热敏电阻在电动机保护中的应用.pdf

第 4 8卷第 2 期 2 0 1 2年 4月 石油化工自动化 AUT0MATI ON I N PE TRO-CHEMI C AL I NDUS TRY Vo 1 4 8，No 2 Ap r i l，2 0 1 2 热敏 电阻在电动机保护中的应用 杨振(东华工程科技股份有限公司，合肥 2 3 0 0 2 4)摘 要：P T C热敏电阻是一种对其居里温度反应非常敏感的热电阻，国外利用这一特性将其应用于电动机的温度过热保护中。介绍 了 P T C热敏电阻的物理特性；分析 了液氧泵高压 电动机联锁保护的实现方法。关键词：P T C热敏电阻电机保护继电器温度联锁保护 中图分类号：T H 8 1 文献标志码：B 文章编 号：1 0 0 7 7 3 2 4(2 0 1 2)0 2 0 0 8 0 0 3 某大型煤化工项 目空分装置采用离心式内压 缩液氧泵增压，采用高压 电机驱动。液氧泵从瑞士 进 口。由于不明原 因，该液氧泵电动机的联锁保护 在空分成套商的设计文件中未给予设计。笔者通 过详细研究，成功设计 了该泵 电动机的联锁保护 系统。电动机是工业生产中广泛应用 的一种驱动设 备，在运行过程中，温度过高会导致绝缘老化，大大 缩短电动机的使用寿命，甚至会使绝缘损坏而发生 烧毁 电动机的事故n 。因此，重要 的电动机必须设 置温度监视及联锁保护系统。常见的保护方式是在 电动机内部埋入铂热电阻，将信号引入控制系统，但 在西方发达国家，电动机内部不仅埋人常规的铂热 电阻，同时还埋人热敏 电阻。铂热 电阻一般用于 电 动机的温度监视，热敏电阻用于温度的联锁保护。该项 目中，液氧泵高压 电动机定子绕组设置 2 组 3 套管式 P T C热敏电阻，1 组用于温度高报警(报警值 1 3 0)，另 1 组用于温度高高联锁停机保 护(联锁值 1 5 0)。电机轴承非轴伸端设置 1组 单支式 P T C热敏电阻，用于温度高高联锁停机保 护(联锁值 1 2 0)。其余轴系温度监测均采用 P t l 0 0热电阻。与常规泵保护系统不同的是，该泵保护采用普 通 P t l 0 0和 P TC热敏 电阻相结合 的方法。对于 P t l O O温度信号，配备接收 P t l 0 0信号的卡件或者 温度变送器 即可实现，但是对 于 P TC热敏电阻信 号的处理，国内尚没有成熟的案例。因此，P T C热 敏电阻信号的处理是该工程的一个难点。1 P T C热敏 电阻简介 热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成 的热敏元件，一般测温为一1 0 0 3 0 0。热敏 电 阻的响应时问远小于普通热 电阻，一般用于测量反 应速度快的场合l 2 。按其温度特性可分为正温度 系数(P TC)热敏 电阻、负温度 系数(NT C)热敏 电 阻、临界温度(C TR)热敏电阻 。P TC热敏电阻是一种 以钛酸钡为主要成分的 高技术半导体功能陶瓷材料，当温度在某个温度值(居里温度)附近时，其阻值发生阶跃性变化。正是 利用 P T C热敏 电阻对居里温度 的敏感性能，国外 先进电动机厂已经将其用于电动机的安全保护系 统中。P TC热敏电阻的主要物理特性有 电阻_ 温度 特性、电压一 电流特性、电流一 时间特性l 4 。2 1 电阻韫 度特性 电阻_ 温度特性通常简称为阻温特性，根据德 国标准 D I N 4 4 0 8 1-1 9 8 5的规定，通 用型单支式 P T C热敏电阻的电阻 温度特性如图 1 所示。图 1 P T C热敏 电阻阻温特性曲线 其中 表示 P T C热敏电阻的响应温度，即 居里温度，由 P T C热敏电阻本身的物理特性决定。一般 P 1、C热敏电阻的 NA T为 4 0 3 0 0【5 。