■电机继电器的必要功能
使用电机·继电器的目的可分为以下2类。
（1） 保护电机自身（防止烧损）
（2）将电机所连接的负载的损害控制在最小范围内。
（此时，比起电机其负载更为重要，因此有必要选定电机继电器）为了满足以上（1）和（2），电机继电器需要具备以下3个功能。

（2） 缺相要素
（3） 反相要素

以下对这三个要素的详细内容进行说明。

●过载要素

电机过载的情况下，如果长时间流通过电流，电机将会烧损。因此，一旦流通过电流，必须立即检测电机，切断电机电源来保护电机。但是，如图1所示一般启动感应电机时，会在数秒到数十秒内流通500%左右的过电流。如果此时电机的过载要素工作，电机一启动马上发生断路，电机将无法运转。因此电机继电器上除检测电机上流通的电流是否超过额定值的“过电流要素”外，还需要“时间要素”，过电流的继续时间如果在电机的启动时间内则不动作，如果超过启动时间则使其动作。即为避免启动电机时发生的电机继电器的误动作，需要时间要素。需要时间要素还有另外一个理由。
图2为表示电机过热特性的I2t曲线，若在这个曲线的下侧范围，则电机不易烧损，可以充分使用。此例为即使电机上流通500%的过电流，如果为40秒则可以使用。若电流值为一半250%则为，

到4倍的160秒为止OK。同样为100%时，按照以上公式计算则为

仅为1000秒，但100%是额定电流可以连续运转，因此不适用于该公式。这个曲线并不是准确的I2t，只是I2t的大约值。另外，电机自身即使流通过电流也不会马上烧损，有一定的允许时间，至少可以承受启动电流、启动时间的过载。因此，最理想的使用方法是使电机达到界限，从这个观点出发，即使过电流也立即动作的电机继电器是不甚理想的。如图2所示，沿曲线下侧的曲线进行动作，有较大电流快速通过时，较小电流流通时长时间动作，即反限时特性，具备这种时间特性的产品最为理想。这就是在负载要素上添加时间要素的理由。即使是极小的过载，电机继电器也会立刻动作并停止，通过该要素，可防止这种不必要的动作停止。但是根据用途，有时不需要这个特性。例如，负载为规定值，超过额定电流时可明确判断为负载的异常状态，流通过电流时如果不马上切断电机电源，负载发生损害，且损害扩大。在上述保护负载的用途中，过载要素的动作时间越快越好。当然，如果这个时候启动，会有过大的启动电流流过，因此启动时一定时间内不能动作，之后需要带瞬间动作功能的过载要素，我们将其称为普通瞬间型。另外，迄今为止过载要素中必须具备检测电流值的要素和时间要素2个要素，这个电流、时间值设定为多少较好呢？
·关于电流值
JEM1357「三相感应电机用感应型及静止型保护继电器」的标准中规定了动作值应在电流整定值的105～125%范围内，而电机继电器的各大厂家也大都遵照该标准。因此，即使无特别指定的电机也基本能满足标准要求。
·关于时间
同样在JEM 1357标准中规定了电流整定值的600%过电流下为40秒以下，200%过电流下为4分钟以下。另外，作为JIS B 8324深井用水中电机泵的电机保护规定了[流通全负载电流的5倍电流时应在5秒以内动作]。因此，一般的电机继电器在500%过电流下有数秒～数十秒的动作时间，电机继电器种类也多种多样。

图1. 电机的启动电流

图2.电机的过热特性和保护曲线

过载要素的总结
（1）过载要素的电流要素在额定值下一般不动作，在125%下动作。时间上选择在500%过电流时数秒~数十秒左右大于电机启动时间。普通的反限时特性是电流值越大越快，电流越小花费时间越长的时间特性。
（2）时间要素有启动时及其后运转时在同一时间特性下动作的类型和仅启动时延时，运转时作为瞬间动作保护与电机相连的负载的类型，后者一般称为瞬间型。

●缺相检测要素

由于电机的电源线断线，连接部松驰，控制用开关的接触不良，电机内部的断线等，使本来应在三相电压下运转的电机在单相下进行运转的状态称为“缺相”。停止的感应电机在单相下不能开始运转，如果在缺相状态下启动，为了让启动电流持续流通，可根据先前所述的过载要素进行检测，防止烧损电机自身。但是正常运转中即使发生缺相，成为单相状态，众所周知，如果负载较轻，三相感应电机可作为单相感应电机继续运转。
请看图3。有人接线电机和△接线电机的电源相缺相以及△内部的缺相三种状态。此时请考虑仅靠插入电源线的过载要素是否可以防止电机的烧损。
（1）人接线电机的缺相
如图3(a)所示电源线中流通的电流和电机卷线中流通的电流，无论在哪里断线都是一样的。因此，如果发生缺相，即使过电流流过，电源线的过载要素也会进行检测，因此不会烧损电机。另外如果电机的负载过轻，不会发生过电流时，过载要素不进行检测，由于电机电流较小不会发生烧损，可继续进行轻负载运转。

