基于PLC的一種電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)方法及應(yīng)用

谷龍飛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)是為了避免出現(xiàn)連續(xù)的使電機(jī)過熱而損壞的電流，并防止電動(dòng)機(jī)發(fā)生過載故障的一種保護(hù)手段。按《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》要求，運(yùn)行中容易過載的電動(dòng)機(jī)及在起動(dòng)或自起動(dòng)條件困難而要求限制起動(dòng)時(shí)間的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)。不當(dāng)?shù)倪^載保護(hù)可能會(huì)造成電氣設(shè)備損壞，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)或威脅人身安全。

目前普遍采用的熱繼電器保護(hù)方法并不能做到對電動(dòng)機(jī)的可靠保護(hù)。本文通過分析現(xiàn)有的熱繼電器過載保護(hù)中存在的一些問題，提出一種新型的過載保護(hù)方法，使過載保護(hù)準(zhǔn)確、直觀地展示給維護(hù)人員，并提供準(zhǔn)確、可靠的過載保護(hù)定值整定方法。

2 熱繼電器過載保護(hù)分析

2.1 熱繼電器過載保護(hù)

熱繼電器是傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)器件，因其結(jié)構(gòu)簡單體積小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用，目前一般交流鼠籠電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)普遍采用熱繼電器。

熱繼電器的工作原理是其內(nèi)部設(shè)有熱元件和有著不同膨脹系數(shù)的雙金屬片，當(dāng)電流通過時(shí)產(chǎn)生熱量，金屬片發(fā)生形變，當(dāng)形變達(dá)到一定程度時(shí)，推動(dòng)連桿動(dòng)作，使控制回路斷開，從而使接觸器線圈失電，主電路跳開，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)功能，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)額定電流通過熱繼電器的旋鈕來調(diào)整保護(hù)定值。

2.2 熱繼電器過載保護(hù)存在的問題

使用熱繼電器作為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)的元件，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在以下的問題。

(1)熱繼電器設(shè)定值偏高。熱繼電器的保護(hù)動(dòng)作值是通過熱繼電器的保護(hù)值旋鈕完成整定。此旋鈕雖有刻度，但調(diào)整人員很難獲得精確整定值。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，維護(hù)人員一般會(huì)手動(dòng)將旋鈕旋到電動(dòng)機(jī)保護(hù)不動(dòng)作的位置上，這樣會(huì)造成保護(hù)值大部分會(huì)處于偏高狀態(tài)，達(dá)不到良好的保護(hù)效果，存在安全隱患。

(2)熱繼電器在起動(dòng)過程較長電機(jī)保護(hù)中存在的問題。熱繼電器用于起動(dòng)時(shí)間過長的電動(dòng)機(jī)保護(hù)時(shí)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間過長，超出熱繼電器的保護(hù)特性曲線，往往需增加旁路輔助電路，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程沒有熱繼電器保護(hù)。這樣做不僅增加了供電系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程得不到保護(hù)。

(3)熱繼電器在頻繁啟停的電動(dòng)機(jī)保護(hù)的問題。當(dāng)熱繼電器用于保護(hù)反復(fù)短時(shí)工作制的電動(dòng)機(jī)時(shí)，可能會(huì)超出熱繼電器的適應(yīng)范圍。因?yàn)轭l繁啟停電動(dòng)機(jī)可能會(huì)使熱繼電器中雙金屬片的溫升不能真實(shí)反映實(shí)際狀態(tài)，從而出現(xiàn)誤動(dòng)作。如果短時(shí)間內(nèi)操作次數(shù)很多，就要選用帶速飽和電流互感器的熱繼電器。對于正反轉(zhuǎn)和通斷頻繁的特殊工作制電動(dòng)機(jī)，不宜采用熱繼電器作為過載保護(hù)裝置，應(yīng)使用埋入電動(dòng)機(jī)繞組的溫度繼電器或熱敏電阻來保護(hù)。

這種針對不同情況的設(shè)計(jì)不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)也增加了維護(hù)工作的難度，增加了備件數(shù)量和種類。

(4)熱繼電器老化問題。通過對熱繼電器結(jié)構(gòu)的分析可知，熱繼電器工作主要依賴不同膨脹系統(tǒng)的雙金屬片，而這種構(gòu)造也決定了其易發(fā)生老化的性質(zhì)。一旦設(shè)備老化，會(huì)造成保護(hù)性能降低，引起誤動(dòng)作。

