淺談智能電動機(jī)保護(hù)器在有色冶煉行業(yè)中的應(yīng)用

安科瑞 陳聰

［摘要］簡要介紹了熱繼電器、電子式電動機(jī)保護(hù)器和智能電動機(jī)保護(hù)器的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述了智能電動機(jī)保護(hù)器如何正確的選型，重點(diǎn)比較了智能電動機(jī)保護(hù)器保護(hù)模式、端子控制模式、全通信模式、半通信模式等幾種常見 工作模式，介紹這４種模式適用的實(shí)際情況，最后通過分析智能電動機(jī)保護(hù)器在工程實(shí)際應(yīng)用中的常見問題，給出 了相應(yīng)解決方法和建議。

［關(guān)鍵詞］智能電動機(jī)保護(hù)器；過載保護(hù)；選型；工作模式；保護(hù)模式；端子控制模式；全通信模式；半通信模式

前言

低壓電動機(jī)作為有色冶煉企業(yè)底層大量使用的設(shè)備，其異常運(yùn)行不僅影響冶煉廠的正常生產(chǎn)，還會 威脅到人的生命安全，因此為電動機(jī)設(shè)置合適而又全面的保護(hù)至關(guān)重要。智能電動機(jī)保護(hù)器集保護(hù)、 遙測、通信、遙控、顯示等功能于一體，是目前功能全面的電動機(jī)保護(hù)設(shè)備，能最大限度保證設(shè)備運(yùn)行 的安全可靠性，從而實(shí)現(xiàn)智能化和高精度保護(hù)，同時還能對電動機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控。

一、電動機(jī)過載保護(hù)設(shè)備的發(fā)展

１.１　熱繼電器

熱繼電器是一種傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)裝置，使用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片來實(shí)現(xiàn)反時限保護(hù)。其 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但也存在穩(wěn)定性、重復(fù)性差和保護(hù)功能單一等缺點(diǎn)。

１.２　電子式電動機(jī)保護(hù)器

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子式電動機(jī)保護(hù) 器應(yīng)運(yùn)而生，從最初的模擬電路的固態(tài)繼電器發(fā)展到后來的數(shù)字電路的智能型繼電器，特別是微處理器的發(fā)展，讓電動機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)了測量、保護(hù)和控制 功能于一體。通過采集電流、電壓、頻率和熱電阻信 號，可以實(shí)現(xiàn)短路、過載、堵轉(zhuǎn)、超時起動、接地、缺相 或不平衡保護(hù)等多種保護(hù)功能，并能滿足各種起動控制方式。

１.３　智能電動機(jī)保護(hù)器

隨著微機(jī)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能電 動機(jī)保護(hù)器又增加了通信模塊，通過雙向通信和組 網(wǎng)技術(shù)，不僅可以采集數(shù)據(jù)，在線監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，還 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。特別是現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng) 用，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大減少了控制線纜的使用。國內(nèi)外許多電器公司推出了多款微機(jī)型智能保護(hù)裝置。

二、智能電動機(jī)保護(hù)器構(gòu)成和功能

２.１　智能電動機(jī)保護(hù)器的構(gòu)成智能電動機(jī)保護(hù)器由主體模塊、顯示模塊兩部 分構(gòu)成。主體模塊包含電源模塊、數(shù)字信號處理器、 開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量采集模塊、通信模塊 等；顯示模塊負(fù)責(zé)顯示運(yùn)行參數(shù)以及保護(hù)整定值的 設(shè)置。若主體模塊和顯示模塊合為一體，則稱為一體 式智能電動機(jī)保護(hù)器；若分開，則稱為分體式智能電 動機(jī)保護(hù)器。部分智能電動機(jī)保護(hù)器的測量模塊也 獨(dú)立于本體之外。

２.２　智能電動機(jī)保護(hù)器的功能

智能電動機(jī)保護(hù)器通過微處理器采集并處理電機(jī)回路的電流和電壓信號，并根據(jù)遙控指令或者就 地控制指令確定電機(jī)起動或停止。雖然不同品牌 的產(chǎn)品名稱、型號各異，但其核心功能基本都一 樣，具體如下：

1. 保護(hù)功能。包括過載、斷相、堵轉(zhuǎn)、啟動超 時、單相接地、短路、外部故障、欠電流、欠電壓、過電壓保護(hù)和溫度保護(hù)等

２）測量功能?？蓽y量相電流、相電壓、線電壓、 零序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率和相 位角等。

