智能电动机保护控制器的功能与应用

时间：2021-01-06作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：215

周晓丽

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：介绍了应用电子技术研制出的电动机起动和保护用的控制电器，其中有软起动器、电子式热继电器和控制与保护开关电器。分析了这些新型电器的原理和主要用途，并对各自的特点、技术性能和功能进行了比较研究。

关键词：软起动器；电子式热继电器；控制与保护

0 引言

        三相异步电动机结构简单、使用维护方便、运行可靠、制造成本低，因而广泛应用于工农业生产和其他国民经济部门，作为驱动各种机械的动力。随着生产自动化、制造技术和工艺日新月异的发展，原有的电动机起动和保护的控制电器已难以满足要求，为了适应发展，需要研制和生产出一些应用电子技术的新型产品，进而提高电动机的起动和保护水平。

1 软起动器

        三相异步电动机直接全压起动时电流很大(4～7倍)，传统的方法采用如Y一△转换、自耦变压器及定子回路串电抗等降压起动方法来减小起动电流，起动设备的起动参数一般无法调整，使其负载的适应性较差。电机软起动的方式具备无冲击电流、起动参数可调、软起动、软停止、智能制动，以及过载、峰值过流、欠电流、过电压、欠电压、断相、短路、同步和相序保护、轻载节能等优点而逐渐被广泛应用。各起动方式对电网的影响示意图如图1所示。

图1不同起动方式对电网的影响

1.1 软起动器原理

        软起动器是采用微处理器和晶闸管变流技术全数字控制的，实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的各种参数，如限流值、起动时间等。使电机输人电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，再赋予电机全电压。一般采用晶闸管调压起动方式，起动时具有良好的静、动态性能，即使在低速情况下也能随意调节电动机转矩，能以恒转矩起动电动机，起动电流可以限制在额定电流以下。智能软起动时由于转矩是按电压比的二次方减小，因此起动转矩很小。软起动器有电流反馈，也可采用恒流起动，即在起动过程中保持起动电流不变，直到电动机接近同步转速。

        某三相电机函数关系曲线如图2所示。

 

图2 三相电机函数关系曲线

        从图2中可看到，在电机起动过程中，电机的功率因数角0变化非常大：电机由静止状态开始，随着电机转速的上升，0角逐渐减小，当电机转速上升到额定转速时，0角达到小值，如图2中1段曲线所示；当电机处于轻载运行状态下时，其转速可以进一步提升，此时，功率因数角0又随转速n的上升而变大，如图中2段曲线所示。

        根据晶闸管调压电路的工作原理，额外的不可忽视的影响晶闸管输出电压的因素是电机的续流作用，而电机续流角的变化规律决定于其功率因数角，且该续流角便于实际测量。考虑晶闸管调压型软起动控制器的一相电路，其工作电压示意图如图3所示。

图3工作电压示意图

        其中α为检测过零后设定的触发角，θ为功率因数角，φ为实际导通角。

        所以：φ=π-α+θ，晶闸管的输出电压有效值为

        在电机软起动过程中，电机的端口电压是逐渐提高的，其电压大小取决于晶闸管的实际导通角φ，而φ又取决于α和θ的大小，而由图2知在起动过程中0又随着电机的转速不断变化。

1.2 起动方式研究

        软起动一般有下面几种起动方式：

        (1)斜坡升压软起动。该起动方式简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是：由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。

        (2)斜坡恒流软起动。该起动方式在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

        (3)阶跃起动。开机即以变大短时间使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到起动效果。

        (4)脉冲冲击起动。在起动开始阶段，让晶闸管在短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连人恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。

        (5)电压双斜坡起动。在起动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在起动时提供一个可调的初始起动电压，当调到起动力矩大于负载静摩擦力矩，使负载开始转动。这时输出电压从开始按可调的斜率上升，电机不断加速。当输出电压达到达速电压时，电机也基本达到额定转速。软起动器在起动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。

        (6)限流起动，就是电机的起动过程中限制其起动电流不过某一设定值的软起动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设定的电流限值，然后保持输出电流。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整。对电网影响小，其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间。

        采用软起动器，可以控制电动机电压在起动过程中逐渐升高，从而控制起动电流，使电动机平稳起动，机械和电应力降至小。因此软起动器在市场上得到广泛应用，并且软起动器所附带的软停车功能有效避免了水泵停止时所产生的“水锤效应”。

1.3 保护性能研究

        大多数软起动器在晶闸管两侧有旁路接触器触头，当起动电压达到额定值时，旁路接触器闭合，取代了已完成任务的软起动器，其优点如下。

        (1)在电机运行时可以避免软起动器产生的谐波。

        (2)软起动的晶闸管仅在起动停车时工作，可降低晶闸管的热损耗，又可使软起动器在投入下一次起动之前冷却下来，延长了使用寿命。

        (3)一旦软起动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用。

        软起动器可实现节能运行。在电动机运行期间，一旦负载减少或空载时，软起动器可自动降低电动机端电压，只给电动机提供足以维持负载所需的变大小转矩。由于电减少，使得功率因数获得改善，铜耗减少。

