淺談智能電動機保護器在有色冶煉行業(yè)中的應用

安科瑞 陳聰

［摘要］簡要介紹了熱繼電器、電子式電動機保護器和智能電動機保護器的優(yōu)缺點，并闡述了智能電動機保護器如何正確的選型，重點比較了智能電動機保護器保護模式、端子控制模式、全通信模式、半通信模式等幾種常見 工作模式，介紹這４種模式適用的實際情況，最后通過分析智能電動機保護器在工程實際應用中的常見問題，給出 了相應解決方法和建議。

［關鍵詞］智能電動機保護器；過載保護；選型；工作模式；保護模式；端子控制模式；全通信模式；半通信模式

前言

低壓電動機作為有色冶煉企業(yè)底層大量使用的設備，其異常運行不僅影響冶煉廠的正常生產(chǎn)，還會 威脅到人的生命安全，因此為電動機設置合適而又全面的保護至關重要。智能電動機保護器集保護、 遙測、通信、遙控、顯示等功能于一體，是目前功能全面的電動機保護設備，能最大限度保證設備運行 的安全可靠性，從而實現(xiàn)智能化和高精度保護，同時還能對電動機的狀態(tài)進行全面監(jiān)控。

一、電動機過載保護設備的發(fā)展

１.１　熱繼電器

熱繼電器是一種傳統(tǒng)的電動機保護裝置，使用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片來實現(xiàn)反時限保護。其 特點是結構簡單、價格低廉，但也存在穩(wěn)定性、重復性差和保護功能單一等缺點。

１.２　電子式電動機保護器

隨著電子技術的不斷發(fā)展，電子式電動機保護 器應運而生，從最初的模擬電路的固態(tài)繼電器發(fā)展到后來的數(shù)字電路的智能型繼電器，特別是微處理器的發(fā)展，讓電動機保護器實現(xiàn)了測量、保護和控制 功能于一體。通過采集電流、電壓、頻率和熱電阻信 號，可以實現(xiàn)短路、過載、堵轉、超時起動、接地、缺相 或不平衡保護等多種保護功能，并能滿足各種起動控制方式。

１.３　智能電動機保護器

隨著微機通信技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，智能電 動機保護器又增加了通信模塊，通過雙向通信和組 網(wǎng)技術，不僅可以采集數(shù)據(jù)，在線監(jiān)視運行狀態(tài)，還 能實現(xiàn)遠程控制。特別是現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡通信的應 用，簡化了網(wǎng)絡結構，大大減少了控制線纜的使用。國內外許多電器公司推出了多款微機型智能保護裝置。

二、智能電動機保護器構成和功能

２.１　智能電動機保護器的構成智能電動機保護器由主體模塊、顯示模塊兩部 分構成。主體模塊包含電源模塊、數(shù)字信號處理器、 開關量輸入輸出模塊、模擬量采集模塊、通信模塊 等；顯示模塊負責顯示運行參數(shù)以及保護整定值的 設置。若主體模塊和顯示模塊合為一體，則稱為一體 式智能電動機保護器；若分開，則稱為分體式智能電 動機保護器。部分智能電動機保護器的測量模塊也 獨立于本體之外。

２.２　智能電動機保護器的功能

智能電動機保護器通過微處理器采集并處理電機回路的電流和電壓信號，并根據(jù)遙控指令或者就 地控制指令確定電機起動或停止。雖然不同品牌 的產(chǎn)品名稱、型號各異，但其核心功能基本都一 樣，具體如下：

1. 保護功能。包括過載、斷相、堵轉、啟動超 時、單相接地、短路、外部故障、欠電流、欠電壓、過電壓保護和溫度保護等

２）測量功能?？蓽y量相電流、相電壓、線電壓、 零序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率和相 位角等。

３）計量功能。可計量有功電度和無功電度。

４）控制功能。具有多路數(shù)字量輸出口，可實現(xiàn) 電動機的直接起動、雙向動、雙速啟動和星三角降壓 啟動等。

５）管理功能。包括電動機累計運行時間記錄， 電動機累計起動次數(shù)和起動時間記錄、故障動作記 錄和電動機起動報告。

６）信息采集功能。具備多路數(shù)字量輸入接口 和模擬量輸入接口，可采集電動機相關的各種電氣狀態(tài)數(shù)字信號（斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)以及控制 命令）和電動機繞組測溫模擬信號。

７）通信功能?？膳鋫涠喾N通信接口，如MODBUS、PROFIBUS－DP、 DeviecNet和Ethnet－IP等，可實現(xiàn) 遠程的起、停控制和狀態(tài)量的反饋。

