胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 20180111

1概述

傳統電機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)機保護器具有反時(shí)限保護功能替代傳統熱繼電器對電機的保護）、輔助電器（時(shí)間繼電器、按鈕開(kāi)關(guān)及指示燈、電流互感器、電流表等構成）來(lái)完成相應保護。而今控制回路則由集成化程度很高的智能控制器與保護開(kāi)關(guān)所替代，智能控制器與保護開(kāi)關(guān)完成電機的各種保護功能（電機的短路、過(guò)壓、欠壓、堵轉等）相應的按鈕開(kāi)關(guān)、轉換旋鈕開(kāi)關(guān)、及指示燈由人機交互智能控制器（替代傳統面板指示燈、轉換開(kāi)關(guān)、按鈕等）來(lái)完成?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)具有控制與保護自配合特性，集控制與保護功能于一體，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與控制特性匹配問(wèn)題，使保護與控制特性配合更完善合理，實(shí)現了全面配合。人機交互智能控制器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)、控制模塊、控制與保護開(kāi)關(guān)來(lái)完成電機的控制。以集成應用實(shí)現了對電動(dòng)機及配電負載控制與保護特性，在產(chǎn)品內部自配合W死角的多功能電器及人機交互智能控制器，集成了傳統電機控制的所有功能：手自動(dòng)選擇、消防接口、樓宇智能化接口、遠程控制接口、遠程通訊接口，無(wú)論從控制可靠性以及降低人工成本和節省材料方面使傳統電機控制保護理念一次革命，標志電機控制，建筑用風(fēng)機等真正進(jìn)入數字化時(shí)代。

2 CPS控制與保護開(kāi)關(guān)

2.1應用范圍

控制保護開(kāi)關(guān)，主要用于交流50Hz（60Hz）、額定電壓低于690V。工作電流小于125A以下的電力系統中接通、承載和分斷正制造與測試Manufacturing&Test常條件下包括規定的過(guò)載條件下的電流，且能夠接通承載并分斷規定的非正常條件下的電流（如短路電流）。

2.2保護原理

控制保護開(kāi)關(guān)目前市場(chǎng)主導產(chǎn)品，采用模塊化的單一產(chǎn)品結構型式，應用MCU數字處理技術(shù)，類(lèi)似接觸器的電磁控制系統能接受通斷操作指令，控制主回路電路接通與分斷（替代傳統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)作機構組成，每極相互獨立，裝有限流式快速短路脫扣器與高分段能力的滅弧系統，實(shí)現高限流特性的后備保護。在負載發(fā)生短路時(shí)，脫扣器快速（2～3ms）沖擊打開(kāi)主接觸組，同時(shí)帶動(dòng)操作機構切斷控制線(xiàn)圈，使主電路各級全部斷開(kāi)。替代傳統電機控制接觸器及熱繼電器保護控制。

2.3執行標準

控制與保護器整合了傳統低壓電器器件完成的電機保護功能諸如：具有協(xié)調配合的時(shí)間-電流保護特性（具有反時(shí)限、短路短延時(shí)和瞬時(shí)三段保護特性）；有電機過(guò)載、堵轉、短路、欠流、過(guò)壓、欠壓、三相不平衡、啟動(dòng)延時(shí)（避開(kāi)啟動(dòng)大電流與過(guò)載動(dòng)作時(shí)間區分開(kāi)）等諸多預警和保護功能。相應控制與保護開(kāi)關(guān)符合：GB/T14048.1低壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備總則；GB14048.9idtIEC947-6-2低壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備多功能電器(設備)控制與保護開(kāi)關(guān)電器(設備CPS)標準。

2.4保護開(kāi)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)品內部具有協(xié)調配合的特性，因此，由CPS構成的電控系統與由分立元件構成的系統對比具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

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

（2）具有很高的運行可靠性和系統的連續運行性能，即CPS在分斷短路電流后無(wú)需維護即可投入使用，即具有分斷短路故障后的連續運行性能。

（3）CPS進(jìn)行了不少于3000次AC-44（籠型感應電動(dòng)機：起動(dòng)、運轉中分斷）電壽命后，緊接著(zhù)完成額定運行短路電流分斷能力（O-CO-CO）試驗后，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成的電控系統難以達到的性能。

2.5各項保護簡(jiǎn)述

主要的保護功能：與電流相關(guān)的過(guò)載、斷相、短路等保護功能，以及與電壓相關(guān)的欠壓、過(guò)壓等保護功能。這些功能經(jīng)內在固有的協(xié)調配合，使得CPS能夠在分斷直至其額定運行短路分斷電流Ics后連續運行。主要控制功能，能夠就地手動(dòng)控制與遠程的手動(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(guò)流保護

啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間設定范圍：1～99s，在啟動(dòng)時(shí)間內，只對過(guò)壓、欠壓、短路、漏電、斷相及三相不平衡進(jìn)行保護，避免開(kāi)機大電流和過(guò)電流的保護。

常規控制：通常采用時(shí)間繼電器（時(shí)間可以預置，預置時(shí)間范圍1～99s）和相應電動(dòng)機保護器（具有過(guò)流保護功能，保護器的規格根據被保護電機功率大小而確定）進(jìn)行組合來(lái)完成保護功能。時(shí)間繼電器的作用是避開(kāi)電機大電流啟動(dòng)和過(guò)電流（電動(dòng)機啟動(dòng)如在設定的時(shí)間還未啟動(dòng)則強制轉換：如電機星三角啟動(dòng)）。

2.5.2過(guò)流保護

根據負載電流I值來(lái)設定保護脫扣器工作電流Ie，通常設定原則：負載電流I＞80%Ie（Ie＜1.25I）如負載電流I=100A，則設定電流Ie=125A。過(guò)流保護動(dòng)作時(shí)間：根據負載特性設定（傳統熱繼電器的反時(shí)限特性、來(lái)確定）?？刂票Ｗo開(kāi)關(guān)保護曲線(xiàn)（Ie---tcs）反時(shí)限特性有F1、F2、F3、F4模式來(lái)確定對應的過(guò)流倍數，與保護時(shí)間對應關(guān)系遵循反時(shí)限特性。選擇不同F1、F2、F3、F4確定開(kāi)關(guān)過(guò)流保護動(dòng)作時(shí)間。

控制保護開(kāi)關(guān)、起動(dòng)、過(guò)流I-t曲線(xiàn)圖解析：

1)起動(dòng)階段：可根據負載選擇設定起動(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(guò)程。

2)正常運行：1.0Ie運行情況下。

3）過(guò)流狀況：在運行情況下，工作電流1.0Ie＜I＜1.4Ie時(shí)控制預警發(fā)出，進(jìn)入過(guò)流延時(shí)脫扣工作準備，只要檢測不越限延時(shí)脫扣器不工作，直至到2.0Ie延時(shí)過(guò)流脫扣器工作，相應保護開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行過(guò)流保護。

2.5.3過(guò)壓、欠壓保護

過(guò)壓、欠壓參數值通常根據用電設備長(cháng)期工作情況下而確定，保證被保護的電器產(chǎn)品既不能在過(guò)壓以及欠壓狀況下長(cháng)期運行，避免電器器件的損壞。過(guò)壓情況判定：U＞120%Ue;欠壓情況判定：U＜70%Ue；在相應動(dòng)作保護時(shí)間≤10s（10s工作時(shí)間不足于使電器在過(guò)壓及欠壓狀況下?lián)p壞）

2.5.4欠流保護

欠流保護設定，可以避免用戶(hù)未根據負載電流設定欠流值，使電機在控制保護開(kāi)關(guān)范圍內，尤其對不能空載的電機進(jìn)行有效保護。通常欠流值設定在30Ie，一旦電機運行電流值小于欠流設定值，保護器預警發(fā)出，并在規定的保護動(dòng)作時(shí)間內進(jìn)行保護。保護動(dòng)作時(shí)間≤30s。

2.5.5三相電流不平衡保護（兼斷相保護功能）

對用電設備電機在運行過(guò)程中，三相不平衡會(huì )導致達到數倍電流不平衡的發(fā)生。誘導電動(dòng)機逆扭矩增加，從而使電動(dòng)機的溫度上升，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備壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護成本。

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(xiàn)電流Imax和最小線(xiàn)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(xiàn)電流Imax和三相線(xiàn)電流平均電流值I線(xiàn)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(xiàn)均流)/Imax·100%;其中：I線(xiàn)均流＝(IA+IB+IC)/3

比如負載三相電流值：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

從計算數據來(lái)分析，a）方案明顯要比b）方案要嚴苛，對電機負載保護也更可靠。目前普遍采用a）方案居多。保護器設定三相電流不平衡度保護范圍：20%～75%，不平衡度越小表明三相電流最大與最小差值越小，相應越大則三相電流最大與最小差值越大，大到超出設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已基本呈斷相狀態(tài)，此時(shí)保護器呈不平衡保護狀態(tài)，并在相應保護時(shí)間內（≤3s）起到保護作用。

