马达过热保护
中心议题：
- 就过热危险讨论马达的过热保护
- 在马达的设计、制造、安装以及使用环节采用保护措施
- 马达堵转温度测试
解决方案：
- 使用马达装入式热保护器
- 如果马达驱动的电器装有过载保护器，就不一定需要过热保护
一、马达过热保护的目的
马达是应用十分广泛的机电设备，在日常生活以及各行各业工作中经常使用，如果不对马达采取保护措施，就会可能造成安全事故。马达驱动的电器在使用中可能出现的危险有电击危险，起火危险与过热危险。本文就过热危险讨论一下马达的过热保护。马达过热的原因有很多，例如运行过载，选型不合适，冷却故障，缺乏监控和必要的维护导致绝缘过早老化等。马达在运行时都会产生损耗，这些损耗一方面降低了马达的效率，另一方面损耗转变成马达发热，使马达绕组的温度升高。绕组绝缘材料的使用寿命，同它的工作温度有关，温度过高，绝缘材料就会加速老化，使绝缘性能急剧降低，大幅缩短马达的使用寿命，甚致出现火灾危险与触电危险。所以，马达过热保护的目的，主要是在马达的设计、制造、安装以及使用环节采用保护措施，当马达在一定的负载和散热条件下工作时，绕组的温度不超过标准的允许值。
二、马达过热保护的相关标准
每个国家或每个单独的标准对马达过热保护的要求会有差异，我们以加拿大电气法规（Canadian Electrical Code, Part I, Safety Standard for Electrical Installations）和加拿大国家标准之一（A National Standard of Canada）CAN/CSA-C22.2 NO.68 Motor-Operated Appliances (Household and Commercial) 作为例子，简单解读一下标准要求。以上的两本标准都是CSA (Canadian Standards Association) 制定的标准，由加拿大政府采纳为国家标准。
附图Fig-1，摘自CEC Part I，说明了马达主回路的一些保护措施。我们先了解一下主要的马达保护器的分类与用法，如表-1：
三、实现马达过热保护的方法
我们以加拿大国家标准/ CSA标准CAN/CSA-C22.2 NO.68作为例子，了解一下对于马达驱动的电器如何实现马达过热保护以符合标准求，标准列出了如下途径或者可能情况：
（1） 使用马达装入式热保护器，符合CSA标准C22.2 No.77 Motor with Inherent Overheating Protection. 这些马达过热保护器如上表所列，使用时需要注意，保护器不能只响应马达的电流，还需要有适当的额定工作电压，电流值与温度预定保护值，而且热保护器需要适用于马达。标准要求的测试有Running Heating Temperature test, Locked-Rotor Temperature test and Locked-Rotor Endurance test. 如果马达符合这本标准，就可以标上 “THERMALLY PROTECTED” （热保护马达）。也就是说，当马达符合整机电器的标准CSA68与马达标准CSA77，马达在正常工作额定负载（Rating），过载（Running Heating）以及堵转(Locked-Rotor)的应用条件下都符合标准要求，马达得到了过热保护。
（2） 如果马达驱动的电器装有过载保护器（Overload Protection device）,就不一定需要过热保护。这种情况就须要符合CEC Part I的要求，这种过载保护器与前面所讲的过热保护器不同，它只依靠响应马达的电流来实现保护，可以单独于马达也可以附装于马达，对于脱扣电流的选择，保护器的脱扣电流与马达额定电流之比一般不超过1.15. 如果选择用Fuses（熔断器）作为单独于马达的过载保护器，这种Fuse就须要用Time-delay fuse of the type (“D” Fuse).