３）計量功能?？捎嬃坑泄﹄姸群蜔o功電度。

４）控制功能。具有多路數(shù)字量輸出口，可實(shí)現(xiàn) 電動機(jī)的直接起動、雙向動、雙速啟動和星三角降壓 啟動等。

５）管理功能。包括電動機(jī)累計運(yùn)行時間記錄， 電動機(jī)累計起動次數(shù)和起動時間記錄、故障動作記 錄和電動機(jī)起動報告。

６）信息采集功能。具備多路數(shù)字量輸入接口 和模擬量輸入接口，可采集電動機(jī)相關(guān)的各種電氣狀態(tài)數(shù)字信號（斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)以及控制 命令）和電動機(jī)繞組測溫模擬信號。

７）通信功能?？膳鋫涠喾N通信接口，如MODBUS、PROFIBUS－DP、 DeviecNet和Ethnet－IP等，可實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)程的起、?？刂坪蜖顟B(tài)量的反饋。

三、智能電動機(jī)保護(hù)器的合理選型

智能電動機(jī)保護(hù)器的選用應(yīng)該根據(jù)安裝地的自然環(huán)境、電磁環(huán)境以及測控保護(hù)和控制需求來 確定。

１）安裝位置的環(huán)境條件。主要指溫度、腐蝕 度、震動度、風(fēng)沙、海拔、電磁污染等。和熱繼電器不同的是，智能電動機(jī)保護(hù)器是一種電子元器件，對環(huán)境的要求相對嚴(yán)苛，這一點(diǎn)需要特別注意。

２）控制電壓。根據(jù)系統(tǒng)的控制電壓選擇適配的智能電動機(jī)保護(hù)器，部分廠家的電動機(jī)保護(hù)器僅提供24DV的電源輸入接口。

３）測控保護(hù)需求。根據(jù)電動機(jī)的類型、特點(diǎn)、功率大小和重要程度，選擇采用哪些測量功能和保護(hù)功能。

４）控制需求。根據(jù)工藝的操作需求確定控制需求，選擇手動、自動、就地控制或遠(yuǎn)程控制等控制 模式以及需要的控制功能和控制點(diǎn)數(shù)，繼而確定輸入、輸出端子的數(shù)量和功能是否滿足要求。

５）通信需求。根據(jù)需求確定是否采用通信的方式進(jìn)行遙控和遙信，進(jìn)一步確定采用何種通信 方式。

６）配合柜體的需求。根據(jù)不同的柜體，選擇一 體式還是分體式的智能電動機(jī)保護(hù)器。一般情況下，固定柜選擇一體式的保護(hù)器，抽屜柜選擇分體式 的保護(hù)器。

７）特殊需求。是否要求輸入輸出端子可自由 定義功能。

四、智能電動機(jī)保護(hù)器的應(yīng)用實(shí)例

在有色冶煉中，根據(jù)工藝需求和客戶需求，智能電動機(jī)保護(hù)器的主要應(yīng)用模式有保護(hù)模式、端子控 制模式、全通信模式和半通信模式。

４.１　保護(hù)模式

在保護(hù)模式下，智能電動機(jī)保護(hù)器只利用其自身的保護(hù)功能和測量功能，不參與外部控制，相當(dāng)于 原來熱繼電器的作用。具體接線如圖１所示。這種模式適用于原有系統(tǒng)的改造升級，外部的 控制接線修改很小。優(yōu)點(diǎn)在于最大限度減少了因智能電動機(jī)保護(hù)器裝置本身出問題或通信出問題帶來的風(fēng)險；缺點(diǎn)是沒能充分發(fā)揮智能電動機(jī)保護(hù)器的功能，遠(yuǎn)程DCS控制線路仍然采用的是硬線。部分比較保守的客戶由于對通信穩(wěn)定性和可靠性的不信任，普遍采用這種模式。

４.２　端子控制模式

在端子控制模式下，智能電動機(jī)保護(hù)器通過自 身的開關(guān)量輸入端子采集外部控制命令，繼而控制 其開關(guān)量輸出電動機(jī)的起、停或正反轉(zhuǎn)等，具體接線 如圖２所示。

