胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：介紹了應用電子技術(shù)研制出的電動(dòng)機起動(dòng)和保護用的控制電器，其中有軟起動(dòng)器、電子式熱繼電器和控制與保護開(kāi)關(guān)電器。分析了這些新型電器的原理和主要用途，并對各自的特點(diǎn)、技術(shù)性能和功能進(jìn)行了比較研究。

關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器；電子式熱繼電器；控制與保護

0 引言

        三相異步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、使用維護方便、運行可靠、制造成本低，因而廣泛應用于工農業(yè)生產(chǎn)和其他國民經(jīng)濟部門(mén)，作為驅動(dòng)各種機械的動(dòng)力。隨著(zhù)生產(chǎn)自動(dòng)化、制造技術(shù)和工藝日新月異的發(fā)展，原有的電動(dòng)機起動(dòng)和保護的控制電器已難以滿(mǎn)足要求，為了適應發(fā)展，需要研制和生產(chǎn)出一些應用電子技術(shù)的新型產(chǎn)品，進(jìn)而提高電動(dòng)機的起動(dòng)和保護水平。

1 軟起動(dòng)器

        三相異步電動(dòng)機直接全壓起動(dòng)時(shí)電流很大(4～7倍)，傳統的方法采用如Y一△轉換、自耦變壓器及定子回路串電抗等降壓起動(dòng)方法來(lái)減小起動(dòng)電流，起動(dòng)設備的起動(dòng)參數一般無(wú)法調整，使其負載的適應性較差。電機軟起動(dòng)的方式具備無(wú)沖擊電流、起動(dòng)參數可調、軟起動(dòng)、軟停止、智能制動(dòng)，以及過(guò)載、峰值過(guò)流、欠電流、過(guò)電壓、欠電壓、斷相、短路、同步和相序保護、輕載節能等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被廣泛應用。各起動(dòng)方式對電網(wǎng)的影響示意圖如圖1所示。

圖1不同起動(dòng)方式對電網(wǎng)的影響

1.1 軟起動(dòng)器原理

        軟起動(dòng)器是采用微處理器和晶閘管變流技術(shù)全數字控制的，實(shí)現在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中無(wú)沖擊而平滑的起動(dòng)電機，而且可根據電動(dòng)機負載的特性來(lái)調節起動(dòng)過(guò)程中的各種參數，如限流值、起動(dòng)時(shí)間等。使電機輸人電壓從零以預設函數關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結束，再賦予電機全電壓。一般采用晶閘管調壓起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，即使在低速情況下也能隨意調節電動(dòng)機轉矩，能以恒轉矩起動(dòng)電動(dòng)機，起動(dòng)電流可以限制在額定電流以下。智能軟起動(dòng)時(shí)由于轉矩是按電壓比的二次方減小，因此起動(dòng)轉矩很小。軟起動(dòng)器有電流反饋，也可采用恒流起動(dòng)，即在起動(dòng)過(guò)程中保持起動(dòng)電流不變，直到電動(dòng)機接近同步轉速。

        某三相電機函數關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 三相電機函數關(guān)系曲線(xiàn)

        從圖2中可看到，在電機起動(dòng)過(guò)程中，電機的功率因數角0變化非常大：電機由靜止狀態(tài)開(kāi)始，隨著(zhù)電機轉速的上升，0角逐漸減小，當電機轉速上升到額定轉速時(shí)，0角達到小值，如圖2中1段曲線(xiàn)所示；當電機處于輕載運行狀態(tài)下時(shí)，其轉速可以進(jìn)一步提升，此時(shí)，功率因數角0又隨轉速n的上升而變大，如圖中第2段曲線(xiàn)所示。

        根據晶閘管調壓電路的工作原理，額外的不可忽視的影響晶閘管輸出電壓的因素是電機的續流作用，而電機續流角的變化規律決定于其功率因數角，且該續流角便于實(shí)際測量?？紤]晶閘管調壓型軟起動(dòng)控制器的一相電路，其工作電壓示意圖如圖3所示。

圖3工作電壓示意圖

        其中α為檢測過(guò)零后設定的觸發(fā)角，θ為功率因數角，φ為實(shí)際導通角。

        所以：φ=π-α+θ，晶閘管的輸出電壓有效值為

        在電機軟起動(dòng)過(guò)程中，電機的端口電壓是逐漸提高的，其電壓大小取決于晶閘管的實(shí)際導通角φ，而φ又取決于α和θ的大小，而由圖2知在起動(dòng)過(guò)程中0又隨著(zhù)電機的轉速不斷變化。