（3） 对于一些商用的电器，需要永久连接（Permanent Connection）到建筑物的配电线路的情况，不一定需要在电器内装有过载保护器，但必须在电器安装连接时确保配电线路提供过载保护，而且电器需要有警告语标签(CAUTION)
（4） 对于一些特定电器，标准豁免马达过热保护器， 例如，使用瞬时接触开关（Momentary Contact Switch）控制马达的电器，手持式电器，有人值守间断工作制而且内装熔断器的家用电器。另外，对于有人值守间断工作制的家用电器，如果通过堵转测试评估，亦可以豁免马达过热保护器。
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四、举例子
例如，某厂家生产空气压缩机，销售市场在北美（加拿大与美国），申请CSA产品安全认证以符合北美标准。这类产品适用的标准是CAN/CSA-C22.2 NO.68. 其中空压机使用的马达铭牌信息摘录如下：
马达使用CSA认证的装入式热保护器，类型是自动复位马达热保护器(Motor thermal automatic reset protector)。如上述的热保护方法，适用方法（1），马达须要符合CSA标准C22.2 No.77. 以下将会举例介绍这本标准其中要求的马达堵转温度测试：
马达堵转温度测试(LOCKED ROTOR TEMPERATURE)
1．测试目的
堵转温度测试的目的主要是评价马达运行在堵转状态下，绕组的温度不超过标准允许值，过热保护器能起到保护马达避免过热的作用。
2．测试方法
根据标准要求，测量马达堵转温度适用电阻法或热电偶法。一般情况下，要根据马达的类型或实验室的情况选用合适的测试方法。
表-3电阻法与热电偶法对比
测量方法
特点以及适用范围
电阻法
适用于测量带绕组的电器，如马达，变压器。测量不是最热点的温度，而是绕组的平均温度。常用的仪器有直流电桥，欧姆表，绕组带电测量仪，前两者需要绕组断电才能测量。马达温升测试多选用此法，测试准确度高。对于堵转测试，此方法较难实现记录连续测试数据及描绘温度曲线。
热电偶法
适用于非绕组部位温度测量，测量是布点的温度，需要测试员有经验或能力判别最热点。需要采用热电偶与测量仪器组合使用。对于堵转测试，此方法可以同时多点测量，记录连续数据，描绘温度曲线，还可以实现同计算机通信。
3. 测试条件
- 标准要求的是型式测试，选取有代表的样品(马达与保护器的组合)进行测试。
- 马达样品须要用木材或其他隔热材料作为夹具固定马达，以及堵转马达轴。
- 除非有特别说明，马达的安装位置必须使保护器最大程度置于下方，称为“Worst Case”，因为按照热传导的对流原理，绕组的上方通常比下方的温度要高，当保护器在下方脱扣时，绕组上方的温度将会最高。
- 为了确定绕组温度最热点，须要把热电偶布在实际工作的绕组上，例子中电容运转单相异步马达，就要布在实际工作的主绕组上，一般最少布4点热电偶，例如布在绕组上面前后，下面前后各一点，
- 马达测试电压，基于马达铭牌的额定电压，一般选用标准指定对应的市电标称电压，例如铭牌电压110-120 V，测试电压则为120 V. 本例子中，马达铭牌电压115 V，那么测试电压就用120 V.
- 马达的金属外壳串联一个3 A 保险丝接到电源地线。如果3 A保险丝熔断，就能检查出马达绝缘损坏外壳带电。
- 需要准备记录的数据有电压，频率，堵转电流，环境温度，连续绕组温度。
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4、 测试程序与结果判定
以单相马达与自动复位热保护器组合为例说明，其他情况请查阅相关标准。测试在室温环境进行，堵转72小时，其间热保护器必须因绕组温度升高断开电路又自动复位，仪器连续记录绕组温度，图-1的示意图由经验所得。整个过程到结束，必须符合以下结果:
- 绕组温度不超过表-4的限值，本例子中马达的绝缘等级Class B.
表-4 绕组最高堵转温度限值
保护器类型自动复位
温度 (ºC), 对应不同绝缘等级
A
B
F
H
a)第一小时内
200
225
250
275
b)第一小时后
175
200
225
250
C)第一小时后的算术平均值
150
175
200
225
- 接地的保险丝不能熔断。
- 马达不能着火。
- 马达的绝缘材料不能出现剥落，变脆，炭化等严重损坏现象。
- 马达不能有电气或机械故障。
- 能通过耐压测试（Dielectric Voltage-Withstand Test）。
图-1 时间与堵转绕组温度的曲线（举例单相马达与自动复位热保护器组合）
文章最后还要指出，每个国家或每个单独的标准对马达过热保护的要求会有差异，而且随着科学技术的发展或者标准的更新完善，标准也会因版本而异，切不可“一本通胜读到老”，生搬硬套或张冠李戴标准。
Fig-1马达控制与保护电路
Fig-2 马达保护设备例图