图3.缺相时的电流分布

（2）△连线电机的外部缺相
图3(b)的情况下该怎么处理？
正常时如果卷线中流通的电流为I，电源线上流通的电流则为√3I，即卷线的额定电流如果为In，电源线的额定电源则为√3In，过载要素通过监视√3In< √3I来等价监 视卷线上的电流是否为In< I。
B为缺相状态的情况下， I＝In时的电源线的电流为3/2In，当然是√3In或者1.5In< 1.732In，因此根据电机的负载状态，卷线即使发生过电流，由于电源线在额定电流以下，过载要素不动作，卷线可能被烧损。这种情况下为防止电机烧损，需要其他检测缺相的要素。
（3） △连线电机的内部缺相
图3 （C）的情况下该怎么处理？ I1和I2与正常时相同｜I1｜=｜I2｜，相位差为120°，V相电源线电流与正常时相同为√3I，另外U、W相的电流分别为I1、I2，从电源线来看，可以发现卷线上流通着过电流，过载要素进行检测，无需担心会被烧损。因此，可以说与(1)的人连线相同。此外，迄今为止都是从防止电机烧损的角度来进行说明。

图4. 缺相时的电源线电流矢量图

缺相即为异常状态。运转中发生缺相，轻负载下如果任其继续运转是不适当的，稍微再增加点负载将可能停止，连接脱落的导线与外壳接触，将可能导致触电事故及短路事故。异常状态下以立即检测并处理为保护原则，不仅是为了防止电机烧损，这种情况下也应尽快检测缺相。即不仅是为防止电机烧损，为在轻负载时也检测缺相，由于在过载要素下检测较费时间，因此为了尽早进行，一般在图3(a)、(c)所示的情况下设置缺相要素。
关于缺相要素还需注意一点。在图3(a)、(b)中正常时U、V、W相的电流为平衡三相电流，但缺相和缺相的相电源线电流完全为零，其他的2相中流通着单相的往返电流。此时如图4(a)所示，缺相前后矢量关系有很大的变化。然而，图3(c)的情况下，图4(b)所示的矢量变化与图4(a)相比，直观上感觉变化较小。实际上图3(c)的情况与图3(a)、(b)相比，更难检测缺相。普通图3(a)、(b)所示的状态为缺相，(c)的情况称为△内部缺相，以示区别。一般所指的可检测缺相的情况为(a) (b)，因此使用△接线电机（1.5kW以上多用这种电机）时请务必注意。

图5.电流方式缺相要素的优越性

另外，也有如图5所示不使用变流器，用电机的电压检测缺相的方式。这种方式不能检测从检测缺相用的连接点在电机侧缺相的情况，即使电源侧缺相，由于电机端子电压没有下降到一定程度，因此有时无法检测轻负载运转中的缺相，电流检测的方式更为有利。

缺相要素的总结

（1）仅过电流要素时，有时不能防止电机烧损，需要缺相要素。
（2）轻负载时即使缺相也不流通过电流那样的电流，因此过载不能检测。为了尽早检测异常，需要缺相要素。
（3）一般所说的缺相是指电源线的缺相，因此很多情况下无法检测△内部缺相，请注意。
（4）有电压方式，但电流方式更为有利

●反相要素

如果三相感应电机相序为逆，电机的旋转方向也相反。任何用途中都不允许电机向任意方向旋转，有时即使是瞬间反向旋转，都会给电机负载造成致命的打击。为此，施加在电机上电源的相序一旦反向，能立即进行检测的要素称为“反相要素”。

图6.反相要素的电压电流方式比较

此时可考虑与缺相检测相同的电流方式、电压方式。请看图6。如图6所示在电磁接触器前连接反相要素后，反相在电机启动前可以进行检测。由此前面所说的电机即使是瞬间也不会使其反转。电流方式无论怎么快也要0.5秒左右的时间，所以多少有一点逆转也是没办法的。就这个意义上来说电压方式更为有利。但是，电压方式的缺点在于与电机继电器的连接较多。在高压电机等情况下需要添加1个VT。另外，电流方式的优点在于能直接判断电机中流通电流的相序，也有如前所述检测较费时间（电机旋转后的检测）的缺点。另外，无论何种情况反相检测仅检测其连接点（电压检测时连接电源线的位置、电流检测时插入CT位置）的相序，在设置时需要注意这点。此外，一旦设置好电机后，相序很少为逆，很多情况下不需要反相要素。但是，在移动用电源的电机等中，连接变更的频率较高，在保养检查时就连接变更来说，还是添加比较好。

