本文對馬達起動器的熱過載模組進行了深入的實踐探索。它探討了實習生建構（圖 1）以及與現實世界的實體連結。最後透過一個實驗（圖 2）來評估過載（跳脫）特性。在此測試中，使用恆定電流直流電源來模擬馬達過載情況。這種簡單的設定可以觀察時間與電流的跳脫曲線。
關於馬達起動器的更多資訊
本文是介紹馬達起動器並探討其重要且有時較隱密的應用系列文章的一部分。請參閱以下相關文章以了解更多資訊：
- Introduction to the Magnetic Motor Starter
- Introduction to the 3-Wire Start-Stop Circuit
- Use of an Interposing Relay for Increased Contactor Speed
- Permanent Magnets as an Energy Saving Feature of a 3-phase Motor Starter
- What is a motor starter’s solid-state overload relay?
圖 1：熱過載保護模組內部工作原理示意圖。由扁平導線組成的加熱器纏繞在雙金屬片上並與之絕緣。
什麼是馬達起動器的熱過載保護器？
根據定義，馬達起動器由接觸器和熱過載保護器組成。熱過載保護器用於檢測馬達的“軟”故障。當觸發時，它會使馬達起動器的主接觸器斷開。這裡所說的「軟」故障包括導致馬達過熱的情況，例如機械過載、電壓驟降、單相運轉、系統不平衡以及某些馬達繞組故障。相較之下，「硬」故障則包括大電流故障，例如相間故障或相地故障。硬故障由上游斷路器或熔斷器處理。
有關電機起動器的更多訊息，請參閱這篇介紹文章以及這篇關於三線啟動停止電路的文章。本文的其餘部分假設您已熟悉這兩篇文章的內容。這一點很重要，因為圖 2 中所示的大部分實驗裝置都在這兩篇介紹文章中有所概述。
圖 2：一個恆定的 1.5ADC 電流（左側電源）流經馬達起動器，包括接觸器和過載保護器。馬達起動器的線圈由右側電源通電。
技術提示：請記住，馬達起動器的熱過載保護器並非斷路器。與斷路器不同，熱過載保護器沒有在過載時斷開的大型（滅弧）接點。但是，熱過載保護器與斷路器之間有許多相似之處，包括它們的臨界跳脫曲線。
馬達啟動器的熱過載保護模組內部結構是什麼？
許多馬達起動器都配備了熱系統來檢測過載。我們可以將這個系統想像成一組靠近雙金屬片的低阻值電阻（加熱器）。當馬達發生輕微故障導致系統升溫時，雙金屬片會彎曲並對跳脫桿施加壓力。該機構的跳閘點取決於電流大小和時間。
圖 1 顯示了 Schneider DPER06（1 至 1.6A 可調）熱過載保護模組的內部工作原理。加熱器在圖中清晰可見。它們看起來像是由扁平導線繞製在芯軸上的低阻值線繞電阻。「線繞電阻器」中心的核心是雙金屬片。圖中還可以看到加熱器和雙金屬片之間的絕緣層。
圖 1 暗示了雙金屬元件的工作原理。在加熱器頂部，我們可以看到一個棕色的槓桿機構。隨著系統升溫，一個或多個雙金屬元件會因加熱器的作用而發生形變，從而推動該槓桿向一側移動。在某個時刻，該機構會發生機械跳閘，進而切換小型開關接點。這些觸點在圖 3 中顯示為常開觸點（97 至 98）和常閉觸點（95 至 96）。
技術提示：請勿拆下熱過載保護器等組件，因為內部精密元件極易損壞或遺失。切勿冒險損壞昂貴的馬達。為了便於理解，我們已為您完成此操作，並將結果包含在圖 1 中。
什麼是馬達起動器的跳脫曲線？
跳脫曲線是過載保護器跳脫的熱力學和時間關係的圖形表示。這些以電流為橫軸、時間為縱軸的曲線應該很熟悉，因為它們通常與斷路器和熔斷器相關。但是，我們必須重申，過載保護器在發生故障時不會像其他斷路器那樣「斷開」。相反，過載保護器會發出訊號，使接觸器線圈斷開。
圖 4 展示了 Schneider Electric DPE 系列馬達起動器的跳脫曲線。左側面板包含實驗結果（帶有圓圈的點），這些結果將在本文後面進行描述。請注意，較高的電流會導致過載保護器跳脫速度比低電流更快。正如稍後將要展示的，在冷態兩相測試中，1.5A 的電流大約需要 80s 才能跳閘。在更高的電流下進行相同的測試，系統跳脫時間約為 15s。
技術提示：過載保護器與其所保護的馬達之間存在著一種內在連結。例如，通常可以允許三相感應馬達短暫過載。但是，持續過載會導致馬達過熱並損壞。與馬達起動器過載保護器搭配良好的過載保護器的跳脫時間常數會反映馬達繞組的溫度。如果馬達溫度較高，馬達起動器中的熱敏加熱器也會發熱。過載保護器應在馬達損壞之前提前跳閘。這是選擇和調整過載保護器時需要考慮的重要因素，因為不匹配會導致誤觸發過載（設定過低）或馬達過熱（設定過高）。
