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安科瑞电气股份有限公司

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浅谈低压智能电动机保护器的现状及完善
发布时间:2021-01-26        浏览次数:197        返回列表
  陈盼
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要:电动机应用的增长促进电动机起动器的发展,电子技术日新月异的更新又带动电子式过载继电器所具功能更加完善。在此基础上,许多企业纷纷开发低压电动机保护器、电动机管理系统等,虽然保护及控制功能增加不少,但产品符合的标准各不相同,造成产品质量参差不齐。目前,相关的IEC标准已公布实施,但国家标准尚在申报审批过程中。随着产品标准的规范,产品性能将更趋完善,可靠性也将得到确保。
关键词:低压电动机保护器;功能;标准
0 引言
  随着现代工业、农业及现代建筑的发展,采用电动机作为驱动力的方案明显增长。由于电动机在起动过程中会出现大大高于正常额定电流的起动电流,使电动机绕组过度发热而烧坏。正常运转中,三相电动机偶而断掉一相导线,电动机在低过载情况下长期继续运转,也会使电动机绕组过度发热而烧坏。因此,早期的电动机控制就是采用接触器与热继电器组合成各种起动器,主要是解决电动机的起动和过载保护等问题。
  当前,正是由于电子技术的迅猛发展,使其扩展的保护等新功能迅速增加,其应用范围也趋扩大。该领域内具有扩展功能的电子式过载继电器,也有称其为“电动机管理系统”、“电动机保护器”等,市场上品种众多,其具备的功能及符合的标准也各不相同。因此,设想通过本文来阐明该类产品从标准及应用的角度所具备的基本功能及可增添的附加扩展功能,以供产品研发人员参考及用户在选用时能引起足够的重视。
1 低压电动机保护器的基本功能
  IEC60947-4-1:2009 《低压开关设备和控制设备4-1部分:接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》标准明确规定:电动机起动器用以起动电动机和将电动机加速到额定转速,保证电动机连续运行,对电动机及其有关电路的过载操作(运行)进行保护,以及切断电动机的电源。起动器中的过载继电器,包括具有或不具有扩展功能的电子式过载继电器(也称电动机保护器或电动机管理系统等)。
  由此可见,电动机保护器的基本功能是起动电动机的控制功能和过载操作(运行)保护功能(包括断相保护)。对于有触点控制的起动器均具备这些功能;而对混合式控制的电子式过载继电器而言,仅仅是在此基本功能上增加了许多扩展功能,满足不同需要。
  一般来说,电动机保护器没有短路保护功能。但接触器与适当的继电器或断路器或熔断器组合成组合电器并满足有关标准,可作为整体构成具有短路保护的综合式起动器和保护式起动器。
目前,企业生产的电动机保护器典型产品基本功能比较如表 1 所示。
  由表1比较说明,市场上供应的产品基本保护功能均齐全,在发生过电流保护时可报警或动作。但对于基本控制功能,许多产品仅具备直接起动的功能,也即仅仅能替代有触点的起动器使用。而更多的企业充分发挥电子技术发展的优势,研发了通过软件实现的多种控制模式,满足不同负载需求。特别是自起动模式,在系统恢复供电后,可立刻判断哪些电动机在之前处于运行状态,即按规定的延时时间后完成自动起动运行;对于之前处于停车状态的,则不会自动起动。因此,可以免去值班操作人员很多不必要的麻烦。又如紧急起动模式,在发生如需快速排除污染气体等突发事件时,需删除原先设置的人为延时,满足立刻起动有关电动机运行的要求。
  此外,通过软件实施的其他控制模式远比原先用有触点起动器的结构简单、紧凑,因而深受用户欢迎。
2  低压电动机保护器的扩展功能
  由于低压电动机保护器是由电子式过载继电器构成的,随着近年来电子技术的发展,在电子式上各制造商扩展研发了许多保护功能,特别是IEC60947-4-1:2009 Ed.3.0)《低压开关设备和控制设备第4-1部分:接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》标准的附录 H《电子式过载继电器的扩展功能》专门对不直接与过载保护相关的电子式过载继电器的扩展功能作了规定。
2.1 IEC 60947-4-1 标准附录 H 规定的扩展保护功能
  目前,企业生产的电动机保护器典型产品扩展功能如表2 所示。表2 中,“禁止保护电流(Inhibit Current,Iic )的含义是,故障电流超过该保护设定值时,开关电器不应被触发断开。该值对每一个自身无短路保护的电动机保护器均应规定。因为该主电路一旦发生短路故障时,即使有串接的短路保护电器来保护,但此过程中只有电动机保护器不发出断开命令,才能使开关电器不会被烧损而继续正常工作。按标准规定,该功能的验证是流过主电路的电流为0.95Iic时,过载继电器不应使开关电器断开;流过主电路的电流不大于0.75I ic时,才能使开关电器断开。显然,经过验证的电动机保护器在使用时是安全的。
