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1 电动机过载的保护功能
1.1 基础概念
电动机过载的基本特征是温升超过额定温升。因此，从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。
1.1.1 电动机的温升曲线
(1) 温升曲线及其含义
电动机运行时，其损耗功率(主要是铜损)必然要转换成热能，使电动机的温度升高。
电动机的发热过程属于热平衡的过渡过程。因此，基本规律和其他的过渡过程相同，其温升也遵循按指数曲线上升(或下降)的规律，如图1(a)中曲线①所示。其物理意义是:由于电动机在温度升高的同时，必然要向周围散热，温升越大，散热也越快。故温升不可能按线性规律上升，而是越升越慢。当电动机产生的热量和散发的热量相平衡时，温升不再增加，处于稳定状态，称为稳定温升，用θS表示。当电动机运行在额定状态时的θS便是额定温升。
(2) 发热时间常数
图1(a)中的τ是发热时间常数，通常用来说明发热的快慢。其物理意义可以有两种解释:
l 如果不散热的话，电动机的温升将按线性规律上升，如图1(a)中曲线①'所示。在这种情况下到达稳定温升所需要的时间，也就是温升曲线的切线和稳定温升的交点所对应的时间;
l 温升上升到稳定温升的63%(63%θS)所需要的时间。
电动机的发热时间常数与该电动机的热容量以及周围的散热状况有关，在周围环境不变的情况下，它是常数。
1.1.2非额定状态的温升曲线
(1) 过载时的温升曲线
当电动机过载时，所产生的热量增大，但散热条件未变，故稳定温升将增加为θS′，而发热时间常数则仍为τ，如图1(b)中之曲线②所示。
(2) 低频运行时的温升曲线
电动机在低频运行时，由于内部扇叶的转速也减慢，散热条件变差。故在相同负载下，虽然产生的热量并未增加，但温升也会增大为θS"，发热时间常数则仍为τ, 如图1(c)中之曲线③所示。
1.1.3 电动机过载的特点
电动机的过载，是指电动机轴上的机械负载过重，使电动机的运行电流超过了额定值，并导致其温升也超过额定值。电动机过载的主要特点如图2所示。
1) 电流上升的幅度不大
因为机械的设计人员在选择电动机时，是严格地按照电动机的温升情况进行计算的。对于某些变动负载和断续负载，短时间的过载是允许的。因此，正常情况下过载电流的幅值Imax不会很大;
(2) 一般情况下, 电流的变化率 较小, 上升较缓慢。
1.1.4 过载保护的特点
(1) 过载保护具有反时限特性
电动机的过载电流越大，允许继续运行的时间越短，保护动作的时间也越短，如图3(a)所示。
如，当电流为额定电流的105％时，可运行5.8min后才进行保护; 当电流为额定电流的150％时，运行1min就需进行保护; 而当电流为额定电流的180％时，允许的持续运行时间只有0.6min(36s)。
(2) 保护曲线与频率有关
如图3(b)，如运行频率 ＝50Hz时，其保护曲线为曲线①，当Im＝150％IMN时，保护的动作时间为t1; 如果运行频率下降为＝20Hz时, 其保护曲线为曲线②，当Im＝150％ 时，保护的动作时间缩短为t2; 如果运行频率进一步下降为＝10Hz时, 其保护曲线为曲线③，当Im＝150％时，保护的动作时间也进一步缩短为t3。可见，频率越低，允许连续运行的时间越短。
1.2 变频器的功能设置
根据电动机发热的上述规律，所有的变频器都配置了电子热保护功能。说明如下:
1.2.1过载保护功能的设定
表明在多大电流下进行保护的预置方式。不同的变频器有不同的方法，主要有两种:
(1) 电流取用比
在实际应用中，变频器的容量和电动机容量之间的配用情况常不是固定的。例如，对于长期不变的负载，一台37kW(额定电流为70.4A)的电动机应该配用54kVA的变频器(额定电流为71A)。但对于变动负载或断续负载，由于电动机是允许短时间过载的，而变频器却几乎没有过载能力。因此，常常需要加大变频器的容量，可能配用65kVA(额定电流为86A)的变频器。
针对这种情况，在进行电子热保护时，应预置电动机的“电流取用比”:
式中％─电动机的电流取用比;
─电动机的额定电流，A;
 ─变频器的额定电流，A。
如上例，当配用65kVA变频器时，其电流取用比为:
％＝×100％＝82％
变频器内部将根据所预置的电流取用比来自动调整过载保护曲线。
(2) 电流保护曲线
有的变频器在已经预置了电动机额定电流的前提下，要求用户自行预置在多大电流下开始保护，通常用运行电流的百分数表示:
