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浅谈智能电机保护器集成及智能化研究与选型

1概述
传统电机控制由常用低压电器器件:隔离器、断路器(熔断器)、交流接触器、热继电器(电动机保护器具有反时限保护功能替代传统热继电器对电机的保护)、辅助电器(时间继电器、按钮开关及指示灯、电流互感器、电流表等构成)来完成相应保护。而今控制回路则由集成化程度很高的智能控制器与保护开关所替代,智能控制器与保护开关完成电机的各种保护功能(电机的短路、过压、欠压、堵转等)相应的按钮开关、转换旋钮开关、及指示灯由人机交互智能控制器(替代传统面板指示灯、转换开关、按钮等)来完成。控制与保护开关具有控制与保护自配合特性,集控制与保护功能于一体,很好地解决了分立电器器件不能或很难解决的器件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完善合理,实现了全面配合。人机交互智能控制器通过网线、控制模块、控制与保护开关来完成电机的控制。以集成应用实现了对电动机及配电负载控制与保护特性,在产品内部自配合无死角的多功能电器及人机交互智能控制器,集成了传统电机控制的所有功能:手自动选择、消防接口、楼宇智能化接口、远程控制接口、远程通讯接口,无论从控制可靠性以及降低人工成本和节省材料方面使传统电机控制保护理念一次革命,标志电机控制,建筑用风机等真正进入数字化时代。
 