反相要素的总结
（1）很多情况下不需要反相要素。
（2）电压检测有启动前可检测的优点，而电流检测有可直接监视电机的电流相序的优点。但也各有所短。

■电机·继电器的特异点

电机及电机继电器在使用上必须注意以下几个问题。在此就缺相时的电压下降、电机电流波型的失真，改善力率用电容器的配置，电机电流的不平衡进行说明。

●缺相时的电压下降（电源连接上的注意事项）

如图7所示， V相下即使缺相（断线），施加在电机继电器及电磁接触器上的电压也不为零，U、W间的线间电压Vuw在电机的卷线X和Y分压，通常电磁接触器励磁线圈及电机继电器的电源电路的阻抗与X和Y卷线的阻抗相比相当大，因此施加约为1/2Vuw的电压。在这个状态下为使电磁接触器断路，电机继电器即使在额定电压一半的电压下也可以检测缺相并进行动作吗？不可以时，电磁接触器不能保持1/2的电压，进行选择，自动复位。然而，如果电磁接触器的电源与电机继电器的电源为不同的相，如图7所示电磁接触器和电机继电器都从U、W相取得电源。如果仅电磁接触器从U、W相取得电源，在电磁接触器中即使V相缺相，保持施加额定电压，不能复位，而且电机继电器上只能施加1/2的电压，电机继电器无法动作时，不能进行保护。因此，或使电机继电器即使在1/2的电压下也能进行动作，或注意布线，在电磁接触器上附加1/2的电压，使其务必复位，任何一种情况下都需注意。

图7. 缺相时的电压下降，进相电容器的位置

注. 电机轻负载运转中的缺相下，电压不会下降到1/2。从电机侧供给近似于正常电压的电压。此时不能进行保护电磁接触器的释放电压。

●电机电流的波形失真

送风风扇用电机电流波形失真示例

如图所示，流入电机的电流本来应该是正弦波，在水中电机等用旧的电机中，即使是可正常运转的电机，也可观测到电流波形的极端失真。电机继电器在设计时以输入正弦波为前提，根据波形的失真，在过载要素下动作电流值的误差增加，另外，在缺相、反相要素下会发生误动作等。电机的电压波形一般失真较少，动作快的反相要素等中，电压方式比电流方式更为有利。但是，各个厂商也在探讨波形失真的问题，最近各个方式几乎没有什么差别。

●改善力率用电容器的设置位置
如图7所示，为改善其力率，与电机并列接入进相用电容器。电机的轻负载时流通的电流几乎无效，有相当一部分高次谐波混入。由此，将电容器并列连接，消除基本波成分，仅残留高次谐波。较大情况下，本来设计为输入50/60Hz的正弦波的缺相、反相电路等易发生误动作。当然，大部分情况下的高次谐波电流很小，不会发生误动作，但如图7所示，为降低误动作的概率，在电机继电器前设置电容器的方法最为保险。另外，如果在电机继电器后插入电容器，看上去电机电流减少，需要估计电机继电器的过电流动作值并进行设定，较为烦琐，因此从这点来看，仅向电机继电器提供电机中流通的电流的方法最为理想。

■静止型电机继电器的构造（本公司SE的示例）

●电流变流器
其中包括变流器、二极管和电阻器，变流器将电机电流的大小变换为在晶体管电路中便于使用的电流；二极管对变流器二次电流进行三相全波整流；电阻器将整流后的电流变换为直流电压。特别是这个电流变流器通过变更其内置的分流，可将其电阻值变为3个阶段，能在电机电流的广范围中使用。例如电机电流为80A时，电流变流器的输出电压为达到21V，假设 连接600Ω的电阻器，40A时为达到21V则连接1200Ω， 20A时则连接2400Ω的电阻，这样电流变流器的输出电压一直为21V，因此，电机继电器本体在21V下动作时，能通过变更分流设置为在20A、40A、80A的任意一个下均可动作。（注. 电压·电阻值表示一个例子）另外，为了在20A下动作而选择分流时，如果在电流变流器上卷2次电机电源线，即使电机电流为10A，从电流变流器来看，也可以发现实际流通为20A，因此在10A下也可以使其动作。同样如果卷4次，在5A下也可以使其动作。