        软起动器可通过内置的通信适配器与Modbus、Device—Net、ProfibusDP和Lonworks等现场总线相连接。

        Y一△和自耦减压起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。软起动器完全克服了这些缺点，满足了传动控制对自动化程度不断提高的要求。

        (1)无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。

        (2)恒流起动。软起动器可以引人电流闭环

        控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。

        (3)可根据负载情况及电网继电保护特性选择，自由的无级调整至起动电流。

        软起动器除了具有常见的过载、欠电流、欠电压、过电压、断相和相序等保护外，还具有以下独特的保护性能：

        (1)起动次数。在1～60min中，起动次数范围为1—10次可调节。

        (2)起动时(堵转保护)。1—30S可调，在规定时间内电动机尚未达到全速，起动器脱扣。

        (3)电子式熔断器。当起动电流为电动机满载电流的850％时，或运行时为200％～850％电动机满载电流时，使起动器在一个周波内脱扣。

        (4)低转速时。低转速运行过30s，起动器脱扣。

        (5)接线错误。电动机接线错误时，不能起动。

        (6)晶闸管短路。内有金属氧化压敏电阻和电路，当一个及以上晶闸管短路时，电动机不能起动。

        (7)散热器过热。散热器温升过85~C，起动器脱扣。

        (8)外部故障。当外部故障触头闭合2S，起动器脱扣。

        (9)电动机绝缘水平下降。绝缘水平整定范围为0．2～5MQ，可整定两个数值，电动机绝缘水平下降至整定值，延时60S报警和起动器瞬时脱扣。

2 电子式热继电器

        传统的双金属片式热继电器因其简单**而得到广泛应用。但其保护动作，受环境温度影响较大，容易因长期运行的热疲劳而偏离原有整定值，所以保护作用较差。

三相异步电动机烧坏以不平衡故障(包括断相)率高，占整个电动机烧坏故障的70％以上。根据对称分量法，当不平衡故障发生时，将使三相电流和三相电压的大小、相位不再对称，电流、电压中会出现负序分量，不会出现零序分量。

三相异步电动机的正序等效电路和负序等效电路如图4所示。图中：为每相定子电压正序分量，为每相定子电压负序分量。

图4正序等效电路和负序等效电路

        电动机正序阻抗和负序阻抗与转差率有关，忽略励磁阻抗，正序阻抗为以下，负序阻抗为以下

 

 

 

        三相异步电动机在正常运转时存在两个主要力矩：一个是使电动机转动的电磁力矩，由电动机定子绕组中流过的电流产生；另一个是阻碍电动机转动的阻力力矩，由电动机所带的机械负荷产生。当三相电动机发生不平衡故障时，转子上将作用两个电磁力矩：一个是在正序电压、正序电流作用下产生的正序电磁力矩，使电动机继续转动，另外一个是在负序电压、负序电流作用下产生的负序电磁力矩，起制动作用。由于负序转矩的存在，合成转矩都会减小，从而使铜耗增加，将使电动机温升加剧，严重时甚至烧毁电动机。因此根据三相异步电动机发热物理过程的数学模型，获得与实际温升过程更为吻合的累加定子电流的过载反时限保护特性方程，实现电动机过载能力充分利用的电子式热继电器应运而生。一般由硬件系统与软件系统组成，采用电流幅值、电流负序分量、电流零序分量和电压幅值的不同排列组合，对于不同故障所表现出的不同状态，建立各种故障相应的保护特性方程，以保证断相时及时切断电源。

        电子式热继电器应用电子技术，除了与双金属片式热继电器相同的过载、断相和三相不平衡保护性能外，还可提供以下保护和功能。

        (1)与电机绕组中安装PTC热敏元件组成过热保护。

        (2)接地故障保护。

        (3)有多种脱扣等级的保护曲线可供选择，脱扣动作精度高。

        (4)可调定时限保护。

        (5)过电压、欠电压保护。

        (6)设定电流的选择范围大。

        (7)电流检测不受谐波影响。

        (8)可通过外接线实现远动、自动复位。

        (9)过载报警。

        (10)适应温度范围大(一25一+70℃)。

        电子式热继电器设计成安装尺寸与同规格热继电器相同，可与热继电器通用互换，其接线端可直接与交流接触器插接，方便地组成电动机起动器。

3 控制与保护开关电器

        控制与保护开关电器以模块化单一结构形式，将断路器、接触器、过载继电器、隔离开关等分离元器件的主要功能集成化，并能够综合各种信号，实现控制与保护特性在产品内部自配合。他具有体积小、短路分断眭能指标高、保护精度高、机电寿命和运行可靠性高、使用方便、节能节材等优点。还具有连续工作性能，即在分断短路电流后*维护即可投入使用，也就是具有分断短路故障后的连续运行性能，为低压配电与控制系统提供了一种新型、理想、小型化、多功能的开关电器。