2 2 电压一 电流特性 电压_ 电流特性，即伏安特性，是 P T C热敏电 阻实际工作状态下的电压、电流之间的关系，典型 稿件收到 日期：2 0 1 1 1 2 0 8，修改稿收到 日期：2 0 1 2-0 1 1 8。作者简介：杨振(1 9 8 6 一)，男，2 0 0 7年毕业 于北京 化工大学 自动化 专业，毕业后 一 直在 东华 工程 科技 股份 有 限公 司从 事 自控 设计 工作。万方数据第 2期 杨振热敏电阻在电动机保护中的应用 8 1 曲线如图 2 所示。图 2 P T C热敏 电阻伏安特性 曲线 从上图可以看 出，P T C热敏 电阻的伏 安特性 曲线可以分为三个 区间：左边 区间，由于 P T C热 敏 电阻两端所加 电压较低，由功耗引起 的温升 电 阻变化很小，称为等电阻段；中间区间，由于元件 的功耗可以通过 自身 电阻 的变 化调 整 而基本 保 持不变，称为等功率段；右边区间，因受电压效应 的影响，电阻阻值增大速度减慢，电流变化逐渐 趋于平稳。2 3 电流一 时间特性 电流一 时问特性表示在 P TC热敏 电阻两端加 上额定工作电压时，流过电阻的电流随时间而变化 的特性，典型曲线如图 3 所示。图 3 P TC热敏 电阻电 时间特性曲线 在 P TC热敏电阻两端施 加某一电压 的瞬间，由于其初始阻值小，电流迅速增大。随着时间的推 移，P TC热敏 电阻发 热，进入 正温度 系数特性 区 域，电阻阻值急剧增加，电流大幅度下降，最后达到 稳定状态_ 6 。3 P T O热敏 电阻在液氧泵电动机保护中的实现 目前，D C S尚没有接收 P T c热敏 电阻信号的 卡件。因此，笔者采用配套“继 电器”接收 P TC热 敏 电阻信号。在正常情况下，电动机 内部 的 P T C 热敏电阻处于低 阻态，不影 响电动机的正常运转。当电动机内部因故障过热时，P T C热敏电阻因受 热阻值跃变，将信号送给配套的“继电器”，通过“继 电器”的跳变，将干接点信号送到控制系统，参与泵 的联锁保护。该继电器是 P TC热敏电阻专用的“P T C热敏 电阻电机保护继电器”，借助于内置在定子绕组或 轴承中的 P T C热敏电阻对温度进行检测。该继电 器适用于标 准 P TC热敏 电阻的任何温度，并提供 可靠的保护以防止电动机绕组或者轴承过热。几 经周折，最后采用了 AB B的 C M MS S系列产品。P TC热敏电阻电机保护继 电器 的主要参数见表 1 所列。表 1 P T O热敏电阻技术数据 项 目 参 数 供电电压 V 传感器回路数 个 输出触点 温度阈值 k a 温度迟滞 k 短路阈值 k f l 短路迟滞 k a 传感器串联 k a 最大电缆长度 m 复位模式 2 4(DC)，2 2 0 2 4 0(AC)3 l c O，1 N O，I N O+1 C O，2 N O+l C O 2 7 3 7 1 7 2 3 4O 1 5 1 0 0(0 7 5 mm2)，4 0 0(2 5 r n m2)自动、人工 温度阈值是指保护继电器在接收到P T C热敏 电阻的信号后跳变的阻值。不同的是，该阻值不是 一个定值，而是一个区间信号。温度迟滞是指温度 在降低的过程中，该继电器复位时的值。根据图 1可知：在温度小于 N_AT一2 O时，R2 5 0 Ql 在温度小于 NlAT一5时，R5 5 0 12；在温度 大 于 NAT 时，R 1 3 3 0 Q；在温 度大 于 NlAT+5时，R4 0 0 0 12。该项 目中液氧泵定子绕组温度检测采用三支串 联式 P TC热敏电阻l 8 ，其居里温度为 1 5 0。当定 子绕组温度低于 1 3 0(NA T-2 0)时，回路总电 阻R总 3 2 5 0 Q=7 5 0 Q，没有达到继电器温度 阈 值，液氧泵正常运转。