图8 .SE 静止型电机继电器（反限时型）内部框图

●过载要素
电流变流器的输出通过连接线进入电机继电器本体的7（C＋）、8（C-）端子「数字为插件型时的端子编号，（）内为埋入型时的端子编号」，在电流刻度整定电路分压，进入过电流检测电路。电流刻度整定电路在可变电阻的简单分压电路中，通过变换分压比率，可变换电流动作值，此时，如果电流变流器的分流为20A，通过旋转该可变电阻器的旋转，可在8A～20A的范围内整定动作值。如果发生过电流，过电流检测电路进行检测并进入下一个时间整定电路。这个时间整定电路具备前面所说的反限时特性，其时间特性如图9所示。

图9. 过载动作时间特性（参考值）

在这个时间整定电路中带有可变电阻器，通过旋转其旋钮，流通电流整定值600%的电流时的动作时间在2～10秒范围内可以改变。此外也带有时间倍率用开关，4倍即8～40秒可简单进行设定，并具备在2～40秒广范围内可整定时间的优点。过电流超出整定时间流通时，输出继电通过OR电路，由输出电路进行励磁，切换其接点X/c，进行相关的报警、断路等动作。另外，瞬间型如图10所示，电机电流约为额定值的30%以上时，则认为电机启动，启动时间电路开启动作，与输入电流的大小无关，一定时间内不进行输出，因此即使过电流检测电路马上动作开始输出，AND电路也不输出，不动作。经过启动时间后，由于电机中流通额定值～额定值50%左右的电流，启动时间电路保持输出。之后，如果发生过电流，过电流检测电路立即动作，在0.5秒以下时继电器进行动作。

图10.SE静止型电机继电器（瞬间型）内部框图在反限时型中如下图部分所示。

●关于继电器的动作

（手动复位型）

SE--------------- 继电器机械性自我保持，即使停电，到手动复位之前一直动作。

K2CM------------- 继电器因为采用了保持继电器，即使停电也仍然锁定。复位时需要电流。

（自动复位型）

如果低于整定则自动复位。（但是与缺相要素同时使用时，缺相情况下，因为操作电源较低，U、V的供给电源和电机电源请使用不同的电源。由于上述理由不能使用反相要素）

●缺相要素

图11. 电流变流器的输出波形

图11（a）是正常时的整流输出波形，（b）是缺相时、（c）是△ 接线电机内部缺相时的波形。这些在正常情况下直流部分大交流部分小，而且可以看出第6谐波以上频率成分较高，缺相时直流部分小交流部分大，而且可发现其交流部分第2谐波最大。因此可从直观上发现，如果构成上响应第2谐波／直流部分或交流部分／直流部分的比则可进行以缺相检测。

图12.缺相检测电路的构成

因此静止型电机继电器应用了这个原理，如图12所示设置了滤波器，包括从电流变流器的输出（正确而言是对其进行分压的输出）中仅取出直流部分的滤波器和仅取出第2谐波成分的滤波器，其比超过某个值时判定为缺相。于是这个缺相时的动作时间特性如图13所示，与电流值几乎无关，约为1.5秒。

图13. 缺相动作特性

可确认第2谐波成分／直流部分几乎为不平衡率的函数。因此，这个电机继电器与其说是缺相检测，不如说是作为不平衡检测而设计的，进行整定，当不平衡率约为35%时动作。如图14所示为该动作不平衡率根据电流值发生的变化。

图14. 不平衡动作特性

横轴的电流值表示3相电流中最大相的电流值。如果从缺相检测电路进行输出，通过图8的OR电路，继电器同样工作。

●反相要素

图15表示构成图，图16是矢量图。如图所示，正常时d、e间的电压为1.5Vuv、反相时为0V，因此将其赋予晶体管后可简单地检测反 相。反相检测电路的输出通过OR使继电器动作。由于电机继电器的电源是从U、V相取得的，不需要反相要素时是否可以拆下端子3（W）的连接呢？结果适得其反，Vuv在RP1和CC1分压，分压的 电压有时施加到晶体管进行动作。当然，因为有时输入电压较小，不进行动作，此时需要切换为无反相要素。另外，这个电机继电器是50/60Hz共用，即使Vde正常也并不完全是零，正常时和反相时的Vde差较大，可充分稳定动作。

