谷龍飛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

電動機過載保護是為了避免出現(xiàn)連續(xù)的使電機過熱而損壞的電流，并防止電動機發(fā)生過載故障的一種保護手段。按《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》要求，運行中容易過載的電動機及在起動或自起動條件困難而要求限制起動時間的電動機，應(yīng)裝設(shè)過載保護。不當?shù)倪^載保護可能會造成電氣設(shè)備損壞，甚至會引發(fā)火災(zāi)或威脅人身安全。

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

2 熱繼電器過載保護分析

2.1 熱繼電器過載保護

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

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，當電流通過時產(chǎn)生熱量，金屬片發(fā)生形變，當形變達到一定程度時，推動連桿動作，使控制回路斷開，從而使接觸器線圈失電，主電路跳開，實現(xiàn)電動機的過載保護功能，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)整保護定值。

2.2 熱繼電器過載保護存在的問題

使用熱繼電器作為電動機過載保護的元件，在實際應(yīng)用中會存在以下的問題。

(1)熱繼電器設(shè)定值偏高。熱繼電器的保護動作值是通過熱繼電器的保護值旋鈕完成整定。此旋鈕雖有刻度，但調(diào)整人員很難獲得精確整定值。所以在實際生產(chǎn)中，維護人員一般會手動將旋鈕旋到電動機保護不動作的位置上，這樣會造成保護值大部分會處于偏高狀態(tài)，達不到良好的保護效果，存在安全隱患。

(2)熱繼電器在起動過程較長電機保護中存在的問題。熱繼電器用于起動時間過長的電動機保護時，因為電動機起動時間過長，超出熱繼電器的保護特性曲線，往往需增加旁路輔助電路，使電動機起動過程沒有熱繼電器保護。這樣做不僅增加了供電系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且導(dǎo)致電動機起動過程得不到保護。

(3)熱繼電器在頻繁啟停的電動機保護的問題。當熱繼電器用于保護反復(fù)短時工作制的電動機時，可能會超出熱繼電器的適應(yīng)范圍。因為頻繁啟停電動機可能會使熱繼電器中雙金屬片的溫升不能真實反映實際狀態(tài)，從而出現(xiàn)誤動作。如果短時間內(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機，不宜采用熱繼電器作為過載保護裝置，應(yīng)使用埋入電動機繞組的溫度繼電器或熱敏電阻來保護。

這種針對不同情況的設(shè)計不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時也增加了維護工作的難度，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，會造成保護性能降低，引起誤動作。

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

在實際生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)一種情況,當某一熱繼電器需更換時，同規(guī)格型號的備件已經(jīng)沒有備貨，現(xiàn)場維護人員一般會使用一個保護值大于設(shè)計值的熱繼電器進行更換。而下次更換時，可能因沒有詳細記錄而裝配更大的熱繼電器。長此以往，可能會造成熱繼電器保護定值越來越大，達不到保護效果。

3 基于PLC的一種電動機新型過載保護系統(tǒng)

3.1 新型過載保護系統(tǒng)概述

目前多功能智能表越來越多被采用，用以監(jiān)測電動機實時電流，PLC與多功能智能表通訊獲得電動機實時的電力數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，可利用PLC實現(xiàn)電動機過載保護。通過在PLC內(nèi)部進行計算獲得電動機過載保護曲線，同時在PLC內(nèi)部實時計算保護曲線與電動機實時電流之間偏差，通過現(xiàn)場總線將結(jié)果傳送給中控，生成曲線和圖表，從而獲得電動機可視化過載保護。維護人員可在中控室直觀觀察電動機實時電流曲線，可人工設(shè)置保護曲線類型，對比曲線，使保護曲線更適合特定電機的運行電流曲線。

3.2 新型過載保護系統(tǒng)的主要功能

3.2.1 電流數(shù)據(jù)和保護數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測

利用智能表對電流數(shù)據(jù)和保護數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，技術(shù)人員在中控室就可以監(jiān)控實時電流數(shù)據(jù)和保護數(shù)據(jù)的變化。同時智能表可監(jiān)控多種其他電氣參數(shù)，可供其他保護或控制使用。

