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1、引言

    在傳統(tǒng)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(cè)量?jī)x表、信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)、聯(lián)鎖、測(cè)量、信號(hào)傳輸?shù)裙δ艿?用戶每月需要承擔(dān)大量的電機(jī)維修、檢測(cè)費(fèi)用;還有電機(jī)控制回路邏輯繁瑣,檢修維護(hù)復(fù)雜造成的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率低下,顯現(xiàn)出設(shè)備現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展越來(lái)越不相匹配。為適應(yīng)電氣系統(tǒng)二次設(shè)備終端智能化的發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)MCC回路的缺點(diǎn)推出了新一代數(shù)字式、抗干擾型智能MCC控制保護(hù)管理裝置- 馬達(dá)保護(hù)器 ,其完善的控制、保護(hù)、聯(lián)鎖、測(cè)量、信號(hào)等功能,采用通用化設(shè)計(jì)理念,極大提高了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率,同時(shí)降低了用戶現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量;其高度集成化、智能化的設(shè)計(jì)思路,革命性地解決了傳統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的缺陷和不足,滿足了現(xiàn)代控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件的要求和基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能化發(fā)展方向。

2、馬達(dá)保護(hù)器發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

    馬達(dá)保護(hù)器(又名電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器)在我國(guó)上世紀(jì)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(jī)械式電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)器(熱繼電器),早在1994年11月22日,國(guó)家經(jīng)貿(mào)委就發(fā)出第6號(hào)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(guó)家“八部委”又聯(lián)合發(fā)出272號(hào)文件《關(guān)于公布機(jī)械工業(yè)第十八批節(jié)能機(jī)電產(chǎn)品推廣項(xiàng)目的通知》,把電子型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(馬達(dá)保護(hù)器)列為節(jié)能機(jī)電產(chǎn)品和替代熱繼電器的更新?lián)Q代產(chǎn)品,推廣應(yīng)用,電動(dòng)機(jī)保護(hù)市場(chǎng)日益繁榮,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)智能低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的廠家有幾十家,型號(hào)品牌繁多,西門(mén)子3UF系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、上海安科瑞ARD系列智能低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、深圳中電PMC系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、保定尤耐特UNT-MMI智能MCC控制保護(hù)器、鎮(zhèn)江默勒MCC3000馬達(dá)控制中心的產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較多。

    由于馬達(dá)保護(hù)器仍處于產(chǎn)品研發(fā)發(fā)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(chǎn)品,種類繁多,給廣大用戶選型帶來(lái)諸多不便,國(guó)家沒(méi)有相關(guān)的單獨(dú)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)范,也給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了盲從性和隨意性,設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)產(chǎn)品單位提供的模板手冊(cè)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)設(shè)計(jì),應(yīng)用者和設(shè)計(jì)者都有被動(dòng)選擇的因素。因此,本文結(jié)合某鋁廠改造工程實(shí)踐,介紹馬達(dá)保護(hù)器在該項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用和安裝注意事項(xiàng)。

3、馬達(dá)保護(hù)器的工作原理

    在工業(yè)實(shí)踐中,一方面電機(jī)因電性原因出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷、缺相、層間短路及線間短路、線圈的接地漏電、瞬間過(guò)電壓等造成損壞,另一方面由于機(jī)械原因,如堵轉(zhuǎn)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)體遇到固體時(shí),因軸承磨損或潤(rùn)滑油缺乏出現(xiàn)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象,損壞電機(jī)。這會(huì)造成嚴(yán)重后果。對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù),以便保證生產(chǎn)正常運(yùn)行,避免事故,降低損失。對(duì)于因電性原因出現(xiàn)的故障,無(wú)論是過(guò)電流還是過(guò)電壓,其主要現(xiàn)象是電流瞬間增大,超過(guò)了電機(jī)的允許電流值而造成損壞。馬達(dá)保護(hù)器根據(jù)這一原理,通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)的兩相(三相)線路的電流值變化進(jìn)行保護(hù),對(duì)于過(guò)電壓、低電壓,是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)相間的電壓變化進(jìn)行保護(hù)。

