淺談低壓智能電動機(jī)保護(hù)器的現(xiàn)狀及完善

安科瑞 鮑靜君

　　摘 要：電動機(jī)應(yīng)用的增長電動機(jī)起動器的發(fā)展，電子技術(shù)日新月異的更新又帶動電子式過載繼電器所具功能更加完善。在此基礎(chǔ)上，許多企業(yè)紛紛開發(fā)低壓電動機(jī)保護(hù)器、電動機(jī)管理系統(tǒng)等，雖然保護(hù)及控制功能增加不少，但產(chǎn)品符合的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前，相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)已公布實(shí)施，但國家標(biāo)準(zhǔn)尚在申報審批過程中。隨著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，產(chǎn)品性能將更趨完善，可靠性也將得到確保。

　　關(guān)鍵詞:低壓電動機(jī)保護(hù)器;功能;標(biāo)準(zhǔn)

　　0 引言

　　  隨著現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)及現(xiàn)代建筑的發(fā)展，采用電動機(jī)作為驅(qū)動力的方案明顯增長。由于電動機(jī)在起動過程中會出現(xiàn)大大高于正常額定電流的起動電流，使電動機(jī)繞組過度發(fā)熱而燒壞。正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，三相電動機(jī)偶而斷掉一相導(dǎo)線，電動機(jī)在低過載情況下長期繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也會使電動機(jī)繞組過度發(fā)熱而燒壞。因此，早期的電動機(jī)控制就是采用接觸器與熱繼電器組合成各種起動器，主要是解決電動機(jī)的起動和過載保護(hù)等問題。

　　  當(dāng)前，正是由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其擴(kuò)展的保護(hù)等新功能迅速增加，其應(yīng)用范圍也趨擴(kuò)大。該領(lǐng)域內(nèi)具有擴(kuò)展功能的電子式過載繼電器，也有稱其為“電動機(jī)管理系統(tǒng)”、“電動機(jī)保護(hù)器”等，市場上品種眾多，其具備的功能及符合的標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。因此，設(shè)想通過本文來闡明該類產(chǎn)品從標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用的角度所具備的基本功能及可增添的附加擴(kuò)展功能，以供產(chǎn)品研發(fā)人員參考及用戶在選用時能引起足夠的重視。

　　1 低壓電動機(jī)保護(hù)器的基本功能

　　  IEC60947-4-1:2009 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備4－1部分:接觸器和電動機(jī)起動器(含電動機(jī)保護(hù)器)》標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定:電動機(jī)起動器用以起動電動機(jī)和將電動機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速，保證電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行，對電動機(jī)及其有關(guān)電路的過載操作(運(yùn)行)進(jìn)行保護(hù)，以及切斷電動機(jī)的電源。起動器中的過載繼電器，包括具有或不具有擴(kuò)展功能的電子式過載繼電器(也稱電動機(jī)保護(hù)器或電動機(jī)管理系統(tǒng)等)。

　　  由此可見，電動機(jī)保護(hù)器的基本功能是起動電動機(jī)的控制功能和過載操作(運(yùn)行)保護(hù)功能(包括斷相保護(hù))。對于有觸點(diǎn)控制的起動器均具備這些功能;而對混合式控制的電子式過載繼電器而言，僅僅是在此基本功能上增加了許多擴(kuò)展功能，滿足不同需要。

　　  一般來說，電動機(jī)保護(hù)器沒有短路保護(hù)功能。但接觸器與適當(dāng)?shù)睦^電器或斷路器或熔斷器組合成組合電器并滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可作為整體構(gòu)成具有短路保護(hù)的綜合式起動器和保護(hù)式起動器。

　　目前，企業(yè)生產(chǎn)的電動機(jī)保護(hù)器典型產(chǎn)品基本功能比較如表 1 所示。

　　  由表1比較說明，市場上供應(yīng)的產(chǎn)品基本保護(hù)功能均齊全，在發(fā)生過電流保護(hù)時可報警或動作。但對于基本控制功能，許多產(chǎn)品僅具備直接起動的功能，也即僅僅能替代有觸點(diǎn)的起動器使用。而更多的企業(yè)充分發(fā)揮電子技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢，研發(fā)了通過軟件實(shí)現(xiàn)的多種控制模式，滿足不同負(fù)載需求。特別是自起動模式，在系統(tǒng)恢復(fù)供電后，可立刻判斷哪些電動機(jī)在之前處于運(yùn)行狀態(tài)，即按規(guī)定的延時時間后完成自動起動運(yùn)行;對于之前處于停車狀態(tài)的，則不會自動起動。因此，可以免去值班操作人員很多不必要的麻煩。又如緊急起動模式，在發(fā)生如需快速排除污染氣體等突發(fā)事件時，需刪除原先設(shè)置的人為延時，滿足立刻起動有關(guān)電動機(jī)運(yùn)行的要求。