三、智能電動機保護器的合理選型

智能電動機保護器的選用應該根據(jù)安裝地的自然環(huán)境、電磁環(huán)境以及測控保護和控制需求來 確定。

１）安裝位置的環(huán)境條件。主要指溫度、腐蝕 度、震動度、風沙、海拔、電磁污染等。和熱繼電器不同的是，智能電動機保護器是一種電子元器件，對環(huán)境的要求相對嚴苛，這一點需要特別注意。

２）控制電壓。根據(jù)系統(tǒng)的控制電壓選擇適配的智能電動機保護器，部分廠家的電動機保護器僅提供24DV的電源輸入接口。

３）測控保護需求。根據(jù)電動機的類型、特點、功率大小和重要程度，選擇采用哪些測量功能和保護功能。

４）控制需求。根據(jù)工藝的操作需求確定控制需求，選擇手動、自動、就地控制或遠程控制等控制 模式以及需要的控制功能和控制點數(shù)，繼而確定輸入、輸出端子的數(shù)量和功能是否滿足要求。

５）通信需求。根據(jù)需求確定是否采用通信的方式進行遙控和遙信，進一步確定采用何種通信 方式。

６）配合柜體的需求。根據(jù)不同的柜體，選擇一 體式還是分體式的智能電動機保護器。一般情況下，固定柜選擇一體式的保護器，抽屜柜選擇分體式 的保護器。

７）特殊需求。是否要求輸入輸出端子可自由 定義功能。

四、智能電動機保護器的應用實例

在有色冶煉中，根據(jù)工藝需求和客戶需求，智能電動機保護器的主要應用模式有保護模式、端子控 制模式、全通信模式和半通信模式。

４.１　保護模式

在保護模式下，智能電動機保護器只利用其自身的保護功能和測量功能，不參與外部控制，相當于 原來熱繼電器的作用。具體接線如圖１所示。這種模式適用于原有系統(tǒng)的改造升級，外部的 控制接線修改很小。優(yōu)點在于最大限度減少了因智能電動機保護器裝置本身出問題或通信出問題帶來的風險；缺點是沒能充分發(fā)揮智能電動機保護器的功能，遠程DCS控制線路仍然采用的是硬線。部分比較保守的客戶由于對通信穩(wěn)定性和可靠性的不信任，普遍采用這種模式。

４.２　端子控制模式

在端子控制模式下，智能電動機保護器通過自 身的開關量輸入端子采集外部控制命令，繼而控制 其開關量輸出電動機的起、?；蛘崔D等，具體接線 如圖２所示。

在該模式下，智能電動機保護器具備保護和控 制兩個功能，相比上面的保護模式，優(yōu)勢在于可以充 分使用智能電動機保護器的控制功能，但和保護模 式一樣，其遠程DCS控制線路仍為硬線。

４.３　全通信模式

在全通信模式下，就地控制時智能電動機保護 器只起保護作用，不參與控制，相當于保護模式；遠程ＤＣＳ通過通信線路控制智能保護器輸出電機起、?；蛘崔D等命令，如圖３所示。這種模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一是保 證了就地控制的獨立性，盡可能規(guī)避通信控制帶來的風險，提高了安全系數(shù)；二是大大減少了電纜的使 用和接線的工作量。

影響這種模式推廣的關鍵因素是客戶對通信的穩(wěn)定性和可靠性的擔憂。實際應用中，個別工程出現(xiàn)過 通信不暢、經(jīng)常掉線、易受干擾等問題，但基本都是由 于通信網(wǎng)絡方案不合理、施工質量不佳以及通信線路 和產(chǎn)品質量有問題等因素導致的，全通信模式本身已 經(jīng)很成熟，并不存在大的問題，國內外早已大量應用。

４.４　半通信模式

半通信模式的特點是電機的遠程DCS起、停控 制仍然采用硬線，只有狀態(tài)信號的上傳走的是通信網(wǎng)絡，所以稱為半通信模式，接線如圖４所示。半通信模式介于保護模式和通信模式之間，是 一種折中的應用。其應用背景為：客戶對智能電動機保護器信心不足，擔憂由于通信不可靠導致電機 的起、停不受控制，繼而影響生產(chǎn)或帶來安全事故， 故遠程的控制信號仍然采用硬線方式傳輸。不過這 種模式也為將來改為全通信模式留出了接口，方便日后升級改造。以上僅以普通電機單相運行為例，列出智能電 動機保護器４種常用的工作模式，每種模式都有其 應用的背景和現(xiàn)實需求，設計人員需要根據(jù)工程實 際和需求來選用合適的工作模式。