在該模式下，智能電動機(jī)保護(hù)器具備保護(hù)和控 制兩個功能，相比上面的保護(hù)模式，優(yōu)勢在于可以充 分使用智能電動機(jī)保護(hù)器的控制功能，但和保護(hù)模 式一樣，其遠(yuǎn)程DCS控制線路仍為硬線。

４.３　全通信模式

在全通信模式下，就地控制時智能電動機(jī)保護(hù) 器只起保護(hù)作用，不參與控制，相當(dāng)于保護(hù)模式；遠(yuǎn)程ＤＣＳ通過通信線路控制智能保護(hù)器輸出電機(jī)起、?；蛘崔D(zhuǎn)等命令，如圖３所示。這種模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一是保 證了就地控制的獨(dú)立性，盡可能規(guī)避通信控制帶來的風(fēng)險，提高了安全系數(shù)；二是大大減少了電纜的使 用和接線的工作量。

影響這種模式推廣的關(guān)鍵因素是客戶對通信的穩(wěn)定性和可靠性的擔(dān)憂。實(shí)際應(yīng)用中，個別工程出現(xiàn)過 通信不暢、經(jīng)常掉線、易受干擾等問題，但基本都是由 于通信網(wǎng)絡(luò)方案不合理、施工質(zhì)量不佳以及通信線路 和產(chǎn)品質(zhì)量有問題等因素導(dǎo)致的，全通信模式本身已 經(jīng)很成熟，并不存在大的問題，國內(nèi)外早已大量應(yīng)用。

４.４　半通信模式

半通信模式的特點(diǎn)是電機(jī)的遠(yuǎn)程DCS起、?？?制仍然采用硬線，只有狀態(tài)信號的上傳走的是通信網(wǎng)絡(luò)，所以稱為半通信模式，接線如圖４所示。半通信模式介于保護(hù)模式和通信模式之間，是 一種折中的應(yīng)用。其應(yīng)用背景為：客戶對智能電動機(jī)保護(hù)器信心不足，擔(dān)憂由于通信不可靠導(dǎo)致電機(jī) 的起、停不受控制，繼而影響生產(chǎn)或帶來安全事故， 故遠(yuǎn)程的控制信號仍然采用硬線方式傳輸。不過這 種模式也為將來改為全通信模式留出了接口，方便日后升級改造。以上僅以普通電機(jī)單相運(yùn)行為例，列出智能電 動機(jī)保護(hù)器４種常用的工作模式，每種模式都有其 應(yīng)用的背景和現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計人員需要根據(jù)工程實(shí) 際和需求來選用合適的工作模式。

五、問題和建議

５.１　智能電動機(jī)保護(hù)器短路保護(hù)的問題

智能電動機(jī)保護(hù)器具有很多種保護(hù)功能，短路保護(hù)是其中之一。其主要保護(hù)邏輯是根據(jù)采集的電流進(jìn)線分析和計算，當(dāng)電流超過５倍電機(jī)額定電流時，其短路保護(hù)出口發(fā)出斷路器跳閘命令。該跳閘 命令是通過斷路器的分勵線圈來實(shí)現(xiàn)的，具體可以參見圖１。這個邏輯本身沒有問題，問題出在智能 電動機(jī)保護(hù)器和分勵線圈的工作電源上。一般情況下，該工作電源從電動機(jī)主回路的某一相上取電，當(dāng)時,該相電壓 也會下降。當(dāng)電壓下降到小于

智能電動機(jī)保護(hù)器和分勵脫扣器的正常工作電壓時，智能電動機(jī)保護(hù)器 和分勵線圈均無法正常工作，短路保護(hù)也無法實(shí)現(xiàn)。其實(shí)電動機(jī)主回路的斷路器本身就具備很好的短路保護(hù)功能，所以智能電動機(jī)保護(hù)器設(shè)置短路保護(hù)必 要性不大。

５.２　智能電動機(jī)保護(hù)器測量準(zhǔn)確度低的問題

智能電動機(jī)保護(hù)器基本只配備一組三相CT，而 保護(hù)器的保護(hù)功能肯定是一位的，測量和計量功能只是附帶的，因而配置的CT首先要滿足保護(hù)功能的需求。保護(hù)功能所用CT要求較大的故障電流 通過時鐵心不能飽和，以便較好地反映一次電流值， 所以在正常電流通過時，智能電動保護(hù)器測量的準(zhǔn) 確度較低。因此，智能電動機(jī)保護(hù)器的計量數(shù)據(jù)不適合作為企業(yè)的生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，如果想采集能耗數(shù) 據(jù)，應(yīng)單設(shè)測量CT和計量表。