1.2 起動(dòng)方式研究

        軟起動(dòng)一般有下面幾種起動(dòng)方式：

        (1)斜坡升壓軟起動(dòng)。該起動(dòng)方式簡(jiǎn)單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調整晶閘管導通角，使之與時(shí)間成一定函數關(guān)系增加。其缺點(diǎn)是：由于不限流，在電機起動(dòng)過(guò)程中，有時(shí)要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網(wǎng)影響較大，實(shí)際很少應用。

        (2)斜坡恒流軟起動(dòng)。該起動(dòng)方式在電動(dòng)機起動(dòng)的初始階段起動(dòng)電流逐漸增加，當電流達到預先所設定的值后保持恒定，直至起動(dòng)完畢。起動(dòng)過(guò)程中，電流上升變化的速率可以根據電動(dòng)機負載調整設定。電流上升速率大，則起動(dòng)轉矩大，起動(dòng)時(shí)間短。該起動(dòng)方式是應用的起動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機、泵類(lèi)負載的起動(dòng)。

        (3)階躍起動(dòng)。開(kāi)機即以變大短時(shí)間使起動(dòng)電流迅速達到設定值，即為階躍起動(dòng)。通過(guò)調節起動(dòng)電流設定值，可以達到快速起動(dòng)效果。

        (4)脈沖沖擊起動(dòng)。在起動(dòng)開(kāi)始階段，讓晶閘管在短時(shí)間內，以較大電流導通一段時(shí)間后回落，再按原設定值線(xiàn)性上升，連人恒流起動(dòng)。該起動(dòng)方法，在一般負載中較少應用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合。

        (5)電壓雙斜坡起動(dòng)。在起動(dòng)過(guò)程中，電機的輸出力矩隨電壓增加，在起動(dòng)時(shí)提供一個(gè)可調的初始起動(dòng)電壓，當調到起動(dòng)力矩大于負載靜摩擦力矩，使負載開(kāi)始轉動(dòng)。這時(shí)輸出電壓從開(kāi)始按可調的斜率上升，電機不斷加速。當輸出電壓達到達速電壓時(shí)，電機也基本達到額定轉速。軟起動(dòng)器在起動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)檢測達速電壓，當電機達到額定轉速時(shí)，使輸出電壓達到額定電壓。

        (6)限流起動(dòng)，就是電機的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設定值的軟起動(dòng)方式。其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(cháng)，直到輸出電流達到預先設定的電流限值，然后保持輸出電流。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調整。對電網(wǎng)影響小，其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間。

        采用軟起動(dòng)器，可以控制電動(dòng)機電壓在起動(dòng)過(guò)程中逐漸升高，從而控制起動(dòng)電流，使電動(dòng)機平穩起動(dòng)，機械和電應力降至小。因此軟起動(dòng)器在市場(chǎng)上得到廣泛應用，并且軟起動(dòng)器所附帶的軟停車(chē)功能有效避免了水泵停止時(shí)所產(chǎn)生的“水錘效應"。

1.3 保護性能研究

        大多數軟起動(dòng)器在晶閘管兩側有旁路接觸器觸頭，當起動(dòng)電壓達到額定值時(shí)，旁路接觸器閉合，取代了已完成任務(wù)的軟起動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)如下。

        (1)在電機運行時(shí)可以避免軟起動(dòng)器產(chǎn)生的諧波。

        (2)軟起動(dòng)的晶閘管僅在起動(dòng)停車(chē)時(shí)工作，可降低晶閘管的熱損耗，又可使軟起動(dòng)器在投入下一次起動(dòng)之前冷卻下來(lái)，延長(cháng)了使用壽命。

        (3)一旦軟起動(dòng)器發(fā)生故障，可由旁路接觸器作為應急備用。

        軟起動(dòng)器可實(shí)現節能運行。在電動(dòng)機運行期間，一旦負載減少或空載時(shí)，軟起動(dòng)器可自動(dòng)降低電動(dòng)機端電壓，只給電動(dòng)機提供足以維持負載所需的變大小轉矩。由于電減少，使得功率因數獲得改善，銅耗減少。

        軟起動(dòng)器可通過(guò)內置的通信適配器與Modbus、Device—Net、ProfibusDP和Lonworks等現場(chǎng)總線(xiàn)相連接。

