本文深入探讨了电机启动器的热过载模块。它探讨了内部结构（图1）以及与现实世界的物理连接。最后通过一个实验（图2）来评估过载（跳闸）特性。在此测试中，使用恒流直流电源来模拟电机过载情况。这个简单的设置允许观察时间与电流跳闸曲线。
关于电机启动器的更多信息
本文是介绍电机启动器并探讨其重要且有时微妙应用的更大作品的一部分。请参考以下相关文章以获取更多信息：
图 1 ：显示热过载模块内部工作的图片。由扁平线组成的加热器缠绕在双金属条上并与之绝缘。
电机电机启动器的热过载保护是什？
根据定义，电机启动器由接触器和热过载模块组成。热过载模块用于检测“软”电机故障。当触发时，它会导致电机启动器的主接触器打开。这里的“软”包括导致相关电机过热的情况，包括机械过载、电压不足、单相运行、系统不平衡以及一些电机绕组故障。相比之下，“硬”故障包括高电流故障，如相间或相地故障。硬故障由上游断路器或保险丝处理。
有关电机启动器的更多信息，请参阅这篇介绍性文章以及这篇关于三线启动停止电路的文章。本文的其余部分假设您已熟悉这两篇文章的内容。这一点很重要，因为图2中显示的实验设置在这些介绍性文章中有所概述。
图 2 ：恒定的1.5 ADC电流（左侧电源）通过电机启动器，包括接触器和过载模块。电机启动器的线圈由右侧的电源激活。
技术提示 ：请记住，电机启动器的热过载模块不是断路器。与断路器不同，热过载模块没有在过载事件发生时打开的大（灭弧）触点。然而，热过载模块与断路器之间有许多相似之处，包括关键的跳闸曲线。
电动机起动器的热过载保护模块内部有什么？
许多电机启动器配备了一个热系统来检测过载。我们可以将这个系统想象为一组低值电阻（加热器），它们紧邻双金属元件。当系统因电机软故障而加热时，双金属元件会弯曲并对跳闸杆施加压力。该机制的跳闸点是电流大小和时间的函数。
图1展示了施耐德DPER06（1至1.6 A可调）热过载块的内部工作原理。加热器在图片的前部显著显示。它们看起来并表现得像由扁平线绕在芯轴上的低值线绕电阻。“绕线电阻”中心的芯是双金属元件。加热器和双金属条之间的电气绝缘也可以在图像中看到。
双金属元件的操作在图1中有所暗示。在加热器的顶部，我们可以看到棕色的杠杆机制。当系统加热时，这个杠杆会被一个或多个双金属元件因加热器作用而弯曲的动作推向一侧。在某个时刻，该机制将机械跳闸，从而切换小开关触点。这些触点在图3中显示为常开（97至98）和常闭（95至96）对。
技术提示 ：不要拆卸诸如热过载块之类的组件，因为很容易损坏或丢失精密的内部组件。不值得将未来的风险直接指向您昂贵的电机。出于教育目的，我们为您完成了这项工作，并将结果作为图1包含在内。
什么是电机启动器的跳闸曲线？
跳闸曲线是导致过载块切换的热和时间关系的图形表示。这些曲线以电流为横轴，时间为纵轴，应该看起来很熟悉，因为它们通常与断路器和保险丝相关联。然而，我们必须重申，过载块不会像其同类产品那样在故障时“打开”。相反，过载块会向接触器线圈发出信号以使其停用。
图4展示了施耐德电气DPE系列电机启动器的跳闸曲线。左侧面板包括将在本说明后面描述的实验结果（圈出的点）。请注意，较高的电流会导致过载块比低电流更快地跳闸。正如稍后将展示的，1.5 A的电流在冷态两相测试中大约需要80秒才会跳闸。在更高电流下进行的相同测试将使系统在大约15秒内跳闸。
技术提示 ：过载保护块与其设计保护的电机之间存在隐含的关系。例如，短暂过载三相感应电机通常是可接受的。然而，持续的过载会使电机过热并损坏。正确匹配的电机启动器过载保护块的时间常数将反映电机绕组中的热量。如果电机是热的，电机启动器中的热加热器也会是热的。过载保护块应在电机损坏之前及时跳闸。这是选择和调整过载保护块时的重要考虑因素，因为不匹配会导致误跳闸（设置过低）或电机过热（设置过高）。
回想一下，本文中介绍的热保护块是可调节的。对于本文后面描述的实验，电流设置为方便的1 A。这允许直接读取跳闸曲线的水平轴。如果使用不同的过载保护块或将调整设置为1 A以外的任何值，请将跳闸曲线乘以设置值。例如，如果保护块设置为1.6 A，我们预计4.8 A的电流将在15秒内使保护块跳闸；计算为3 * 1.6 A。
