淺談智能電機(jī)保護(hù)器集成及智能化研究與選型

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司

1概述

傳統(tǒng)電機(jī)控制由常用低壓電器器件：隔離器、斷路器（熔斷器）、交流接觸器、熱繼電器（電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具有反時(shí)限保護(hù)功能替代傳統(tǒng)熱繼電器對(duì)電機(jī)的保護(hù)）、輔助電器（時(shí)間繼電器、按鈕開關(guān)及指示燈、電流互感器、電流表等構(gòu)成）來完成相應(yīng)保護(hù)。而今控制回路則由集成化程度很高的智能控制器與保護(hù)開關(guān)所替代，智能控制器與保護(hù)開關(guān)完成電機(jī)的各種保護(hù)功能（電機(jī)的短路、過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)等）相應(yīng)的按鈕開關(guān)、轉(zhuǎn)換旋鈕開關(guān)、及指示燈由人機(jī)交互智能控制器（替代傳統(tǒng)面板指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等）來完成。控制與保護(hù)開關(guān)具有控制與保護(hù)自配合特性，集控制與保護(hù)功能于一體，很好地解決了分立電器器件不能或很難解決的器件之間的保護(hù)與控制特性匹配問題，使保護(hù)與控制特性配合更完善合理，實(shí)現(xiàn)了全面配合。人機(jī)交互智能控制器通過網(wǎng)線、控制模塊、控制與保護(hù)開關(guān)來完成電機(jī)的控制。以集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)及配電負(fù)載控制與保護(hù)特性，在產(chǎn)品內(nèi)部自配合*的多功能電器及人機(jī)交互智能控制器，集成了傳統(tǒng)電機(jī)控制的所有功能：手自動(dòng)選擇、消防接口、樓宇智能化接口、遠(yuǎn)程控制接口、遠(yuǎn)程通訊接口，無論從控制可靠性以及降低人工成本和節(jié)省材料方面使傳統(tǒng)電機(jī)控制保護(hù)理念一次革命，標(biāo)志電機(jī)控制，建筑用風(fēng)機(jī)等真正進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。

2 CPS控制與保護(hù)開關(guān)

2.1應(yīng)用范圍

控制保護(hù)開關(guān)，主要用于交流50Hz（60Hz）、額定電壓低于690V。工作電流小于125A以下的電力系統(tǒng)中接通、承載和分?jǐn)嗾圃炫c測(cè)試Manufacturing&Test常條件下包括規(guī)定的過載條件下的電流，且能夠接通承載并分?jǐn)嘁?guī)定的非正常條件下的電流（如短路電流）。

2.2保護(hù)原理

控制保護(hù)開關(guān)目前市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品，采用模塊化的單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)用MCU數(shù)字處理技術(shù)，類似接觸器的電磁控制系統(tǒng)能接受通斷操作指令，控制主回路電路接通與分?jǐn)啵ㄌ娲鷤鹘y(tǒng)控制接觸器和熱繼電器）。其主電路的控制由動(dòng)靜橋式雙斷點(diǎn)觸頭，柵片滅弧室和限流式快速短路脫扣器動(dòng)作機(jī)構(gòu)組成，每極相互獨(dú)立，裝有限流式快速短路脫扣器與高分段能力的滅弧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高限流特性的后備保護(hù)。在負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，脫扣器快速（2～3ms）沖擊打開主接觸組，同時(shí)帶動(dòng)操作機(jī)構(gòu)切斷控制線圈，使主電路各級(jí)全部斷開。替代傳統(tǒng)電機(jī)控制接觸器及熱繼電器保護(hù)控制。

2.3執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

控制與保護(hù)器整合了傳統(tǒng)低壓電器器件完成的電機(jī)保護(hù)功能諸如：具有協(xié)調(diào)配合的時(shí)間-電流保護(hù)特性（具有反時(shí)限、短路短延時(shí)和瞬時(shí)三段保護(hù)特性）；有電機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)、短路、欠流、過壓、欠壓、三相不平衡、啟動(dòng)延時(shí)（避開啟動(dòng)大電流與過載動(dòng)作時(shí)間區(qū)分開）等諸多預(yù)警和保護(hù)功能。相應(yīng)控制與保護(hù)開關(guān)符合：GB/T14048.1低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總則；GB14048.9idtIEC947-6-2低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備多功能電器(設(shè)備)控制與保護(hù)開關(guān)電器(設(shè)備CPS)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4保護(hù)開關(guān)特點(diǎn)