五、問題和建議

５.１　智能電動機保護器短路保護的問題

智能電動機保護器具有很多種保護功能，短路保護是其中之一。其主要保護邏輯是根據(jù)采集的電流進線分析和計算，當電流超過５倍電機額定電流時，其短路保護出口發(fā)出斷路器跳閘命令。該跳閘 命令是通過斷路器的分勵線圈來實現(xiàn)的，具體可以參見圖１。這個邏輯本身沒有問題，問題出在智能 電動機保護器和分勵線圈的工作電源上。一般情況下，該工作電源從電動機主回路的某一相上取電，當時,該相電壓 也會下降。當電壓下降到小于

智能電動機保護器和分勵脫扣器的正常工作電壓時，智能電動機保護器 和分勵線圈均無法正常工作，短路保護也無法實現(xiàn)。其實電動機主回路的斷路器本身就具備很好的短路保護功能，所以智能電動機保護器設置短路保護必 要性不大。

５.２　智能電動機保護器測量準確度低的問題

智能電動機保護器基本只配備一組三相CT，而 保護器的保護功能肯定是一位的，測量和計量功能只是附帶的，因而配置的CT首先要滿足保護功能的需求。保護功能所用CT要求較大的故障電流 通過時鐵心不能飽和，以便較好地反映一次電流值， 所以在正常電流通過時，智能電動保護器測量的準 確度較低。因此，智能電動機保護器的計量數(shù)據(jù)不適合作為企業(yè)的生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，如果想采集能耗數(shù) 據(jù)，應單設測量CT和計量表。

５.３　智能電動機保護器和變頻器配合應用易受電

磁干擾的問題

當智能電動機保護器與變頻器安裝在同一個柜

內配合使用時，智能電動機保護器會因為變頻器的電磁干擾出現(xiàn)誤動作的情況。某工程中，智能電動機保護器作為變頻器的旁路保護電器，正常情況下變頻器工作時，旁路沒有電流通過，但現(xiàn)場卻發(fā)現(xiàn)智 能電動機保護器不斷發(fā)出漏電故障報警。理論上來說，智能電動機保護器的抗電磁干擾能力滿足國家 標準要求，不應該出現(xiàn)這種情況，但實際上這種情況 不少。因此建議智能電動機保護器和變頻器分柜安 裝，盡可能遠離，避免干擾。

５.４　端子輸入控制模式下的控制信號干擾問題在端子輸入控制模式下，除了圖２接線方式，還有一種接線方式也經(jīng)常用到，就是現(xiàn)場控制箱的按鈕和遠程的起、停信號直接接到智能電動機保護器的輸入端子。

這種方式的優(yōu)點在于沒有轉接，接線 比較簡單，但這種接線方式在工程中經(jīng)常出現(xiàn)控制 信號的干擾問題。而出現(xiàn)這種問題的原因在于控制 信號電壓的不一致：端子輸入的電壓為24vDC，而 輸出口至控制箱信號燈的電壓為220vAC。如果設 計者沒有注意這一點，將至控制箱的所有信號合用 一根控制線的話，高壓干擾低壓的現(xiàn)象就會出現(xiàn)，導 致控制出現(xiàn)異常。避免這種問題的方法也很簡單，只要將這兩種不同電壓的信號用不同的控制電纜分開即可。

５.５　智能電動機保護器安裝在抽屜柜中的通信問題

目前市面上的智能電動機保護器采用的通信協(xié)議或接口有很多種，但無論采用何種協(xié)議或接口，當智能電動機保護器安裝在抽屜單元內時就會遇到通信電纜的連接問題。抽屜單元是可移動的，甚至是可移走替換的，它通過一次插頭和二次插 針與外部固定的動力電纜和控制電纜連接。由于智 能電動機保護器安裝在抽屜單元內，它與外部通信總線之間的連接就成了一個難題。如果和其他控制信號一樣采用二次插針的方式，雖然可以解決連接 的問題，但由于二次插針裸露，沒有屏蔽層，無法保 證通信不被干擾。通信的可靠性是一位的，所以大都采用了通信電纜從柜后直接穿孔進入抽屜單元后與智能電動機保護器相連的方式。通信電纜在柜后留有余量，當抽屜單元小范圍抽出時沒有問題，但 當抽屜單元抽出柜體時，就需要先拔掉連接頭，這種做法犧牲了抽屜單元的一部分便利性。國外家也有一些其他的解決方案。例如，abb品牌在低 壓智能柜imms里采用一種特制的Profibus－DF通信插頭，但效果有待驗證；AB品牌智能電動機保護 器主要采用以太網(wǎng)通信，在低壓智能柜里采用以太 網(wǎng)插頭直接插接外部以太網(wǎng)網(wǎng)口。

六、保護器選擇分類

   現(xiàn)代智能電機保護器還有很多在實際生產(chǎn)中需要的功能，如回看功能、遠程通訊、遠程控制、多種啟動方式選擇等。保護器在類型上分為：一般普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