        Y一△和自耦減壓起動(dòng)方式都屬于有級減壓起動(dòng)，存在明顯缺點(diǎn)，即起動(dòng)過(guò)程中出現二次沖擊電流。軟起動(dòng)器克服了這些缺點(diǎn)，滿(mǎn)足了傳動(dòng)控制對自動(dòng)化程度不斷提高的要求。

        (1)無(wú)沖擊電流。軟起動(dòng)器在起動(dòng)電機時(shí)，通過(guò)逐漸晶閘管導通角，使電機起動(dòng)電流從零線(xiàn)性上升至設定值。

        (2)恒流起動(dòng)。軟起動(dòng)器可以引人電流閉環(huán)

        控制，使電機在起動(dòng)過(guò)程中保持恒流，確保電機平穩起動(dòng)。

        (3)可根據負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，自由的無(wú)級調整至起動(dòng)電流。

        軟起動(dòng)器除了具有常見(jiàn)的過(guò)載、欠電流、欠電壓、過(guò)電壓、斷相和相序等保護外，還具有以下的保護性能：

        (1)起動(dòng)超次數。在1～60min中，起動(dòng)次數范圍為1—10次可調節。

        (2)起動(dòng)超時(shí)(堵轉保護)。1—30S可調，在規定時(shí)間內電動(dòng)機尚未達到全速，起動(dòng)器脫扣。

        (3)電子式熔斷器。當起動(dòng)電流為電動(dòng)機滿(mǎn)載電流的850％時(shí)，或運行時(shí)為200％～850％電動(dòng)機滿(mǎn)載電流時(shí)，使起動(dòng)器在一個(gè)周波內脫扣。

        (4)低轉速超時(shí)。低轉速運行超過(guò)30s，起動(dòng)器脫扣。

        (5)接線(xiàn)錯誤。電動(dòng)機接線(xiàn)錯誤時(shí)，不能起動(dòng)。

        (6)晶閘管短路。內有金屬氧化壓敏電阻和電路，當一個(gè)及以上晶閘管短路時(shí)，電動(dòng)機不能起動(dòng)。

        (7)散熱器過(guò)熱。散熱器溫升超過(guò)85~C，起動(dòng)器脫扣。

        (8)外部故障。當外部故障觸頭閉合2S，起動(dòng)器脫扣。

        (9)電動(dòng)機絕緣水平下降。絕緣水平整定范圍為0．2～5MQ，可整定兩個(gè)數值，電動(dòng)機絕緣水平下降至整定值，延時(shí)60S報警和起動(dòng)器瞬時(shí)脫扣。

2 電子式熱繼電器

        傳統的雙金屬片式熱繼電器因其簡(jiǎn)單價(jià)廉而得到廣泛應用。但其保護動(dòng)作，受環(huán)境溫度影響較大，容易因長(cháng)期運行的熱疲勞而偏離原有整定值，所以保護作用較差。

三相異步電動(dòng)機燒壞以不平衡故障(包括斷相)率高，占整個(gè)電動(dòng)機燒壞故障的70％以上。根據對稱(chēng)分量法，當不平衡故障發(fā)生時(shí)，將使三相電流和三相電壓的大小、相位不再對稱(chēng)，電流、電壓中會(huì )出現負序分量，不會(huì )出現零序分量。

三相異步電動(dòng)機的正序等效電路和負序等效電路如圖4所示。圖中：為每相定子電壓正序分量，為每相定子電壓負序分量。

圖4正序等效電路和負序等效電路

        電動(dòng)機正序阻抗和負序阻抗與轉差率有關(guān)，忽略勵磁阻抗，正序阻抗為以下，負序阻抗為以下

        三相異步電動(dòng)機在正常運轉時(shí)存在兩個(gè)主要力矩：一個(gè)是使電動(dòng)機轉動(dòng)的電磁力矩，由電動(dòng)機定子繞組中流過(guò)的電流產(chǎn)生；另一個(gè)是阻礙電動(dòng)機轉動(dòng)的阻力力矩，由電動(dòng)機所帶的機械負荷產(chǎn)生。當三相電動(dòng)機發(fā)生不平衡故障時(shí)，轉子上將作用兩個(gè)電磁力矩：一個(gè)是在正序電壓、正序電流作用下產(chǎn)生的正序電磁力矩，使電動(dòng)機繼續轉動(dòng)，另外一個(gè)是在負序電壓、負序電流作用下產(chǎn)生的負序電磁力矩，起制動(dòng)作用。由于負序轉矩的存在，合成轉矩都會(huì )減小，從而使銅耗增加，將使電動(dòng)機溫升加劇，嚴重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機。因此根據三相異步電動(dòng)機發(fā)熱物理過(guò)程的數學(xué)模型，獲得與實(shí)際溫升過(guò)程更為吻合的累加定子電流的過(guò)載反時(shí)限保護特性方程，實(shí)現電動(dòng)機過(guò)載能力充分利用的電子式熱繼電器應運而生。一般由硬件系統與軟件系統組成，采用電流幅值、電流負序分量、電流零序分量和電壓幅值的不同排列組合，對于不同故障所表現出的不同狀態(tài)，建立各種故障相應的保護特性方程，以保證斷相時(shí)及時(shí)切斷電源。