CPS具有多種分立元器件的組合功能，且這些功能在產(chǎn)品內(nèi)部具有協(xié)調(diào)配合的特性，因此，由CPS構(gòu)成的電控系統(tǒng)與由分立元件構(gòu)成的系統(tǒng)對(duì)比具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）只要根據(jù)負(fù)載功率（380V電動(dòng)機(jī)1kW約等于2A、220V電動(dòng)機(jī)1kW約等于5A）或電流，代替了以往的包括自電源進(jìn)線端至負(fù)載端的各種電器；且大大減輕了設(shè)計(jì)人員，安裝工程的工作量。

（2）具有很高的運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行性能，即CPS在分?jǐn)喽搪冯娏骱鬅o需維護(hù)即可投入使用，即具有分?jǐn)喽搪饭收虾蟮倪B續(xù)運(yùn)行性能。

（3）CPS進(jìn)行了不少于3000次AC-44（籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)中分?jǐn)啵╇妷勖螅o接著完成額定運(yùn)行短路電流分?jǐn)嗄芰Γ∣-CO-CO）試驗(yàn)后，仍具有不小于1500次的AC-44操作性能，這是由斷路器、接觸器等分立元件構(gòu)成的電控系統(tǒng)難以達(dá)到的性能。

2.5各項(xiàng)保護(hù)簡(jiǎn)述

主要的保護(hù)功能：與電流相關(guān)的過載、斷相、短路等保護(hù)功能，以及與電壓相關(guān)的欠壓、過壓等保護(hù)功能。這些功能經(jīng)內(nèi)在固有的協(xié)調(diào)配合，使得CPS能夠在分?jǐn)嘀敝疗漕~定運(yùn)行短路分?jǐn)嚯娏鱅cs后連續(xù)運(yùn)行。主要控制功能，能夠就地手動(dòng)控制與遠(yuǎn)程的手動(dòng)控制，以及自動(dòng)控制等。

2.5.1啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間及過流保護(hù)

啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間設(shè)定范圍：1～99s，在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，只對(duì)過壓、欠壓、短路、漏電、斷相及三相不平衡進(jìn)行保護(hù)，避免開機(jī)大電流和過電流的保護(hù)。

常規(guī)控制：通常采用時(shí)間繼電器（時(shí)間可以預(yù)置，預(yù)置時(shí)間范圍1～99s）和相應(yīng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（具有過流保護(hù)功能，保護(hù)器的規(guī)格根據(jù)被保護(hù)電機(jī)功率大小而確定）進(jìn)行組合來完成保護(hù)功能。時(shí)間繼電器的作用是避開電機(jī)大電流啟動(dòng)和過電流（電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)如在設(shè)定的時(shí)間還未啟動(dòng)則強(qiáng)制轉(zhuǎn)換：如電機(jī)星三角啟動(dòng)）。

2.5.2過流保護(hù)

根據(jù)負(fù)載電流I值來設(shè)定保護(hù)脫扣器工作電流Ie，通常設(shè)定原則：負(fù)載電流I＞80%Ie（Ie＜1.25I）如負(fù)載電流I=100A，則設(shè)定電流Ie=125A。過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：根據(jù)負(fù)載特性設(shè)定（傳統(tǒng)熱繼電器的反時(shí)限特性、來確定）?？刂票Ｗo(hù)開關(guān)保護(hù)曲線（Ie---tcs）反時(shí)限特性有F1、F2、F3、F4模式來確定對(duì)應(yīng)的過流倍數(shù)，與保護(hù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系遵循反時(shí)限特性。選擇不同F(xiàn)1、F2、F3、F4確定開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

控制保護(hù)開關(guān)、起動(dòng)、過流I-t曲線圖解析：

1)起動(dòng)階段：可根據(jù)負(fù)載選擇設(shè)定起動(dòng)時(shí)間（1＜t＜99s）,在此階段起動(dòng)瞬間電流I＞3.5Ie以上，通常在3.0-3.5Ie之間完成起動(dòng)過程。

2)正常運(yùn)行：1.0Ie運(yùn)行情況下。

3）過流狀況：在運(yùn)行情況下，工作電流1.0Ie＜I＜1.4Ie時(shí)控制預(yù)警發(fā)出，進(jìn)入過流延時(shí)脫扣工作準(zhǔn)備，只要檢測(cè)不越限延時(shí)脫扣器不工作，直至到2.0Ie延時(shí)過流脫扣器工作，相應(yīng)保護(hù)開關(guān)動(dòng)作進(jìn)行過流保護(hù)。

2.5.3過壓、欠壓保護(hù)

