电动机保护器电路原理分析和维修

图3 电动机保护电路的典型结构
从上图可以看到，3只电流互感器LH1～LH3，将电动机的三相运行电流信号取出，分别送入后级过载、短路信号采样处理电路和断相信号采样处理电路，处理成开关量信号再送入信号输出电路和故障信号指示电路，输出电路的形式也有多种，一般为继电器接点信号输出，或晶闸管器件开关信号输出，或晶体管开路集电极信号输出等。
需要说明的是：部分电动机保护器，采用微控制器处理电流采样和电压采样信号（但电流信号采样电路的前级电路同本章所述电路相似），可从操作显示面板设置故障动作电流值，并可以监看运行电流值、电压电压值等，其功能更为强大，智能化程度更高，但应用面不够广泛。另外有的产品，如变频器，软起动器等产品，其过载、短路及断相保护电路作为控制电路的一个有机组成部分。本章所述电动机保护器，系全部采用模拟或数字电路硬件电路的，作为一个独立部件被应用的保护装置（产品）。
本节内容将这两种型号的保护器电路放在一起，一是因为其电路结构与原理近似，二是多家低压电器生产厂家生产此类产品，其它型号如JD-5、JDB-80，电路结构也与本文电路相似或相同，这类保护器在电动机起动柜的生产和组装中得到了广泛的应用。但缺点是该类产品的控制接线稍嫌复杂。在停机状态，显示断相故障，处于断相保护中。输出控制接点为常闭型触点，过载或断相故障发生时动作，触点开断，送出停机信号。
从各个工控网站众多网友的发帖中，可以得知，不少人对这类电动机保护器的接线和控制原理不甚了解，故据手头所绘（实物）电路图，对其电路原理和控制特点，做一个较为深入的分析，希望能对大家提供一点有益的参考。
1、保护器的控制接线

图4保护器的控制接线图
保护器控制接线见上图，保护器有4个控制接线端子，1、2端子为保护器电源输入（同时也是主电路接触器线圈的电源控制端），可据要求选用380V或220V供电级别（上图保护器采用380V控制电源），3、4为端子内部常闭接点，输出故障动作信号。上图的控制接线，JD6保护器与接触器线圈是一同得电的（保护器先于接触器线圈得电时，报断相故障控制接点动作！），而且3、4端子内部常闭点串接于KM1的自锁回路，当故障发生时，KM1的自锁被“破坏”，接触器KM1与保护器JD6一同失电。保护器的端子内部电路请参见下图6、图7。
2、时基电路NE555的电路原理简析
以上所述几个型号的电子式电动机保护器，电路的核心器件多采用时基电路NE555。本节保护器电路，采用NE555、NE556电路，故分析整机电路之前，先将NE555的性能与原理做一个简要介绍。
NE555为原创产品型号，以后有众多仿制产品问世，如LM555、μA555、CA555、CB555等，统称为555，一般为8脚双列封装，都可以代换使用。少数产品如RV6555DC、LB8555、M52051等，采用16脚双列封装，代换时需予注意引脚功能的不同。NE555电路芯片应用灵活，经常用来组成单稳态电路、双稳态电路及无稳态电路三种电路形式，在工业（电子）控制领域得到广泛应用用555芯片构成的电路与时间控制有关，所以又称为时间电路或时基电路。

图5 时基电路NE555等效功能框图
NE556内含又时基电路，为双列14脚封装，相当于集成了两片NE555电路。上述555电路内部集成电路为双极型晶体管器件，适应电源电压范围5～15V。
而ICM7555、ICM7556器件，其电路结构与NE555、NE556相同，但内部集成器件为CMOS场效应器件，同类器件型号有：555CMS、556CMS、μPD5555、μPD5556、LMC555、LMC556、TLC555、TLC556和5G7555、5G7556等，适用电源电压范围为2～18V，器件功率损耗更低，适用供电范围更宽。
若供电条件满足，一般情况下（不考虑工作电流的差异时），双极型器件和CMOS器件的555、556也可以互换。
上图５为555时基电路的等效功能框图，555器件是模拟电路和数字电路的“混成”电路，内含两组比较放大器A1、A2，两路与非门电路1、2、反相驱动器N1和放电晶体管Q1。A1、A2比较器的输出分别作为与非门1、2的复位（R）置位（S）信号，以控制由门1、门2构成的R-S触发器的状态。R-S触发器的输出，直接控制放电晶体管T1的通断，又经反相驱动器，提供信号输出。