2.5.6堵轉保護

堵轉保護是防止電機驅動(dòng)設備出現嚴重運轉堵塞或電機超負荷運轉而發(fā)熱損壞電機。其堵轉電流可達到額定電流4～8Ie，與電機啟動(dòng)電流值相當，但與之不同的是電機啟動(dòng)電流最大值通常在電機接通電源0.025s內產(chǎn)生，隨后電流隨時(shí)間推移按指數規律衰減，衰減速度與電機的時(shí)間常數有關(guān)；而電機堵轉電流并不隨時(shí)間推移而衰減保持不變；對電機運行而言，電流超過(guò)額定電流值就是過(guò)載，過(guò)載最為嚴重的就是堵轉。

保護器一旦檢測到電機呈堵轉工作狀態(tài)，控制保護開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間在≤0.5s保護工作。

2.5.7短路短延時(shí)保護

當控制保護開(kāi)關(guān)工作電流達到額定電流＞8Ie以上時(shí)，控制保護開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間≤0.2s。

2.5.8漏電保護

控制保護開(kāi)關(guān)漏電保護是通過(guò)內置的零序互感器來(lái)測量電機運轉與接地故障情況，以零序電流的大小來(lái)判斷是否啟動(dòng)漏電保護功能。漏電≥50mA（漏電電流值可根據用戶(hù)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開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間≤0.2s。

3智能控制器

將傳統的按鈕、指示燈、轉換開(kāi)關(guān)等集成至智能控制器中，來(lái)完成人機交互智能控制。面板上設有：手動(dòng)、自動(dòng)、報警、低速、高速、停機指示工作燈。手動(dòng)按鈕、低速、高速、停止按鍵、報警蜂鳴器。安裝方式采用面板安裝與控制模塊用RJ45網(wǎng)線(xiàn)連接。使控制類(lèi)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

控制模塊在該系統中起到智能控制器與電機保護開(kāi)關(guān)的連接及鈕帶作用。模塊內部軟件采用冗余邏輯分析處理算法實(shí)現控制邏輯，從而可靠的實(shí)現對保護開(kāi)關(guān)（CPS）與智能控制器連接與控制。保護器采樣和執行情況由控制模塊來(lái)完成，并將信息通過(guò)標準RJ45網(wǎng)線(xiàn)傳輸至智能控制器面板?？刂颇K根據不同的保護控制選擇相應規格來(lái)完成電機的保護。

控制模塊上配有可插拔端子，便于連線(xiàn)和維護?？刂颇K可以直接驅動(dòng)交流接觸器、CPS控制保護器、也可通過(guò)AC220V中間繼電器驅動(dòng)軟啟動(dòng)器。模塊類(lèi)型按需求控制分為：高低速電機控制器、兩臺電機獨立控制、降壓?jiǎn)?dòng)控制器、正反轉控制器、排風(fēng)送風(fēng)控制器、三臺電機控制（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、星三角型電路電機控制等。

5控制流程框圖簡(jiǎn)介

在智能控制器（人機界面）上無(wú)論手動(dòng)狀態(tài)還是自動(dòng)狀態(tài)均可控制電機（消防泵、污水泵、星三角、軟啟動(dòng)）正常啟停?？刂颇K與電機控制保護器（類(lèi)似KBO）配套，并將電機控制保護器所采集的故障經(jīng)反饋回路反饋至控制模塊中，并通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸至智能控制器（人機界面）上的故障指示（用聲光報警）。

（1）高度集成，數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(xiàn)控制，極大簡(jiǎn)化維修及售后成本，沒(méi)有以往復雜的二次線(xiàn)路連接，如有問(wèn)題可更換智能控制器和相應控制模塊即可。

（3）整體控制質(zhì)量得到提升，由原始的多個(gè)分離控制器件及導線(xiàn)、接線(xiàn)端子而成，無(wú)論分離器件或導線(xiàn)連接出現松動(dòng)都會(huì )引發(fā)控制故障?，F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）采用模塊化的設計，體積小、功能完備、接線(xiàn)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試的整個(gè)過(guò)程。

6安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機保護器介紹與綜合選型

6.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

ARD該系列低壓電動(dòng)機保護器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件構成電動(dòng)機控制保護單元，具有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、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結束語(yǔ)

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

【參考文獻】

[1]錢(qián)金川.基于電機控制保護器集成及智能化研究[J].國電子商情:基礎電子,2018（000):012.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.