3.2.2 實時電流與保護數(shù)據(jù)的實時對比

將生成的實時電流和實時保護電流值繪制電流曲線和數(shù)據(jù)報表，數(shù)字化展示保護值與實際值的差值，可視化直觀展示過載保護情況。對比圖如圖1所示。

圖1 實時電流與保護電流實時對比圖

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

維護人員可通過對比圖調(diào)整曲線參數(shù)與保護參數(shù)，從而調(diào)整保護曲線的形式，使其更加貼合實際電流曲線。具體實現(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)保護值遠大于實際電流值，沒有起到保護的作用，通過調(diào)整曲線參數(shù)，得到效果良好的保護曲線，圖2b為參數(shù)調(diào)整后。

圖2 保護電流調(diào)整對比曲線圖

同時，也可以根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)報表進行調(diào)整，這樣的調(diào)整過程更加數(shù)字化。如表1所示，以調(diào)整保護參數(shù)為例，左邊為調(diào)整前，右邊為調(diào)整后。電機剛啟動一刻定為0s，可通過圖表對比從啟動時開始各時刻保護電流與實時電流之間的差值。調(diào)整前差值較大，保護不夠精確，調(diào)整后差值縮小到可以接受的范圍內(nèi)。

4 過載數(shù)字化保護采用的計算公式與保護方案

因為電動機在過載、繞組短路、過壓、低壓、過流等情況下都會導(dǎo)致通過繞組的電流增大，超過其額定電流，如果實際電流超出額定電流則繞組就會過熱，最終導(dǎo)致電機絕緣繞組損壞。

4.1 保護策略

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

4.2 反時限過流保護算法

按IEC標準：反應(yīng)過熱狀況的保護一般采用超反時限特性：

式中：t——動作時間；

tp——反時限過流保護時間常數(shù)整定值；

I——當前電流值；

lp——額定電流值。

4.3 程序?qū)崿F(xiàn)

參數(shù)：tp、lp、ls(設(shè)定的保護電流)、ts(啟動時間)；輸入：I；輸出：t、m(動作信號)。

電機啟動后ts時間內(nèi)，當I大于等于ls，即當前電流大于等于啟動保護電流時，向外輸出動作信號。啟動后，以lp為臨界點，當l超過lp時，調(diào)用反時限過流保護算法，并從這一時刻開始計時tn，當tn大于等于計算的保護時間t時，向外輸出動作信號m。當l超過lp后，未達到動作時間前l(fā)降回lp以下，則計時tn清零。當回路中實際電流I為額定電流lp的12倍或以上時，即l≥12lp，直接發(fā)出動作信號。

5 新型過載保護系統(tǒng)的應(yīng)用

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

針對該系統(tǒng)的特點，采用基于PLC的電動機過載保護方法， PLC與多功能智能表通訊獲得電動機實時的電力數(shù)據(jù)，在PLC內(nèi)部采用計算獲得電動機過載保護曲線，同時在PLC內(nèi)部實時計算保護曲線與電動機實時電流之間偏差，通過現(xiàn)場總線將結(jié)果傳送給中控。維護人員在中控室對比曲線設(shè)定合適的保護曲線，系統(tǒng)根據(jù)保護曲線自動實現(xiàn)對電動機的過載保護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于PLC的電動機過載保護系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以精確捕捉過載電流并實施保護，系統(tǒng)實施后，該項目中振打電機大幅減少了過載燒毀電機的事故，實現(xiàn)了可靠且可視的電動機過載保護。

6 結(jié)語

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

利用此方法類似可解決其他電動機保護如，缺相保護、低電壓保護、過電壓保護，本文只針對過載保護，實際上可以將其他保護同時融入系統(tǒng)中來實現(xiàn)，并不增加硬件成本和運行時間。

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