CB1控制與保護(hù)開關(guān)電器及其新型應(yīng)用

管瑞良，顧怡文

(常熟開關(guān)制造有限公司，常熟 215500)

0 引言

電動(dòng)機(jī)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)也提出了新的要求。CPS即控制與保護(hù)開關(guān)電器，是集成了斷路器、接觸器、過(guò)載繼電器、隔離器等主要功能于一體化的多功能電器，是電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)的理想元件。常熟開關(guān)根據(jù)電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)內(nèi)同行中率先推出的新一代CPS產(chǎn)品CB1系列，創(chuàng)新采用新材料、新結(jié)構(gòu)以及智能化技術(shù)，全面集成短路保護(hù)(斷路器)、通斷控制(接觸器)、過(guò)載保護(hù)(電動(dòng)機(jī)保護(hù)器)及電路隔離(隔離器)等于一體，具有自配合、小型化、模塊化、智能化、高性能、長(zhǎng)壽命、低功耗等特征，為電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)提供了最新解決方案。

1 工作原理

以CB1-12為例，主要由控制器、電磁鐵、脫扣器、手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、觸頭滅弧系統(tǒng)、輔助觸頭及其他功能擴(kuò)展模塊構(gòu)成，連接在電源和負(fù)載之間，圖1所示為其原理框圖。控制器接收到起動(dòng)指令后控制電磁鐵吸合，電磁鐵帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)閉合，實(shí)現(xiàn)合閘控制?？刂破魍ㄟ^(guò)三相電流互感器檢測(cè)主回路電流，當(dāng)發(fā)生諸如短路、過(guò)載、斷相之類的電氣故障時(shí)，控制器可分別驅(qū)動(dòng)脫扣器和(或)電磁鐵動(dòng)作，通過(guò)操作機(jī)構(gòu)和(或)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用于觸頭系統(tǒng)，使觸頭系統(tǒng)分?jǐn)?，?shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能。

圖1 CB1-12原理框圖

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 一體化、自配合

CB1將斷路器、接觸器、過(guò)載繼電器、隔離器等元件功能高度集成，一方面將單一觸頭結(jié)構(gòu)的第二代CPS的電流規(guī)格拓展到63A，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外第二代CPS在這一電流段的空白。另一方面首次研發(fā)出將斷路器、接觸器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元集成式一體化并滿足GB/T 14048.9的組合式CPS產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品固有的自配合特性。與傳統(tǒng)分立元件構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)相比，用戶在選型時(shí)無(wú)需考慮各元器件之間的特性匹配問(wèn)題，僅需根據(jù)負(fù)載功率或額定工作電流以及系統(tǒng)短路指標(biāo)就可輕松型。CB1對(duì)短路分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)的過(guò)電流進(jìn)行最優(yōu)保護(hù)(如圖2所示)，使過(guò)載保護(hù)由接觸器功能(電磁鐵)動(dòng)作、短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)由斷路器功能(脫扣器)動(dòng)作，保證被保護(hù)對(duì)象及自身的可靠。過(guò)電流配合達(dá)到完全配合(優(yōu)于“2類”配合的性能)，在分?jǐn)喽搪饭收虾鬅o(wú)需維護(hù)即可連續(xù)運(yùn)行的能力，滿足連續(xù)作業(yè)的需求，解決了傳統(tǒng)方案的不足問(wèn)題。

圖2 過(guò)電流最優(yōu)保護(hù)

2.2 小型化、模塊化

CB1采用新的絕緣材料、觸頭材料、電磁系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行高度集成，確保了小型化的實(shí)現(xiàn)。CB1-12、32寬度僅為45mm，CB1-63寬度僅為54mm，為國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品最小，同等電流規(guī)格體積相比第一代產(chǎn)品縮小30%以上。另外CB1的部件及附件均采用模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品既生產(chǎn)方便、保證部件質(zhì)量，也便于通過(guò)加裝附件滿足不同用戶對(duì)不同功能的需求。CB1-12還可邊靠邊并列安裝如圖3所示，大大降低對(duì)安裝空間的要求，使得相同尺寸的開關(guān)柜或動(dòng)力箱可容納更多的CB1，有利于用戶使用成本的降低。

圖3 CB1-12邊靠邊并列示意

2.3 高分?jǐn)?、高限?/h3>

CB1系列產(chǎn)品采用限流型雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)、磁/氣吹滅弧系統(tǒng)、軟硬件結(jié)合的冗余快速短路檢測(cè)技術(shù)和快速脫扣裝置，實(shí)現(xiàn)高短路分?jǐn)嗄芰蜆O佳的限流性能，CB1-12～63短路分?jǐn)嗄芰_(dá)到50kA，CB1-125～160達(dá)到150kA，短路分?jǐn)鄷r(shí)間僅3ms左右，限流系數(shù)低至0.1，有效限制短路能量(I2t)，減小了短路電流對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)短路分?jǐn)鄷r(shí)峰值電流被抑制得很小，使上下級(jí)之間短路保護(hù)選擇性成為可能。