５.３　智能電動機(jī)保護(hù)器和變頻器配合應(yīng)用易受電

磁干擾的問題

當(dāng)智能電動機(jī)保護(hù)器與變頻器安裝在同一個柜

內(nèi)配合使用時，智能電動機(jī)保護(hù)器會因?yàn)樽冾l器的電磁干擾出現(xiàn)誤動作的情況。某工程中，智能電動機(jī)保護(hù)器作為變頻器的旁路保護(hù)電器，正常情況下變頻器工作時，旁路沒有電流通過，但現(xiàn)場卻發(fā)現(xiàn)智 能電動機(jī)保護(hù)器不斷發(fā)出漏電故障報警。理論上來說，智能電動機(jī)保護(hù)器的抗電磁干擾能力滿足國家 標(biāo)準(zhǔn)要求，不應(yīng)該出現(xiàn)這種情況，但實(shí)際上這種情況 不少。因此建議智能電動機(jī)保護(hù)器和變頻器分柜安 裝，盡可能遠(yuǎn)離，避免干擾。

５.４　端子輸入控制模式下的控制信號干擾問題在端子輸入控制模式下，除了圖２接線方式，還有一種接線方式也經(jīng)常用到，就是現(xiàn)場控制箱的按鈕和遠(yuǎn)程的起、停信號直接接到智能電動機(jī)保護(hù)器的輸入端子。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于沒有轉(zhuǎn)接，接線 比較簡單，但這種接線方式在工程中經(jīng)常出現(xiàn)控制 信號的干擾問題。而出現(xiàn)這種問題的原因在于控制 信號電壓的不一致：端子輸入的電壓為24vDC，而 輸出口至控制箱信號燈的電壓為220vAC。如果設(shè) 計者沒有注意這一點(diǎn)，將至控制箱的所有信號合用 一根控制線的話，高壓干擾低壓的現(xiàn)象就會出現(xiàn)，導(dǎo) 致控制出現(xiàn)異常。避免這種問題的方法也很簡單，只要將這兩種不同電壓的信號用不同的控制電纜分開即可。

５.５　智能電動機(jī)保護(hù)器安裝在抽屜柜中的通信問題

目前市面上的智能電動機(jī)保護(hù)器采用的通信協(xié)議或接口有很多種，但無論采用何種協(xié)議或接口，當(dāng)智能電動機(jī)保護(hù)器安裝在抽屜單元內(nèi)時就會遇到通信電纜的連接問題。抽屜單元是可移動的，甚至是可移走替換的，它通過一次插頭和二次插 針與外部固定的動力電纜和控制電纜連接。由于智 能電動機(jī)保護(hù)器安裝在抽屜單元內(nèi)，它與外部通信總線之間的連接就成了一個難題。如果和其他控制信號一樣采用二次插針的方式，雖然可以解決連接 的問題，但由于二次插針裸露，沒有屏蔽層，無法保 證通信不被干擾。通信的可靠性是一位的，所以大都采用了通信電纜從柜后直接穿孔進(jìn)入抽屜單元后與智能電動機(jī)保護(hù)器相連的方式。通信電纜在柜后留有余量，當(dāng)抽屜單元小范圍抽出時沒有問題，但 當(dāng)抽屜單元抽出柜體時，就需要先拔掉連接頭，這種做法犧牲了抽屜單元的一部分便利性。國外家也有一些其他的解決方案。例如，abb品牌在低 壓智能柜imms里采用一種特制的Profibus－DF通信插頭，但效果有待驗(yàn)證；AB品牌智能電動機(jī)保護(hù) 器主要采用以太網(wǎng)通信，在低壓智能柜里采用以太 網(wǎng)插頭直接插接外部以太網(wǎng)網(wǎng)口。

六、保護(hù)器選擇分類

   現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器還有很多在實(shí)際生產(chǎn)中需要的功能，如回看功能、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制、多種啟動方式選擇等。保護(hù)器在類型上分為：一般普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

6.1一般普通型

   結(jié)構(gòu)比較簡單，主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)。故障類型采用指示燈顯示。