        控制与保护开关电器适用于现代化建筑中的泵、风机、空调、消防照明等电控系统；冶金、煤矿、钢铁、石化、港口、船舶、铁路、纺织等领域的电动机控制和保护；适用于电动机控制尤其是智能化电控系统或高分断能力的电动机控制、工厂或车间的单电机控制与保护，以及远程控制照明系统等场合。

3.1 与分立电器构成的系统比较研究

        控制与保护开关电器与分立电器构成的系统相比，具有如下一些特性。

        (1)控制与保护自配合的特性。控制与保护开关电器采用模块化的单一电器产品结构型式，具有控制与保护功能，能够实现多种电器组合的功能，可以很好地解决分立电器之间的保护与控制特性匹配问题，使保护与控制特性配合更加完善合理。以往在选择电器时需考虑的因素很多，自电源进线端至负载端要选择多种电器，而在选用控制与保护开关电器时，则只需根据负载功率或电流即可正确选择单一类型的产品，这样大大减轻了设计人员的工作量，而且还提高了对各类电动机负载和配电负载的控制与保护作用。

        (2)无可比拟的运行可靠性与系统的连续运行能力。控制与保护开关电器在分断短路电流后*维护即可投入使用，即具有分断短路故障后的连续运行I生能。在进行了分断短路电流试验后，仍具有不小于6000次的AC一4电寿命，这一特l生地提高了系统的运行可St,l生和系统的连续运行。

        (3)节能节材。控制与保护开关电器具有体积小、安装面积少、节约能源、节约材料，设计、工艺、质量标准统一等优点。

3.2 与塑壳断路器比较研究

        控制与保护开关电器与塑壳断路器相比具有分断能力高、飞弧距离小的特性。在380V额定电压下，预期短路电流为5OkA时的分断时间仅为2～3ms，限流系数可低于0．2，达到塑壳断路器水平和熔断器的限流水平，有效限制了短路电流对系统的动、热冲击，保护了系统中的其他电器设备。控制与保护开关电器飞弧距离仅为20～30mm，过载和瞬动整定电流均可调整，克服了塑壳断路器的短路保护整定电流出厂后用户无法调整的缺点，使其即使安装在线路末端，短路电流较小时，同样具有良好的短路保护功能。

3.3 与接触器比较研究

        控制与保护开关电器与接触器相比具有寿命长、操作方便的特性，其机械寿命达500—1000万次，电寿命AC一3达100～120万次。采用了先进的触头与电磁系统分离式设计，有效触头的二次弹跳，大幅度提高了产品的电寿命，而且特别适用于重载起动等严酷的场合。控制保护开关电器既可现场手动操作，又可实现远距离遥控控制。

3.4 功能特点研究

        应用微电子的控制与保护开关电器抗干扰能力强，实现控制与保护开关数字化、智能化、通信网络化及现场总线连接监控等功能。其功能特点如下。

        (1)具有远距离自动控制和就地直接人工控制功能。

        (2)具有面板指示及机电信号报警功能。

        (3)具有协调配合的时间一电流保护特性(具有长延时、短路短延时、和瞬时三段保护特性)。

        (4)具有断相、过流、堵转、短路、欠流、过压、欠压、漏电、三相不平衡、隔离、起动延时(避开起动大电流、它和过流动作时间分开)等诸多功能。

        (5)监控器对各种运行、故障等状态采用LED显示；具有电压表、电流表功能。

        (6)配有设置键、移位键、数据键、复位键，可对各种参数进行设定和查询；由于采用存储记忆技术，实现参数设定，断电后设定参数仍保存下来，无须再设定。

        (7)具有故障记忆功能，便于故障查询、分析。

        (8)具有与现场总线连接的通信接口，便于用户实现智能化管理。有遥测、遥信、遥调、遥控(即“四遥”)功能，可与ModBus、Profibus、DeviceNet总线通信。

        (9)用户根据需要选配功能模块或附件，即可实现对各类电动机负载和配电负载的控制与保护。控制与保护开关电器用在电动机线路可取代断路器、接触器、过载继电器、隔离开关等电器元件，不仅性能比所取代的电器元件优越，且可大大节省安装面积，但由于控制与保护开关电器价格昂贵，且一旦损坏要整台更换，代价很大。故产量和使用量都受到限制。

4安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型

4.1 产品简介

        ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。

4.2 产品选型

产品功能

说明：“√”表示具备“■”表示可选

5结语

        电动机在运行中经常会由于使用不当而引发各种故障，据不完全统计，国内每年烧毁电动机的数量在20万台以上，直接经济损失约16亿元，间接经济损失高达百亿元。随着现代化电子技术的迅速发展，各种新型的电动机控制和保护器不断涌现，均能够根据负载电流判断线路中的各种故障并及时进行保护，保证了电动机的可靠运行，提高了运行人员的工作效率，大限度地减少经济损失。因此，应用智能型电动机起动和保护控制器替代传统的接触器、熔断器、热继电器是发展趋势。

【参考文献】

[1]卓乐友．电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社,2007.

[2]王伟.智能电动机控制器保护及其应用[J].上海电力学院学报,2011,27(3):219-223.

[3]张平泽.电动机起动和保护控制器的研究

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版


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