智能電動機控制器保護及其應(yīng)用

王 偉

(華東電力設(shè)計院，上海 200063)

電動機是所有動力設(shè)備中使用最廣泛的設(shè)備之一，也是發(fā)電廠內(nèi)構(gòu)成各個工藝系統(tǒng)的重要組成部分.電動機的安全性、可靠性及自動化程度直接影響整個發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行和自動化管理水平，而過載、斷相、三相不平衡等故障的經(jīng)常發(fā)生極易損壞電動機.

傳統(tǒng)的電動機保護方案大都采用熱過載繼電器，但由于保護特性粗糙等多種原因，熱繼電器往往起不到必要的保護作用.

近年來，隨著現(xiàn)代化電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種類型的電動機控制器不斷涌現(xiàn)，憑借其完善的數(shù)字化測控保護功能已在發(fā)電廠中逐步得到推廣應(yīng)用.

本文主要比較和分析了傳統(tǒng)的電動機保護裝置和智能型電動機控制器的技術(shù)特性，介紹了電動機控制器在國內(nèi)百萬級機組電廠中典型的應(yīng)用案例，指出了其在發(fā)電廠繼電保護和自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展方向.

電動機控制器是電動機的智能化控制、測量和保護裝置，主要對電動機進行實時監(jiān)測、控制與保護，并通過裝置的通信功能結(jié)合上位機監(jiān)控系統(tǒng)對電動機進行集中管理，可以很好地實現(xiàn)電機設(shè)備的實時監(jiān)控和保護功能，滿足發(fā)電廠系統(tǒng)運行的高安全性、高可靠性，以及自動化要求［1］.

1 智能電動機控制器與傳統(tǒng)電動機保護裝置的比較

1.1 電動機的控制方式

電動機控制器通過微處理器程序控制，實現(xiàn)各種電動機啟動和運行控制方式，并通過接觸器輔助接點狀態(tài)的反饋，對電動機運行狀態(tài)進行監(jiān)測.電動機控制權(quán)限包括就地控制和遠方控制兩種，通過對控制權(quán)限的選擇可以規(guī)定電動機控制的優(yōu)先級.各種方式的電動機啟動控制邏輯均可集成在該裝置中，運行人員只需在電動機控制器上進行軟件程序的預(yù)先選擇設(shè)定即可.電動機控制器可實現(xiàn)的電機控制啟動方式包括(含有必要的邏輯操作和閉鎖):

(1)直接啟動(可帶現(xiàn)場控制按鈕盒);

(2)正-反轉(zhuǎn)直接啟動(可帶現(xiàn)場控制按鈕盒或限位開關(guān));

(3)Y/△啟動，雙速控制啟動(單繞組、雙繞組);

(4)自耦變壓器降壓啟動;軟啟動器控制啟動等.

某百萬級機組工程中采用的西門子Simocode Pro V系列電動機控制器控制原理見圖1.

圖1 西門子Simocode Pro V系列電動機控制器控制原理

由圖1可知，電動機控制器大大簡化了傳統(tǒng)硬接線控制回路，取消了電流互感器、變送器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、中間繼電器、時間繼電器，以及狀態(tài)指示燈等傳統(tǒng)控制元件，用軟件取代了硬件對電機的控制，降低了控制回路的故障發(fā)生率，同時也便于工作人員對設(shè)備進行調(diào)試、運行和維護.

1.2 電動機的保護方式

電動機的保護方式主要包括相間短路保護、單相接地短路保護、單相接地保護、過負荷保護、低電壓保護等［2］.

熔斷器、接觸器與熱繼電器組合是普遍的電動機保護方案，熱繼電器是我國20世紀50年代初從前蘇聯(lián)引進的產(chǎn)品，因其具有反時限特性，以及結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜等優(yōu)點，一直延用至今.

但熱繼電器存在整定粗糙、受環(huán)境影響大、重復(fù)性差、誤差大及功能單一等缺點，且啟動過程中不能對故障進行有效保護，在發(fā)生堵轉(zhuǎn)、長期輕微過載等使電動機繞組產(chǎn)生熱積累時，由于熱繼電器串接在主電路中，無法直接檢測電動機繞組的溫度，無法保護電動機，加上構(gòu)成系統(tǒng)時必需附帶其他多種控制產(chǎn)品，造成系統(tǒng)運行可靠性較低.

因此，基于熱繼電器的電動機保護方案已無法滿足越來越高的實際應(yīng)用要求.

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動機控制器從功能上替代了傳統(tǒng)熱過載繼電器的保護功能，它利用微電子技術(shù)、通信與控制技術(shù)，增加不同的通信接口與現(xiàn)場總線連接，可以實現(xiàn)遠程編程和參數(shù)設(shè)定，使之成為可通信的新型電器產(chǎn)品，集保護、遙測、通信、遙控、顯示于一體，可分別用于計算機控制網(wǎng)絡(luò)或分布式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成為保護及在線監(jiān)測和管理系統(tǒng)的主要組成部分.

智能型控制器一般都可存儲多套保護定值，允許在現(xiàn)場進行保護定值修改，方便快捷.各種電動機保護功能均固化在裝置內(nèi)部，可根據(jù)實際需要進行配置.

表1 國內(nèi)外常用控制器的保護性能

表1列舉了國內(nèi)外常用控制器的保護性能.