2.4 智能化、多功能

CB1智能型控制器功能豐富，設(shè)置靈活，滿足不同用戶的需求：(1)控制方式多樣，具有端子控制、手動(dòng)控制、鍵盤控制和遠(yuǎn)程控制四種方式。(2)保護(hù)齊全、可配置，具有短路保護(hù)、瞬時(shí)大電流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、斷相保護(hù)、不平衡保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、接地故障保護(hù)、工藝過(guò)流保護(hù)、起動(dòng)超時(shí)保護(hù)等。(3)具備測(cè)量功能，可對(duì)三相電流、接地電流等實(shí)時(shí)測(cè)量，三相電流精度達(dá)2%。(4)直觀可視，各種參數(shù)、狀態(tài)、電流、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(熱容百分比)等可實(shí)時(shí)顯示。(5)具備日志功能，能記錄最近10次的故障類型及故障發(fā)生時(shí)的電流。(6)自動(dòng)復(fù)位功能，當(dāng)發(fā)生除短路以外的故障時(shí)，經(jīng)60s后能自動(dòng)重合閘。(7)熱記憶功能，模擬電機(jī)發(fā)熱和散熱，可防止電機(jī)連續(xù)起動(dòng)而燒毀電機(jī)。(8)鍵盤鎖定功能，可防止無(wú)關(guān)人員的誤操作。(9)模擬量輸出功能，提供模擬電流輸出信號(hào)(4～20mA)接測(cè)量?jī)x表。(10)過(guò)載報(bào)警功能，提供過(guò)載預(yù)報(bào)警和報(bào)警輸出。(11)通信功能，基于Modbus-RTU協(xié)議的通信產(chǎn)品，通過(guò)各種協(xié)議轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)Profibus、DeviceNet、CAN及TCP協(xié)議的通信，便于組建智能配電控制網(wǎng)絡(luò)。

2.5 長(zhǎng)壽命、高可靠

CB1采用基于電流反饋的PWM恒流控制如圖4所示，無(wú)論是否存在電壓波動(dòng)都能確保線圈電流始終穩(wěn)定，并通過(guò)控制電流大小匹配吸力與反力間的平衡，使觸頭合閘時(shí)的速度處于合理區(qū)間，降低投入時(shí)的沖擊，保證合、分閘的可靠，大大提高CB1的使用壽命。另外針對(duì)工業(yè)環(huán)境及建筑領(lǐng)域的地下室等環(huán)境，增強(qiáng)電磁兼容性能和提高耐潮濕環(huán)境能力，保證產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中的可靠性。

圖4 控制特性

2.6 低功耗、低成本

CB1電磁鐵采用永磁輔助保持技術(shù)，直流電磁鐵加入永磁體并通過(guò)設(shè)置氣隙，實(shí)現(xiàn)在合閘位置由永磁體提供部分吸合能量輔助保持閉合，在分閘位置存在磁阻很小的輔助氣隙，只需要較小的線圈磁勢(shì)就能獲得較大的激磁磁通抵消永磁磁通使動(dòng)鐵心啟動(dòng)，從而減少線圈匝數(shù)并縮小整體尺寸，同時(shí)采用PWM控制，降低線圈工作電流，減少工作損耗，接近于接觸器能效“1級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)要求，由表1控制回路耗電對(duì)比，可知與第一代CPS產(chǎn)品相比其控制回路節(jié)能40%以上，節(jié)能效果顯著，使用成本更低。

控制回路耗電對(duì)比 表1

3 產(chǎn)品應(yīng)用

CB1系列產(chǎn)品具有12A、32A、63A、125A/160A四個(gè)殼架等級(jí)，滿足最大至75kW電機(jī)的直接控制與保護(hù)，具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。CB1具有電子型(E型)和智能型(Z型)兩種控制器，電子型主要適用于電機(jī)基本保護(hù)的場(chǎng)合，滿足用戶對(duì)經(jīng)濟(jì)性的需求；智能型適用于電機(jī)全面保護(hù)和基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制的場(chǎng)合，滿足用戶對(duì)高性能、多功能的需求。同時(shí)CB1還具有雙速控制、三速控制、星三角控制及可逆控制等派生型產(chǎn)品，用于滿足用戶對(duì)雙速電機(jī)、三速電機(jī)、需要星-三角降壓?jiǎn)?dòng)的三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及需要可逆運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的起/?？刂频囊?。

