大功率水泵电动机二次保护器的设计与应用

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[摘 要]针对大功率水泵电动机电气设备，在高温、高湿、通风差的环境条件下运行时，易发生电气故障现象。自行设计了大功率电动机二次保护装置，已长时间投入现场使用，经济效益和使用效果显著。该保护器增设了电动机绕组线圈超温保护、轴承磨损超温保护、电动机超湿结露保护功能，在原变频器自身失去保护作用的情况下，二次保护器可及时起到保护作用，完善了电动机的过压过流、短路、漏电等多种保护。保护功能更加完善齐全，确保了大功率水泵电动机稳定可靠运行。

[关键词]超温保护 超湿保护 风冷保护

中图分类号：TM772 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）42-0384-01

引言：

随着科技的进步，现在不地方大功率水泵电动机是靠变频器软启动并拖动运行工作的，但易受环境温度高、湿度高及自然通风差恶劣环境等因素影响，常会造成变频器、电动机电气性能降低，同时长期长时间的连续运行，变频器内的驱动功率模块电子元器件寿命会减少，极易损坏。电动机轴承高速运转，轴承磨损严重，机械效率降低，阻力增加，也会造成定子绕组超温工作，运行电流增大，加速绝缘老化。加之维护检修不当，机械、电气引起故障时常发生，一般变频器自身缺少电动机定子绕组超温和轴承超温保护功能。其次当水泵管网突发爆裂时，电动机接线室及线组内湿度会大幅度增加，变频器同样缺少超湿保护功能，难以实现对水泵电动机有效可靠的保护。为此，我们设计了大功率水泵电动机二次保护器装置，通过长时间的应用，取得了良好的使用效果和经济价值。

一、大功率水泵电动机二次保护器的组成结构

二次保护器主要由JDB-120矿用电动机保护器、二次保护主控器、定子绕组超温传感器、轴承超温传感器、超湿传感器、外置式冷却风机装置等组成。JDB-120保护器、主控器保护、中间继电器、交流接触器安装于自制控制配电箱内。

二、主控制器、温湿度传感器硬件设计及工作原理

1、主控制器

主控器以8位AVR嵌入式微处理器ATMEGA48为核心，由DC-DC稳压电源单元、LED数码驱动显示单元、温湿参数设置控制单元、温湿报警控制输出单元、温湿传感器信号采集单元组成。它具有性能高、低功耗，失电时参数记忆保存，温湿度断电点范围宽，设置参数方便，显示清晰直观等优点。主控器与温湿传感器接口采用数字信号串行数据传输，通讯距离可达150米且稳定可靠。

2、温湿度传感器及检测点安装位置和方法

温湿度传感器采用数字信号传输，是复合型传感器，它应用了专用的数字模块采集技术，传感器由NTC测温元件探头和电容式感湿元件探头组成。具有温湿测量范围大（温度0℃-100℃，湿度%RH-100%）精度高（0.1）误差小，实时检测反应速率快，体积小等优点。

温度传感器检测探头通过电动机接线盒安装在定子绕组线圈端部，可用耐温蜡管或塑料热缩管捆扎固定。另一支温度检测探头安装在距轴承较近的铁芯处。湿度传感器检测探头安装在电动机接线盒侧壁，固定即可。因传感器探头供电是直流供电与电动机交流电隔离，两者之间绝缘良好，互不影响。

3、温湿数字传感器与主控器简要工作原理

温度感温探头NTC采集的温度参数信号送入数字集成块I3（32P207）2脚和8脚，经集成块I3内部放大转换后由10脚输出，送入主控器微处理器（ATMEGA48）IC总线23脚接口，经微处理器A/D转换处理后驱动74HC164移位数码管，显示温度实时数据。当电动机绕组温度异常升高或轴承损坏异常时，温度升至70℃达到设定上限值，微处理器判断电动机绕组线圈温度或轴承温度异常发出控制指令，其13脚输出高电平，驱动三极管导通，继电器线圈得电吸合，常开接点闭合，中间继电器动作，控制变频器保护动作，切断电动机变频器供电源，电动机停止运行。起到绕组线圈或轴承超温电动机保护作用。