過壓、欠壓參數(shù)值通常根據(jù)用電設(shè)備長(zhǎng)期工作情況下而確定，保證被保護(hù)的電器產(chǎn)品既不能在過壓以及欠壓狀況下長(zhǎng)期運(yùn)行，避免電器器件的損壞。過壓情況判定：U＞120%Ue;欠壓情況判定：U＜70%Ue；在相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)時(shí)間≤10s（10s工作時(shí)間不足于使電器在過壓及欠壓狀況下?lián)p壞）

2.5.4欠流保護(hù)

欠流保護(hù)設(shè)定，可以避免用戶未根據(jù)負(fù)載電流設(shè)定欠流值，使電機(jī)在控制保護(hù)開關(guān)范圍內(nèi)，尤其對(duì)不能空載的電機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)。通常欠流值設(shè)定在30Ie，一旦電機(jī)運(yùn)行電流值小于欠流設(shè)定值，保護(hù)器預(yù)警發(fā)出，并在規(guī)定的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間≤30s。

2.5.5三相電流不平衡保護(hù)（兼斷相保護(hù)功能）

對(duì)用電設(shè)備電機(jī)在運(yùn)行過程中，三相不平衡會(huì)導(dǎo)致達(dá)到數(shù)倍電流不平衡的發(fā)生。誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)逆扭矩增加，從而使電動(dòng)機(jī)的溫度上升，效率下降，能耗增加，發(fā)生震動(dòng)，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡也使用電設(shè)備壽命縮短，加速設(shè)備部件更換頻率，增加設(shè)備維護(hù)成本。

目前判定三相電流不平衡度的方法用兩種：

a)取三相最大線電流Imax和最小線電流Imin，由以下公式確定三相電流不平衡度：三相電流不平衡度%＝(Imax-Imin)/Imax·100%;

b)取三相最大線電流Imax和三相線電流平均電流值I線均流，由以下公式確定三相電流不平衡度：

三相電流不平衡度%＝(Imax-I線均流)/Imax·100%;其中：I線均流＝(IA+IB+IC)/3

比如負(fù)載三相電流值：IA＝85A;IB＝97A;IC＝120A;

采用上述兩種三相電流不平衡度分別計(jì)算為：

a)(120-85)/120·100%＝29.2%;

b)(120-100.67)/120%＝16.1%;其中100.67=(85+97+120)/3

從計(jì)算數(shù)據(jù)來分析，a）方案明顯要比b）方案要嚴(yán)苛，對(duì)電機(jī)負(fù)載保護(hù)也更可靠。目前普遍采用a）方案居多。保護(hù)器設(shè)定三相電流不平衡度保護(hù)范圍：20%～75%，不平衡度越小表明三相電流最大與最小差值越小，相應(yīng)越大則三相電流最大與最小差值越大，大到超出設(shè)定允許電流不平衡度75%以上時(shí)，可以判斷三相電源其中一項(xiàng)已基本呈斷相狀態(tài)，此時(shí)保護(hù)器呈不平衡保護(hù)狀態(tài)，并在相應(yīng)保護(hù)時(shí)間內(nèi)（≤3s）起到保護(hù)作用。

2.5.6堵轉(zhuǎn)保護(hù)

堵轉(zhuǎn)保護(hù)是防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重運(yùn)轉(zhuǎn)堵塞或電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)熱損壞電機(jī)。其堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到額定電流4～8Ie，與電機(jī)啟動(dòng)電流值相當(dāng)，但與之不同的是電機(jī)啟動(dòng)電流最大值通常在電機(jī)接通電源0.025s內(nèi)產(chǎn)生，隨后電流隨時(shí)間推移按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減速度與電機(jī)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)；而電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流并不隨時(shí)間推移而衰減保持不變；對(duì)電機(jī)運(yùn)行而言，電流超過額定電流值就是過載，過載最為嚴(yán)重的就是堵轉(zhuǎn)。

保護(hù)器一旦檢測(cè)到電機(jī)呈堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，控制保護(hù)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間在≤0.5s保護(hù)工作。

2.5.7短路短延時(shí)保護(hù)

當(dāng)控制保護(hù)開關(guān)工作電流達(dá)到額定電流＞8Ie以上時(shí)，控制保護(hù)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間≤0.2s。

2.5.8漏電保護(hù)

控制保護(hù)開關(guān)漏電保護(hù)是通過內(nèi)置的零序互感器來測(cè)量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與接地故障情況，以零序電流的大小來判斷是否啟動(dòng)漏電保護(hù)功能。漏電≥50mA（漏電電流值可根據(jù)用戶要求有幾種漏電電流值可供選擇：50mA、75mA、100mA、150mA、200mA、300mA、400mA、500mA）?？刂票Ｗo(hù)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間≤0.2s。

