热敏电阻在电动机保护中的应用

第４８卷第２期　石油化工自动化　Ｖｏ１．４８，Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ，２０１２　２０１２年４月　ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ　ＩＮ　ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　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２３００２４）　摘要：ＰＴＣ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ＰＴＣ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：ＰＴＣ热敏电阻中图分类号：ＴＨ８１　电机保护继电器温度联锁保护　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００７—７３２４（２０１２）０２—００８０—０３　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　阻、临界温度（ＣＴＲ）热敏电阻［　。　ＰＴＣ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ＰＴＣ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。ＰＴＣ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ｌ４］。　２．１　电阻韫度特性　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　电阻＿温度特性通常简称为阻温特性，根据德　国标准ＤＩＮ　４４０８１－－１９８５的规定，通用型单支式　ＰＴＣ热敏电阻的电阻—温度特性如图１所示。　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ＰＴＣ热敏电阻，１组用于温度高报警　（报警值１３０℃），另１组用于温度高高联锁停机保　护（联锁值１５０℃）。电机轴承非轴伸端设置１组　单支式ＰＴＣ热敏电阻，用于温度高高联锁停机保　护（联锁值１２０℃）。其余轴系温度监测均采用　Ｐｔｌ００热电阻。　与常规泵保护系统不同的是，该泵保护采用普　通Ｐｔｌ００和ＰＴＣ热敏电阻相结合的方法。对于　ＰｔｌＯＯ温度信号，配备接收Ｐｔｌ００信号的卡件或者　温度变送器即可实现，但是对于ＰＴＣ热敏电阻信　号的处理，国内尚没有成熟的案例。因此，ＰＴＣ热　一图１　ＰＴＣ热敏电阻阻温特性曲线　其中　表示ＰＴＣ热敏电阻的响应温度，即　居里温度，由ＰＴＣ热敏电阻本身的物理特性决定。　般Ｐ１、Ｃ热敏电阻的ＮＡＴ为４０￣３００℃【５］。　２．２电压一电流特性　敏电阻信号的处理是该工程的一个难点。　１　ＰＴＣ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，一般测温为一１００～３００℃。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ｌ２］。按其温度特性可分为正温度　系数（ＰＴＣ）热敏电阻、负温度系数（ＮＴＣ）热敏电　电压＿电流特性，即伏安特性，是ＰＴＣ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：２０１１—１２—０８，修改稿收到日期：２０１２－０１—１８。　作者简介：杨振（１９８６一），男，２００７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。　第２期　杨振．热敏电阻在电动机保护中的应用　８１　曲线如图２所示。　图２　ＰＴＣ热敏电阻伏安特性曲线　从上图可以看出，ＰＴＣ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ＰＴＣ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ＰＴＣ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　ＰＴＣ热敏电阻电　时间特性曲线　在ＰＴＣ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，ＰＴＣ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　ＰＴＯ热敏电阻在液氧泵电动机保护中的实现　目前，ＤＣＳ尚没有接收ＰＴｃ热敏电阻信号的　卡件。因此，笔者采用配套“继电器”接收ＰＴＣ热　敏电阻信号。在正常情况下，电动机内部的ＰＴＣ　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，ＰＴＣ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ＰＴＣ热敏电阻专用的“ＰＴＣ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ＰＴＣ热敏电阻对温度进行检测。该继电　器适用于标准ＰＴＣ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ＡＢＢ的ＣＭ—ＭＳＳ系列产品。　ＰＴＣ热敏电阻电机保护继电器的主要参数见表１　所列。　表１　ＰＴＯ热敏电阻技术数据　项　目　参　数　供电电压／Ｖ　２４（ＤＣ），２２０￣２４０（ＡＣ）　传感器回路数／个　３　输出触点　ｌｃ／Ｏ，１Ｎ／Ｏ，ＩＮ／Ｏ＋１Ｃ／Ｏ，２Ｎ／　Ｏ＋ｌＣ／Ｏ　温度阈值／ｋａ　２．７～３．７　温度迟滞／ｋ￣＇／　１．７～２．３　短路阈值／ｋｆｌ　＜２Ｏ　短路迟滞／ｋａ　＞４Ｏ　传感器串联　／ｋａ　≤１．５　最大电缆长度／ｍ　１００（０．７５　ｍｍ２），４００（２．５　ｒｎｍ２）　复位模式　自动、人工　温度阈值是指保护继电器在接收到ＰＴＣ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一２Ｏ℃时，　Ｒ≤２５０　Ｑｌ在温度小于ＮｌＡＴ一５℃时，Ｒ≤５５０　１２；　在温度大于ＮＡＴ时，Ｒ≥１　３３０　Ｑ；在温度大于　ＮｌＡＴ＋５℃时，Ｒ≥４　０００　１２。　该项目中液氧泵定子绕组温度检测采用三支串　联式ＰＴＣ热敏电阻ｌ８］，其居里温度为１５０℃。当定　子绕组温度低于１３０℃（ＮＡＴ－－２０℃）时，回路总电　阻Ｒ总≤３×２５０　Ｑ＝７５０　Ｑ，没有达到继电器温度阈　值，液氧泵正常运转。当温度升至１４５℃（Ｍ　～　５℃）时，回路总电阻Ｒ总一３×５５０　Ｑ一１　６５０　２１，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，ＰＴＣ热敏电阻阻值呈阶跃性增长。