图 3 ：电机启动器、过载模块和辅助触点模块的接线图。
技术提示 ：处理热过载事件时，我们必须耐心。回想一下，双金属元件在受热时会弯曲，导致过载保护块跳闸。它们会保持这种扭曲的配置，直到冷却下来。在此期间，我们将无法重置过载保护块。相关说明，相应的电机将是热的。我们应该让系统冷却。另一方面，如果系统停机，你将面临来自工头等人的压力，要求恢复设备的全面运行状态。永远不要忘记，设备停机时间非常昂贵。
图 4 ： 施耐德电气DPE系列过载保护块的跳闸曲线，并附有实验数据注释。
设计一个实验来生成跳闸曲线
回顾你在交流电的第一课，回想一下术语“均方根”（RMS）涉及热量。RMS测量将交流电与等效的直流电等同起来，基于其在电阻器等设备中产生相同加热（功率）的能力。这一基本原理适用于位于电机启动器热过载块内的加热器（电阻器）。因此，我们可以使用直流电来替代大型交流电机消耗的交流电流。在相同加热的情况下，我们可以在受控且安全的实验中识别与跳闸曲线相关的时间。
实际实验相对简单。我们首先按照图5所示连接一个恒流电源。然后我们使用另一个电源为继电器电路提供24 VDC，使用图6所示的经典三线启动-停止电路。
关于图6，我们注意到过载块的常闭触点（95到96）与接触器线圈（A1到A2）串联。因此，当我们按下绿色启动按钮时，电机启动器被激活。它将保持锁定状态，直到发生热过载事件，此时常闭触点（95到96）将打开，释放三线电路中的锁定。关于图5，我们看到当电机接触器锁定时，电流将通过L1和L2相加热器。
图 5 ：使用恒流电源进行平衡“两相”测试的接线图。
图 6 ：使用KiCad开发的3线启动停止电路的接线图。
实验结果支持制造商发布的跳闸曲线。
实验在视频1到3中进行了演示。恒流电源分别设置为3、2和1.5 A。对于每个视频，绿色按钮在整分钟时按下。视频随后加速播放，这样我们就不需要观看缓慢的过程。当热跳闸发生时，视频恢复到正常速度。你可以听到接触器释放时的响亮撞击声。相应的跳闸时间随后显示在时钟表面上。
这个三部分实验的结果叠加在制造商提供的跳闸曲线上。与3A @ 19秒、2A @ 33秒和1.5 A @ 79秒的匹配非常好。另一个实验中未显示的是使用恒定的1 A进行的实验。正如跳闸曲线所建议的，电机系统没有跳闸。这就像1A的保险丝或断路器，我们期望这些设备在其额定电流下连续运行。
视频 1 ：实验展示了当3 A通过热过载块的两相时的跳闸时间。总时间为19秒。
视频 2 ： 2A 实验。总时间为 33 秒。请注意系统在实验之间被允许冷却。
视频 3 ：1.5 A实验。总时间为79秒。
下一步
本说明中描述的实验是在过载块设置为方便的1 A下进行的。它还使用了“冷态”两相配置和恒流电源。一个自然的后续实验是使用不同的设置验证结果，例如将块设置为1.5 A。使用所有三个加热器进行串联配置并不太难。最后，了解图3中包含的“在设定状态（热态）下长时间后”规定的含义可能很有用。
如果你有时间和资源，你应该采取下一步并操作电机启动器以用于其预期的高功率应用。你会发现这篇文章对这个设备的介绍只是冰山一角。要了解更多信息，请考虑加入UL的工业控制面板和面板车间计划。
安全
这些实验是使用来自台式电源的相对安全的24 VDC进行的。这是一个基本的安全考虑，允许你彻底探索电机启动器。然而，我想起了关于港口船只安全的老话；但那不是船只的用途。
在现实世界中，电机启动器是设计用于高电压和高功率系统的工业主力。本文中介绍的电机启动器可以在690 VAC系统中操作7.5马力（5.5千瓦）的三相电机。在这样的系统中，始终存在电击和电弧爆炸的危险。一次失误可能是你的最后一次。
遵循所有地方、联邦和州的指导方针。建立并维护一个锁定/挂牌（LOTO）程序。作为起点，请考虑这份OSHA文件。使用具有高CAT等级的测试设备。使用适当的个人防护装备，包括高能量系统的防爆服。最后，作为知情团队的一部分，按照最佳实践进行工作，以管理操作风险。
考虑到这一点，我们必须注意安全，不能对24 VDC测试台掉以轻心。作为教育者，我们必须在介绍行业的基本属性和工具的同时，继续探索安全概念。