2 CPS控制与保护开关
2.1应用范围
控制保护开关,主要用于交流50Hz(60Hz)、额定电压低于690V。工作电流小于125A以下的电力系统中接通、承载和分断正制造与测试Manufacturing&Test常条件下包括规定的过载条件下的电流,且能够接通承载并分断规定的非正常条件下的电流(如短路电流)。
2.2保护原理
控制保护开关目前市场主导产品,采用模块化的单一产品结构型式,应用MCU数字处理技术,类似接触器的电磁控制系统能接受通断操作指令,控制主回路电路接通与分断(替代传统控制接触器和热继电器)。其主电路的控制由动静桥式双断点触头,栅片灭弧室和限流式快速短路脱扣器动作机构组成,每极相互独立,装有限流式快速短路脱扣器与高分段能力的灭弧系统,实现高限流特性的后备保护。在负载发生短路时,脱扣器快速(2~3ms)冲击打开主接触组,同时带动操作机构切断控制线圈,使主电路各级全部断开。替代传统电机控制接触器及热继电器保护控制。
2.3执行标准
控制与保护器整合了传统低压电器器件完成的电机保护功能诸如:具有协调配合的时间-电流保护特性(具有反时限、短路短延时和瞬时三段保护特性);有电机过载、堵转、短路、欠流、过压、欠压、三相不平衡、启动延时(避开启动大电流与过载动作时间区分开)等诸多预警和保护功能。相应控制与保护开关符合:GB/T14048.1低压开关设备和控制设备总则;GB14048.9idtIEC947-6-2低压开关设备和控制设备多功能电器(设备)控制与保护开关电器(设备CPS)标准。
2.4保护开关特点
CPS具有多种分立元器件的组合功能,且这些功能在产品内部具有协调配合的特性,因此,由CPS构成的电控系统与由分立元件构成的系统对比具有以下的特点和优势:
1)只要根据负载功率(380V电动机1kW约等于2A、220V电动机1kW约等于5A)或电流,代替了以往的包括自电源进线端至负载端的各种电器;且大大减轻了设计人员,安装工程的工作量。
2)具有很高的运行可靠性和系统的连续运行性能,即CPS在分断短路电流后无需维护即可投入使用,即具有分断短路故障后的连续运行性能。
3)CPS进行了不少于3000次AC-44(笼型感应电动机:起动、运转中分断)电寿命后,紧接着完成额定运行短路电流分断能力(O-CO-CO)试验后,仍具有不小于1500次的AC-44操作性能,这是由断路器、接触器等分立元件构成的电控系统难以达到的性能。
2.5各项保护简述
主要的保护功能:与电流相关的过载、断相、短路等保护功能,以及与电压相关的欠压、过压等保护功能。这些功能经内在固有的协调配合,使得CPS能够在分断直至其额定运行短路分断电流Ics后连续运行。主要控制功能,能够就地手动控制与远程的手动控制,以及自动控制等。
2.5.1启动延时时间及过流保护
启动延时时间设定范围:1~99s,在启动时间内,只对过压、欠压、短路、漏电、断相及三相不平衡进行保护,避免开机大电流和过电流的保护。
常规控制:通常采用时间继电器(时间可以预置,预置时间范围1~99s)和相应电动机保护器(具有过流保护功能,保护器的规格根据被保护电机功率大小而确定)进行组合来完成保护功能。时间继电器的作用是避开电机大电流启动和过电流(电动机启动如在设定的时间还未启动则强制转换:如电机星三角启动)。
2.5.2过流保护
根据负载电流I值来设定保护脱扣器工作电流Ie,通常设定原则:负载电流I>80%Ie(Ie<1.25I)如负载电流I=100A,则设定电流Ie=125A。过流保护动作时间:根据负载特性设定(传统热继电器的反时限特性、来确定)。控制保护开关保护曲线(Ie---tcs)反时限特性有F1、F2、F3、F4模式来确定对应的过流倍数,与保护时间对应关系遵循反时限特性。选择不同F1、F2、F3、F4确定开关过流保护动作时间。
控制保护开关、起动、过流I-t曲线图解析:
1)起动阶段:可根据负载选择设定起动时间(1<t<99s),在此阶段起动瞬间电流I>3.5Ie以上,通常在3.0-3.5Ie之间完成起动过程。
2)正常运行:1.0Ie运行情况下。
3)过流状况:在运行情况下,工作电流1.0Ie<I<1.4Ie时控制预警发出,进入过流延时脱扣工作准备,只要检测不越限延时脱扣器不工作,直至到2.0Ie延时过流脱扣器工作,相应保护开关动作进行过流保护。
2.5.3过压、欠压保护
过压、欠压参数值通常根据用电设备长期工作情况下而确定,保证被保护的电器产品既不能在过压以及欠压状况下长期运行,避免电器器件的损坏。过压情况判定:U>120%Ue;欠压情况判定:U<70%Ue;在相应动作保护时间≤10s(10s工作时间不足于使电器在过压及欠压状况下损坏)
2.5.4欠流保护
欠流保护设定,可以避免用户未根据负载电流设定欠流值,使电机在控制保护开关范围内,尤其对不能空载的电机进行有效保护。通常欠流值设定在30Ie,一旦电机运行电流值小于欠流设定值,保护器预警发出,并在规定的保护动作时间内进行保护。保护动作时间≤30s。
2.5.5三相电流不平衡保护(兼断相保护功能)
对用电设备电机在运行过程中,三相不平衡会导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机逆扭矩增加,从而使电动机的温度上升,效率下降,能耗增加,发生震动,输出亏耗等影响。各相之间的不平衡也使用电设备寿命缩短,加速设备部件更换频率,增加设备维护成本。
目前判定三相电流不平衡度的方法用两种:
a)取三相最大线电流Imax和最小线电流Imin,由以下公式确定三相电流不平衡度:三相电流不平衡度%=(Imax-Imin)/Imax·100%;
b)取三相最大线电流Imax和三相线电流平均电流值I线均流,由以下公式确定三相电流不平衡度:
三相电流不平衡度%=(Imax-I线均流)/Imax·100%;其中:I线均流=(IA+IB+IC)/3
比如负载三相电流值:IA=85A;IB=97A;IC=120A;
采用上述两种三相电流不平衡度分别计算为:
a)(120-85)/120·100%=29.2%;
b)(120-100.67)/120%=16.1%;其中100.67=(85+97+120)/3
从计算数据来分析,a)方案明显要比b)方案要严苛,对电机负载保护也更可靠。目前普遍采用a)方案居多。保护器设定三相电流不平衡度保护范围:20%~75%,不平衡度越小表明三相电流最大与最小差值越小,相应越大则三相电流最大与最小差值越大,大到超出设定允许电流不平衡度75%以上时,可以判断三相电源其中一项已基本呈断相状态,此时保护器呈不平衡保护状态,并在相应保护时间内(≤3s)起到保护作用。
2.5.6堵转保护
堵转保护是防止电机驱动设备出现严重运转堵塞或电机超负荷运转而发热损坏电机。其堵转电流可达到额定电流4~8Ie,与电机启动电流值相当,但与之不同的是电机启动电流最大值通常在电机接通电源0.025s内产生,随后电流随时间推移按指数规律衰减,衰减速度与电机的时间常数有关;而电机堵转电流并不随时间推移而衰减保持不变;对电机运行而言,电流超过额定电流值就是过载,过载最为严重的就是堵转。
保护器一旦检测到电机呈堵转工作状态,控制保护开关动作时间在≤0.5s保护工作。
2.5.7短路短延时保护
当控制保护开关工作电流达到额定电流>8Ie以上时,控制保护开关动作时间≤0.2s。
2.5.8漏电保护
控制保护开关漏电保护是通过内置的零序互感器来测量电机运转与接地故障情况,以零序电流的大小来判断是否启动漏电保护功能。漏电≥50mA(漏电电流值可根据用户要求有几种漏电电流值可供选择:50mA、75mA、100mA、150mA、200mA、300mA、400mA、500mA)。控制保护开关动作时间≤0.2s。
 
