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1、引言

    在傳統的以塑殼斷路器(MCCB)+交流接觸器(C)+熱繼電器(TR)為供電元件的典型MCC(MotorControl Center)饋電回路中,以控制/聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器、變送器、測量?jì)x表、信號燈實(shí)現控制、保護、聯(lián)鎖、測量、信號傳輸等功能的,用戶(hù)每月需要承擔大量的電機維修、檢測費用;還有電機控制回路邏輯繁瑣,檢修維護復雜造成的設計與生產(chǎn)效率低下,顯現出設備現狀與技術(shù)發(fā)展越來(lái)越不相匹配。為適應電氣系統二次設備終端智能化的發(fā)展趨勢,針對MCC回路的缺點(diǎn)推出了新一代數字式、抗干擾型智能MCC控制保護管理裝置- 馬達保護器 ,其完善的控制、保護、聯(lián)鎖、測量、信號等功能,采用通用化設計理念,極大提高了設計與生產(chǎn)效率,同時(shí)降低了用戶(hù)現場(chǎng)維護工作量;其高度集成化、智能化的設計思路,革命性地解決了傳統繼電保護設計的缺陷和不足,滿(mǎn)足了現代控制系統對現場(chǎng)執行元件的要求和基于現場(chǎng)總線(xiàn)的智能化發(fā)展方向。

2、馬達保護器發(fā)展應用現狀

    馬達保護器(又名電動(dòng)機綜合保護器)在我國上世紀80年代就已經(jīng)開(kāi)始使用,原50年代初引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)的金屬片機械式電動(dòng)機過(guò)載保護器(熱繼電器),早在1994年11月22日,國家經(jīng)貿委就發(fā)出第6號令《公布淘汰落后生產(chǎn)能力、工藝和產(chǎn)品的目錄》要求立即淘汰JR0—16系列熱繼電器,到1998年國家“八部委”又聯(lián)合發(fā)出272號文件《關(guān)于公布機械工業(yè)第十八批節能機電產(chǎn)品推廣項目的通知》,把電子型電動(dòng)機保護器(馬達保護器)列為節能機電產(chǎn)品和替代熱繼電器的更新?lián)Q代產(chǎn)品,推廣應用,電動(dòng)機保護市場(chǎng)日益繁榮,目前國內生產(chǎn)智能低壓電動(dòng)機保護器的廠(chǎng)家有幾十家,型號品牌繁多,西門(mén)子3UF系列電動(dòng)機保護器、上海安科瑞ARD系列智能低壓電動(dòng)機保護器、深圳中電PMC系列低壓電動(dòng)機保護測控裝置、保定尤耐特UNT-MMI智能MCC控制保護器、鎮江默勒MCC3000馬達控制中心的產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較多。

    由于馬達保護器仍處于產(chǎn)品研發(fā)發(fā)展階段,制造廠(chǎng)商為了滿(mǎn)足用戶(hù)不同的使用需求,派生出很多的系列產(chǎn)品,種類(lèi)繁多,給廣大用戶(hù)選型帶來(lái)諸多不便,國家沒(méi)有相關(guān)的單獨設計標準和應用規范,也給設計者帶來(lái)了盲從性和隨意性,設計人員一般根據產(chǎn)品單位提供的模板手冊進(jìn)行聯(lián)絡(luò )設計,應用者和設計者都有被動(dòng)選擇的因素。因此,本文結合某鋁廠(chǎng)改造工程實(shí)踐,介紹馬達保護器在該項目中的設計應用和安裝注意事項。

3、馬達保護器的工作原理

    在工業(yè)實(shí)踐中,一方面電機因電性原因出現過(guò)負荷、缺相、層間短路及線(xiàn)間短路、線(xiàn)圈的接地漏電、瞬間過(guò)電壓等造成損壞,另一方面由于機械原因,如堵轉、電機轉動(dòng)體遇到固體時(shí),因軸承磨損或潤滑油缺乏出現熱傳導現象,損壞電機。這會(huì )造成嚴重后果。對電機進(jìn)行有效的保護,以便保證生產(chǎn)正常運行,避免事故,降低損失。對于因電性原因出現的故障,無(wú)論是過(guò)電流還是過(guò)電壓,其主要現象是電流瞬間增大,超過(guò)了電機的允許電流值而造成損壞。馬達保護器根據這一原理,通過(guò)監測電機的兩相(三相)線(xiàn)路的電流值變化進(jìn)行保護,對于過(guò)電壓、低電壓,是通過(guò)檢測電機相間的電壓變化進(jìn)行保護。

