馬達起動器包含一個與三相接觸器物理連接的過載繼電器。傳統的過載繼電器依靠雙金屬片或低熔點共晶合金（類似焊料）熔化並釋放機械閂鎖。本文介紹的 Siemens ESP200 以電子感測和跳閘電路取代了機電元件。這提供了超越傳統熱跳閘的馬達保護功能。
請參閱永磁馬達起動器簡介
工程重點
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過載繼電器的常閉觸點與接觸器的線圈串聯，從而提供獨立於控制系統的跳脫機制。
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固態過載繼電器無需依賴傳統的雙金屬片或共晶跳閘片。
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固態技術能夠偵測並跳脫諸如缺相或接地故障等情況，而這些情況可能不會影響機電跳脫。
馬達起動器包含哪些組件？
馬達起動器由接觸器和過載繼電器組成。
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接觸器類似於多極繼電器，具有堅固的觸點，能夠可靠地控制馬達的啟動和停止。這些觸點可以承受馬達起動時的突波電流，並且在高壓交流環境下也能斷開電路。
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過載繼電器連接到接觸器的輸出端（馬達側）。正確選擇和校準後，過載繼電器能夠反映馬達的運作狀態。如果馬達過載或存在相不平衡，過載繼電器將跳閘，從而保護馬達。
圖 1 所示的 Siemens 14EUE32AG 單元是一款典型的馬達起動器。其上部為重載接觸器，下方為固態過載繼電器。
圖 1：Siemens 半尺寸馬達起動器圖片，配備固態過載繼電器。
技術提示：作者曾在美國海岸防衛隊的三艘艦艇上擔任水手，包括「北極星號」、「希利號」和「鷹號」。許多船舶應用都包含不接地的三相系統。第一次相間短路（相間或相間短路）不會觸發斷路器跳脫。
接地故障檢測和糾正是確保配電系統完整性的重要組成部分。這款 Siemens ESP200 可編程用於偵測浮動三相系統中的相間短路故障。
接觸器和馬達起動器之間有什麼關係？
當偵測到馬達運作異常時，過載繼電器會動作（跳脫）。如圖 1 所示，常閉觸點 95 和 96 將會斷開。請注意，一條紅線從常閉觸點 (95) 連接到接觸器線圈。
這可以說是與馬達起動器相關的最重要的一條導線。
請注意，接觸器的線圈與過載繼電器串聯。因此，過載跳閘會立即透過接觸器切斷馬達電源。這是一個故障安全連接，其運作獨立於任何外部控制邏輯。
技術提示：PLC 可以設定為監控主接觸器的輔助接點。 PLC 還可以監控過載繼電器的常開接點（97-98）。這使得 PLC 能夠檢測接觸器的異常操作，並識別馬達過載情況。
作為參考，主接觸器有四種常見故障模式：無法閉合、無法斷開（觸點熔焊）、接到閉合指令時瞬間斷開（毛邊）以及未通電時強制斷開。根據系統複雜程度，您可能需要識別並記錄每種異常情況。本文簡要介紹了一種利用 PLC 識別每種故障模式的技術，提供了更多資訊。
什麼是馬達起動器的固態過載繼電器？
現在我們了解了接觸器和過載繼電器之間的關係，接下來就可以探討固態過載繼電器的工作原理了。
傳統馬達過載繼電器
- 傳統過載繼電器：為了理解固態繼電器的特性，我們首先需要了解傳統的過載繼電器，例如Schneider Electric DPER06。如本文所述，傳統的過載繼電器內部包含覆蓋在雙金屬片上的加熱器。隨著馬達電流的增加，加熱器升溫，導致雙金屬片彎曲，最終壓緊過載繼電器的機械跳脫機構。
圖 2：傳統熱過載繼電器的內部工作原理。加熱器由纏繞在雙金屬片上並與之絕緣的扁平導線組成。
技術提示：傳統過載繼電器需要時間冷卻。這很好，因為馬達也需要時間冷卻。切勿操之過急，否則馬達線圈可能會因過熱而損壞。
重複的啟動和停止循環可能會因累積過熱而導致過載繼電器跳脫。同樣，切勿操之過急，因為馬達需要時間冷卻。務必對操作人員進行培訓，以防止誤跳閘。
固態馬達過載繼電器
固態繼電器以電子元件取代了機械機構，並增加了額外的（智慧）保護功能。例如，Siemens 產品目錄中對 ESP200 過載繼電器的描述如下：
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真正的缺相保護；3s 內跳閘
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基於不平衡相電流的相不平衡檢測
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接地故障跳脫（已選擇）
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可選跳脫等級：5、10、20 或 30
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可選擇自動/手動復歸跳閘
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易於選擇和使用，可透過撥碼開關選擇
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過載保護器自供電，無需外部電源
如何配置固態過載繼電器？
與傳統過載繼電器類似，固態繼電器也具有滿載馬達電流調節功能。如圖 3 所示，Siemens ESP200（3UB81334HW2）的滿載電流調整範圍為 50 至 200A。
此固態繼電器還提供其他配置選項，可透過前面板的 DIP 開關進行控制，包括：
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跳脫等級決定繼電器的跳脫速度。跳脫等級設定為 5 時，其作用類似於快速熔斷保險絲；設定為 30 時，其作用類似於慢速熔斷保險絲。對於啟動重負載（例如傳送帶或空載空氣壓縮機）的馬達而言，這一點至關重要。
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相位不平衡可防止馬達過熱。請注意，即使是微小的相電壓不平衡也可能導致較大的電流不平衡，從而燒毀三相馬達的繞組。
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缺相設置需要仔細考慮。雖然我不是電工，但我看過不少因單相供電而損壞的馬達。這種情況很容易辨認，因為通常都會伴隨著電工的咒罵聲。
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此繼電器具有手動或自動重設設定。就我個人而言，我不太願意使用不規範的自動重設功能，因為某些故障情況可能導致系統反覆開關，直到馬達損壞——以先發生者為準。因此，我建議使用 PLC 監控系統，並整合智慧故障偵測（鎖定）機制。例如，一天內發生三次過載將導致系統強制關機（三振出局）。另一個例子是，任何十分鐘內發生兩次過載。
接地故障檢測功能可能對無接地系統有用。Siemens 將其描述為「對馬達進行最佳系統保護，防止因潮濕、冷凝、絕緣損壞或任何其他原因造成的高電阻短路或接地故障」。
圖 3：Siemens ESP200 固態馬達過載繼電器特寫。
結語
馬達起動器是工業自動化的基礎組件。固態過載繼電器為您的高價值馬達投資提供更高等級的保護。
請分享您在使用這項關鍵技術方面的經驗。
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原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey