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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/聯鎖開關、按鈕、繼電器、變送器、測量儀表、信號燈實現控制、保護、聯鎖、測量、信號傳輸等功能的,用戶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效率低下,顯現出設備現狀與技術發展越來越不相匹配。為適應電氣系統二次設備終端智能化的發展趨勢,針對MCC回路的缺點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效率,同時降低了用戶現場維護工作量;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,滿足了現代控制系統對現場執行元件的要求和基于現場總線的智能化發展方向。
2、馬達保護器發展應用現狀
馬達保護器(又名電動機綜合保護器)在我國上世紀80年代就已經開始使用,原50年代初引進蘇聯技術開發的金屬片機械式電動機過載保護器(熱繼電器),早在1994年11月22日,國家經貿委就發出第6號令《公布淘汰落后生產能力、工藝和產品的目錄》要求立即淘汰JR0—16系列熱繼電器,到1998年國家“八部委”又聯合發出272號文件《關于公布機械工業第十八批節能機電產品推廣項目的通知》,把電子型電動機保護器(馬達保護器)列為節能機電產品和替代熱繼電器的更新換代產品,推廣應用,電動機保護市場日益繁榮,目前國內生產智能低壓電動機保護器的廠家有幾十家,型號品牌繁多,西門子3UF系列電動機保護器、上海安科瑞ARD系列智能低壓電動機保護器、深圳中電PMC系列低壓電動機保護測控裝置、保定尤耐特UNT-MMI智能MCC控制保護器、鎮江默勒MCC3000馬達控制中心的產品市場占有率較多。
由于馬達保護器仍處于產品研發發展階段,制造廠商為了滿足用戶不同的使用需求,派生出很多的系列產品,種類繁多,給廣大用戶選型帶來諸多不便,國家沒有相關的單獨設計標準和應用規范,也給設計者帶來了盲從性和隨意性,設計人員一般根據產品單位提供的模板手冊進行聯絡設計,應用者和設計者都有被動選擇的因素。因此,本文結合某鋁廠改造工程實踐,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
在工業實踐中,一方面電機因電性原因出現過負荷、缺相、層間短路及線間短路、線圈的接地漏電、瞬間過電壓等造成損壞,另一方面由于機械原因,如堵轉、電機轉動體遇到固體時,因軸承磨損或潤滑油缺乏出現熱傳導現象,損壞電機。這會造成嚴重后果。對電機進行有效的保護,以便保證生產正常運行,避免事故,降低損失。對于因電性原因出現的故障,無論是過電流還是過電壓,其主要現象是電流瞬間增大,超過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,通過監測電機的兩相(三相)線路的電流值變化進行保護,對于過電壓、低電壓,是通過檢測電機相間的電壓變化進行保護。
4、馬達保護器的保護功能
由于絕緣技術的不斷發展,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越小,過負荷能力越來越弱;隨著生產自動化程度的提高,電機需要頻繁地啟動、制動、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,電機常工作于環境極為惡劣的場合,如潮濕、高溫、多塵、腐蝕等場合。所有這些,使得電機更容易損壞,尤其是過載、短路、缺相、掃膛等故障出現頻率很高。這就更進一步要求電機使用時能夠選用合理可靠馬達保護器來保護電機的功能。馬達保護器的功能主要有以下幾個方面:①過負載和過電流的保護;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過電壓保護;⑨低電壓保護;⑩過熱保護。
使用馬達保護器既可減少電機的損壞,又可方便故障判斷,有利于生產現場的故障處理,縮短恢復生產時間。另外,利用電機氣隙磁場進行電機偏心檢測,使電機磨損狀態在線監測成為可能,通過曲線顯示電機偏心程度的變化趨勢,可早期發現軸承磨損和走內圓、走外圓等故障,做到早發現、早處理,避免掃膛事故發生。
5、馬達保護器的選用原則
在大量的工業實踐中要求設備既能充分發揮電機的過載能力,又能避免損壞,提高電力拖動系統設備的可靠性和實現工業生產的連續性。結合電機應用具體的功能,選擇馬達保護器應綜合考慮,如:電機本身的價值、負載類型、使用環境、以及電機主體設備的重要程度、電機退出運行是否對生產系統造成嚴重影響等因素,全面評估力爭做到選型經濟合理實用。
理想的電機保護器不是功能最多,也不是所謂最先進的,而是應該滿足現場實際需求,做到經濟性和可靠性的統一,具有較高性價比的。根據現場的實際情況合理地選擇保護器的種類、功能,考慮保護器安裝、調整、使用簡單方便,更重要的是要選擇高質量的保護器。
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;電機的使用環境,主要指常溫、高溫、高寒、腐蝕度、震動度、風沙、海拔、電磁污染等;電機的用途,主要指拖動機械設備要求特點,如風機、水泵、空壓機、車床、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、自動、就地控制、遠程控制、單機獨立運行、生產線集中控制等情況。啟動方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動等,以及用戶對生產現場的監護管理情況,非正常性的停機對生產影響的嚴重程度等。同時還要考慮相關的其它因素,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的影響程度;需根據現場實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、馬達保護器的常見類型 目前工業應用中常見的馬達保護器主要有以下幾種類型:①熱繼電器:適用于普通小容量交流電機,工作條件良好,不存在頻繁啟動等惡劣工況的場合。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關,電路一般采用模擬式,利用反時限或定時限工作特性。保護功能包括過載、缺相、堵轉等,故障類型由指示燈顯示,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,通過操作面板按鈕來操作,用戶可以根據電機具體情況在現場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,能支持多種通訊協議,如Mod bus、Profi bus等,價格相對較高,用于較重要場合;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,根據電動機繞組的溫度進行保護,保護效果好;但電機容量較大時,需與電流監測型配合使用,避免電機堵轉時溫度急劇上升時,由于測溫元件的滯后性,導致電機繞組受損。⑤磁場溫度檢測型:在電機中埋入磁場檢測線圈和測溫元件,根據電機內部旋轉磁場的變化和溫度的變化進行保護,主要功能包括過載、堵轉、缺相、過熱保護和磨損監測,保護功能完善,缺點是需在電機內部安裝磁場檢測線圈和溫度傳感器。
5.3、結合工程實際談談保護器類型的選擇
在某鋁廠氣化及循環水改造項目中,①環境條件:環境溫度為年均18.0℃,降水量為年均1301.4mm,蒸發量為年均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,電壓波動為額定電壓的±70%,頻率波動為額定頻率的±2.5%;③接線方式:三相五線制,中性點直接接地。
適應于電動機的直接在線啟動,電動機保護器采用分體顯示,保護模式接線,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在選型時充分考慮電動機保護實際,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,減少停機事故損失,考慮所控制電動機的配合參數,掌握電機的規格型號、功能特性、防護類別及額定的電壓、電流、功率、頻率、絕緣等級等;考慮馬達保護器使用環境條件,環境溫度、腐蝕度、震動度、風沙等自然條件,綜合考慮被控制電動機的用途,馬達保護器控制風機、水泵、空壓機、車床、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、自動、就地控制、遠程控制、單機獨立運行、生產線集中控制等情況;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。
針對該工程工作條件惡劣,對可靠性要求高,涉及自動化生產線的電動機,選用中高檔、功能較全的智能型保護器。經過詳細比較選擇了型號為:YD2310、YD2310T兩類馬達保護器。
此款馬達保護器具有電流、電壓等十幾種保護,滿足各種啟動方式,采用LCD顯示,具備全電量測量、兩路RS-485接口通訊(ModBus-RTU通訊協議)、一路DC 4-20mA輸出可選。此款馬達保護器結構新穎、經濟實惠、安裝方便、顯示控制分體式。可以適應此項目工程內電動機的多種控制方式;針對用戶對生產現場監護管理比較嚴謹,非正常性的停機對生產的影響較大,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線,也要充分考慮通訊協議規約方式;還考慮到電器產品升級換代較快,功能日益強大,在選型時注重考慮企業未來的發展及使用產品的拓展問題,還要結合安裝位置、電源情況、與配電系統的配合等相關因素;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,避免重復選用相關測量數顯表;節省了開支,降低了成本。
生產實踐證明,選擇的這款產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布置組裝的原則;在同一個低壓配電盤柜、箱內安裝多個馬達保護器時,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要串聯連接好,網絡連接線端子要留在盤柜、箱體容易引出部位的接線端子處;盤柜內通訊線由盤柜箱制造廠家配置連接,盤柜箱之間的網絡連接線應由安裝單位施工,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,該電流互感器是經過特殊制作的,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;馬達保護器配套的電流互感器安裝時應注意主回路A、B、C三相分別對應互感器的A、B、C三相,穿線時須注意互感器的進出線方向一致、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,否則網絡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關量輸入閉點、開點的單支路單開關量接入線路,設置其接點開、閉點輸入狀態有效性時,要與開關的硬接點工作狀態相對應,控制器單支路有邏輯互鎖關系的開閉點,盡量與開關的硬接點本身狀態要相對應;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、狀態設置根據設計選型和馬達保護器手冊規約進行,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,掌握這些基本要領是工程技術人員在實際工程中必備的技能。
文章來源：上海碩吉電器有限公司 網址：www.aqhongyun.com.cn 轉載請注明出處
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