湿度传感器探头采用电容式感温元件，感湿探头采集的湿度参数信号送入数字集成块I3（32P207） 1脚，经集成块I3内部放大转换后，同样由10脚输出，送入微处理器（ATMEGA48）IC 总线23脚接口，经微处理A/D转换处理后驱动74HC164移位数码管，显示湿度实时数据，当水泵管网突发爆裂或环境湿度过大时，会引起电动机接线盒内湿度异常升高，达到上限设定值93%RH时，微处理器判断电动机接线盒内湿度或电动机周围环境湿度异常，发出控制指令，其12脚输出高电平，驱动三极管导通，继电器线圈得电吸合，常开接点闭合，中间继电器动作，控制变频器保护动作，切断变频器电动机供电源，电动机停止运行，起到超湿保护电动机作用。

4、JDB-120电动机综合保护器

原变频器自身保护器，受环境温度、湿度和电网电压停送电冲击，变频器驱动模块等电子元器件容易损坏，会造成变频器自身失去保护功能。为避免电动机失去短路、过载、过流、缺相、漏电（外壳）、堵转等保功能。大功率水泵电动机二次保护器加装了JDB-120电机综合保护器。它具有保护功能齐全、体积小、寿命长、灵敏可靠性能高等优点。调试JDB-120时启动电动机运行，根据电动机功率大小，选择钳形电流表量程，测得正常带载运行电流数据，选择JDB-120电流保护档位，从低档逐级升档开始调试，直至JDB-120保护器动作，电动机停止运行，此时在此档位基础上增加1档做为保护动作值，即可完成调试。

5、加装电动机外置式风机冷却控制装置

由于电动机启动是变频器软起拖动的，电动机一般采用普通三相异步电动机，变频电动机成本较高，现场实际很少使用变频电动机。变频器调速对普通电动机的影响主要有以下几个方面：

（1）、谐波电流的影响

高次谐波电流将使电动机的损耗增加，电机运行温度上升，用变频器给电动机供电与工频电网供电相比较，电动机运行电流增加10%，温升将增加20%左右。

（2）、高压高频脉冲电压的影响

定子绕组要承受很高的电压上升率，对电动机施加陡度很大的冲击电压。对匝间绝缘、相间绝缘、对地绝缘构成威胁，加速绝缘材料老化。

（3）、低速运行的影响

低频运行时电动机的磁饱和、励磁电流的波形严重畸变，普通异步电机，依靠内部的扇叶冷却。低速运行时，冷却风量减小，使冷却状况变差，电动机温升增加，电动机内置式冷却风扇满足不了降温的需要。

鉴于上述几方面影响及地下室环境温度高等原因，因此加装了电动机外置式风机冷却控制装置，由60W风机强制冷却对其电动机外壳进行降温，有效保证了电动机可靠运行。

三、大功率水泵电动机二次保护器的应用效果

自2013年3月自行设计了大功率水泵电动机二次保护装置并进行现场实际应用至今，无一台电动机和变频器损坏，实现了当其中1台保护器失去短路、过压、过流、缺相、漏地保护功能后，另1台保护器可迅速的起到保护作用，保护功能更加齐全和完善，确保了大功率水泵电动机安全、有效、可靠的运行，。

四、经济效益和经济价值

大功率水泵电动机二次保护器可扩展到大功率22～110KW电动机等电气设备中使用，保护灵敏可靠、功能齐全，所需材料JDB系列保护器、主控制器、继电器、接触器、传感器、控制箱不足1000元。大大降低维护维修成本和设备材料成本，节省了人力资源成本，节约了设备材料成本约15万元。

参考文献：

[1] 张燕宾，变频器的安装使用与维护，中国电力出版社，2009年.

[2] 毕小玉，主通风机电动机绝缘状态监测及故障诊断方法方法研究 《工矿自动化》2013年第9期31-35.