脚3接地电位,继电器KA1吸合,常闭触点打开,建立自锁状态。发生故障时,控制电路未建立,接触器KM1失电(见图4),实现电机停机保护。
4、JD6型全电子式多功能电动机保护器
JD6全电子式多功能电动机保护装置的完整电路如下图7所示。电路结构与HBHQ-0-1电动机缺相过载保护装置非常相似,但工作方法和工作性能略有不同。它已得到改进。
过载保护电路由电流互感器LH4和U1的第一组时基电路组成。 Vc控制端3脚加一个稳压二极管,将控制端电压稳定在2/3Vcc电源电压以下,提高过载保护动作精度。在图1-11的过载保护电路中,过载信号电压与2/3Vcc电源电压进行比较,电源电压的变化(没有稳压措施)会产生一个信号输出,作为参考点。由于信号比较(2/3Vcc电源电压)会发生随机变化,过载保护动作的阈值也会相应变化,降低动作精度。在图7的电路中,当过载信号电压与D12负端的调节参考电压进行比较时,确保了工作阈值的准确性。该电路还在“振荡模式”下输出过载保护信号。
图7 JD6全电子式多功能电机保护器
【过载反时限控制电路、缺相保护电路、末级截止信号输出电压】 缺相保护电路和过载反时限控制电路共用元件C2,构成不可分割的整体。 U1中的第二组时基电路构成关机信号关机电路。为了便于分析工作过程,将这三个电路部分放在一处进行分析。
电机正常工作时,电流互感器LH1LH3正常产生三相电流信号,晶体管Q1、Q2、Q3均处于饱和导通状态,正负极间电位差为零。电容C2负端为0,U1中的三相电流信号、两组时基电路的触发端电压和阈值电压输入端近似为电源电压Vcc(即8脚输入电压) )>1/3Vcc,12脚输入电压>2/3Vcc),U1内部满足复位条件,输出端9脚Vo=0,继电器KA1不动作。这里,在第二组时基电路的应用示例中,触发输入端2与阈值电压控制端12短接,在1/3Vcc下考虑时,相当于双端信号电路。当2/3Vcc设置为高电平时,电路的输入和输出信号之间的逻辑关系发生反转,使其相当于“反相电路”。电路输出状态的反转是将输入信号与两个参考电压:1/3Vcc 和2/3Vcc 进行比较的结果。由此可见,该电路的实际效果相当于一个“迟滞电压比较器”。
当缺相时,Q1Q3串联电路被断开,经电源Vcc、C2、D9、R10、电源地至C2形成充电电流回路,充电时产生电位。地面高度发生变化。这与向U1 的引脚8 和12 施加负脉冲相同。 U1内部反相电路由低电平信号触发,9脚反相。输出端变为高电平,继电器KA1得电,控制线主接触器断开,电机停止。
我们回顾一下过载反时限控制电路的工作过程。当出现过载信号时,U1的5脚变为地电平,通过电源Vcc、C2、D10、RP2内部电路形成C2的充电电流回路,U1的5脚到电源地。该回路接在RP2上,因此具有较大的时间常数,因此可以避免电机启动时的过载信号,并且对运行过程中出现的过载信号具有反时限保护特性。通过调节RP2的阻值可以改变过载延时动作时间。由于C2充电,当C1负极即U1的6脚和12脚电压逐渐降至1/3Vcc以下时,继电器KA1得电,使电机停止运转,进行过载停机保护。将会实现。
电路中的C2是具有“双重身份”的关键元件,在出现缺相或过载信号时产生停机保护触发信号。在许多电路中,只有特定组件的“第一身份”是可见的,但该组件的“第二隐藏身份”是不可见的,这使得电路原理的详细分析“卡住”了。当心。 D9和D10为隔离二极管,防止C2的两个充放电电路在出现缺相或过载信号时相互影响。当过载信号出现,C2充电回路形成时,D9进入反向偏压截止状态,阻断关断时Q3发射极高电位对C2负端电压的影响。当信号出现时(过载信号尚未出现),D10反向偏置截止,阻断U1引脚5高电位对C2负端电压的影响。
5、JD6等同类电机保护装置的故障排除要点(以图6、图7实际电路为例)
1)“产生电流检测信号”。维护时向保护器电源端子1、2供电时,接入380V交流电源时,无电流信号产生,缺相检测电路发出缺相故障信号,保护器进入故障运行状态。这表明缺相保护电路和末级关断信号产生电路基本正常。然而,这给反转时间控制电路的过载和维护带来不便。
用一根导线“暂时”短接Q3的集电极和Q1的发射极,相当于人为地产生了三相电流检测信号,屏蔽了缺相信号。
过载保护电路检测。在电容器C3 上施加12V DC 电压(必须至少为保护器电源Vcc 的2/3),以“人工生成”过载检测信号。通过调整RP1,可以改变“当前信号”或“深度”。可进行调整,检查电路是否能正常输出过载信号,电路的反向保护特性是否符合要求。如果过载系数约为1.2 倍,则延迟操作时间将约为5 分钟或更短。当过载倍数从3倍增加到7倍时,延时动作时间从几十秒增加到几秒。
2)根据电路特性进行维护。电动机保护装置的核心部件是NE555(NE556)。在进行维护之前,需要了解NE555各引脚的功能和电路原理,并了解各引脚的电压状态。此外,寻找结合特定电路来改变输入信号或改变输出状态的维护方法将提高可维护性和效率,并加强分析电路故障的能力。
在图7所示的电路中,如果您了解电路格式,您可以轻松地想出一种有效的检测方法来维护故障切断信号生成(末级)电路。如果我们把这个电路看作一个逆变器,如果引脚8和12瞬间短路到电源地,输出引脚9将变高,如果引脚8和12瞬间连接到电源正极,KA1它会打开。当电源短路时,输出脚9变为低电平,失电时KA1释放。两种简单的“短路连接方法”可以让您快速判断您的U1电路的质量。
6、电机保护器故障维修实例
【失败示例1】
对于JD6型电动机保护装置(见图7),启动时过载指示灯亮,并输出停机信号。无反时限过载保护功能,电机无法正常启动。保护器的反时限电路由RP2、C2等组成。如果过载指示灯正常亮起,则说明U1的5脚输出信号正常,前端电路也正常。我测试了RP2 和其他电阻元件,结果都很好。当我拆下C2并检查其电容时,发现其电容明显下降,并且电路的延迟时间太短,无法避免启动电流。更换C2后问题解决。
【失败示例2】
若有电机保护装置(电路结构见图6),即使按下控制电路的启动按钮,接触器也不会闭合,并输出缺相信号,导致电机无法启动。发动机。
当控制电源仅加到保护器上时,缺相指示灯亮,继电器发出吸合声,表明电路工作正常。停电时测量保护器3、4脚电阻值为无穷大,原因是继电器KA1触点接触不良导致主电路接触器未接通。更换继电器KA1并排除故障。
【失败示例3】
JD6电动机保护装置中,通电时,继电器吸合,常闭触点断开,阻止主电路接触器得电闭合。保护器单独上电,首先屏蔽缺相故障信号。缺相指示灯将不再亮起,但继电器KA1 仍处于吸合状态,U1 的引脚8 和12 将测量为高电平。随着电压升高,输出引脚9也变为高电平电压。确定U1内部输出级电路损坏。更换U1即可清除故障。
来源:公众号“逆变器维修论坛”
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