　　  此外，通過軟件實(shí)施的其他控制模式遠(yuǎn)比原先用有觸點(diǎn)起動器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，因而深受用戶歡迎。

　　2  低壓電動機(jī)保護(hù)器的擴(kuò)展功能

　　  由于低壓電動機(jī)保護(hù)器是由電子式過載繼電器構(gòu)成的，隨著近年來電子技術(shù)的發(fā)展，在電子式上各制造商擴(kuò)展研發(fā)了許多保護(hù)功能，特別是IEC60947-4-1:2009 Ed.3.0)《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4－1部分:接觸器和電動機(jī)起動器機(jī)電式接觸器和電動機(jī)起動器(含電動機(jī)保護(hù)器)》標(biāo)準(zhǔn)的附錄 H《電子式過載繼電器的擴(kuò)展功能》專門對不直接與過載保護(hù)相關(guān)的電子式過載繼電器的擴(kuò)展功能作了規(guī)定。

　　2.1 IEC 60947-4-1 標(biāo)準(zhǔn)附錄 H 規(guī)定的擴(kuò)展保護(hù)功能

　　  目前，企業(yè)生產(chǎn)的電動機(jī)保護(hù)器典型產(chǎn)品擴(kuò)展功能如表2 所示。表2 中，“禁止保護(hù)電流(Inhibit Current，Iic )的含義是，故障電流超過該保護(hù)設(shè)定值時，開關(guān)電器不應(yīng)被觸發(fā)斷開。該值對每一個自身無短路保護(hù)的電動機(jī)保護(hù)器均應(yīng)規(guī)定。因?yàn)樵撝麟娐芬坏┌l(fā)生短路故障時，即使有串接的短路保護(hù)電器來保護(hù)，但此過程中只有電動機(jī)保護(hù)器不發(fā)出斷開命令，才能使開關(guān)電器不會被燒損而繼續(xù)正常工作。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該功能的驗(yàn)證是流過主電路的電流為0.95Iic時，過載繼電器不應(yīng)使開關(guān)電器斷開;流過主電路的電流不大于0.75I ic時，才能使開關(guān)電器斷開。顯然，經(jīng)過驗(yàn)證的電動機(jī)保護(hù)器在使用時是安全的。

　　  表 2 的擴(kuò)展功能附錄 H 均規(guī)定了驗(yàn)證的方法。由此可見，目前許多典型產(chǎn)品尚無規(guī)定此值。因此，用戶在選配短路保護(hù)電器時，對確定是否合適會帶來困難。

　　  對于其他擴(kuò)展功能，例如:接地故障保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)、溫度保護(hù)等功能，還有較多企業(yè)沒有提供，值得今后改進(jìn)和完善產(chǎn)品時考慮。

　　2.2 其他擴(kuò)展保護(hù)功能

　　  近年來，電動機(jī)保護(hù)器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，增添的擴(kuò)展功能遠(yuǎn)不止上述標(biāo)準(zhǔn)附錄H所列出的項(xiàng)目，企業(yè)根據(jù)用戶需求，又研發(fā)了不少實(shí)用而 需要的一些功能，如表 3 所示。

  表 3 所列的部分保護(hù)功能含義如下:

　　(1) 阻塞。在起動過程結(jié)束后發(fā)生嚴(yán)重過載，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。

　　(2)欠載(輕載)。當(dāng)負(fù)載小于額定負(fù)載的一種故障狀態(tài)，該故障通常是由于負(fù)載出現(xiàn)非正常情況的突變，例如:流水線傳送帶的突然斷裂、水泵的空轉(zhuǎn)等，后者可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　(3)起動次數(shù)限制保護(hù)。當(dāng)被保護(hù)電動機(jī)在規(guī)定時間內(nèi)起動次數(shù)高于設(shè)定值時，控制保護(hù)器發(fā)生停止信號，使電動機(jī)不能被起動。

