低压异步电机回路软硬件协调保护

　　前言

　　随着电子技术和计算机技术的飞速发展，智能马达控制器、软启动器、变频器、固态（电子式）热继电器等许多新型的电器控制元件也得到了广泛应用。它们不但具有过载、过流、缺相、电机过热、漏电保护等多种功能，而且取代了原继电器、电流表、互感器和操作按钮。同时具备了更加完善的网络通信功能，可以与计算机、工控机网络实现分布式控制。极大的改进了早期电动机的控制模式，方便了运行监控。但使用时仍要考虑到各硬件之间整定时间和整定值的配合关系，及运用新型电器元件的网络通讯的优点，将电动机的重要参数加入到过程控制中，根据被测参数的重要程度，改进程序把电动机的控制分为：依靠硬件设定值的临界点作为最终的可靠保护和正常运行工况下依据程序设计的“软保护”动作报警两个方面，同时兼顾与生产工艺流程的配合，这样就可以既保护电动机及其电器元件，又能保证机械负载平稳运行，减少经济损失。

　　1 低压交流异步电动机控制回路硬件方面整定值的配合

　　1.1 短路保护功能主要是监测相间短路电流、单相接地电流或者电动机的堵转电流，设定值通常为6倍的IN。

　　它必须满足相间短路或对于中性点接地系统中发生单相接地时短路保护装置应无时限断开；必须满足正常启动、制动或自起动时不发生误动作。一般采用熔断器或具有瞬动（或短延时）脱扣器功能的低压断路器。在由接触器组成的控制回路中，当该电流大于接触器的“弹开电流”时会造成接触器触头损坏，小于“弹开电流”时，比低压断路器全部断开时间短。由接触器断开了短路电流起不到短路保护目的，因此瞬间失电压时，接触器的失压释放时间应大于低压断路器全部断开时间。

　　1.2 过载保护

　　过载保护的功能是对于重载或空载启动的电动机，启动时间超过设定值；或者在正常运行中，电动机的电流突然升高接近额定电流且持续时间超过了设定值，过载保护就会动作。一般采用热继电器或带长延时脱扣器的低压断路器做保护，对大功率重要电动机应加 电流继电器。通常热继的设定值为0.95~1.05倍的IN，设定时间为TF=(0.5~0.7)TD （TF为热继在6倍IN下的返回时间，TD 为热继在6倍IN下的动作时间）。如果是三角型接法的电动机应采用具有断相运转保护的热继电器。

　　1.3 欠电压保护

　　欠电压保护是针对母线电压突然下降的情况下，电动机的电流迅速升高，长时间的过电流会造成电动机的绝缘老化，大大降低电动机的使用寿命，严重时可能烧坏电动机。但是短时间的过电流不会使绝缘受到严重破坏，因此允许一定的过电流，其数值与时间由电动机的过负荷特性决定。通常电压允许的变化范围为额定值的-5%~+10%时其额定出力不变。一般失压保护由起动器和接触器来实现，整定时间应满足延时的时间大于备用电源自动重合闸的动作时间，通常在1~10s内选取。整定值按照额定转矩来选取，100%额定转矩的取0.7倍的UN；50%额定转矩的取0.5倍的UN。需要自启动的电动机根据生产工艺的重要程度决定，越重要的电动机选取的时间越长。

　　1.4 与电动机配用的断路器

　　与电动机配用的断路器最基本的整定值应满足：长延时电流整定值等于电动机的额定电流值；6倍的IN可返回时间大于或等于电动机实际启动时间；瞬时整定电流对于笼型的电动机为8-15倍脱扣器的额定电流，对绕线转子式的电动机为3-6倍脱扣器的额定电流。与熔断器配合使用时，过载和较小的电流范围内的保护由断路器承担，对于较大的短路电流由熔断器承担，熔断器作为后备保护。熔断器保护特性上限与断路器保护特性的下限相交为最佳配合点。另外与其它上一级断路器和母线电压电流的配合应符合规程规定的要求。