        電子式熱繼電器應用電子技術(shù)，除了與雙金屬片式熱繼電器相同的過(guò)載、斷相和三相不平衡保護性能外，還可提供以下保護和功能。

        (1)與電機繞組中安裝PTC熱敏元件組成過(guò)熱保護。

        (2)接地故障保護。

        (3)有多種脫扣等級的保護曲線(xiàn)可供選擇，脫扣動(dòng)作精度高。

        (4)可調定時(shí)限保護。

        (5)過(guò)電壓、欠電壓保護。

        (6)設定電流的選擇范圍大。

        (7)電流檢測不受諧波影響。

        (8)可通過(guò)外接線(xiàn)實(shí)現遠動(dòng)、自動(dòng)復位。

        (9)過(guò)載報警。

        (10)適應溫度范圍大(一25一+70℃)。

        電子式熱繼電器設計成安裝尺寸與同規格熱繼電器相同，可與熱繼電器通用互換，其接線(xiàn)端可直接與交流接觸器插接，方便地組成電動(dòng)機起動(dòng)器。

3 控制與保護開(kāi)關(guān)電器

        控制與保護開(kāi)關(guān)電器以模塊化單一結構形式，將斷路器、接觸器、過(guò)載繼電器、隔離開(kāi)關(guān)等分離元器件的主要功能集成化，并能夠綜合各種信號，實(shí)現控制與保護特性在產(chǎn)品內部自配合。他具有體積小、短路分斷眭能指標高、保護精度高、機電壽命和運行可靠性高、使用方便、節能節材等優(yōu)點(diǎn)。還具有連續工作性能，即在分斷短路電流后無(wú)需維護即可投入使用，也就是具有分斷短路故障后的連續運行性能，為低壓配電與控制系統提供了一種新型、理想、小型化、多功能的開(kāi)關(guān)電器。

        控制與保護開(kāi)關(guān)電器適用于現代化建筑中的泵、風(fēng)機、空調、消防照明等電控系統；冶金、煤礦、鋼鐵、石化、港口、船舶、鐵路、紡織等領(lǐng)域的電動(dòng)機控制和保護；適用于電動(dòng)機控制尤其是智能化電控系統或高分斷能力的電動(dòng)機控制、工廠(chǎng)或車(chē)間的單電機控制與保護，以及遠程控制照明系統等場(chǎng)合。

3.1 與分立電器構成的系統比較研究

        控制與保護開(kāi)關(guān)電器與分立電器構成的系統相比，具有如下一些特性。

        (1)控制與保護自配合的特性?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)電器采用模塊化的單一電器產(chǎn)品結構型式，具有控制與保護功能，能夠實(shí)現多種電器組合的功能，可以很好地解決分立電器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加完善合理。以往在選擇電器時(shí)需考慮的因素很多，自電源進(jìn)線(xiàn)端至負載端要選擇多種電器，而在選用控制與保護開(kāi)關(guān)電器時(shí)，則只需根據負載功率或電流即可正確選擇單一類(lèi)型的產(chǎn)品，這樣大大減輕了設計人員的工作量，而且還提高了對各類(lèi)電動(dòng)機負載和配電負載的控制與保護作用。

        (2)的運行可靠性與系統的連續運行能力?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)電器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I生能。在進(jìn)行了分斷短路電流試驗后，仍具有不小于6000次的AC一4電壽命，這一特l生地提高了系統的運行可St,l生和系統的連續運行。

        (3)節能節材?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)電器具有體積小、安裝面積少、節約能源、節約材料，設計、工藝、質(zhì)量標準統一等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 與塑殼斷路器比較研究