(5)熱繼電器規(guī)格復(fù)雜多樣問題。不同容量電動(dòng)機(jī)需要配備不同規(guī)格的熱繼電器，這就造成了備品備件的多樣性。

在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一種情況,當(dāng)某一熱繼電器需更換時(shí)，同規(guī)格型號的備件已經(jīng)沒有備貨，現(xiàn)場維護(hù)人員一般會(huì)使用一個(gè)保護(hù)值大于設(shè)計(jì)值的熱繼電器進(jìn)行更換。而下次更換時(shí)，可能因沒有詳細(xì)記錄而裝配更大的熱繼電器。長此以往，可能會(huì)造成熱繼電器保護(hù)定值越來越大，達(dá)不到保護(hù)效果。

3 基于PLC的一種電動(dòng)機(jī)新型過載保護(hù)系統(tǒng)

3.1 新型過載保護(hù)系統(tǒng)概述

目前多功能智能表越來越多被采用，用以監(jiān)測電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)電流，PLC與多功能智能表通訊獲得電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的電力數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，可利用PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。通過在PLC內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算獲得電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)曲線，同時(shí)在PLC內(nèi)部實(shí)時(shí)計(jì)算保護(hù)曲線與電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)電流之間偏差，通過現(xiàn)場總線將結(jié)果傳送給中控，生成曲線和圖表，從而獲得電動(dòng)機(jī)可視化過載保護(hù)。維護(hù)人員可在中控室直觀觀察電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)電流曲線，可人工設(shè)置保護(hù)曲線類型，對比曲線，使保護(hù)曲線更適合特定電機(jī)的運(yùn)行電流曲線。

3.2 新型過載保護(hù)系統(tǒng)的主要功能

3.2.1 電流數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測

利用智能表對電流數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，技術(shù)人員在中控室就可以監(jiān)控實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的變化。同時(shí)智能表可監(jiān)控多種其他電氣參數(shù)，可供其他保護(hù)或控制使用。

3.2.2 實(shí)時(shí)電流與保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對比

將生成的實(shí)時(shí)電流和實(shí)時(shí)保護(hù)電流值繪制電流曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表，數(shù)字化展示保護(hù)值與實(shí)際值的差值，可視化直觀展示過載保護(hù)情況。對比圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)電流與保護(hù)電流實(shí)時(shí)對比圖

3.2.3 可視化數(shù)字化調(diào)整保護(hù)數(shù)據(jù)

維護(hù)人員可通過對比圖調(diào)整曲線參數(shù)與保護(hù)參數(shù)，從而調(diào)整保護(hù)曲線的形式，使其更加貼合實(shí)際電流曲線。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示，圖2a為調(diào)整參數(shù)前，通過對比，很容易發(fā)現(xiàn)保護(hù)值遠(yuǎn)大于實(shí)際電流值，沒有起到保護(hù)的作用，通過調(diào)整曲線參數(shù)，得到效果良好的保護(hù)曲線，圖2b為參數(shù)調(diào)整后。

圖2 保護(hù)電流調(diào)整對比曲線圖

同時(shí)，也可以根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行調(diào)整，這樣的調(diào)整過程更加數(shù)字化。如表1所示，以調(diào)整保護(hù)參數(shù)為例，左邊為調(diào)整前，右邊為調(diào)整后。電機(jī)剛啟動(dòng)一刻定為0s，可通過圖表對比從啟動(dòng)時(shí)開始各時(shí)刻保護(hù)電流與實(shí)時(shí)電流之間的差值。調(diào)整前差值較大，保護(hù)不夠精確，調(diào)整后差值縮小到可以接受的范圍內(nèi)。

4 過載數(shù)字化保護(hù)采用的計(jì)算公式與保護(hù)方案

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在過載、繞組短路、過壓、低壓、過流等情況下都會(huì)導(dǎo)致通過繞組的電流增大，超過其額定電流，如果實(shí)際電流超出額定電流則繞組就會(huì)過熱，最終導(dǎo)致電機(jī)絕緣繞組損壞。