555电路芯片和各脚功能：8脚、1脚为供电脚；4脚为主复位控制端，又称为优先复位端，当4脚为强制0电平时，不管A1、A2的输入/输出状态如何，3脚输出Vo=0；3脚为输出端；5脚为控制端，增加外电路时，可改变芯片内部固定分压值，从而改变输入触发信号和门限信号的电压阀值；7脚为放电端，与3脚输出状态相反，通常用于对2、6脚外接电容进行放电控制，完成定时控制和电路状态的转换；2脚为触发信号输入端，6脚为门限电压输入端，两引脚输入信号决定着输出状态。555芯片作为触发器来应用时，2脚又称为置位（S）端（下降沿信号输入有效），6脚又称为复位（R）端（上升沿信号输入有效）。
555电路芯片的工作原理：
A1比较器的同相端和A2比较器的反相端分别为3只5k电阻分压设定为2/3Vcc和1/3Vcc，当主复位控制端4脚为“1”高电平时，2、6脚输入的触发和门限电压信号既可以是数字信号，也可以是模拟电压信号，而且通过5脚外加电路的调整，可以改变2、6脚输入信号的动作阀值。
在5脚空置的情况下，和4脚为高电平时，电路依据2、6脚输入电压信号幅度与1/3Vcc和2/3Vcc阀值电压的比较，决定输出状态。当2脚输入电压值＜1/3Vcc和6脚输入电压值＜2/3Vcc时，电路处于输出置位状态，Vo=1；当2脚输入电压值＞1/3Vcc和6脚输入电压值＞2/3Vcc时，电路处于输出复位状态，Vo=0；当2脚输入电压值＜1/3Vcc和6脚输入电压值＞2/3Vcc，为不允许输入状态。
3、HBHQ-0-1电动机断相过载保护器
HBHQ-0-1电动机断相过载保护器整机电路，由控制电源、断相保护电路和过载保护电路组成。

图6 HBHQ-0-1电动机断相过载保护器整机电路
〔电源电路〕由电源变压器降压取得交流12V电压，经简单整流滤波，得到直流控制电压，LED1用作电源指示，但实际标注为“运行”指示，这时因为控制接线原因，使保护器和主回路接触器一同得到电源，故障停机时一同失掉电源的缘故。
〔断相保护电路〕LH1～LH3电流互感器感应电流信号经整流滤波，变为直流电压信号，提供Q1～Q3晶体管的基极偏流，3只晶体管串联成一体。当电动机正常运行时，Q1～Q3均处于饱和导通状态，Q1的集电极电压基本上为电源的地电平，二极管D3反偏截止，U2电路无高平信号输入，也不产生保护停机信号输出。
当发生断相故障时，如LH1电流互感器因断相感应信号为零时，Q2失去偏流由饱和导通变为截止，Q1集电极上升为高电平，二极管D3正向导通，将断相故障信号输入U2触发器电路，U2输出停机保护信号。
〔过载保护电路〕U1（NE555）电路与R2、C2等元件组成了“变形多谐振荡器（无稳态）电路”，担负着输出过载保护信号的任务。保护器上电瞬间，因C2电容两端电压不能突变的缘故，U1的2、6脚输入电压信号低于1/3VCC，电路处于置位状态，3脚输出高电平，“过载”指示灯无电流流通而熄灭，晶体管Q4饱和导通，二极管D2反偏截止，U2无高电平过载保护信号输入；
正常运行情况下，电动机的运行电流值在1.1倍额定电流以内，从电流互感器LH4感应的运行电流信号经D1、C1整流滤波后的直流电压值低于2/3VCC，U1维持原输出状态不变。半可变电位器RP1作为LH1的负载电阻，起到将感应电流信号转化为电压信号的作用，同时RP1用于过载保护动作阀值的整定——对应电动机额定电流的大小进行整定。此时放电端7脚内部晶体管处于截止（高阻）状态，对外电路没有影响。
过载情况下（或上电起动时随着起动电流的上升），D1、C1整流滤波得到的电流信号电压上升，当U1的2、6脚所接电容C2充电电压超过2/3Vcc时，电路进入复位状态，输出脚变为地电平，过载指示灯点亮，晶体管Q4失去基极偏压而截止，二极管D2的正端获得高电平电压由截止转为正向导通，将过载保护信号送入U2停机信号输出电路。同时U1的7脚内部放电管对地导通，一方面将经过R1输入的过电流信号短接到地，一方面经R2提供C2的放电通路。当C2上电压下降为1/3VCC电压值时，U1输出状态产生翻转，晶体管Q4又再度导通，U1向U2的电动机过载信号的传输通道被暂时切断。同时，U1的7脚内部放电管又再度截止，C2放电结束。显然，当电动机过载的发生为短时或瞬时信号时，U1只有一个短时的向U2发送过载信号的时间（取决于R2、C2电路的时间常数），当运行中过载时间变长，或起动过程中产生过载时，D1、C1整流所得电流信号电压，再度为C2充电，使C2上电压上升为2/3Vcc时，U1输出状态翻转，重新接通向U2传输过载信号的通道。在过载较长时间发生的过程中，过载指示灯反复几次出现熄灭和点亮，说明U1产生了数次“振荡输出”。