  表 2 的扩展功能附录 H 均规定了验证的方法。由此可见,目前许多典型产品尚无规定此值。因此,用户在选配短路保护电器时,对确定是否合适会带来困难。
  对于其他扩展功能,例如:接地故障保护、电压不平衡保护、温度保护等功能,还有较多企业没有提供,值得今后改进和完善产品时考虑。
2.2 其他扩展保护功能
  近年来,电动机保护器随着电子技术的发展,增添的扩展功能远不止上述标准附录H所列出的项目,企业根据用户需求,又研发了不少实用而 需要的一些功能,如表 3 所示。
  表 3 所列的部分保护功能含义如下:
(1) 阻塞。在起动过程结束后发生严重过载,此时电动机转子停止转动。
(2)欠载(轻载)。当负载小于额定负载的一种故障状态,该故障通常是由于负载出现非正常情况的突变,例如:流水线传送带的突然断裂、水泵的空转等,后者可能会导致设备损坏。
(3)起动次数限制保护。当被保护电动机在规定时间内起动次数高于设定值时,控制保护器发生停止信号,使电动机不能被起动。
(4)外部故障保护。当控制保护器检测到有外部故障出现时,如电动机处于运行状态,则发出报警或延时停车;若电动机处于停车状态,则不允许起动,确保电动机及设备的安全。
由表3可见,各企业生产的产品所增添的保护功能各有特色,但还没有一个产品包含该全部功能,例如:阻塞保护功能与堵转相比,其结果均为电动机转子被卡而停止转动,但阻塞是指起动过程结束后发生的情况,而堵转是指起动过程中发生的情况,显然,其保护动作的要求是不同的。
  表2还说明,大多数企业的产品带有温度保护,且比较多的产品采用电动机预埋正温度系数PTC热敏电阻的方式对电动机进行温度保护。但是,这种内部预埋方式的结构在实际应用中会发生PTC接线脱落或短路故障而往往又不会被轻易发现,造成电动机得不到应有的温度保护。
  表3中,有些企业的产品增添了PTC接线故障诊断和PTC短路诊断,一旦发现问题,会立刻发出报警信号,以便值班人员及时处理。
3  低压电动机保护器的通信功能
  低压电动机保护器可以带通信功能,可基于多种协议,通过总线进行数据传输。常用的通信协议有 Modbus、Profibus-DP、DeviceNet 等线,通信接口一般为 RS485 或 RS232,进行数据传输时,可以带(或不带)总线适配器。一般总线适配器的功能模块都有一个与总线类型无关的连接接口,使用一个特殊的预连接电缆连接指定总线接口,可非常容易地实现灵活、透明和可靠的连接与通信。例如:ABB 公司生产的FBP现场总线适配器,就是上述新的通信产品的核心元件,能连接具有不同功能和特性的电动机保护器。又如上海汉萨—欧雅斯电气有限公司(以下简称欧雅斯)生产的 OYR2 电气传动系统多功能保护器,就是通过可编程控制器 PLC 或网关,与 PC 连接进行通信。IEC 60947-4-1 标准附录 J《电子式过载继电器的通信功能》对其有关的要求作了规定,即具有通信功能的电动机保护器应能通过通信接口或通信适配器与总线连接;实现保护和控制等功能时,通信特性不应受到任何影响。对该产品的试验考核主要有下述 3 个方面。
(1)通信功能验证。应在过载保护试验同时进行,动作响应应符合相应的要求,远程通信主站应能正确读取信息,试验应分别在 -5℃、+20℃、+40℃的条件下进行。
(2)电磁兼容性。①抗扰度。在常温条件下进行射频场传导骚扰抗扰度试验,1.5/50μs ~8/20μs 浪涌抗扰度试验、电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、静电放电抗扰度试验等项目。在试验过程中和过程后,应验证过载保护性能,其动作响应应分别满足相应判别标准 A 或 B 的规定。②发射。按规定测定产品的射频传导发射及射频辐射,发射值应不超过产品用于环境 A(与低压非公用电网或工业电网场所/建筑有关,包括有较高的骚扰源)或环境 B(与低压公用电网有关,如民用、商用、轻工业场所/建筑和/或相应环境,不包括有较高骚扰源的场合,例如弧焊机)所规定的发射试验限值。
(3)一致性测试。具有通信功能的电动机保护器应根据所采用总线(DeviceNet、Profibus-DP、Modbus)的要求,进行测试。
4 低压电动机保护器的控制模式
  低压电动机保护器能通过输出继电器来控制接触器等其他电器,以实现电动机的多种起动方式。故其控制模式也是多种多样,如表 4 所示。
  从各企业生产的产品所具有的控制模式来看,一般均可直接起动电动机。由于电子技术的发展,许多企业根据用户需求增添了许多控制模式,如 ABB 公司、苏州万龙电气集团股份有限公司(以下简称苏州万龙)及欧雅斯的产品具有的控制模式较多,特别是 ABB 公司的产品,还带有紧急起动模式,以满足在特殊情况下快速起动电动机的需要。欧雅斯及苏州万龙的产品均带有常用的自耦减压及电阻降压起动模式,满足了大多数用户常用的电动机起动方式,因而深受欢迎。
5 低压电动机保护器与被控电动机容量的匹配