        控制與保護開(kāi)關(guān)電器與塑殼斷路器相比具有分斷能力高、飛弧距離小的特性。在380V額定電壓下，預期短路電流為5OkA時(shí)的分斷時(shí)間僅為2～3ms，限流系數可低于0．2，達到塑殼斷路器水平和熔斷器的限流水平，有效限制了短路電流對系統的動(dòng)、熱沖擊，保護了系統中的其他電器設備?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)電器飛弧距離僅為20～30mm，過(guò)載和瞬動(dòng)整定電流均可調整，克服了塑殼斷路器的短路保護整定電流出廠(chǎng)后用戶(hù)無(wú)法調整的缺點(diǎn)，使其即使安裝在線(xiàn)路末端，短路電流較小時(shí)，同樣具有良好的短路保護功能。

3.3 與接觸器比較研究

        控制與保護開(kāi)關(guān)電器與接觸器相比具有壽命長(cháng)、操作方便的特性，其機械壽命達500—1000萬(wàn)次，電壽命AC一3達100～120萬(wàn)次。采用了先進(jìn)的觸頭與電磁系統分離式設計，有效觸頭的二次彈跳，大幅度提高了產(chǎn)品的電壽命，而且特別適用于重載起動(dòng)等嚴酷的場(chǎng)合?？刂票Ｗo開(kāi)關(guān)電器既可現場(chǎng)手動(dòng)操作，又可實(shí)現遠距離遙控控制。

3.4 功能特點(diǎn)研究

        應用微電子的控制與保護開(kāi)關(guān)電器抗干擾能力強，實(shí)現控制與保護開(kāi)關(guān)數字化、智能化、通信網(wǎng)絡(luò )化及現場(chǎng)總線(xiàn)連接監控等功能。其功能特點(diǎn)如下。

        (1)具有遠距離自動(dòng)控制和就地直接人工控制功能。

        (2)具有面板指示及機電信號報警功能。

        (3)具有協(xié)調配合的時(shí)間一電流保護特性(具有長(cháng)延時(shí)、短路短延時(shí)、和瞬時(shí)三段保護特性)。

        (4)具有斷相、過(guò)流、堵轉、短路、欠流、過(guò)壓、欠壓、漏電、三相不平衡、隔離、起動(dòng)延時(shí)(避開(kāi)起動(dòng)大電流、它和過(guò)流動(dòng)作時(shí)間分開(kāi))等諸多功能。

        (5)監控器對各種運行、故障等狀態(tài)采用LED顯示；具有電壓表、電流表功能。

        (6)配有設置鍵、移位鍵、數據鍵、復位鍵，可對各種參數進(jìn)行設定和查詢(xún)；由于采用存儲記憶技術(shù)，實(shí)現參數設定，斷電后設定參數仍保存下來(lái)，無(wú)須再設定。

        (7)具有故障記憶功能，便于故障查詢(xún)、分析。

        (8)具有與現場(chǎng)總線(xiàn)連接的通信接口，便于用戶(hù)實(shí)現智能化管理。有遙測、遙信、遙調、遙控(即“四遙")功能，可與ModBus、Profibus、DeviceNet總線(xiàn)通信。

        (9)用戶(hù)根據需要選配功能模塊或附件，即可實(shí)現對各類(lèi)電動(dòng)機負載和配電負載的控制與保護?？刂婆c保護開(kāi)關(guān)電器用在電動(dòng)機線(xiàn)路可取代斷路器、接觸器、過(guò)載繼電器、隔離開(kāi)關(guān)等電器元件，不僅性能比所取代的電器元件*，且可大大節省安裝面積，但由于控制與保護開(kāi)關(guān)電器價(jià)格昂貴，且一旦損壞要整臺更換，代價(jià)很大。故產(chǎn)量和使用量都受到限制。

4安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機保護器介紹與綜合選型

4.1 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。

4.2 產(chǎn)品選型

產(chǎn)品功能

說(shuō)明：“√"表示具備“■"表示可選

5結語(yǔ)

        電動(dòng)機在運行中經(jīng)常會(huì )由于使用不當而引發(fā)各種故障，據不統計，國內每年燒毀電動(dòng)機的數量在20萬(wàn)臺以上，直接經(jīng)濟損失約16億元，間接經(jīng)濟損失高達百億元。隨著(zhù)現代化電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種新型的電動(dòng)機控制和保護器不斷涌現，均能夠根據負載電流判斷線(xiàn)路中的各種故障并及時(shí)進(jìn)行保護，保證了電動(dòng)機的可靠運行，提高了運行人員的工作效率，大限度地減少經(jīng)濟損失。因此，應用智能型電動(dòng)機起動(dòng)和保護控制器替代傳統的接觸器、熔斷器、熱繼電器是發(fā)展趨勢。

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