4、馬達保護器的保護功能

    由于絕緣技術(shù)的不斷發(fā)展,在電機的設計上既增加了出力,又減小了體積,使新型電機的熱容量越來(lái)越小,過(guò)負荷能力越來(lái)越弱;隨著(zhù)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高,電機需要頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉以及變負荷,對電機保護裝置提出了更高的要求。另外,電機常工作于環(huán)境極為惡劣的場(chǎng)合,如潮濕、高溫、多塵、腐蝕等場(chǎng)合。所有這些,使得電機更容易損壞,尤其是過(guò)載、短路、缺相、掃膛等故障出現頻率很高。這就更進(jìn)一步要求電機使用時(shí)能夠選用合理可靠馬達保護器來(lái)保護電機的功能。馬達保護器的功能主要有以下幾個(gè)方面:①過(guò)負載和過(guò)電流的保護;②缺相保護;③逆相保護;④接地漏電保護;⑤堵轉保護;⑥相不平衡保護;⑦短路保護;⑧過(guò)電壓保護;⑨低電壓保護;⑩過(guò)熱保護。

    使用馬達保護器既可減少電機的損壞,又可方便故障判斷,有利于生產(chǎn)現場(chǎng)的故障處理,縮短恢復生產(chǎn)時(shí)間。另外,利用電機氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行電機偏心檢測,使電機磨損狀態(tài)在線(xiàn)監測成為可能,通過(guò)曲線(xiàn)顯示電機偏心程度的變化趨勢,可早期發(fā)現軸承磨損和走內圓、走外圓等故障,做到早發(fā)現、早處理,避免掃膛事故發(fā)生。

5、馬達保護器的選用原則

    在大量的工業(yè)實(shí)踐中要求設備既能充分發(fā)揮電機的過(guò)載能力,又能避免損壞,提高電力拖動(dòng)系統設備的可靠性和實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)的連續性。結合電機應用具體的功能,選擇馬達保護器應綜合考慮,如:電機本身的價(jià)值、負載類(lèi)型、使用環(huán)境、以及電機主體設備的重要程度、電機退出運行是否對生產(chǎn)系統造成嚴重影響等因素,全面評估力爭做到選型經(jīng)濟合理實(shí)用。

    理想的電機保護器不是功能最多,也不是所謂最先進(jìn)的,而是應該滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際需求,做到經(jīng)濟性和可靠性的統一,具有較高性?xún)r(jià)比的。根據現場(chǎng)的實(shí)際情況合理地選擇保護器的種類(lèi)、功能,考慮保護器安裝、調整、使用簡(jiǎn)單方便,更重要的是要選擇高質(zhì)量的保護器。

5.1、馬達保護器選型的基本方法

    選擇馬達保護器要了解電機的規格型號、功能特性、防護型式、額定電壓、額定電流、額定功率、電源頻率、絕緣等級等;電機的使用環(huán)境,主要指常溫、高溫、高寒、腐蝕度、震動(dòng)度、風(fēng)沙、海拔、電磁污染等;電機的用途,主要指拖動(dòng)機械設備要求特點(diǎn),如風(fēng)機、水泵、空壓機、車(chē)床、油田抽油機等不同負載的機械特性。要清楚電機的控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)、就地控制、遠程控制、單機獨立運行、生產(chǎn)線(xiàn)集中控制等情況。啟動(dòng)方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動(dòng)等,以及用戶(hù)對生產(chǎn)現場(chǎng)的監護管理情況,非正常性的停機對生產(chǎn)影響的嚴重程度等。同時(shí)還要考慮相關(guān)的其它因素,如安裝位置、電源情況、配電系統情況等;要考慮是對新購電機配置保護,或是對電機保護升級,還是對事故電機保護的完善等;要考慮電機保護方式改變的難度和對生產(chǎn)的影響程度;需根據現場(chǎng)實(shí)際工作條件綜合考慮保護器的選型和調整。全面了解這些內容是正確選擇保護器的重要參考依據。