当温度升至 1 4 5(M 5)时，回路总电阻R 总 一3 5 5 0 Q 一1 6 5 0 12，没有 达到继电器温度阈值，液氧泵正常运转。当温度稍 再升高时，P T C热敏电阻阻值呈阶跃性增长。当温 度达 到 1 5 0(4 丁)时，如一 3 1 3 3 0 Q一 3 9 9 0 Q 3 7 0 0 Q。P 1 热敏电阻电机保护继 电器 已经发生跳变，将 干接点信号送到 D C S，参与液氧 泵联锁保护，然后输出干接点信号去电气配电柜控 制停泵，达到保护泵的目的。液氧泵非轴伸端温度检测采用单支式 P T C热 敏电阻，其 N lAT 一1 2 0。为了保险起见，笔者在 回路 中串联阻值为 1 5 k Q的外加电阻。当非轴伸 万方数据8 2 石油化 工 自动化 第 4 8 卷 端温度低于 I 1 5(NA丁一5)时，R 总一5 5 0 Q+1 5 0 0 Q=2 0 5 0 Q，没有达到继电器温度阈值，液氧 泵正常运转。当温度达到 1 2 0(NA丁)时，R总一 1 3 3 0 Q+1 5 0 0 Q一2 8 3 0 Q，进入继 电器温度 阈值 区间。随着温度 的再度增加，P TC热敏电阻呈阶 跃性变化，进而驱动继电器发生跳变，将相应的干 接点信号送至 D C S，参与液氧泵联锁保护。如上所述，在回路中串联外加电阻的方法属于 保守的实现方法，是为了提前实现联锁保护。即使 不在回路 中串联外加 电阻，当温度超过居里 温度 5时，P T C热敏电阻阻值 已经达到 4 k Q，已经驱 使继电器跳变，达到了保护的目的。对此有人可能 担心继电器跳变是在达到居里温度之后，可能会烧 坏 电极。对于该问题，在 P TC热敏电阻选型时 已 经 留有一定裕度。P TC热敏电阻的选型取决 于电 动机的绝缘等级，即需要检测温度的部位和 P T C 热敏电阻的热耦合很重要，否则达不到保护 的 目 的。通常按 比电动 机绝缘 等级相对 应 的极 限温 度低 4 O左 右来 选择 P T C热敏 电阻 的居 里 温 度，以留有 一定裕度，可很 好地达 到保 护 电动 机 的 目的。4 结束语 P TC热敏电阻对特定温度的敏感性远超 过铂 热电阻，响应速度也远优于铂热 电阻。此外，对线 路中附加电阻的干扰性，P TC热敏 电阻可 以忽略 不计。所以，将 P T C热敏电阻用于电动机温度联 锁保护是一种非常好的实现方式。参考文献：1 李常娟，李杰，申光辉，等 保护电机温度控制系统r J 自动 化仪表，2 0 0 2，2 3(1 1)：6 5 6 7 2 国家石油和化学工业局 HG 2 0 5 0 5-2 0 0 0过程检测和控制 系统用文字代号和图形符号 E s 北京：化工 工程建设标 准 编辑 中心，2 0 0 1 3 张宏建，蒙建波 自动检测技术与装置 M 北京：化学工业 出版社，2 0 0 4：5 0 5 4 4 王彦 勇 P TC热敏 电 阻介 绍 J 家 电 维修 技术，2 0 0 4，2 5 (O 8)：3 3 3 4 5 D e u t s c h e s I m t imt f u r N o r m u v D I N 4 4 0 8 1 1 9 8 5 T h e m s e h e r Ma s e h in e n s c h u t z，K l ir n a t i s c h e A n w e n d u n g s k h s s e HF F r S B e r l in：DE-DI N，1 9 8 5 6 孙叔平，刘广峰，吴幼华 工业自动化仪表与系统手册 M 北京：中国电力 出版社，2 0 0 5：5 5 9 5 6 0 7 李加升，艳萍，曾静，等 P TC热敏电阻及 其应用研究 _ J 湖南农机，2 0 0 