3智能控制器
将传统的按钮、指示灯、转换开关等集成至智能控制器中,来完成人机交互智能控制。面板上设有:手动、自动、报警、低速、高速、停机指示工作灯。手动按钮、低速、高速、停止按键、报警蜂鸣器。安装方式采用面板安装与控制模块用RJ45网线连接。使控制类似与PLC配套的工控屏HMI,使控制面板简捷明了。
4控制模块
控制模块在该系统中起到智能控制器与电机保护开关的连接及钮带作用。模块内部软件采用冗余逻辑分析处理算法实现控制逻辑,从而可靠的实现对保护开关(CPS)与智能控制器连接与控制。保护器采样和执行情况由控制模块来完成,并将信息通过标准RJ45网线传输至智能控制器面板。控制模块根据不同的保护控制选择相应规格来完成电机的保护。
控制模块上配有可插拔端子,便于连线和维护。控制模块可以直接驱动交流接触器、CPS控制保护器、也可通过AC220V中间继电器驱动软启动器。模块类型按需求控制分为:高低速电机控制器、两台电机独立控制、降压启动控制器、正反转控制器、排风送风控制器、三台电机控制(两用一备型,软启动型)、两用一备三角型、污水泵、消防泵、软启动型、星三角型电路电机控制等。
5控制流程框图简介
在智能控制器(人机界面)上无论手动状态还是自动状态均可控制电机(消防泵、污水泵、星三角、软启动)正常启停。控制模块与电机控制保护器(类似KBO)配套,并将电机控制保护器所采集的故障经反馈回路反馈至控制模块中,并通过网线传输至智能控制器(人机界面)上的故障指示(用声光报警)。
1)高度集成,数字化控制降低控制成本。
2)在控制连接上采用RJ45接口网线控制,极大简化维修及售后成本,没有以往复杂的二次线路连接,如有问题可更换智能控制器和相应控制模块即可。
3)整体控制质量得到提升,由原始的多个分离控制器件及导线、接线端子而成,无论分离器件或导线连接出现松动都会引发控制故障。现将上述功能高度集成为控制器件,大大提升了控制质量及品质。
4)采用模块化的设计,体积小、功能完备、接线简单,使用方便,故障率低的特点,极大的方便了使用和安装调试的整个过程。
6安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型
6.1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。
6.2产品选型
产品功能

7结束语
智能控制器以及控制器件和电机保护器整合设计,不仅简化以往控制、二次配线的繁琐,提高装配效率,减少调试及故障率。最关键可以得到一个性价比高,功能完善的控制方式,可以完美替代并实现PLC的功能。智能控制的数字化实现,定能会逐步替代传统的控制方式,具有很好的市场前景,也是控制行业创新升级的替代品。
【参考文献】
[1]钱金川.基于电机控制保护器集成及智能化研究[J].国电子商情:基础电子,2018(000):012.
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.

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