5.2、馬達保護器的常見(jiàn)類(lèi)型     目前工業(yè)應用中常見(jiàn)的馬達保護器主要有以下幾種類(lèi)型:①熱繼電器:適用于普通小容量交流電機,工作條件良好,不存在頻繁啟動(dòng)等惡劣工況的場(chǎng)合。由于精度較差,可靠性不能保證,不推薦使用。②電子型:檢測三相電流值,整定電流值采用電位器或拔碼開(kāi)關(guān),電路一般采用模擬式,利用反時(shí)限或定時(shí)限工作特性。保護功能包括過(guò)載、缺相、堵轉等,故障類(lèi)型由指示燈顯示,運行電量由數碼管顯示。③智能型:檢測三相電流值,保護器使用單片機,實(shí)現電機智能化綜合保護,集保護、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數字設定,通過(guò)操作面板按鈕來(lái)操作,用戶(hù)可以根據電機具體情況在現場(chǎng)對各種參數修正設定;采用數碼管作為顯示窗口,或采用大屏幕液晶顯示,能支持多種通訊協(xié)議,如Mod bus、Profi bus等,價(jià)格相對較高,用于較重要場(chǎng)合;目前高壓電機保護均采用智能型保護裝置。④熱保護型:在電機中埋入熱元件,根據電動(dòng)機繞組的溫度進(jìn)行保護,保護效果好;但電機容量較大時(shí),需與電流監測型配合使用,避免電機堵轉時(shí)溫度急劇上升時(shí),由于測溫元件的滯后性,導致電機繞組受損。⑤磁場(chǎng)溫度檢測型:在電機中埋入磁場(chǎng)檢測線(xiàn)圈和測溫元件,根據電機內部旋轉磁場(chǎng)的變化和溫度的變化進(jìn)行保護,主要功能包括過(guò)載、堵轉、缺相、過(guò)熱保護和磨損監測,保護功能完善,缺點(diǎn)是需在電機內部安裝磁場(chǎng)檢測線(xiàn)圈和溫度傳感器。

5.3、結合工程實(shí)際談?wù)劚Ｗo器類(lèi)型的選擇

    在某鋁廠(chǎng)氣化及循環(huán)水改造項目中,①環(huán)境條件:環(huán)境溫度為年均18.0℃,降水量為年均1301.4mm,蒸發(fā)量為年均109.07mm,濕度為年均相對濕度80%;②供電條件:額定電壓為380V,額定頻率為50Hz,額定控制與操作電壓為AC 220V/DC 220V,電壓波動(dòng)為額定電壓的±70%,頻率波動(dòng)為額定頻率的±2.5%;③接線(xiàn)方式:三相五線(xiàn)制,中性點(diǎn)直接接地。

    適應于電動(dòng)機的直接在線(xiàn)啟動(dòng),電動(dòng)機保護器采用分體顯示,保護模式接線(xiàn),并要求具有模擬量輸出,電流模擬量上傳DCS,根據以上要求后建議用戶(hù)在選型時(shí)充分考慮電動(dòng)機保護實(shí)際,合理選擇保護功能和保護方式,才能達到良好的保護效果,提高設備運行的可靠性,減少保護干擾性停車(chē),減少停機事故損失,考慮所控制電動(dòng)機的配合參數,掌握電機的規格型號、功能特性、防護類(lèi)別及額定的電壓、電流、功率、頻率、絕緣等級等;考慮馬達保護器使用環(huán)境條件,環(huán)境溫度、腐蝕度、震動(dòng)度、風(fēng)沙等自然條件,綜合考慮被控制電動(dòng)機的用途,馬達保護器控制風(fēng)機、水泵、空壓機、車(chē)床、油田抽油機等不同負載機械特性的回路設計模式是不同的,控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)、就地控制、遠程控制、單機獨立運行、生產(chǎn)線(xiàn)集中控制等情況;啟動(dòng)方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動(dòng)等啟動(dòng)方式。

    針對該工程工作條件惡劣,對可靠性要求高,涉及自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的電動(dòng)機,選用中高檔、功能較全的智能型保護器。經(jīng)過(guò)詳細比較選擇了型號為:YD2310、YD2310T兩類(lèi)馬達保護器。