6.2數(shù)碼顯示監(jiān)控型

   數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護(hù)器，內(nèi)部電路運(yùn)用單片機(jī)，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護(hù)，集保護(hù)、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定，用戶可以自行對各種參數(shù)修正。

6.3智能監(jiān)中文顯示控型

   智能漢字顯示更適合國內(nèi)，與其他類型相比，功能更加完善。此類產(chǎn)品對各種參數(shù)、狀態(tài)、信息直接在操作面板單元上中文漢顯液晶顯示，使界面更加直觀醒目，并且支持遠(yuǎn)程計算機(jī)通訊功能。啟動方式有多種選擇，并有存儲回看功能，給后期的維護(hù)維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

七、保護(hù)器在選擇上應(yīng)注意事項(xiàng)

在選擇保護(hù)器的同時，還要考慮到以下幾種因素：

7.1電動機(jī)主要參數(shù)：主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據(jù)。

7.2使用環(huán)境因素的影響：主要指溫度、濕度、污染等。

7.3電動機(jī)使用方向：指拖動機(jī)械設(shè)備要求。

7.4控制系統(tǒng)：控制模式有手動、自動化程序等工作運(yùn)行。啟動方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動等啟動方式。

7.5安裝要求：在選型上要考慮安裝空間大小，留有足夠的余量，便于散熱及接線、維護(hù)、查看方便。

7.6靈敏度要求：是帶載啟動還是空載啟動，是滿載還是逐漸加載，主要是在電流設(shè)定方面要考慮到啟動瞬間的電流值與額定電流值之間的時間差。

7.7其他方面：如生產(chǎn)現(xiàn)場對電動機(jī)位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

八、安科瑞馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的低壓電動機(jī)回路及饋線回路的各類電參量數(shù)據(jù)，能夠幫助用戶對電機(jī)設(shè)備以及重要配電回路的電力參數(shù)、能源消耗、電能質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，實(shí)現(xiàn)公司重要生產(chǎn)設(shè)備的可視化管理、智能監(jiān)控和實(shí)時監(jiān)管。

8.1、應(yīng)用場所

適用于電力、冶金、化工等各類工業(yè)現(xiàn)場的電機(jī)回路及饋線回路的實(shí)時監(jiān)控和自動化管理。

8.2系統(tǒng)功能

配電監(jiān)測

以配電一次圖的形式直觀顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測各電機(jī)、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各電參量，有關(guān)故障、告警等信號。

工藝流程監(jiān)測

可根據(jù)用戶需求繪制詳盡的工藝生產(chǎn)流程圖，直觀顯示生產(chǎn)工序工藝流程及各機(jī)組運(yùn)行狀況。幫助用戶實(shí)時掌握生產(chǎn)信息。

參數(shù)查詢

詳細(xì)展示單個電機(jī)設(shè)備或饋線回路的參數(shù)信息，包括電壓、電流、功率、電能等電參量信息，以及DI/DO狀態(tài)、故障信息等各類非電參量信息。

曲線查詢

可直接查看各個數(shù)據(jù)歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電阻值等曲線，便于用戶分析回路的歷史運(yùn)行狀況。

運(yùn)行報表

系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時間段內(nèi)各電機(jī)的用電情況，即該電機(jī)用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。

實(shí)時事件告警

具有實(shí)時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)狀態(tài)、電機(jī)脫扣狀態(tài)、報警狀態(tài)、合動作等遙信變位等事件發(fā)出告警，故障發(fā)生實(shí)時彈窗告警。

歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位、電機(jī)狀態(tài)，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。

權(quán)限管理

通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

通信管理

馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)可以對整個監(jiān)控系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備通信情況進(jìn)行管理、控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測?？梢圆榭茨硞€設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)報文。

通訊拓?fù)?/span>

實(shí)時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。

8.3、產(chǎn)品選型

九、結(jié)束語

智能電動機(jī)保護(hù)器替代傳統(tǒng)熱繼電器是大勢所趨，通過智能電動機(jī)保護(hù)器以總線的通信方式組網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)工廠低壓電機(jī)的遙測、遙控是智能配電和智能 工廠的基本需求。智能電動機(jī)保護(hù)器要想得到更好 的應(yīng)用和推廣，還需要工程設(shè)計人員和設(shè)備廠家密 切配合，根據(jù)出現(xiàn)的問題提出更好的解決方案。

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