請注意，本文介紹的熱敏保護器是可調節的。在本文後面所描述的實驗中，電流設定為方便的 1A。這樣可以直接讀取跳脫曲線的橫軸。如果使用不同的過載保護器，或將電流設定為 1A 以外的任何值，則需要將跳脫曲線乘以相應的設定值。例如，如果模組設定為 1.6A，我們預期 4.8A 的電流會在 15s 內使模組跳脫；計算方法為 3 * 1.6A。
圖 3：馬達起動器、過載保護器和輔助接點模組的接線圖。
技術提示：處理熱過載事件時，我們必須保持耐心。請記住，雙金屬片在加熱時會彎曲，導致過載保護器跳閘。它們會保持這種變形狀態，直到冷卻下來。在此期間，我們將無法重設過載保護器。同時，對應的馬達也會很燙。我們應該讓系統冷卻。另一方面，如果系統停機，工長等人員會催促您盡快恢復設備的正常運作。切記，設備停機造成的損失非常巨大。
圖 4：Schneider Electric DPE 系列過載保護模組的跳脫曲線及標註實驗數據。
設計實驗以產生跳脫曲線
回顧您最初的交流電課程，記得均方根 (RMS) 這個術語與熱量有關。RMS 測量是基於在電阻器等裝置中產生相同熱量（功率）的能力，將交流電與等效直流電進行比較。此基本原理適用於馬達起動器熱過載保護模組內部的加熱器（電阻器）。因此，我們可以用直流電來取代大型交流馬達消耗的交流電流。在熱量相等的情況下，我們可以在可控且安全的實驗中確定與跳脫曲線相關的時間。
實際實驗相對簡單。首先，我們依照圖 5 所示連接一個恆定電流電源。然後，我們使用另一個電源，透過圖 6 所示的經典三線啟動/停止電路，為繼電器電路提供 24V 直流電壓。
關於圖 6，我們注意到過載模組的常閉接點（95 至 96）與接觸器線圈（A1 至 A2）串聯。因此，當我們按下綠色啟動按鈕時，馬達起動器被啟動。它將保持鎖定狀態，直到發生熱過載事件，此時常閉觸點（95 至 96）將斷開，從而釋放三線電路中的鎖定。關於圖 5，我們可以看到，在馬達接觸器鎖定期間，電流將流過 L1 和 L2 相加熱器。
圖 5：使用恆定電流電源進行平衡「兩相」測試的接線圖。
圖 6：使用 KiCad 開發的 3 線啟動停止電路的接線圖。
實驗結果支持製造商發布的跳脫曲線
影片 1 至 3 演示了該實驗。恆定電流電源分別設定為 3、2 和 1.5A。對於每個視頻，在分鐘頂部按下綠色按鈕。然後影片會被加速，這樣我們就不需要觀看草的生長。當熱跳閘發生時，視訊會恢復到正常速度。您可以聽到接觸器釋放時發出巨大的重擊聲。然後相應的行程時間就會顯示在鐘面上。
這項分為三個部分的實驗結果與製造商提供的跳脫曲線進行了比較。結果與 3A@19s、2A@33s和 1.5A@79s 的跳脫曲線吻合度很高。值得注意的是，在另一項使用恆定 1A 電流進行的實驗中，如跳脫曲線所示，馬達系統並未跳脫。這類似於 1A 的保險絲或斷路器，因為我們預期這些設備會在其額定電流下持續工作。
影片1：實驗展示了當 3A 電流通過熱模組兩相時跳脫時間。總時間為 19s。
影片 2：2A 實驗。總時長 33s。請注意，實驗之間系統需要冷卻。
影片 3：1.5A 實驗。總長度 79s。
下一步
本說明中所述的實驗是在過載保護器設定為方便的 1A 的情況下進行的。實驗也使用了“冷態”兩相配置和恆定電流電源。一個自然的後續實驗是使用不同的設定（例如，將過載保護器設定為 1.5A）來驗證結果。將所有三個加熱器串聯使用也並非難事。最後，了解圖 3 中「在設定狀態（溫態）下長時間運作」的規定可能很有幫助。
如果您有時間和資源，應該進行下一步，操作馬達起動器以用於其預期的高功率應用。您會發現，本文對此設備的介紹只是冰山一角。要了解更多訊息，請考慮加入 UL 的工業控制面板和面板車間計劃。
安全須知
這些實驗使用的是相對安全的 24V 直流電源，該電源來自桌上型電源。這是至關重要的安全考慮因素，使您能夠徹底了解馬達起動器。然而，我不禁想起那句關於船舶停泊在港口安全的古老諺語；但船舶的用途並非如此。
在實際應用中，馬達起動器是專為高壓和高功率系統設計的工業級設備。本文介紹的電機起動器可以驅動一台 7.5 馬力（5.5kW）的三相電機，該電機運行在 690VAC 交流電系統中。在這樣的系統中，觸電和電弧爆炸的危險始終存在。一次失誤就可能致命。
遵守美國所有地方、聯邦和州政府的指導方針。建立並維護上鎖/掛牌 (LOTO) 程序。您可以參考這份 OSHA 文件作為參考。使用高 CAT 等級的測試設備。使用合適的個人防護裝備 (PPE)，包括用於高能係統的閃光防護服。最後，作為一支了解情況的團隊的一員，遵循操作風險管理的最佳實踐開展工作。
有鑑於此，我們必須隨時注意安全，切勿對 24VDC 測試平台掉以輕心。身為教育者，我們必須在介紹產業基本特性和工具的同時，不斷探索安全概念。
注意安全！
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