1.3 信息監(jiān)測與傳輸方式

與傳統(tǒng)的熱磁型電動機保護裝置相比，電動機控制器提供了豐富的電動機運行監(jiān)控功能，它集成了傳統(tǒng)的電壓表和電流表等測量儀表，以及變送器、故障信號擴展繼電器、監(jiān)視繼電器等輔助繼電器的功能，監(jiān)控數(shù)據(jù)可經(jīng)現(xiàn)場總線上傳至上位機監(jiān)控系統(tǒng)集中管理.同時，也可通過安裝在開關(guān)柜面板上的LCD操作面板直接顯示.主要監(jiān)視信號如下:

(1)運行參數(shù) 三相電流、三相電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率等;

(2)狀態(tài)參數(shù) 運行、停機、故障報警、故障脫扣信號、接觸器操作次數(shù)、電動機運行時間、事件記錄、信息維護等.

目前，大多數(shù)的電動機控制器配置通用RS485通訊接口，并可支持多種通訊方式，如modbusRTU，ProfibusDP，DeviceNet，CAN，LONWORKS等，組成單網(wǎng)或冗余雙網(wǎng).網(wǎng)絡(luò)拓撲為總線結(jié)構(gòu)，可通過中繼器擴展.

電動機控制器可以將電動機的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至上層監(jiān)控系統(tǒng)，同時接收監(jiān)控系統(tǒng)各種控制指令，運行人員也可通過應(yīng)用層軟件對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)完全的遠程實時監(jiān)控功能.

因此，應(yīng)用電動機控制器能在很大程度上為運行維護人員提供更豐富、更準確的信息.

此外，電動機控制器集成了電動機的所有保護和控制功能，即使總線或自動化系統(tǒng)發(fā)生故障，也可以保證單個回路仍具有完全獨立性，以及所具有的各種功能［3］.

表2為國內(nèi)外常用控制器的監(jiān)測與通訊功能.

表2 國內(nèi)外常用控制器的監(jiān)測與通訊功能

2 智能電動機控制器應(yīng)用實例

某百萬級機組工程采用了西門子電動機控制器Simocode Pro V系列產(chǎn)品，用于對低壓電動機的控制保護.Simocode Pro是智能電機管理控制系統(tǒng)，其中央處理單元為微處理器，所有的控制和保護功能都由微處理器執(zhí)行，包括連鎖功能、運行計算、診斷和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及自動控制級與電機回路之間高性能的通訊(Profibus-DP)等.某百萬級機組工程中低壓電動機控制單線見圖2.

由圖2可知，與傳統(tǒng)的電機控制回路相比，Simocode Pro大大簡化了電機的控制回路，減少了接線，從而減少了故障點.單獨的Simocode Pro系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制和監(jiān)視功能及信號處理，不需要增加過載繼電器、熱敏電阻計算電路、電流互感器，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等，這些功能的實現(xiàn)完全不需要控制電路接線.啟停開關(guān)可直接接到基本單元的輸入端，接觸器線圈通過基本單元的輸出控制，不需要互鎖的輔助觸點.

在本工程中，Simocode Pro的主要應(yīng)用保護功能如下:

(1)過載保護 通過電流測量模塊監(jiān)測電機電流，通過過熱保護采集電機溫度作為過載的保護機制;

(2)相不平衡保護 對相不平衡的程度進行監(jiān)視并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，在超過一個可調(diào)節(jié)值時，可以觸發(fā)一個可定義和可延遲的響應(yīng);

(3)過熱保護 通過基于開關(guān)量的PTC熱敏電阻，對電機內(nèi)的溫度直接進行測量;

(4)堵轉(zhuǎn)保護 當電流超過一個可調(diào)堵轉(zhuǎn)限值后，可在Simocode Pro中設(shè)定一個可定義和可延遲的響應(yīng).

在本工程中，Simocode Pro的主要監(jiān)測功能包括:內(nèi)部接地故障監(jiān)視;外部接地故障監(jiān)視;電流限值監(jiān)視;電壓監(jiān)視;有功功率監(jiān)視;功率因數(shù)監(jiān)視;相序識別.

Simocode Pro具有集成的Simocode DP接口、波特率自適應(yīng)功能，采用標準SUB-D接口時最高可支持12 MBit/s，采用的接線端子最高可支持1.5 MBit/s［4］.

3 結(jié)語

目前，電動機控制器已發(fā)展到了微電子時代，從最新技術(shù)發(fā)展和已經(jīng)進入市場的最新產(chǎn)品來看，在智能型控制器基礎(chǔ)上進一步增加可編程的模式控制功能是其主要發(fā)展趨勢.智能電動機控制器的應(yīng)用保證了電動機的可靠運行，提高了運行人員的工作效率.我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能電動機控制器會在發(fā)電廠中得到更為廣泛的應(yīng)用.

［1］張葆豫.電動機最新保護技術(shù)［M］.鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，1998:121-123.

［2］卓樂友.電力工程電氣設(shè)計手冊:電氣二次部分［S］.北京:中國電力出版社，2009:623-648.

［3］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1992:66-101.

［4］西門子公司.Simocode pro系統(tǒng)電動機保護和控制設(shè)備［EB/OL］［2008 － 03 － 23］.http://www.industry.siemens.com.cn/topics/cn/zh/service-suport/pages/Default.aspx.