淺談低壓智能電動機保護器的現(xiàn)狀及完善

安科瑞 鮑靜君

　　摘 要：電動機應(yīng)用的增長電動機起動器的發(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)低壓電動機保護器、電動機管理系統(tǒng)等，雖然保護及控制功能增加不少，但產(chǎn)品符合的標準各不相同，造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前，相關(guān)的IEC標準已公布實施，但國家標準尚在申報審批過程中。隨著產(chǎn)品標準的規(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:低壓電動機保護器;功能;標準

　　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，采用電動機作為驅(qū)動力的方案明顯增長。由于電動機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，使電動機繞組過度發(fā)熱而燒壞。正常運轉(zhuǎn)中，三相電動機偶而斷掉一相導線，電動機在低過載情況下長期繼續(xù)運轉(zhuǎn)，也會使電動機繞組過度發(fā)熱而燒壞。因此，早期的電動機控制就是采用接觸器與熱繼電器組合成各種起動器，主要是解決電動機的起動和過載保護等問題。

　　  當前，正是由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其擴展的保護等新功能迅速增加，其應(yīng)用范圍也趨擴大。該領(lǐng)域內(nèi)具有擴展功能的電子式過載繼電器，也有稱其為“電動機管理系統(tǒng)”、“電動機保護器”等，市場上品種眾多，其具備的功能及符合的標準也各不相同。因此，設(shè)想通過本文來闡明該類產(chǎn)品從標準及應(yīng)用的角度所具備的基本功能及可增添的附加擴展功能，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 低壓電動機保護器的基本功能

　　  IEC60947-4-1:2009 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備4－1部分:接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》標準明確規(guī)定:電動機起動器用以起動電動機和將電動機加速到額定轉(zhuǎn)速，保證電動機連續(xù)運行，對電動機及其有關(guān)電路的過載操作(運行)進行保護，以及切斷電動機的電源。起動器中的過載繼電器，包括具有或不具有擴展功能的電子式過載繼電器(也稱電動機保護器或電動機管理系統(tǒng)等)。

　　  由此可見，電動機保護器的基本功能是起動電動機的控制功能和過載操作(運行)保護功能(包括斷相保護)。對于有觸點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展功能，滿足不同需要。

　　  一般來說，電動機保護器沒有短路保護功能。但接觸器與適當?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)標準，可作為整體構(gòu)成具有短路保護的綜合式起動器和保護式起動器。

　　目前，企業(yè)生產(chǎn)的電動機保護器典型產(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)品基本保護功能均齊全，在發(fā)生過電流保護時可報警或動作。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)了通過軟件實現(xiàn)的多種控制模式，滿足不同負載需求。特別是自起動模式，在系統(tǒng)恢復供電后，可立刻判斷哪些電動機在之前處于運行狀態(tài)，即按規(guī)定的延時時間后完成自動起動運行;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)電動機運行的要求。

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

　　2  低壓電動機保護器的擴展功能

　　  由于低壓電動機保護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展研發(fā)了許多保護功能，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:接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》標準的附錄 H《電子式過載繼電器的擴展功能》專門對不直接與過載保護相關(guān)的電子式過載繼電器的擴展功能作了規(guī)定。

　　2.1 IEC 60947-4-1 標準附錄 H 規(guī)定的擴展保護功能

　　  目前，企業(yè)生產(chǎn)的電動機保護器典型產(chǎn)品擴展功能如表2 所示。表2 中，“禁止保護電流(Inhibit Current，Iic )的含義是，故障電流超過該保護設(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的電動機保護器均應(yīng)規(guī)定。因為該主電路一旦發(fā)生短路故障時，即使有串接的短路保護電器來保護，但此過程中只有電動機保護器不發(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。按標準規(guī)定，該功能的驗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)過驗證的電動機保護器在使用時是安全的。

　　  表 2 的擴展功能附錄 H 均規(guī)定了驗證的方法。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電器時，對確定是否合適會帶來困難。

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

　　2.2 其他擴展保護功能

　　  近年來，電動機保護器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，增添的擴展功能遠不止上述標準附錄H所列出的項目，企業(yè)根據(jù)用戶需求，又研發(fā)了不少實用而 需要的一些功能，如表 3 所示。

  表 3 所列的部分保護功能含義如下:

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

　　(2)欠載(輕載)。當負載小于額定負載的一種故障狀態(tài)，該故障通常是由于負載出現(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，后者可能會導致設(shè)備損壞。

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

　　(4)外部故障保護。當控制保護器檢測到有外部故障出現(xiàn)時，如電動機處于運行狀態(tài)，則發(fā)出報警或延時停車;若電動機處于停車狀態(tài)，則不允許起動，確保電動機及設(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:阻塞保護功能與堵轉(zhuǎn)相比，其結(jié)果均為電動機轉(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，且比較多的產(chǎn)品采用電動機預(yù)埋正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻的方式對電動機進行溫度保護。但是，這種內(nèi)部預(yù)埋方式的結(jié)構(gòu)在實際應(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)，造成電動機得不到應(yīng)有的溫度保護。