  上述低压电动机保护器实际上是由电子式过载继电器发展而来,使用时,要与串联在主回路控制电动机的接触器配合使用。一般来说,继电器均采用小型结构,其触点容量较小。许多企业的样本上仅公布继电器输出的触点控制容量,例如:3 A/250 VAC,电阻性。这些数据使用户在选用时无所适从,因为电阻性负载下的 3A 与电感性负载下的工作电流相差很大,而被控制的接触器线圈正是电感性负载。因此,用户在选用时,还需自己选配并验证后才能使用。由此可见,低压电动机保护器与被控电动机容量的匹配是需经过验证的。其中,需要解决2个问题:① 输出继电器触点与接触器容量的匹配;② 接触器的容量与电动机容量的匹配。对此,有的企业对产品作相应验证后,在样品上提供相应选用数据,如 NJBK2
电动机保护器样本中的技术性能就提供与电机相匹配的数据,如表 5 所示。
  根据表5提供的数据,用户按需要控制电动机功率的大小,找到相应接触器的额定电流值,从而可选配相应额定值的接触器及电动机保护器的规格。在设计选用中,无需考虑输出继电器的触点容量与被控接触器线圈的容量匹配,既简化了使用者选用时的验证工作,又可由制造企业确保使用时的安全和可靠。
6 低压电动机保护器额定电流的设置及电流信号的采样
  低压电动机保护器的额定电流设置,除取决于输出继电器的触点容量外,还取决于采集主回路电流信号的电流互感器(Current Transformer,CT)。一般额定电流值不大时,采用内置 CT 输出的信号进行处理。但是,当工作电流太小,未达到0. 5 A 时,可以通过增加电缆穿过 CT 上窗口的圈数来提高二次感应电流,达到与保护线路的匹配,如表 6 所示。
  当产品控制对象为大负载时,可以利用内置CT 与外部 CT 的组合来实现保护大负载的目的,如表 7 所示。
  由表7可见,采用60型保护器,其电流为 60 A;但采用05型与外部CT组合后,电流可至360A。当然,输出继电器的触点容量也应相应变大。
7 低压电动机保护器的复位方式
  低压电动机保护器对起动及运转中的电动机发生故障动作时,一般需要复位后才能继续控制电动机运转,以备值班人员处理分析及记录备查。复位的方式可根据需要选择。目前的产品可提供复位功能的选择有:手动复位、自动复位、远程复位(电动复位)。特别是后者,可满足控制室操作人员在微机上进行智能控制,如 OYR1(E)系列电气传动系统多功能保护器就具备上述复位功能。
8 低压电动机保护器的安装方式
  目前,低压电动机保护器因其结构形式的不同,安装方式也不同。在结构形式上,有一体式和分体式 2 种。一体式的安装分细钉固定安装及导轨(如 35 mm 安装导轨)安装或面板安装(柜体门板按规定开孔后,使产品面板凸出在门外)。分体式就是把产品本体与显示分为 2 部分。本体安装方式一般采用前 2 种,显示部分采用面板安装,便于操作人员现场方便观察电动机运行状况。由于面板集成了仪表、指示灯、按钮及故障监测功能等,操作人员通过操作面板提供的调试接口,用笔记本电脑就可方便地进行现场设置及在线编程,因而深得新型的抽屉式开关柜选用。
9 其他辅助功能
  电动机保护器的研制中,有的企业利用电子技术的特点,在开发产品的扩展保护功能的同时,根据用户需求又增添了不少其他功能,主要有下面几种:①密码,用于设置参数的安全;②Y - △时间,用于设置 Y - △起动转换时间;③相位选择,用于单相/三相电动机选择;④测量绝缘,在电动机断电的情况下测量电缆的绝缘,以便及时对生产设备和人身起到保护作用;⑤实时时钟,可提供查看实时时钟功能;⑥跳闸原因记忆,储存近期10 次跳闸原因;⑦重起限制,30 min 内自动重新设置模式下的自动重起次数;⑧重新设置模式,人工/自动/电动(可选择)。
10 安科瑞智能电动机保护器介绍
10.1产品介绍
  智能电动机保护器(以下简称保护器),采用单片机技术,具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护,并设有SOE故障事件记录功能,方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口,DC4-20mA模拟量输出,方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
10.2技术参数
10.2.1数字式电动机保护器
10.2.2模块式电动机保护器
10.3 产品选型
              
11结语
  本文根据低压异步电动机工作时的发热特性设计了一种热过载保护装置,该保护装置提供了基于电流反时限特性和基于热积累模型的两种保护方案,用户可以根据实际需要进行选择。该保护装置除了具有热过载保护功能外,还具有启动超时保护、堵转保护、负序过流保护、低电压保护和高电压保护等功能,能够满足低压异步电动机在运行过程中对保护的要求,具有较高的应用价值。
参考文献
[1]IEC 60947-4-1:2009 低压开关设备和控制设备第4-1部分:接触器和电动机起动器(含电动机保护器)[S].2009.
[2]JB/T 10736—2007 低压电动机保护器[S]. 2007.
[3]陈 培 国.低压电动机保护器的现状及完善
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介:陈盼,女,本科。任职单位:现任职于安科瑞电气股份有限公司,联系,
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