4、馬達(dá)保護(hù)器的保護(hù)功能

    由于絕緣技術(shù)的不斷發(fā)展,在電機(jī)的設(shè)計(jì)上既增加了出力,又減小了體積,使新型電機(jī)的熱容量越來(lái)越小,過(guò)負(fù)荷能力越來(lái)越弱;隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高,電機(jī)需要頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷,對(duì)電機(jī)保護(hù)裝置提出了更高的要求。另外,電機(jī)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(jī)更容易損壞,尤其是過(guò)載、短路、缺相、掃膛等故障出現(xiàn)頻率很高。這就更進(jìn)一步要求電機(jī)使用時(shí)能夠選用合理可靠馬達(dá)保護(hù)器來(lái)保護(hù)電機(jī)的功能。馬達(dá)保護(hù)器的功能主要有以下幾個(gè)方面:①過(guò)負(fù)載和過(guò)電流的保護(hù);②缺相保護(hù);③逆相保護(hù);④接地漏電保護(hù);⑤堵轉(zhuǎn)保護(hù);⑥相不平衡保護(hù);⑦短路保護(hù);⑧過(guò)電壓保護(hù);⑨低電壓保護(hù);⑩過(guò)熱保護(hù)。

    使用馬達(dá)保護(hù)器既可減少電機(jī)的損壞,又可方便故障判斷,有利于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的故障處理,縮短恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)間。另外,利用電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行電機(jī)偏心檢測(cè),使電機(jī)磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)成為可能,通過(guò)曲線顯示電機(jī)偏心程度的變化趨勢(shì),可早期發(fā)現(xiàn)軸承磨損和走內(nèi)圓、走外圓等故障,做到早發(fā)現(xiàn)、早處理,避免掃膛事故發(fā)生。

5、馬達(dá)保護(hù)器的選用原則

    在大量的工業(yè)實(shí)踐中要求設(shè)備既能充分發(fā)揮電機(jī)的過(guò)載能力,又能避免損壞,提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。結(jié)合電機(jī)應(yīng)用具體的功能,選擇馬達(dá)保護(hù)器應(yīng)綜合考慮,如:電機(jī)本身的價(jià)值、負(fù)載類型、使用環(huán)境、以及電機(jī)主體設(shè)備的重要程度、電機(jī)退出運(yùn)行是否對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響等因素,全面評(píng)估力爭(zhēng)做到選型經(jīng)濟(jì)合理實(shí)用。

    理想的電機(jī)保護(hù)器不是功能最多,也不是所謂最先進(jìn)的,而是應(yīng)該滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,做到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的統(tǒng)一,具有較高性價(jià)比的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況合理地選擇保護(hù)器的種類、功能,考慮保護(hù)器安裝、調(diào)整、使用簡(jiǎn)單方便,更重要的是要選擇高質(zhì)量的保護(hù)器。

5.1、馬達(dá)保護(hù)器選型的基本方法

    選擇馬達(dá)保護(hù)器要了解電機(jī)的規(guī)格型號(hào)、功能特性、防護(hù)型式、額定電壓、額定電流、額定功率、電源頻率、絕緣等級(jí)等;電機(jī)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(jī)的用途,主要指拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備要求特點(diǎn),如風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、車床、油田抽油機(jī)等不同負(fù)載的機(jī)械特性。要清楚電機(jī)的控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)、就地控制、遠(yuǎn)程控制、單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行、生產(chǎn)線集中控制等情況。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,以及用戶對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)護(hù)管理情況,非正常性的停機(jī)對(duì)生產(chǎn)影響的嚴(yán)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(tǒng)情況等;要考慮是對(duì)新購(gòu)電機(jī)配置保護(hù),或是對(duì)電機(jī)保護(hù)升級(jí),還是對(duì)事故電機(jī)保護(hù)的完善等;要考慮電機(jī)保護(hù)方式改變的難度和對(duì)生產(chǎn)的影響程度;需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作條件綜合考慮保護(hù)器的選型和調(diào)整。全面了解這些內(nèi)容是正確選擇保護(hù)器的重要參考依據(jù)。