　　1．5 短路保护和过载保护配合

　　短路保护和过载保护作为电动机最基本的保护，如果他们之间配合失调，会造成误动作或越级跳闸的现象，也不利于判断故障发生的原因，其配合关系如图1所示。

　　图1 电动机回路短路与过载保护的配合关系以及软件和硬件保护范围的划分图

　　如果这些曲线相交点背离，即相交点大于6倍的IN，则过载保护会在过载与短路保护之间的间隙提前动作对短路电流作出反应，如果过载保护设定的延时较长，不能无时限立即切除，会造成过载保护装置损坏，然而如果相交点靠前低于6倍IN，则会造成短路保护装置的误动作，不能正确判断短路的原因。

　　2 低压交流电动机控制回路中的软件监控配合

　　所谓“软件”监控是将电动机的重要参数如：电流、电压、频率、功率因数等等，通过网络传送至监控系统，并将他们加入到过程控制中。它是对正常运行状态中存在的异常变化进行监测，可以报警或者参与过程的控制，其控制范围如图1所示的区域1。下面举例说明。

　　2.1 对电动机来说监控的主要电流，其它的参数是反映电器元件本身的运行状态

　　一般我们设定的接地电流，短路电流，过载电流或者相间不平衡等依靠电器元件本身动作来保护，也是最终的临界点。事实上当达到该设定值时，保护已经动作，很可能已经影响了电动机的绝缘或者损坏了机械负载，这在实际生产中出现损坏设备的情况很多，所以“软件”上监控的配合，应着重于运行过程的控制和监测。如：一台110KW的三相交流低压异步电动机，其额定电流为201A，在额定负载下，电动机平稳运行的电流值在100A左右摆动。即使考虑电压的摆动和负载的瞬时跳变，其变化范围应在±20A之间。因此100A可以作为正常运行的标准值，然而在生产中曾发生过当电流达到190-200A持续时间较长，运行人员没有及时停机检查，最后热继动作跳开，结果造成了机械负载的严重损坏。因此，我们把监控的电流作为控制对象，以标准经验值为依据，在程序上加以改进，增加“软延时计时器”（程序软件提供的内部计时器），启动时延时15s（可调整）后开始检测，如果超出100±20A的范围，并且延时监测该电流持续的时间，一般设为6~15秒为宜，（正常运行中短时间的大电流允许持续较长的时间，对于重要的电动机可以适当延长），如果超出设定时间立即发出提示信息（声光或文字框），同时运行人员加强现场检查采取措施，这样就可以有效的保护电气和机械设备。

　　2.2 在电动机发生故障后跳闸，运行人员必须待查明原因后再启动

　　但是实际运行操作上存在不明原因强行启动的现象，间隔时间很短没有按照规程规定的要求操作，频繁启动电动机。在实践中也没有可靠的技术保障措施，无法有效的控制，结果造成了故障范围扩大，检修维护工作量加大，影响了生产。所以对带有重启动限制或者对故障复位时间有限制的电器元件，如：智能马达控制器、固态（电子）式热继等。在程序的设计上对重新启动间隔时间、启动次数进行限制，也可以根据故障记录功能，增加双重复位限制即：就地复位和远方操作故障确认，必须经过检查复位故障后才允许重新启动，这样就可有效的保护电气和机械负载的安全运行。

　　3 总结

　　依靠监控软件可以监测和控制的内容很多，如：压力、温度、流量、速度等，对电动机的监控仅仅是其中的一部分，实践中运用较少。智能马达控制器、软启动器、变频器和电子式热继电器等都具有数据采集、故障记录等多种功能。监控软件可以将这些信息汇总，进行可靠性分析研究，制定合理的检修计划。对于电动机控制回路中的硬件和软件以及它们内部的配合方面涉及内容的很多，不能详细列举，只论述了重要的部分，所以在生产中要具体分析区别对待。同时还要注意与连接机械负载的配合，必须满足生产工艺的要求，比如：启动限制、精确控制、制动、停止规定、力矩要求、节能运行等等，多方面综合考虑，才能将电动机的协调配合保护准确的应用在生产实践中。