当温　度达到１５０℃（　４丁）时，如一３×１　３３０　Ｑ一　３　９９０　Ｑ＞３　７００　Ｑ。Ｐ１　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ＤＣＳ，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ＰＴＣ热　敏电阻，其ＮｌＡＴ一１２０℃。为了保险起见，笔者在　回路中串联阻值为１．５　ｋＱ的外加电阻。当非轴伸　８２　石油化工自动化　第４８卷　端温度低于Ｉ１５℃（ＮＡ丁一５℃）时，Ｒ总一５５０　Ｑ＋　１　５００　Ｑ＝＝＝２　０５０　Ｑ，没有达到继电器温度阈值，液氧　泵正常运转。当温度达到１２０℃（ＮＡ丁）时，Ｒ总一　１　３３０　Ｑ＋１　５００　Ｑ一２　８３０　Ｑ，进入继电器温度阈值　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，ＰＴＣ热敏电阻可以忽略　不计。所以，将ＰＴＣ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：　区间。随着温度的再度增加，ＰＴＣ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　［１］李常娟，李杰，申光辉，等．保护电机温度控制系统ｒＪ］．自动　化仪表，２００２，２３（１１）：６５—６７．　接点信号送至ＤＣＳ，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，ＰＴＣ热敏电阻阻值已经达到４　ｋＱ，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ＰＴＣ热敏电阻选型时已　［２］　国家石油和化学工业局．ＨＧ　２０５０５－－２０００过程检测和控制　系统用文字代号和图形符号Ｅｓ］．北京：化工工程建设标准　编辑中心，２００１．　［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，２００４：５０～５４．　［４］王彦勇．ＰＴＣ热敏电阻介绍［Ｊ］．家电维修技术，２００４，２５　（Ｏ８）：３３—３４．　［５］ＤｅｕｔｓｃｈｅｓＩｍｔｉｍｔｆｕｒＮｏｒｍｕｖ￣．ＤＩＮ　４４０８１　１９８５　Ｔｈｅｍ／ｓｅｈｅｒ　Ｍａｓｅｈｉｎｅｎｓｃｈｕｔｚ，Ｋｌｉｒｎａｔｉｓｃｈｅ　Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｓｋｈｓｓｅ　ＨＦＦ　ｒＳ］．　Ｂｅｒｌｉｎ：ＤＥ－ＤＩＮ，１９８５．　经留有一定裕度。ＰＴＣ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ＰＴＣ　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４Ｏ℃左右来选择ＰＴＣ热敏电阻的居里温　［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，２００５：５５９—５６０．　［７］李加升，　艳萍，曾静，等．ＰＴＣ热敏电阻及其应用研究＿Ｊ］．　湖南农机，２００７，１３（０５）：１３—１４．　［８］Ｄｅｕｔｓｃｈｅｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔ　ｆｕｒ　Ｎｏｒｍｕｎｇ．ＤＩＮ　４４０８２－－１９８５　Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｓ；ＰＴＣ　ｆｏｒ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；Ｃｌｉｍａｔｅ　度，以留有一定裕度，可很好地达到保护电动机　的目的　。　Ｃａｔｅｇｏｒｙ　ＨＦＦ［Ｓ］．Ｂｅｒｌｉｎ：ＤＥ　ＤＩＮ，１９８５．　［９］刘墓园，杨宾峰．ＰＴＣ热敏电阻的特点及应用＿Ｊ］．河南职业　技术学院学报，２００２，３０（０１）：４９—５２．　４结束语　ＰＴＣ热敏电阻对特定温度的敏感性远超过铂　工程技术软件ＴＩＡ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ＴＩＡ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Ｓｉｎ１ｏｔｉｃｓ。西门子股份公司工业业务领域驱动技术集团首席执　行官Ｒａｌｆ－Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｆｒａｎｋｅ介绍：“西门子通过ＩＴ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Ｓｉｍｏｔｉｃｓ电机系列，在ＴＩＡ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。　ＴＩＡ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Ｓｉｍｏｔｉｃｓ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Ｓｔｅｐ　７　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｄｖａｎｃｅｄ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，ＴＩＡ博途还推出了适用于分布式　Ｉ／Ｏ　Ｓｉｍａｔｉｃ　ＥＴ２００ＳＰ设备以及诸如Ｓｃａｌａｎｃｅ　Ｘ一５００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ＩＴ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ＩＥＥＥ　８０２．１ｌｎ。该产品组件包括接入点、客户端模块与数据传输率高达４５０　Ｍｂｉｔ／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“Ｓｉｍｏｔｉｃｓ”。这些电机可以适用于制　造与流程工业以及能源领域。Ｓｉｍｏｔｉｃｓ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。Ｒａｌｆ—Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｆｒａｎｋｅ说：“Ｓｉｍｏｔｉｃｓ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－－Ｓｉｍｏｔｉｃｓ　Ｔ　１ＦＷ６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