6.1一般普通型

   結構比較簡單，主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉等故障保護。故障類型采用指示燈顯示。

6.2數(shù)碼顯示監(jiān)控型

   數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護器，內部電路運用單片機，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，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(shù)字設定，用戶可以自行對各種參數(shù)修正。

6.3智能監(jiān)中文顯示控型

   智能漢字顯示更適合國內，與其他類型相比，功能更加完善。此類產(chǎn)品對各種參數(shù)、狀態(tài)、信息直接在操作面板單元上中文漢顯液晶顯示，使界面更加直觀醒目，并且支持遠程計算機通訊功能。啟動方式有多種選擇，并有存儲回看功能，給后期的維護維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

七、保護器在選擇上應注意事項

在選擇保護器的同時，還要考慮到以下幾種因素：

7.1電動機主要參數(shù)：主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據(jù)。

7.2使用環(huán)境因素的影響：主要指溫度、濕度、污染等。

7.3電動機使用方向：指拖動機械設備要求。

7.4控制系統(tǒng)：控制模式有手動、自動化程序等工作運行。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。

7.5安裝要求：在選型上要考慮安裝空間大小，留有足夠的余量，便于散熱及接線、維護、查看方便。

7.6靈敏度要求：是帶載啟動還是空載啟動，是滿載還是逐漸加載，主要是在電流設定方面要考慮到啟動瞬間的電流值與額定電流值之間的時間差。

7.7其他方面：如生產(chǎn)現(xiàn)場對電動機位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

八、安科瑞馬達監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

馬達監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的低壓電動機回路及饋線回路的各類電參量數(shù)據(jù)，能夠幫助用戶對電機設備以及重要配電回路的電力參數(shù)、能源消耗、電能質量和運行狀態(tài)實行動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，實現(xiàn)公司重要生產(chǎn)設備的可視化管理、智能監(jiān)控和實時監(jiān)管。

8.1、應用場所

適用于電力、冶金、化工等各類工業(yè)現(xiàn)場的電機回路及饋線回路的實時監(jiān)控和自動化管理。

8.2系統(tǒng)功能

配電監(jiān)測

以配電一次圖的形式直觀顯示電機的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各電機、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各電參量，有關故障、告警等信號。

工藝流程監(jiān)測

可根據(jù)用戶需求繪制詳盡的工藝生產(chǎn)流程圖，直觀顯示生產(chǎn)工序工藝流程及各機組運行狀況。幫助用戶實時掌握生產(chǎn)信息。

參數(shù)查詢

詳細展示單個電機設備或饋線回路的參數(shù)信息，包括電壓、電流、功率、電能等電參量信息，以及DI/DO狀態(tài)、故障信息等各類非電參量信息。

曲線查詢

可直接查看各個數(shù)據(jù)歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電阻值等曲線，便于用戶分析回路的歷史運行狀況。

運行報表

系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各電機的用電情況，即該電機用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。

實時事件告警

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對電機狀態(tài)、電機脫扣狀態(tài)、報警狀態(tài)、合動作等遙信變位等事件發(fā)出告警，故障發(fā)生實時彈窗告警。

歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠對遙信變位、電機狀態(tài)，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。

權限管理

通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

通信管理

馬達監(jiān)控系統(tǒng)可以對整個監(jiān)控系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測?？梢圆榭茨硞€設備的通信和數(shù)據(jù)報文。

通訊拓撲

實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

8.3、產(chǎn)品選型

九、結束語

智能電動機保護器替代傳統(tǒng)熱繼電器是大勢所趨，通過智能電動機保護器以總線的通信方式組網(wǎng) 實現(xiàn)工廠低壓電機的遙測、遙控是智能配電和智能 工廠的基本需求。智能電動機保護器要想得到更好 的應用和推廣，還需要工程設計人員和設備廠家密 切配合，根據(jù)出現(xiàn)的問題提出更好的解決方案。

【參考文獻】

【1】曾萍，胡景泰．電動機保護器的發(fā)展與應用．中國電工技術學會低壓電器專業(yè)委員會．中國電工技術學會低壓電器專業(yè)委員會第十二屆學術年會論文集．中國電工技術學會低壓電器專業(yè)委員會：中國電工技術學會

【2】黃凱，劉向軍．電動機保護器的發(fā)展與展望

【3】朱瑛珺，王麗．淺談智能馬達保護器的選用及安裝使用．電氣傳動自動化

【4】高文東，李錦昕，宋運偉．淺談電動機智能保護器的工程應用．氯堿工業(yè)

【5】林光榮．淺談低壓智能電動機保護器的應用．城市建設理論研究：電子版

【6】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版。