5.2、馬達(dá)保護(hù)器的常見(jiàn)類型     目前工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的馬達(dá)保護(hù)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(jī),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(cè)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(hù)功能包括過(guò)載、缺相、堵轉(zhuǎn)等,故障類型由指示燈顯示,運(yùn)行電量由數(shù)碼管顯示。③智能型:檢測(cè)三相電流值,保護(hù)器使用單片機(jī),實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能化綜合保護(hù),集保護(hù)、測(cè)量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定,通過(guò)操作面板按鈕來(lái)操作,用戶可以根據(jù)電機(jī)具體情況在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各種參數(shù)修正設(shè)定;采用數(shù)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(duì)較高,用于較重要場(chǎng)合;目前高壓電機(jī)保護(hù)均采用智能型保護(hù)裝置。④熱保護(hù)型:在電機(jī)中埋入熱元件,根據(jù)電動(dòng)機(jī)繞組的溫度進(jìn)行保護(hù),保護(hù)效果好;但電機(jī)容量較大時(shí),需與電流監(jiān)測(cè)型配合使用,避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)溫度急劇上升時(shí),由于測(cè)溫元件的滯后性,導(dǎo)致電機(jī)繞組受損。⑤磁場(chǎng)溫度檢測(cè)型:在電機(jī)中埋入磁場(chǎng)檢測(cè)線圈和測(cè)溫元件,根據(jù)電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化和溫度的變化進(jìn)行保護(hù),主要功能包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、缺相、過(guò)熱保護(hù)和磨損監(jiān)測(cè),保護(hù)功能完善,缺點(diǎn)是需在電機(jī)內(nèi)部安裝磁場(chǎng)檢測(cè)線圈和溫度傳感器。

5.3、結(jié)合工程實(shí)際談?wù)劚Ｗo(hù)器類型的選擇

    在某鋁廠氣化及循環(huán)水改造項(xiàng)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(duì)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接線方式:三相五線制,中性點(diǎn)直接接地。

    適應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的直接在線啟動(dòng),電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用分體顯示,保護(hù)模式接線,并要求具有模擬量輸出,電流模擬量上傳DCS,根據(jù)以上要求后建議用戶在選型時(shí)充分考慮電動(dòng)機(jī)保護(hù)實(shí)際,合理選擇保護(hù)功能和保護(hù)方式,才能達(dá)到良好的保護(hù)效果,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性,減少保護(hù)干擾性停車,減少停機(jī)事故損失,考慮所控制電動(dòng)機(jī)的配合參數(shù),掌握電機(jī)的規(guī)格型號(hào)、功能特性、防護(hù)類別及額定的電壓、電流、功率、頻率、絕緣等級(jí)等;考慮馬達(dá)保護(hù)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(jī)的用途,馬達(dá)保護(hù)器控制風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、車床、油田抽油機(jī)等不同負(fù)載機(jī)械特性的回路設(shè)計(jì)模式是不同的,控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)、就地控制、遠(yuǎn)程控制、單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行、生產(chǎn)線集中控制等情況;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(duì)該工程工作條件惡劣,對(duì)可靠性要求高,涉及自動(dòng)化生產(chǎn)線的電動(dòng)機(jī),選用中高檔、功能較全的智能型保護(hù)器。經(jīng)過(guò)詳細(xì)比較選擇了型號(hào)為:YD2310、YD2310T兩類馬達(dá)保護(hù)器。

