1.13　电气控制系统常用的保护环节

为了保证电力拖动控制系统中的电动机及各种电器和控制电路能正常运行，消除可能出现的有害因素，并在出现电气故障时，尽可能使故障缩小到最小范围，以保障人身和设备的安全，必须对电气控制系统设置必要的保护环节。常用的保护环节有过电流保护、过载保护、短路保护、过电压保护、失电压保护、断相保护、弱磁保护与超速保护等。本节主要介绍低压电动机常用的保护环节。

1.13.1　电流保护

电气元件在正常工作中，通过的电流一般在额定电流以内。短时间内，只要温升允许，超过额定电流也是可以的，这就是各种电气设备或元件根据其绝缘情况的不同，具有不同的过载能力的原因。电流保护的基本原理是将保护电器检测的信号经过变换或者放大后去控制被保护对象，当达到整定数值时，保护电器动作。电流型保护主要有过流、过载、短路和断相几种。

（1）短路保护

当电动机绕组和导线的绝缘损坏，或者控制电器及线路损坏发生故障时，线路将出现短路现象，产生很大的短路电流，可达额定电流的几十倍，使电动机、电器、导线等电气设备严重损坏，因此在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。

常用的短路保护电器是熔断器和断路器。熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔断器的熔体不起作用。当电路短路时，很大的短路电流流过熔体，使熔体立即熔断，切断电动机电源。同样，若在电路中接入自动空气断路器，当出现短路时，断路器会立即动作，切断电源使电动机停转。图1-89中就使用了熔断器作短路保护，若将电源开关QS换成断路器，同样可以起到短路保护作用。

（2）过载保护

当电动机负载过大，启动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。因此，当电动机过载时，保护电器应动作，切断电源使电动机停转，避免电动机在过载下运行。

常用的过载保护电器是热继电器。当电动机的工作电流等于额定电流时，热继电器不动作，电动机正常工作；当电动机短时过载或过载电流较小时，热继电器不动作，或经过较长时间才动作；当电动机过载电流较大时，热继电器动作，先后切断控制电路和主电路的电源，使电动机停转。图1-89中就使用了热继电器作过载保护。

对于电动机进行缺相保护，可选用带断相保护的热继电器来实现过载保护。对于三相异步电动机，一般要进行短路保护和过载保护。

（3）断相保护

在故障发生时，三相异步电动机的电源有时出现断相，如果有两相电断开，电动机处于断电状态，只要注意防止触电事故，通常是没有危险的。但是如果只有一相电断开，电动机是可以运行的，但电动机的输出转矩很小，运行时容易产生烧毁电动机的事故，因此要进行断相保护。

图1-89所示是简单星形零序电压断相保护原理图，通常星形连接电动机的中性点对地电压为零，当发生断相时，会造成零电位点存在电位差，从而使继电器KA吸合，使控制回路的接触器线圈断电，从而切断主回路，进而使电动机停止转动。

图1-90所示是欠电流继电器断相保护原理图。图中使用3只继电器，当没有发生断相事故时，欠电流继电器的线圈带电，其常开触点闭合，电动机可以正常运行；而当有一相断路时，欠电流继电器的线圈断电，从而使接触器的线圈断电，使主电路断电，进而使电动机停止运行，起到断相保护作用。

（4）过电流、欠电流保护

过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流，是指电动机或电气元件超过其额定电流的运行状态，它一般比短路电流小，不超过6倍的额定电流。在过电流的情况下，电气元件并不会马上损坏，只要在达到最大允许温升之前电流值能恢复正常，还是允许的。但过大的冲击负载会使电动机经受过大的冲击电流，以致损坏电动机。同时，过大的电动机电磁转矩也会使机械的传动部件受到损坏，因此要瞬时切断电源。电动机在运行中产生过电流的可能性要比发生短路时要大，特别是在频繁启动和正/反转、重复短时工作电动机中更是如此。

过电流保护常用过电流继电器来实现，通常过电流继电器与接触器配合使用，即将过电流继电器线圈串接在被保护电路中，当电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，而过电流继电器的常闭触点串接在接触器的线圈电路中，使接触器的线圈断电释放，接触器的主触点断开来切断电动机电源。这种过电流保护环节常用于直流电动机和三相绕线转子电动机的控制电路中。若过流继电器动作电流为1.2倍电动机启动电流，则过流继电器亦可实现短路保护作用。

1.13.2　电压保护

电动机或者电气元件是在一定的额定电压下工作，电压过高、过低或者工作过程中人为因素的突然断电，都可能造成生产设备的损坏或者人员的伤亡，因此在电气控制线路设计中，应根据实际要求设置失压保护、过电压保护及欠电压保护。

（1）零电压、欠电压保护

生产机械在工作时若发生电网突然停电，则电动机将停转，生产机械运动部件也随之停止运转。一般情况下操作人员不可能及时拉开电源开关，如果不采取措施，当电源电压恢复正常时，电动机便会自行启动，很可能造成人身和设备事故，并引起电网过电流和瞬间网络电压下降。因此必须采取零电压保护措施。

在电气控制线路中，用接触器和中间继电器进行零电压保护。当电网停电时，接触器和中间继电器电流消失，触点复位，切断主电路和控制电路电源。当电源电压恢复正常时，若不重新按下启动按钮，则电动机不会自行启动，实现了零电压保护。

当电网电压降低时，电动机便在欠电压下运行，电动机转速下降，定子绕组电流增加。因为电流增加的幅度尚不足以使熔断器和热继电器动作，所以这两种电器起不到保护作用，如果不采取保护措施，随着时间延长会使电动机过热损坏。另一方面，欠电压将引起一些电器释放，使电路不能正常工作，也可能导致人身、设备事故。因此应避免电动机在欠电压下运行。

实际欠电压保护的电器是接触器和电磁式电压继电器。在机床电气控制线路中，只有少数线路专门装设了电磁式电压继电器以起欠电压保护作用，而大多数控制线路由于接触器已兼具欠电压保护功能，所以不必再加设欠电压保护电器。一般当电网电压降低到额定电压的85%以下时，接触器或电压继电器动作，切断主电路和控制电路电源，使电动机停转。

（2）过电压保护

电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等在通、断电时会产生较高的感应电动势，将使电磁线圈绝缘击穿而损坏，因此必须采用过电压保护措施。通常对于交流回路，在线圈两端并联一个电阻和电容，而对于直流回路，则在线圈两端并联一个二极管，以形成一个放电回路，实现过电压的保护，如图1-91所示。

1.13.3　其他保护

除上述保护外，还有速度保护、漏电保护、超速保护、行程保护、油压（水压）等，这些都是在控制电路中串接一个受这些参量控制的常开触点或常闭触点来实现对控制电路的电源控制。这些装置有离心开关、测速发电机、行程开关和压力继电器等。