4.1 保護(hù)策略

按照相關(guān)規(guī)范，當(dāng)主回路中實(shí)際電流I為額定電流lp的12倍或以上時(shí)，即l≥12lp，應(yīng)迅速跳閘；當(dāng)主回路中實(shí)際電流I大于額定電流lp但小于額定電流的12倍，即lp

4.2 反時(shí)限過流保護(hù)算法

按IEC標(biāo)準(zhǔn)：反應(yīng)過熱狀況的保護(hù)一般采用超反時(shí)限特性：

式中：t——?jiǎng)幼鲿r(shí)間；

tp——反時(shí)限過流保護(hù)時(shí)間常數(shù)整定值；

I——當(dāng)前電流值；

lp——額定電流值。

4.3 程序?qū)崿F(xiàn)

參數(shù)：tp、lp、ls(設(shè)定的保護(hù)電流)、ts(啟動(dòng)時(shí)間)；輸入：I；輸出：t、m(動(dòng)作信號)。

電機(jī)啟動(dòng)后ts時(shí)間內(nèi)，當(dāng)I大于等于ls，即當(dāng)前電流大于等于啟動(dòng)保護(hù)電流時(shí)，向外輸出動(dòng)作信號。啟動(dòng)后，以lp為臨界點(diǎn)，當(dāng)l超過lp時(shí)，調(diào)用反時(shí)限過流保護(hù)算法，并從這一時(shí)刻開始計(jì)時(shí)tn，當(dāng)tn大于等于計(jì)算的保護(hù)時(shí)間t時(shí)，向外輸出動(dòng)作信號m。當(dāng)l超過lp后，未達(dá)到動(dòng)作時(shí)間前l(fā)降回lp以下，則計(jì)時(shí)tn清零。當(dāng)回路中實(shí)際電流I為額定電流lp的12倍或以上時(shí)，即l≥12lp，直接發(fā)出動(dòng)作信號。

5 新型過載保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

該基于PLC的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用在湖南某項(xiàng)目的振打錘系統(tǒng)中，振打錘系統(tǒng)共有振打電機(jī)34臺。振打電機(jī)具有工作電流小、過載后電流增量小的特點(diǎn)。振打電機(jī)的額定電流1.1A，當(dāng)對其增加60kg外力后，電流增量僅為0.15A。當(dāng)采用熱繼電器過載保護(hù)方式時(shí)，保護(hù)效果較差，一旦發(fā)生堵錘等過載故障時(shí)經(jīng)常燒毀振打電機(jī)。

針對該系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用基于PLC的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)方法， PLC與多功能智能表通訊獲得電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的電力數(shù)據(jù)，在PLC內(nèi)部采用計(jì)算獲得電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)曲線，同時(shí)在PLC內(nèi)部實(shí)時(shí)計(jì)算保護(hù)曲線與電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)電流之間偏差，通過現(xiàn)場總線將結(jié)果傳送給中控。維護(hù)人員在中控室對比曲線設(shè)定合適的保護(hù)曲線，系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)曲線自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于PLC的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以精確捕捉過載電流并實(shí)施保護(hù)，系統(tǒng)實(shí)施后，該項(xiàng)目中振打電機(jī)大幅減少了過載燒毀電機(jī)的事故，實(shí)現(xiàn)了可靠且可視的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)相比，第一，基于PLC的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)能提高保護(hù)的可靠性，保護(hù)值與實(shí)際電流值可視、精確掌握，實(shí)現(xiàn)可視化、數(shù)字化調(diào)整保護(hù)值。第二，可通過此舉措取代熱繼電器，減少硬件，通過軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，也省去了過載保護(hù)器件的維護(hù)工作。第三，提高了過載保護(hù)的靈活性，調(diào)整保護(hù)參數(shù)即能改變保護(hù)曲線以滿足各種類型電動(dòng)機(jī)(對啟動(dòng)時(shí)間較長或頻繁啟停的電機(jī)同樣適用)。

利用此方法類似可解決其他電動(dòng)機(jī)保護(hù)如，缺相保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)，本文只針對過載保護(hù)，實(shí)際上可以將其他保護(hù)同時(shí)融入系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)，并不增加硬件成本和運(yùn)行時(shí)間。

數(shù)字化是現(xiàn)代工業(yè)的基本趨勢，工業(yè)自動(dòng)化程度的提高也越來越需要過載保護(hù)繼電器具有較高的可靠性來保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此研究基于PLC的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)有著重要的意義。