　　  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  低壓電動機保護器的通信功能

　　  低壓電動機保護器可以帶通信功能，可基于多種協(xié)議，通過總線進行數(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保護器。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)多功能保護器，就是通過可編程控制器 PLC 或網(wǎng)關(guān)，與 PC 連接進行通信。IEC 60947-4-1 標準附錄 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保護器應(yīng)能通過通信接口或通信適配器與總線連接;實現(xiàn)保護和控制等功能時，通信特性不應(yīng)受到任何影響。對該產(chǎn)品的試驗考核主要有下述 3 個方面。

　　(1)通信功能驗證。應(yīng)在過載保護試驗同時進行，動作響應(yīng)應(yīng)符合相應(yīng)的要求，遠程通信主站應(yīng)能正確讀取信息，試驗應(yīng)分別在 －5℃、+20℃、+40℃的條件下進行。

　　(2)電磁兼容性。①抗擾度。在常溫條件下進行射頻場傳導騷擾抗擾度試驗，1.5/50μs ～8/20μs 浪涌抗擾度試驗、電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗等項目。在試驗過程中和過程后，應(yīng)驗證過載保護性能，其動作響應(yīng)應(yīng)分別滿足相應(yīng)判別標準 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)所規(guī)定的發(fā)射試驗限值。

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

　　4 低壓電動機保護器的控制模式

　　  低壓電動機保護器能通過輸出繼電器來控制接觸器等其他電器，以實現(xiàn)電動機的多種起動方式。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。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)用戶常用的電動機起動方式，因而深受歡迎。

　　5 低壓電動機保護器與被控電動機容量的匹配

　　  上述低壓電動機保護器實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)，其觸點容量較小。許多企業(yè)的樣本上僅公布繼電器輸出的觸點控制容量，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，因為電阻性負載下的 3A 與電感性負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載。因此，用戶在選用時，還需自己選配并驗證后才能使用。由此可見，低壓電動機保護器與被控電動機容量的匹配是需經(jīng)過驗證的。其中，需要解決2個問題:① 輸出繼電器觸點與接觸器容量的匹配;② 接觸器的容量與電動機容量的匹配。對此，有的企業(yè)對產(chǎn)品作相應(yīng)驗證后，在樣品上提供相應(yīng)選用數(shù)據(jù)

　　電動機保護器樣本中的技術(shù)性能就提供與電機相匹配的數(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保護器的規(guī)格。在設(shè)計選用中，無需考慮輸出繼電器的觸點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 低壓電動機保護器額定電流的設(shè)置及電流信號的采樣

　　  低壓電動機保護器的額定電流設(shè)置，除取決于輸出繼電器的觸點容量外，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 輸出的信號進行處理。但是，當工作電流太小，未達到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，達到與保護線路的匹配，如表 6 所示。

　　  當產(chǎn)品控制對象為大負載時，可以利用內(nèi)置CT 與外部 CT 的組合來實現(xiàn)保護大負載的目的，如表 7 所示。

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

　　7 低壓電動機保護器的復位方式

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

　　8 低壓電動機保護器的安裝方式

　　  目前，低壓電動機保護器因其結(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。一體式的安裝分細釘固定安裝及導軌(如 35 mm 安裝導軌)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)場方便觀察電動機運行狀況。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

　　  電動機保護器的研制中，有的企業(yè)利用電子技術(shù)的特點，在開發(fā)產(chǎn)品的擴展保護功能的同時，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/三相電動機選擇;④測量絕緣，在電動機斷電的情況下測量電纜的絕緣，以便及時對生產(chǎn)設(shè)備和人身起到保護作用;⑤實時時鐘，可提供查看實時時鐘功能;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 安科瑞智能電動機保護器介紹

　　10.1產(chǎn)品介紹

　　  智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現(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行保護，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

　　10.2技術(shù)參數(shù)

　　10.2.1數(shù)字式電動機保護器

10.2.2模塊式電動機保護器

　　10.3 產(chǎn)品選型

　　11結(jié)語

　　  本文根據(jù)低壓異步電動機工作時的發(fā)熱特性設(shè)計了一種熱過載保護裝置，該保護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方案，用戶可以根據(jù)實際需要進行選擇。該保護裝置除了具有熱過載保護功能外，還具有啟動超時保護、堵轉(zhuǎn)保護、負序過流保護、低電壓保護和高電壓保護等功能，能夠滿足低壓異步電動機在運行過程中對保護的要求，具有較高的應(yīng)用價值。