　　(4)外部故障保護(hù)。當(dāng)控制保護(hù)器檢測到有外部故障出現(xiàn)時，如電動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，則發(fā)出報警或延時停車;若電動機(jī)處于停車狀態(tài)，則不允許起動，確保電動機(jī)及設(shè)備的安全。

　　由表3可見，各企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品所增添的保護(hù)功能各有特色，但還沒有一個產(chǎn)品包含該全部功能，例如:阻塞保護(hù)功能與堵轉(zhuǎn)相比，其結(jié)果均為電動機(jī)轉(zhuǎn)子被卡而停止轉(zhuǎn)動，但阻塞是指起動過程結(jié)束后發(fā)生的情況，而堵轉(zhuǎn)是指起動過程中發(fā)生的情況，顯然，其保護(hù)動作的要求是不同的。

　　  表2還說明，大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品帶有溫度保護(hù)，且比較多的產(chǎn)品采用電動機(jī)預(yù)埋正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻的方式對電動機(jī)進(jìn)行溫度保護(hù)。但是，這種內(nèi)部預(yù)埋方式的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中會發(fā)生PTC接線脫落或短路故障而往往又不會被輕易發(fā)現(xiàn)，造成電動機(jī)得不到應(yīng)有的溫度保護(hù)。

　　  表3中，有些企業(yè)的產(chǎn)品增添了PTC接線故障診斷和PTC短路診斷，一旦發(fā)現(xiàn)問題，會立刻發(fā)出報警信號，以便值班人員及時處理。

　　3  低壓電動機(jī)保護(hù)器的通信功能

　　  低壓電動機(jī)保護(hù)器可以帶通信功能，可基于多種協(xié)議，通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常用的通信協(xié)議有 Modbus、Profibus-DP、DeviceNet 等線，通信接口一般為 RS485 或 RS232，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，可以帶(或不帶)總線適配器。一般總線適配器的功能模塊都有一個與總線類型無關(guān)的連接接口，使用一個特殊的預(yù)連接電纜連接指定總線接口，可非常容易地實(shí)現(xiàn)靈活、透明和可靠的連接與通信。例如:ABB 公司生產(chǎn)的FBP現(xiàn)場總線適配器，就是上述新的通信產(chǎn)品的核心元件，能連接具有不同功能和特性的電動機(jī)保護(hù)器。又如上海漢薩—歐雅斯電氣有限公司(以下簡稱歐雅斯)生產(chǎn)的 OYR2 電氣傳動系統(tǒng)多功能保護(hù)器，就是通過可編程控制器 PLC 或網(wǎng)關(guān)，與 PC 連接進(jìn)行通信。IEC 60947-4-1 標(biāo)準(zhǔn)附錄 J《電子式過載繼電器的通信功能》對其有關(guān)的要求作了規(guī)定，即具有通信功能的電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)能通過通信接口或通信適配器與總線連接;實(shí)現(xiàn)保護(hù)和控制等功能時，通信特性不應(yīng)受到任何影響。對該產(chǎn)品的試驗(yàn)考核主要有下述 3 個方面。

　　(1)通信功能驗(yàn)證。應(yīng)在過載保護(hù)試驗(yàn)同時進(jìn)行，動作響應(yīng)應(yīng)符合相應(yīng)的要求，遠(yuǎn)程通信主站應(yīng)能正確讀取信息，試驗(yàn)應(yīng)分別在 －5℃、+20℃、+40℃的條件下進(jìn)行。

　　(2)電磁兼容性。①抗擾度。在常溫條件下進(jìn)行射頻場傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)，1.5/50μs ～8/20μs 浪涌抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)等項(xiàng)目。在試驗(yàn)過程中和過程后，應(yīng)驗(yàn)證過載保護(hù)性能，其動作響應(yīng)應(yīng)分別滿足相應(yīng)判別標(biāo)準(zhǔn) A 或 B 的規(guī)定。②發(fā)射。按規(guī)定測定產(chǎn)品的射頻傳導(dǎo)發(fā)射及射頻輻射，發(fā)射值應(yīng)不超過產(chǎn)品用于環(huán)境 A(與低壓非公用電網(wǎng)或工業(yè)電網(wǎng)場所/建筑有關(guān)，包括有較高的騷擾源)或環(huán)境 B(與低壓公用電網(wǎng)有關(guān)，如民用、商用、輕工業(yè)場所/建筑和/或相應(yīng)環(huán)境，不包括有較高騷擾源的場合，例如弧焊機(jī))所規(guī)定的發(fā)射試驗(yàn)限值。