3智能控制器

將傳統(tǒng)的按鈕、指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)等集成至智能控制器中，來完成人機(jī)交互智能控制。面板上設(shè)有：手動(dòng)、自動(dòng)、報(bào)警、低速、高速、停機(jī)指示工作燈。手動(dòng)按鈕、低速、高速、停止按鍵、報(bào)警蜂鳴器。安裝方式采用面板安裝與控制模塊用RJ45網(wǎng)線連接。使控制類似與PLC配套的工控屏HMI，使控制面板簡(jiǎn)捷明了。

4控制模塊

控制模塊在該系統(tǒng)中起到智能控制器與電機(jī)保護(hù)開關(guān)的連接及鈕帶作用。模塊內(nèi)部軟件采用冗余邏輯分析處理算法實(shí)現(xiàn)控制邏輯，從而可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)開關(guān)（CPS）與智能控制器連接與控制。保護(hù)器采樣和執(zhí)行情況由控制模塊來完成，并將信息通過標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)線傳輸至智能控制器面板。控制模塊根據(jù)不同的保護(hù)控制選擇相應(yīng)規(guī)格來完成電機(jī)的保護(hù)。

控制模塊上配有可插拔端子，便于連線和維護(hù)。控制模塊可以直接驅(qū)動(dòng)交流接觸器、CPS控制保護(hù)器、也可通過AC220V中間繼電器驅(qū)動(dòng)軟啟動(dòng)器。模塊類型按需求控制分為：高低速電機(jī)控制器、兩臺(tái)電機(jī)獨(dú)立控制、降壓?jiǎn)?dòng)控制器、正反轉(zhuǎn)控制器、排風(fēng)送風(fēng)控制器、三臺(tái)電機(jī)控制（兩用一備型，軟啟動(dòng)型）、兩用一備三角型、污水泵、消防泵、軟啟動(dòng)型、星三角型電路電機(jī)控制等。

5控制流程框圖簡(jiǎn)介

在智能控制器（人機(jī)界面）上無論手動(dòng)狀態(tài)還是自動(dòng)狀態(tài)均可控制電機(jī)（消防泵、污水泵、星三角、軟啟動(dòng)）正常啟停。控制模塊與電機(jī)控制保護(hù)器（類似KBO）配套，并將電機(jī)控制保護(hù)器所采集的故障經(jīng)反饋回路反饋至控制模塊中，并通過網(wǎng)線傳輸至智能控制器（人機(jī)界面）上的故障指示（用聲光報(bào)警）。

（1）高度集成，數(shù)字化控制降低控制成本。

（2）在控制連接上采用RJ45接口網(wǎng)線控制，極大簡(jiǎn)化維修及售后成本，沒有以往復(fù)雜的二次線路連接，如有問題可更換智能控制器和相應(yīng)控制模塊即可。

（3）整體控制質(zhì)量得到提升，由原始的多個(gè)分離控制器件及導(dǎo)線、接線端子而成，無論分離器件或?qū)Ь€連接出現(xiàn)松動(dòng)都會(huì)引發(fā)控制故障?，F(xiàn)將上述功能高度集成為控制器件，大大提升了控制質(zhì)量及品質(zhì)。

（4）采用模塊化的設(shè)計(jì)，體積小、功能完備、接線簡(jiǎn)單，使用方便，故障率低的特點(diǎn)，極大的方便了使用和安裝調(diào)試的整個(gè)過程。

6安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型

6.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。可與接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。

6.2產(chǎn)品選型

產(chǎn)品功能

7結(jié)束語(yǔ)

智能控制器以及控制器件和電機(jī)保護(hù)器整合設(shè)計(jì)，不僅簡(jiǎn)化以往控制、二次配線的繁瑣，提高裝配效率，減少調(diào)試及故障率。最關(guān)鍵可以得到一個(gè)性價(jià)比高，功能完善的控制方式，可以wan美替代并實(shí)現(xiàn)PLC的功能。智能控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，定能會(huì)逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，具有很好的市場(chǎng)前景，也是控制行業(yè)創(chuàng)新升級(jí)的替代品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]錢金川.基于電機(jī)控制保護(hù)器集成及智能化研究[J].國(guó)電子商情:基礎(chǔ)電子,2018（000):012.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

作者簡(jiǎn)介：

李婧婧，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用