李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：電動機應用的增長促進電動機起動器的發展，電子技術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。在此基礎上，許多企業紛紛開發低壓電動機保護器、電動機管理系統等，雖然保護及控制功能增加不少，但產品符合的標準各不相同，造成產品質量參差不齊。目前，相關的IEC標準已公布實施，但國家標準尚在申報審批過程中。隨著產品標準的規范，產品性能將更趨完善，可靠性也將得到確保。
關鍵詞:低壓電動機保護器;功能;標準
0 引言
隨著現代工業、農業及現代建筑的發展，采用電動機作為驅動力的方案明顯增長。由于電動機在起動過程中會出現大大高于正常額定電流的起動電流，使電動機繞組過度發熱而燒壞。正常運轉中，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運轉，也會使電動機繞組過度發熱而燒壞。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，正是由于電子技術的迅猛發展，使其擴展的保護等新功能迅速增加，其應用范圍也趨擴大。該領域內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”、“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，設想通過本文來闡明該類產品從標準及應用的角度所具備的基本功能及可增添的附加擴展功能，以供產品研發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 《低壓開關設備和控制設備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速，保證電動機連續運行，對電動機及其有關電路的過載操作(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。但接觸器與適當的繼電器或斷路器或熔斷器組合成組合電器并滿足有關標準，可作為整體構成具有短路保護的綜合式起動器和保護式起動器。
目前，企業生產的電動機保護器典型產品基本功能比較如表 1 所示。
由表1比較說明，市場上供應的產品基本保護功能均齊全，在發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。而更多的企業充分發揮電子技術發展的優勢，研發了通過軟件實現的多種控制模式，滿足不同負載需求。特別是自起動模式，在系統恢復供電后，可立刻判斷哪些電動機在之前處于運行狀態，即按規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，在發生如需快速排除污染氣體等突發事件時，需刪除原先設置的人為延時，滿足立刻起動有關電動機運行的要求。
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構簡單、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成的，隨著近年來電子技術的發展，在電子式上各制造商擴展研發了許多保護功能，特別是IEC60947-4-1:2009 Ed.3.0)《低壓開關設備和控制設備第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的電子式過載繼電器的擴展功能作了規定。
2.1 IEC 60947-4-1 標準附錄 H 規定的擴展保護功能
目前，企業生產的電動機保護器典型產品擴展功能如表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定值時，開關電器不應被觸發斷開。該值對每一個自身無短路保護的電動機保護器均應規定。因為該主電路一旦發生短路故障時，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出斷開命令，才能使開關電器不會被燒損而繼續正常工作。按標準規定，該功能的驗證是流過主電路的電流為0.95Iic時，過載繼電器不應使開關電器斷開;流過主電路的電流不大于0.75I ic時，才能使開關電器斷開。顯然，經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 均規定了驗證的方法。由此可見，目前許多典型產品尚無規定此值。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，還有較多企業沒有提供，值得今后改進和完善產品時考慮。
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的發展，增添的擴展功能遠不止上述標準附錄H所列出的項目，企業根據用戶需求，又研發了不少實用而 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。在起動過程結束后發生嚴重過載，此時電動機轉子停止轉動。
(2)欠載(輕載)。當負載小于額定負載的一種故障狀態，該故障通常是由于負載出現非正常情況的突變，例如:流水線傳送帶的突然斷裂、水泵的空轉等，后者可能會導致設備損壞。
(3)起動次數限制保護。當被保護電動機在規定時間內起動次數高于設定值時，控制保護器發生停止信號，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時，如電動機處于運行狀態，則發出報警或延時停車;若電動機處于停車狀態，則不允許起動，確保電動機及設備的安全。
由表3可見，各企業生產的產品所增添的保護功能各有特色，但還沒有一個產品包含該全部功能，例如:阻塞保護功能與堵轉相比，其結果均為電動機轉子被卡而停止轉動，但阻塞是指起動過程結束后發生的情況，而堵轉是指起動過程中發生的情況，顯然，其保護動作的要求是不同的。
表2還說明，大多數企業的產品帶有溫度保護，且比較多的產品采用電動機預埋正溫度系數PTC熱敏電阻的方式對電動機進行溫度保護。但是，這種內部預埋方式的結構在實際應用中會發生PTC接線脫落或短路故障而往往又不會被輕易發現，造成電動機得不到應有的溫度保護。