7，1 3(0 5)：1 3 1 4 8 D e u t s c h e s I n s t it u t f u r N o r m u n g D I N 4 4 0 8 2-1 9 8 5 Th e r mi s t o r s；PTC f o r The r ma l M a c h i n e Pr o t e c t io n；Cl i ma t e C a t e g o r y H F F S B e r l i n：D E D I N，1 9 8 5 9 刘墓园，杨宾峰 P T C热敏电阻的特点及应用_ J 河南职业 技术学 院学报，2 0 0 2，3 0(0 1)：4 9 5 2 工程技术软件 T I A博途新功能 在德国纽伦堡举办的国际电气 自动化系统及元件展览会上，西门子展示了全集成 自动化工程技术软件平台TI A博途 的最新功能，同时推出了西门子系列电机的全新品牌名称S i n 1 o t i c s。西门子股份公司工业业务领域驱动技术集团首席执 行官 Ra l f-Mi c h a e l F r a n k e 介绍：“西门子通过 I T平台实现控制部件与驱动部件的互连，帮助客户提高工厂在工程设计与运 行阶段的生产率。西门子 S i mo t i c s 电机系列，在 T I A博途全集成 自动化产品系列集成驱动系统应用方面发挥着重要作用。TI A博途全集成 自动化产品系列可以使各行各业的客户都能够高效地将 S i mo t i c s电机系列产品整合到西门子 自动化和服 务技术之中”。新的产品功能不仅大大加快了客户采用全新 S t e p 7 S a f e t y A d v a n c e d 工具对故障安全装置进行工程设计应用的速度，同时可提供所有工程项 目和编程所需的要素，并为新手提供编程所需的快捷键。另外，TI A博途还推出了适用于分布式 I O S ima t i c E T2 0 0 S P设备以及诸如 S c a l a n c e X一5 0 0工业以太网交换机等最新的工业通信产品的软件功能。这些新软件 尤其适合于构建大型 自动化网络，方便客户将其集成至企业 I T系统。西门子还推出了工业用无线通信调节系统组件，该 产品适用于无线局域网的标准 I E E E 8 0 2 1 l n。该产品组件包括接入点、客户端模块与数据传输率高达 4 5 0 Mb i t s 的高性 能无线局域网控制器。在驱动技术领域，西门子工业业务领域驱动技术集团将其全系列电机产品命名为“S i mo t i c s”。这些电机可以适用于制 造与流程工业以及能源领域。S i mo t i c s 系列产品包括直接启动与变频供电运行的低压电机，用于运动控制应用的电机以及 直流电机与高压电机。为了保证集成传动系统的高效运转，所有部件之问均需完美配合，优化调整，而与运动控制直接连 接的核心单元就是电机。Ra l f Mi c h a e l F r a n k e 说：“S i m o t i c s 系列产品专为驱动部件量身打造，这些产品有助于客户选择 合适的电机，以节约成本和时间”。在国际电气自动化系统及元件展览会上，西门子推出了以电机家族新名称命名的创新 产品-S i m o t i c s T 1 F W6 扭矩电机。该款产品具有高动态响应性，定位精度高，并有一系列紧凑尺寸供客户选择，适合于空 间有限的应用。西 门子(中国)有 限公 司 万方数据热敏电阻在电动机保护中的应用热敏电阻在电动机保护中的应用作者：杨振作者单位：东华工程科技股份有限公司,合肥,230024刊名：石油化工自动化英文刊名：Automation in Petro-chemical Industry年，卷(期)：2012,48(2)本文链接：http:/