    此款馬達(dá)保護(hù)器具有電流、電壓等十幾種保護(hù),滿足各種啟動(dòng)方式,采用LCD顯示,具備全電量測(cè)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(dá)保護(hù)器結(jié)構(gòu)新穎、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安裝方便、顯示控制分體式。可以適應(yīng)此項(xiàng)目工程內(nèi)電動(dòng)機(jī)的多種控制方式;針對(duì)用戶對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)管理比較嚴(yán)謹(jǐn),非正常性的停機(jī)對(duì)生產(chǎn)的影響較大,而且馬達(dá)保護(hù)器主要是應(yīng)用在PLC系統(tǒng),是由人操作監(jiān)控的生產(chǎn)線,也要充分考慮通訊協(xié)議規(guī)約方式;還考慮到電器產(chǎn)品升級(jí)換代較快,功能日益強(qiáng)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(jié)合安裝位置、電源情況、與配電系統(tǒng)的配合等相關(guān)因素;比如馬達(dá)保護(hù)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(xiàn)故障,馬達(dá)保護(hù)器啟動(dòng)保護(hù),塑殼斷路器跳閘,馬達(dá)保護(hù)器單元有記憶功能,可存儲(chǔ)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(shù)測(cè)量的回路直接選用具備該功能的馬達(dá)保護(hù)器,避免重復(fù)選用相關(guān)測(cè)量數(shù)顯表;節(jié)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(duì)電機(jī)起到了很好的保護(hù)作用,。

5.4、馬達(dá)保護(hù)器安裝使用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

    馬達(dá)保護(hù)器的智能化和電子模塊的集成化,在低壓配電設(shè)備內(nèi)安裝應(yīng)用,首先要注意合理布局,遵循控制單元與執(zhí)行單元,饋電單元與測(cè)量單元、強(qiáng)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(nèi)安裝多個(gè)馬達(dá)保護(hù)器時(shí),馬達(dá)保護(hù)器要集中布置、同方向安裝,并且馬達(dá)保護(hù)器之間的通訊線要串聯(lián)連接好,網(wǎng)絡(luò)連接線端子要留在盤(pán)柜、箱體容易引出部位的接線端子處;盤(pán)柜內(nèi)通訊線由盤(pán)柜箱制造廠家配置連接,盤(pán)柜箱之間的網(wǎng)絡(luò)連接線應(yīng)由安裝單位施工,要提前界定清楚;馬達(dá)保護(hù)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;馬達(dá)保護(hù)器配套的電流互感器安裝時(shí)應(yīng)注意主回路A、B、C三相分別對(duì)應(yīng)互感器的A、B、C三相,穿線時(shí)須注意互感器的進(jìn)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(fù)序電流出現(xiàn)致使馬達(dá)保護(hù)器不能正常工作;要注意電流互感器CT變比數(shù)的正確設(shè)置,否則網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)因設(shè)備運(yùn)行電流不正常報(bào)警停機(jī)或顯示異常;設(shè)置馬達(dá)保護(hù)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)量接入線路,設(shè)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(duì)應(yīng),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(duì)應(yīng);尤其要注意每臺(tái)馬達(dá)保護(hù)器的控制通訊地址是唯一的;馬達(dá)保護(hù)器的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)設(shè)置根據(jù)設(shè)計(jì)選型和馬達(dá)保護(hù)器手冊(cè)規(guī)約進(jìn)行,至于控制器的十幾種保護(hù)功能,要根據(jù)所用設(shè)備選用,不必全啟用,避免次要保護(hù)因素的干擾。只有將馬達(dá)保護(hù)器安裝好、設(shè)置好、應(yīng)用好才有能力保護(hù)好電機(jī)。

6、結(jié)論

    結(jié)合工程實(shí)踐,介紹了馬達(dá)保護(hù)器應(yīng)用、設(shè)計(jì)選型和安裝需注意的事項(xiàng),對(duì)節(jié)約投資、合理利用馬達(dá)保護(hù)器保護(hù)電機(jī)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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