式中Im％─电动机运行电流的百分数，Im％＞100％时为过载状态;
Im─电动机的运行电流，A。
进行预置时，通常需要预置电流保护曲线，即允许运行的范围曲线，如图4所示。要点如下:
转折频率
电动机在额定频率以下的一定范围内运行时, 其散热状况变化不大,电流的允许范围可以不变, 如图4(a)中 ≥ 的情形。这里，称为转折频率。
转折频率的预置和电动机的类型(如是否采用变频调速专用电动机、电动机的外壳是开启式还是封闭式等)、运行条件(如是否有强迫通风等)以及周围环境(如环境温度的变化、通风状况)等因素有关。一般情况下，转折频率可按基本频率的70%来预置。当基本频率为50Hz时，转折频率可预置为35Hz。
此外，过载保护除了保护电动机的发热外，还应保护负载的不正常运行。例如，对于恒转矩负载，电动机允许长时间运行的电流不能减小，否则将带不动负载。故电动机运行电流的范围如图4(a)的曲线所示;而对于二次方律负载，低频时负载转矩很轻，即使负载运行已经不正常，电动机的运行电流也往往达不到额定电流值。为了及时捕捉低频时负载运行的不正常状况，应该适当减小其运行电流的允许值，如图4(b)所示。
l 零频率允许电流
电流保护曲线的起点即为零频率允许电流，如图4中Iz％。
1.2.2 过载保护动作方式的选择功能
动作方式的选择包含的面颇广，主要的有:
(1) 有效选择
即选择变频器的热保护功能是否有效。选择的基本原则是:
l 如一台变频器只控制一台电动机, 应预置为“有效”;
l 如一台变频器控制多台电动机时，则由于变频器的容量比单台电动机的容量大得多，无法对每台电动机进行过载保护，故应预置为“无效”。
(2) 电动机工况的预置
主要有:
l 负载的性质:如恒转矩负载、二次方律负载等;
l 负载的工况:如连续恒定负载、连续变动负载、断续负载、短时负载等。
变频器将根据上述数据进行计算和判断。
(3) 保护方式的预置
主要有:
l 只报警，不动作;
l 过载后自动减小电流(频率有所下降);
l 过载后跳闸，电动机按预置的减速时间停机;
l 过载后跳闸，并立即封锁逆变管，使电动机处于自由制动状态。
2 变频器的电流保护
变频器的电流保护主要指过电流保护，某些变频器还有欠电流(欠载)保护。
2.1过电流保护功能
2.1.1过电流的原因
(1) 故障引起的过电流
l 外部故障
主要是输出侧短路，如图5(a)所示;
内部故障
最严重的是逆变桥上下两个逆变管直通，如图5(b)所示。这种现象之所以发生，或因为环境温度过高，或因为逆变管老化，或因为操作不当引起控制电路的混乱，使上下两个逆变管在交替导通过程中的“死区”变窄而导致直通(即一个已经导通，另一个尚未完全截止)。
(2) 功能预置不当引起的过电流
l 负载较轻而U/f比预置的较大, 导致电动机磁路的饱和，励磁电路严重畸变, 产生冲击电流, 如图6(a)所示;
l 负载的惯性较大，而加速时间预置较短，引起在加速过程中产生过电流，如图6(b)所示。
(3) 变频器测量误差引起的误动作
例如，实际测量结果只有45A，而变频器的测量结果却是88.6A，如图7所示。显然，变频器内部的检测误差过大，而变频器又只能根据其内部的测量结果来进行保护，形成误动作。
2.1.2 变频器过电流的特点
因为电动机过载也一定过电流，但上述的变频器过电流的危害要大得多，所以，变频器必须能够根据其特点来进行判断。过电流的特点如下:
l 电流上升的幅度较大;
l 电流上升的变化率 较大。
2.2 欠电流(欠载)保护功能
2.2.1 欠电流(欠载)保护的必要性
如果在运行过程中负载突然减轻为空载，则:
l 意味着机械部分发生故障, 如皮带断裂或水泵干涸等;
l 在矢量控制模式下，可能导致变频器的运算发生错误而误动作。
因此，有必要报警或跳闸。
2.2.2 欠载保护曲线
欠载保护曲线如图8所示，其基本特点如下:
(1) 额定频率以上
由于在额定转速以上运行时，发生上述现象时的危害性较大，故转矩的下限 不变;
(2) 额定频率以下
转速越低，发生上述现象时的危害性越小，故转矩的下限 随频率的下降而减小;
(3) 零频率负载
即频率为0Hz时的转矩下限，用 表示。
3 变频器的电压保护
3.1 过电压保护功能
变频器的过电压通常指直流回路的电压过高。当直流电压过高时，主电路内的逆变器件、整流器件以及滤波电容等都可能受到损害，故一般情况下，都应该进行跳闸保护。过电压的主要原因如下:
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