主要規(guī)格及參數(shù) 表2

圖5 CB1派生控制單元

3.1 常用風(fēng)機(jī)、水泵控制的典型應(yīng)用

CB1在建筑領(lǐng)域主要應(yīng)用于控制送/排風(fēng)風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、給/排水泵、消防泵等負(fù)載。CB1可滿足國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集16D303-2《常用風(fēng)機(jī)控制電路圖》和16D303-3《常用水泵控制電路》的設(shè)計(jì)要求。不僅可以實(shí)現(xiàn)直接啟動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙速、三速、星-三角及可逆等控制，原理簡(jiǎn)圖如圖5所示。采用CB1后不僅大大減少了線路中所需元件的品種數(shù)量，簡(jiǎn)化電氣設(shè)計(jì)線路，提高電氣成套裝置的可靠性、安全性，而且使得制作、調(diào)試及今后日常維護(hù)亦相應(yīng)趨于簡(jiǎn)單、容易。特別是采用CB1后，其適配的小巧靈活的箱體結(jié)構(gòu)一改過(guò)去“采用分立元件不得不裝入較大箱體”的局面，特別適合于“寸土寸金”的建筑電氣設(shè)計(jì)，尤其是其較薄的箱體深度可制作成嵌入型式在一般的土建墻內(nèi)暗敷。

3.2 智能化動(dòng)力控制柜的新型應(yīng)用

圖6 智能化動(dòng)力控制柜方案

在群控或馬達(dá)控制中心(MCC)中，可選擇具有Modbus通信接口的控制器，構(gòu)成基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能化可通信控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制負(fù)載啟/停，監(jiān)測(cè)負(fù)載運(yùn)行情況，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。常熟開關(guān)在發(fā)揮CB1優(yōu)勢(shì)的同時(shí)結(jié)合公司智能化產(chǎn)品推出新型智能化動(dòng)力控制柜應(yīng)用方案如圖6所示。采用通信型CB1和智能配電一體機(jī)CEPA3的集成方案。主要元器件為進(jìn)線開關(guān)、維納爾母線系統(tǒng)、轉(zhuǎn)接器、接線板、CB1、CEPA3和二次控制等。動(dòng)力柜左側(cè)為元件區(qū)、右側(cè)為電纜出線區(qū)，上部設(shè)置一個(gè)CM5塑殼斷路器作為總(倒)進(jìn)線開關(guān)，與CB1一起通過(guò)維納爾專用轉(zhuǎn)接器直接掛在60Classic經(jīng)典型維納爾母線系統(tǒng)上，母線系統(tǒng)共分四層，不同層之間通過(guò)接線板相互連接，以實(shí)現(xiàn)塑殼斷路器對(duì)其他三層母線系統(tǒng)的電能分配。每個(gè)CB1的出線通過(guò)下方線槽通往右側(cè)電纜出線區(qū)內(nèi)安裝的一次端子上供用戶現(xiàn)場(chǎng)電纜接入。面板上配裝儀表及CEPA3智能配電一體機(jī)。柜前操作，單面維護(hù)，可靠墻布置。該方案配置了帶有RS485通訊接口的I/O模塊，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與CEPA3智能配電一體機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)在CEPA3界面上操作，從而替代了繁瑣的按鈕、指示燈，使操作面板清晰、簡(jiǎn)單。CEPA3智能配電一體機(jī)能控制每個(gè)CB1的合、分并監(jiān)測(cè)各回路的狀態(tài)等。如CB1選用帶故障報(bào)警接點(diǎn)輸出功能后，通過(guò)I/O模塊上傳至CEPA3，可在一體機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

智能化動(dòng)力控制柜集成應(yīng)用具有以下特點(diǎn)。

(1)多回路、低成本：元件小型化、模塊化、集成化，可實(shí)現(xiàn)緊湊安裝，結(jié)合多層分層安裝，安裝數(shù)可達(dá)3倍于抽屜柜元件安裝數(shù)。同時(shí)占地減少3/4，安裝效率高，維護(hù)成本低，綜合性價(jià)比高。

(2)易安裝、高安全：CB1與母線轉(zhuǎn)接器組合后可掛接于維納爾母線系統(tǒng)，可替代部分抽屜柜的功能，安裝、維護(hù)、更換快捷，無(wú)需停電。元件區(qū)與出線區(qū)左右分區(qū)布置，便于元件安裝和用戶電纜接入。系統(tǒng)無(wú)裸露帶電體，移除CB1仍具有防觸摸保護(hù)功能，同時(shí)電連接和機(jī)械連接可靠，實(shí)現(xiàn)整體高安全。

(3)完美保護(hù)、智能控制：CB1既具有自配合特性和豐富保護(hù)功能，又可與斷路器組合應(yīng)用達(dá)到高于II類配合的要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完美保護(hù)。CEPA3智能配電一體機(jī)集監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)采集器和Modbus TCP網(wǎng)關(guān)為一體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警及通信等。

4 結(jié)束語(yǔ)