    此款馬達保護器具有電流、電壓等十幾種保護,滿(mǎn)足各種啟動(dòng)方式,采用LCD顯示,具備全電量測量、兩路RS-485接口通訊(ModBus-RTU通訊協(xié)議)、一路DC 4-20mA輸出可選。此款馬達保護器結構新穎、經(jīng)濟實(shí)惠、安裝方便、顯示控制分體式?？梢赃m應此項目工程內電動(dòng)機的多種控制方式;針對用戶(hù)對生產(chǎn)現場(chǎng)監護管理比較嚴謹,非正常性的停機對生產(chǎn)的影響較大,而且馬達保護器主要是應用在PLC系統,是由人操作監控的生產(chǎn)線(xiàn),也要充分考慮通訊協(xié)議規約方式;還考慮到電器產(chǎn)品升級換代較快,功能日益強大,在選型時(shí)注重考慮企業(yè)未來(lái)的發(fā)展及使用產(chǎn)品的拓展問(wèn)題,還要結合安裝位置、電源情況、與配電系統的配合等相關(guān)因素;比如馬達保護器的電流互感器一般裝在塑殼斷路器的二次下游,一旦出現故障,馬達保護器啟動(dòng)保護,塑殼斷路器跳閘,馬達保護器單元有記憶功能,可存儲故障記錄;最終決定選擇這款產(chǎn)品。并且在需要電能、功率因數測量的回路直接選用具備該功能的馬達保護器,避免重復選用相關(guān)測量數顯表;節省了開(kāi)支,降低了成本。

    生產(chǎn)實(shí)踐證明,選擇的這款產(chǎn)品對電機起到了很好的保護作用,。

5.4、馬達保護器安裝使用時(shí)應注意的事項

    馬達保護器的智能化和電子模塊的集成化,在低壓配電設備內安裝應用,首先要注意合理布局,遵循控制單元與執行單元,饋電單元與測量單元、強電元件與弱電元件分開(kāi)布置組裝的原則;在同一個(gè)低壓配電盤(pán)柜、箱內安裝多個(gè)馬達保護器時(shí),馬達保護器要集中布置、同方向安裝,并且馬達保護器之間的通訊線(xiàn)要串聯(lián)連接好,網(wǎng)絡(luò )連接線(xiàn)端子要留在盤(pán)柜、箱體容易引出部位的接線(xiàn)端子處;盤(pán)柜內通訊線(xiàn)由盤(pán)柜箱制造廠(chǎng)家配置連接,盤(pán)柜箱之間的網(wǎng)絡(luò )連接線(xiàn)應由安裝單位施工,要提前界定清楚;馬達保護器所匹配的電流互感器不能等同于普通的電流互感器,該電流互感器是經(jīng)過(guò)特殊制作的,控制器本體提供的電流輸入端子(IA、IB、IC、IN)只能接控制器配套的電流互感器模塊,絕不允許接入其它外部電流互感器的電流輸入線(xiàn);馬達保護器配套的電流互感器安裝時(shí)應注意主回路A、B、C三相分別對應互感器的A、B、C三相,穿線(xiàn)時(shí)須注意互感器的進(jìn)出線(xiàn)方向一致、順序一致,即按ABC、BCA、CAB正序方向接入,最好在通電前用相序表校好相序,絕不允許ACB、CBA、BAC逆序接入,否則負序電流出現致使馬達保護器不能正常工作;要注意電流互感器CT變比數的正確設置,否則網(wǎng)絡(luò )監控系統因設備運行電流不正常報警停機或顯示異常;設置馬達保護器控制器開(kāi)關(guān)量輸入閉點(diǎn)、開(kāi)點(diǎn)的單支路單開(kāi)關(guān)量接入線(xiàn)路,設置其接點(diǎn)開(kāi)、閉點(diǎn)輸入狀態(tài)有效性時(shí),要與開(kāi)關(guān)的硬接點(diǎn)工作狀態(tài)相對應,控制器單支路有邏輯互鎖關(guān)系的開(kāi)閉點(diǎn),盡量與開(kāi)關(guān)的硬接點(diǎn)本身狀態(tài)要相對應;尤其要注意每臺馬達保護器的控制通訊地址是唯一的;馬達保護器的參數設置、狀態(tài)設置根據設計選型和馬達保護器手冊規約進(jìn)行,至于控制器的十幾種保護功能,要根據所用設備選用,不必全啟用,避免次要保護因素的干擾。只有將馬達保護器安裝好、設置好、應用好才有能力保護好電機。

6、結論

    結合工程實(shí)踐,介紹了馬達保護器應用、設計選型和安裝需注意的事項,對節約投資、合理利用馬達保護器保護電機十分必要,掌握這些基本要領(lǐng)是工程技術(shù)人員在實(shí)際工程中必備的技能。
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