〔停机信号输出电路〕RP4、C4、U2等电路组成停机信号输出电路。其中RP4、C4为过载延时电路，一是提供一定的延时，避过电动机起动时间产生的过载信号，二是在运行中发生过载时，按反时限保护特性要求，延时输出过载保护信号。D2、D3为隔离二极管，在U1输入过载信号时，经R5、RP2、R6提供C4的充电电流，U1状态翻转时，D2反偏截止，“截断”C4的放电电流回路，从而在U1的“振荡输出”信号作用下，C4上信号电压能“逐渐累加并升高”，当过载达到一定的时间后，使过载信号生效，U2输出停机保护信号。
U1与R7、R8等元件一起，组成“变形触发器电路”。R8、C3积分电路提供保护器上电瞬间的延时作用，使U2的2脚电压有一个由零上升至Vcc电源电压的过程，使之在上电瞬间产生一个置位信号，使U3的3脚保持高电平输出，继电器KA1处于失电状态，不会受上电冲击产生误动作，随后2脚变为上拉高电平。在过载、断相信号未作用期间，即D2、D3处于反偏截止时，U2维持原电路状态不变，当过载和断相信号生效时，6脚输出高于2/3Vcc以上的信号电压，相当于输入了一个上升沿复位信号，U2的输出脚3脚变为地电位，继电器KA1得电动作，常闭触点开断，控制电路的自锁条件不成立，接触器KM1失电（见图４），实施了故障发生时对电动机的停机保护。
4、JD6型全电子式多功能电动机保护器
JD6型全电子式多功能电动机保护器的整机电路见下图７，电路结构与HBHQ-0-1电动机断相过载保护器非常相近，但工作方式稍有区别，而且工作性能有所提升。
〔过载保护电路〕由电流互感器LH4、U1的第一组时基电路所组成。在Vc控制端3脚外加一只稳压二极管，将控制端电压稳压于2/3Vcc电源电压以下，提高了过载保护的动作精度。图1-11的过载保护电路，过载信号电压是与2/3Vcc电源电压相比较，以产生信号输出，由于电源电压的变化（无稳压措施），使信号比较的基准点（2/3Vcc电源电压）产生随机性变化，过载保护动作阀值也会有相应变化，动作精度较低。图７电路，过载信号电压与D12负端的稳压基准电压相比较，则动作阀值的精度能得以保证。电路也以“振荡方式”输出过载保护信号。

图7 JD6型全电子式多功能电动机保护器
〔过载反时限控制电路、断相保护电路与末级停机信号输出电压〕断相保护电路和过载反时限控制电路因共用一个元件C2，而构成一个密不可分的整体。U1内部第2组时基电路组成停机信号停机电路。为保护动作流程分析的方便，故将这3部分电路放于一处进行分析。
当电动机运行于正常状态，LH1～LH3电流互感器三相电流信号正常产生，Q1、Q2、Q3晶体管均处于饱和导通状态，电容C2的正、负极之间的电位差为0，U1内部第2组时基电路的触发端电压和门限电压输入端的电压约为电源电压Vcc（即8脚输入电压＞1/3Vcc，12脚输入电压＞2/3Vcc），U1内部满足复位条件，输出端9脚Vo=0，继电器KA1不动作。这里对第2组时基电路的应用方式，将触发输入脚2与门限电压控制脚12短接于一起，可等效为一个两端信号电路，若同时将1/3Vcc看作低电平，将2/3Vcc看作是高电平的话，电路的输入/输出信号逻辑关系构成反相关系，可将其等效为“反相器电路”。电路输出状态的翻转，是输入信号与1/3Vcc、2/3Vcc两个基准电压相比较的结果，这样一来，电路的实际效果又相当于“迟滞电压比较器”了。
当断相故障出现时，Q1～Q3的串联电路被“切断”，由此形成经电源Vcc、C2、D9、R10、电源地的对C2的充电电流回路，充电的结果使C2负端电位向地电平变化，相当于为U1的8、12脚输入了一个负向脉冲，U1内部反相器电路受低电平信号触发产生翻转，输出端9脚变为高电平，继电器KA1得电动作，控制线路主接触器失电，电动机停机。