表3中，有些企業的產品增添了PTC接線故障診斷和PTC短路診斷，一旦發現問題，會立刻發出報警信號，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，可基于多種協議，通過總線進行數據傳輸。常用的通信協議有 Modbus、Profibus-DP、DeviceNet 等線，通信接口一般為 RS485 或 RS232，進行數據傳輸時，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的連接接口，使用一個特殊的預連接電纜連接指定總線接口，可非常容易地實現靈活、透明和可靠的連接與通信。例如:ABB 公司生產的FBP現場總線適配器，就是上述新的通信產品的核心元件，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)生產的 OYR2 電氣傳動系統多功能保護器，就是通過可編程控制器 PLC 或網關，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》對其有關的要求作了規定，即具有通信功能的電動機保護器應能通過通信接口或通信適配器與總線連接;實現保護和控制等功能時，通信特性不應受到任何影響。對該產品的試驗考核主要有下述 3 個方面。
(1)通信功能驗證。應在過載保護試驗同時進行，動作響應應符合相應的要求，遠程通信主站應能正確讀取信息，試驗應分別在 －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，應驗證過載保護性能，其動作響應應分別滿足相應判別標準 A 或 B 的規定。②發射。按規定測定產品的射頻傳導發射及射頻輻射，發射值應不超過產品用于環境 A(與低壓非公用電網或工業電網場所/建筑有關，包括有較高的騷擾源)或環境 B(與低壓公用電網有關，如民用、商用、輕工業場所/建筑和/或相應環境，不包括有較高騷擾源的場合，例如弧焊機)所規定的發射試驗限值。
(3)一致性測試。具有通信功能的電動機保護器應根據所采用總線(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。
從各企業生產的產品所具有的控制模式來看，一般均可直接起動電動機。由于電子技術的發展，許多企業根據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)及歐雅斯的產品具有的控制模式較多，特別是 ABB 公司的產品，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展而來，使用時，要與串聯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構，其觸點容量較小。許多企業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。這些數據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，有的企業對產品作相應驗證后，在樣品上提供相應選用數據，如 NJBK2
電動機保護器樣本中的技術性能就提供與電機相匹配的數據，如表 5 所示。
根據表5提供的數據，用戶按需要控制電動機功率的大小，找到相應接觸器的額定電流值，從而可選配相應額定值的接觸器及電動機保護器的規格。在設計選用中，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置及電流信號的采樣
低壓電動機保護器的額定電流設置，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 上窗口的圈數來提高二次感應電流，達到與保護線路的匹配，如表 6 所示。
當產品控制對象為大負載時，可以利用內置CT 與外部 CT 的組合來實現保護大負載的目的，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相應變大。
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中的電動機發生故障動作時，一般需要復位后才能繼續控制電動機運轉，以備值班人員處理分析及記錄備查。復位的方式可根據需要選擇。目前的產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構形式的不同，安裝方式也不同。在結構形式上，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(柜體門板按規定開孔后，使產品面板凸出在門外)。分體式就是把產品本體與顯示分為 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、按鈕及故障監測功能等，操作人員通過操作面板提供的調試接口，用筆記本電腦就可方便地進行現場設置及在線編程，因而深得新型的抽屜式開關柜選用。
9 其他輔助功能
電動機保護器的研制中，有的企業利用電子技術的特點，在開發產品的擴展保護功能的同時，根據用戶需求又增添了不少其他功能，主要有下面幾種:①密碼，用于設置參數的安全;②Y － △時間，用于設置 Y － △起動轉換時間;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，以便及時對生產設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 內自動重新設置模式下的自動重起次數;⑧重新設置模式，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，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現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等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
10.2技術參數
10.2.1數字式電動機保護器
10.2.2模塊式電動機保護器
10.3 產品選型
11結語
本文根據低壓異步電動機工作時的發熱特性設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，具有較高的應用價值。
參考文獻
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