　　(3)一致性測試。具有通信功能的電動機(jī)保護(hù)器應(yīng)根據(jù)所采用總線(DeviceNet、Profibus-DP、Modbus)的要求，進(jìn)行測試。

　　4 低壓電動機(jī)保護(hù)器的控制模式

　　  低壓電動機(jī)保護(hù)器能通過輸出繼電器來控制接觸器等其他電器，以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的多種起動方式。故其控制模式也是多種多樣，如表 4 所示。

　　  從各企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品所具有的控制模式來看，一般均可直接起動電動機(jī)。由于電子技術(shù)的發(fā)展，許多企業(yè)根據(jù)用戶需求增添了許多控制模式，如 ABB 公司、蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱蘇州萬龍)及歐雅斯的產(chǎn)品具有的控制模式較多，特別是 ABB 公司的產(chǎn)品，還帶有緊急起動模式，以滿足在特殊情況下快速起動電動機(jī)的需要。歐雅斯及蘇州萬龍的產(chǎn)品均帶有常用的自耦減壓及電阻降壓起動模式，滿足了大多數(shù)用戶常用的電動機(jī)起動方式，因而深受歡迎。

　　5 低壓電動機(jī)保護(hù)器與被控電動機(jī)容量的匹配

　　  上述低壓電動機(jī)保護(hù)器實(shí)際上是由電子式過載繼電器發(fā)展而來，使用時，要與串聯(lián)在主回路控制電動機(jī)的接觸器配合使用。一般來說，繼電器均采用小型結(jié)構(gòu)，其觸點(diǎn)容量較小。許多企業(yè)的樣本上僅公布繼電器輸出的觸點(diǎn)控制容量，例如:3 A/250 VAC，電阻性。這些數(shù)據(jù)使用戶在選用時無所適從，因?yàn)殡娮栊载?fù)載下的 3A 與電感性負(fù)載下的工作電流相差很大，而被控制的接觸器線圈正是電感性負(fù)載。因此，用戶在選用時，還需自己選配并驗(yàn)證后才能使用。由此可見，低壓電動機(jī)保護(hù)器與被控電動機(jī)容量的匹配是需經(jīng)過驗(yàn)證的。其中，需要解決2個問題:① 輸出繼電器觸點(diǎn)與接觸器容量的匹配;② 接觸器的容量與電動機(jī)容量的匹配。對此，有的企業(yè)對產(chǎn)品作相應(yīng)驗(yàn)證后，在樣品上提供相應(yīng)選用數(shù)據(jù)

　　電動機(jī)保護(hù)器樣本中的技術(shù)性能就提供與電機(jī)相匹配的數(shù)據(jù)，如表 5 所示。

　　  根據(jù)表5提供的數(shù)據(jù)，用戶按需要控制電動機(jī)功率的大小，找到相應(yīng)接觸器的額定電流值，從而可選配相應(yīng)額定值的接觸器及電動機(jī)保護(hù)器的規(guī)格。在設(shè)計選用中，無需考慮輸出繼電器的觸點(diǎn)容量與被控接觸器線圈的容量匹配，既簡化了使用者選用時的驗(yàn)證工作，又可由制造企業(yè)確保使用時的安全和可靠。

　　6 低壓電動機(jī)保護(hù)器額定電流的設(shè)置及電流信號的采樣

　　  低壓電動機(jī)保護(hù)器的額定電流設(shè)置，除取決于輸出繼電器的觸點(diǎn)容量外，還取決于采集主回路電流信號的電流互感器(Current Transformer，CT)。一般額定電流值不大時，采用內(nèi)置 CT 輸出的信號進(jìn)行處理。但是，當(dāng)工作電流太小，未達(dá)到0. 5 A 時，可以通過增加電纜穿過 CT 上窗口的圈數(shù)來提高二次感應(yīng)電流，達(dá)到與保護(hù)線路的匹配，如表 6 所示。