回头再看过载反时限控制电路的动作过程。当过载信号发生时，U1的5脚变为地电平电压，形成经电源Vcc、C2、D10、RP2、U1的5脚内部电路到电源地的，对C2的充电电流回路，此回路因串接有RP2原因，时间常数较大，故能将电动机起动期间的过载信号避过去，对运行中产生的过载信号，则具有反时限保护特性。调整RP2的阻值，可改变过载延时动作时间。C2充电的结果，使C1负端也即U1的6、12脚逐渐降低到1/3Vcc电压值以下时，继电器KA1得电动作，电动机停止运行，实现了过载停机保护。
电路中的C2是个关键元件，具有“双重身份”，断相与过载信号发生时，都依赖其产生停机保护触发信号。在很多电路中，我们往往只看出某元件的“第一身份”，不能看出元件的“第二——隐蔽身份”，对电路原理的深入分析也因此“卡壳”，这是需要注意的地方。D9、D10为隔离二极管，以避免断相、过载信号发生时C2的两个充、放电回路产生互相影响。当过载信号发生时引起形成C2的充电回路时，D9处于反偏截止状态，隔断Q3射极高电位对C2负端电压的影响；当断相信号发生（过载信号尚未发生）时，D10反偏截止，隔断了U1的5脚高电位对C2负端电压的影响。
5、JD6等相似电动机保护器的故障检修要点（以图６、图７实际电路为例）
1）“生成电流检测信号”。检修中，当为保护器1、2电源端子供入AC380V电源后，因无电流信号产生，断相检测电路报出断相故障信号，电路处于故障动作状态中。这说明断相保护电路及末级停机信号产生电路，基本上是正常的。但由此一来，对过载及反时限控制电路的检修，则造成不便。
将Q3的集电极与Q1的发射极用导线进行“暂时性的”短接，则相当于人为生成了三相电流检测信号，屏蔽了断相故障信号。
对过载保护电路的检测。用DC12V（应高于保护器Vcc电源的2/3）电压施加于电容C3两端，“人工生成”过载检测信号，调整RP1，可使“电流信号”发生变化，即对过载程度的“深浅”进行调节，可检验电路是否能正常输出过载信号，及电路的反时限保护特性是否符合要求。当过载倍数为1.2倍左右时，延时动作时间约为5min以下，过载倍达3～7倍时，延时动作时间应为几十秒～几秒。
2）根据电路特点进行检修。电动机保护器的核心部件是NE555（NE556），检修之前，须对NE555的各脚功能、电路原理进行必要的了解，做到对各脚的电压状态心中有数。再进一步结合具体电路，找到改变输入信号、使输出状态发生变化的检修方法，则检修能力与检修效率都会有所提高，反过来，又强化了电路故障分析能力。
图７电路中，对故障停机信号产生（末级）电路的检修，如果对电路形式有所了解，则自然能得出高效的检测方法。将本级电路作为反相器来看，当8、12脚与电源地瞬时短接时，输出脚9脚应变为高电平，KA1得电吸合；当8、12脚与电源正端瞬时短接时，输出脚9脚应变为低电平，KA1失电释放。通过两个简易的“短接手法”，则能快速判别U1电路的好坏。
6、电动机保护器故障维修实例
〔故障实例１〕一只JD6型电动机保护器（见图７），起动期间，过载指示灯亮，即输出停机信号，无反时限过载保护功能，电动不能正常起动。保护器的反时限电路，由RP2、C2等元件组成，由于过载指示灯能正常点亮，说明U1的5脚输出信号正常，前级电路也是好的。检测RP2等电阻元件，都是好的，拆下C2检测其容量，发现其电容量严重下降，造成电路的延时时间过短，不能避过起动电流。更换C2后，故障排除。
〔故障实例２〕一台电动机保护器（电路构成见图６），按下控制线路起动按钮后，接触器不吸合，随即报断相故障信号，电动机不能起动。
单独为保护器引入控制电源，随即断相指示灯点亮，继电器发出得电吸合声，说明电路动作正常。停电，测保护器3、4脚电阻值为无穷大，故障原因为继电器KA1触点接触不良，使主电路接触器不能得电吸合。更换继电器KA1，故障排除。
〔故障实例３〕JD6电动机保护器，上电，继电器即吸合，常闭触点断开，主电路接触器不能得电吸合。单独为保护器上电，先屏蔽断相故障信号，断相指示亮不再点亮，但继电器KA1仍处于吸合状态，测U1的8、12脚为高电平电压，便输出脚9脚也为高电平电压，判断U1内部输出级电路损坏，更换U1后，故障排除。

本网转载并注明自其它出处的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品出处，并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起一周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。