图15. 反相检测电路的构成

图16. 反相检测电路的矢量图

●外部连接
图17( （a）、（b） )中表示各个外部连接的示例。当然不使用反相要素时无需连接端子3 （W）。
(1) 电磁接触器的励磁线圈和电机继电器的电源端子（U、V）相请插入同一相。
(2) 进相用电容器从电流变流器电源侧接入。
(3)电流变流器和电机继电器本体之间的连接请勿弄错极性。连接后流通的电流为通常数mA、最大数＋mA，因此无需特别注意连接线的电流容量，电压通常在数＋V以下，即使过电流也在400V以下，因此即使600V的绝缘电线也没有问题。对于噪音等也无需特别注意，但应尽量远离大电流线。
(4) 与电压端子（U、V、W）的相序请勿弄错，不需要反相要素时（反相要素[关]），仅是U、V与相序无关。
(5) 如果在电磁接触器前插入到U、V、W的布线，则可在电机启动前进行反相检测，这种方法较为有利。

图17.(a) —△启动电机时的外部连接

图17. (b)高压电机无电压拆卸时的外部连接

●电机电流的不平衡
电机电流的不平衡率普通为数％左右，但使用多年后的电机以及通过接线变压器向电机提供电源的情况下，可观测到10～20％以上的不平衡。请参见下页所示的不平衡率的简单计算方法并测定。如果超过20%，有时不能进行△内部缺相检测。

■参考

关于不平衡率
根据对称座标法，假设三相的电流分别为Ia、Ib、Ic ，矢量系数为

作为表示三相电流、电压的不平衡程度的尺度使用。但是，这个计 算较为烦琐，因此使用以下不平衡率计算表可简单地算出不平衡率。图18表示了解三相输入的三个绝对值的情况下，求出其不平衡率的图表。
例如三相交流输入的A相电流IA＝50A， B相的电流IB＝35A， C相的电流IC ＝45A时，以电流IA为基准，除去电流IA 中的其他相电流，可得出：

然后，确认从右侧纵轴KB＝0.7位置出现的圆弧B和左侧纵轴KC＝0.9位置出现的圆弧C之间的交点P1。点P1位于不平衡率20％的圆上，可判断此时的不平衡率为20％。另外，IA＝50A、IB＝65A、IC＝50A时，KA＝1.0、KB＝1.3、KC＝1.0，此时各个圆弧的交点为P2，点P2基本高位于不平衡率20%的圆上，所以可判断不平衡率为20％。依此类推，从KB、KC开始出现的圆弧的交点位于不平衡率20%的圆上，所有的平衡率均为20％，可得出同一不平衡组合有无数个。同样D1～D8表示所有不平衡率为25％的组合。在此考虑△P1XY，则XY＝IA、P1X＝Ic、P1Y＝IB，即用IA、IB、IC矢量图来表示△P1XY。

图18. 三相电流、电压的不平衡率计算图表

■电机保护
电机电路的故障多种多样，为保护其免于故障，必须使用符合其目的的保护设备。以下表示电机的事故内容和保护方式。电机的保护设备有3E继电器、热继电器、电机断路器等，将其总结如下。

电机的保护设备还各有一些特异功能。但是，如果不能正确运用这 些功能，将无法发挥其能力。因此需要选择符合保护目的的保护设备。

●感应电机的保护

感应形电机也有很多种类，其故障现象也很多。适合其各种型号保护设备的一览表如下所示。

◎：可切实保护 ○：基本上可保护 △：可带条件保护 □：不可保护情况较多 ×：不可保护

感应电机的保护目的和适用保护继电器

■3E继电器的保护
作为电机的保护设备，如前页所示有各种类型，在此就3E继电器（过载要素、缺相要素、反相要素）的电机保护进行说明。

●过载保护

过载要素在电机保护功能下，如果能正常发挥该要素，则能涵盖电机保护的大部分内容。为切实进行过载保护，需要正确进行3E继电器的动作值整定以及动作时间整定。
为发挥保护功能，按照以下步骤来制定保护协调曲线。

●电机保护协调

考虑电机的保护协调时，有必要探讨电路所连接的设备之间的相互协调。以下列举了一些探讨事项

制订保护协调曲线

如图所示为保护协调曲线的正确示例和错误示例

正确的保护协调曲线

错误的保护协调曲线

●缺相保护
缺相保护是指由于电机电源线的断线及连接部松驰，开关的接触不良、电机的内部断线等，电机单相运转的状态。成为该状态时，与电机的线电流增加相比，相电流显著增加，卷线的温度上升超出容许值，可能会发生电机烧损。这种情况下，不由过载检测，而必须由缺相检测进行保护。缺相事故和电流变化如下图所示。此图的重点是在图中2、3、5的示例下，相电流的增加与线电流的增加相比较大，此时在线电流的过载检测中，会发生不能检测故障的情况。缺相检测灵敏度是固定的，在用户方面无需为取得协调而进行动作值整定，以下介绍了较难的故障现象的示例。缺少事故和电流变化

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