　　  當(dāng)產(chǎn)品控制對象為大負(fù)載時，可以利用內(nèi)置CT 與外部 CT 的組合來實(shí)現(xiàn)保護(hù)大負(fù)載的目的，如表 7 所示。

　　  由表7可見，采用60型保護(hù)器，其電流為 60 A;但采用05型與外部CT組合后，電流可至360A。當(dāng)然，輸出繼電器的觸點(diǎn)容量也應(yīng)相應(yīng)變大。

　　7 低壓電動機(jī)保護(hù)器的復(fù)位方式

　　  低壓電動機(jī)保護(hù)器對起動及運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動機(jī)發(fā)生故障動作時，一般需要復(fù)位后才能繼續(xù)控制電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以備值班人員處理分析及記錄備查。復(fù)位的方式可根據(jù)需要選擇。目前的產(chǎn)品可提供復(fù)位功能的選擇有:手動復(fù)位、自動復(fù)位、遠(yuǎn)程復(fù)位(電動復(fù)位)。特別是后者，可滿足控制室操作人員在微機(jī)上進(jìn)行智能控制，如 OYR1(E)系列電氣傳動系統(tǒng)多功能保護(hù)器就具備上述復(fù)位功能。

　　8 低壓電動機(jī)保護(hù)器的安裝方式

　　  目前，低壓電動機(jī)保護(hù)器因其結(jié)構(gòu)形式的不同，安裝方式也不同。在結(jié)構(gòu)形式上，有一體式和分體式 2 種。一體式的安裝分細(xì)釘固定安裝及導(dǎo)軌(如 35 mm 安裝導(dǎo)軌)安裝或面板安裝(柜體門板按規(guī)定開孔后，使產(chǎn)品面板凸出在門外)。分體式就是把產(chǎn)品本體與顯示分為 2 部分。本體安裝方式一般采用前 2 種，顯示部分采用面板安裝，便于操作人員現(xiàn)場方便觀察電動機(jī)運(yùn)行狀況。由于面板集成了儀表、指示燈、按鈕及故障監(jiān)測功能等，操作人員通過操作面板提供的調(diào)試接口，用筆記本電腦就可方便地進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)置及在線編程，因而深得新型的抽屜式開關(guān)柜選用。

　　9 其他輔助功能

　　  電動機(jī)保護(hù)器的研制中，有的企業(yè)利用電子技術(shù)的特點(diǎn)，在開發(fā)產(chǎn)品的擴(kuò)展保護(hù)功能的同時，根據(jù)用戶需求又增添了不少其他功能，主要有下面幾種:①密碼，用于設(shè)置參數(shù)的安全;②Y － △時間，用于設(shè)置 Y － △起動轉(zhuǎn)換時間;③相位選擇，用于單相/三相電動機(jī)選擇;④測量絕緣，在電動機(jī)斷電的情況下測量電纜的絕緣，以便及時對生產(chǎn)設(shè)備和人身起到保護(hù)作用;⑤實(shí)時時鐘，可提供查看實(shí)時時鐘功能;⑥跳閘原因記憶，儲存近期10 次跳閘原因;⑦重起限制，30 min 內(nèi)自動重新設(shè)置模式下的自動重起次數(shù);⑧重新設(shè)置模式，人工/自動/電動(可選擇)。

　　10 安科瑞智能電動機(jī)保護(hù)器介紹

　　10.1產(chǎn)品介紹

　　  智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對電動機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　10.2技術(shù)參數(shù)

　　10.2.1數(shù)字式電動機(jī)保護(hù)器

10.2.2模塊式電動機(jī)保護(hù)器

　　10.3 產(chǎn)品選型

　　11結(jié)語

　　  本文根據(jù)低壓異步電動機(jī)工作時的發(fā)熱特性設(shè)計了一種熱過載保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置提供了基于電流反時限特性和基于熱積累模型的兩種保護(hù)方案，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。該保護(hù)裝置除了具有熱過載保護(hù)功能外，還具有啟動超時保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、低電壓保護(hù)和高電壓保護(hù)等功能，能夠滿足低壓異步電動機(jī)在運(yùn)行過程中對保護(hù)的要求，具有較高的應(yīng)用價值。