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更新時間：2020-12-28
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霍麗麗
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介紹了應用電子技術研制出的電動機起動和保護用的控制電器，其中有軟起動器、電子式熱繼電器和控制與保護開關電器。分析了這些新型電器的原理和主要用途，并對各自的特點、技術性能和功能進行了比較研究。
關鍵詞：軟起動器；電子式熱繼電器；控制與保護
0 引言
三相異步電動機結構簡單、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生產和其他國民經濟部門，作為驅動各種機械的動力。隨著生產自動化、制造技術和工藝日新月異的發展，原有的電動機起動和保護的控制電器已難以滿足要求，為了適應發展，需要研制和生產出一些應用電子技術的新型產品，進而提高電動機的起動和保護水平。
1 軟起動器
三相異步電動機直接全壓起動時電流很大(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方法來減小起動電流，起動設備的起動參數一般無法調整，使其負載的適應性較差。電機軟起動的方式具備無沖擊電流、起動參數可調、軟起動、軟停止、智能制動，以及過載、峰值過流、欠電流、過電壓、欠電壓、斷相、短路、同步和相序保護、輕載節能等優點而逐漸被廣泛應用。各起動方式對電網的影響示意圖如圖1所示。
圖1不同起動方式對電網的影響
1.1 軟起動器原理
軟起動器是采用微處理器和晶閘管變流技術全數字控制的，實現在整個起動過程中無沖擊而平滑的起動電機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的各種參數，如限流值、起動時間等。使電機輸人電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，再賦予電機全電壓。一般采用晶閘管調壓起動方式，起動時具有良好的靜、動態性能，即使在低速情況下也能隨意調節電動機轉矩，能以恒轉矩起動電動機，起動電流可以限制在額定電流以下。智能軟起動時由于轉矩是按電壓比的二次方減小，因此起動轉矩很小。軟起動器有電流反饋，也可采用恒流起動，即在起動過程中保持起動電流不變，直到電動機接近同步轉速。
某三相電機函數關系曲線如圖2所示。
圖2 三相電機函數關系曲線
從圖2中可看到，在電機起動過程中，電機的功率因數角0變化非常大：電機由靜止狀態開始，隨著電機轉速的上升，0角逐漸減小，當電機轉速上升到額定轉速時，0角達到小值，如圖2中1段曲線所示；當電機處于輕載運行狀態下時，其轉速可以進一步提升，此時，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，且該續流角便于實際測量。考慮晶閘管調壓型軟起動控制器的一相電路，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為檢測過零后設定的觸發角，θ為功率因數角，φ為實際導通角。
所以：φ=π-α+θ，晶閘管的輸出電壓有效值為
在電機軟起動過程中，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知在起動過程中0又隨著電機的轉速不斷變化。
1.2 起動方式研究
軟起動一般有下面幾種起動方式：
(1)斜坡升壓軟起動。該起動方式簡單，不具備電流閉環控制，僅調整晶閘管導通角，使之與時間成一定函數關系增加。其缺點是：由于不限流，在電機起動過程中，有時要產生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網影響較大，實際很少應用。
(2)斜坡恒流軟起動。該起動方式在電動機起動的初始階段起動電流逐漸增加，當電流達到預先所設定的值后保持恒定，直至起動完畢。起動過程中，電流上升變化的速率可以根據電動機負載調整設定。電流上升速率大，則起動轉矩大，起動時間短。該起動方式是應用的起動方式，尤其適用于風機、泵類負載的起動。
(3)階躍起動。開機即以變大短時間使起動電流迅速達到設定值，即為階躍起動。通過調節起動電流設定值，可以達到快速起動效果。
(4)脈沖沖擊起動。在起動開始階段，讓晶閘管在短時間內，以較大電流導通一段時間后回落，再按原設定值線性上升，連人恒流起動。該起動方法，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場合。
(5)電壓雙斜坡起動。在起動過程中，電機的輸出力矩隨電壓增加，在起動時提供一個可調的初始起動電壓，當調到起動力矩大于負載靜摩擦力矩，使負載開始轉動。這時輸出電壓從開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，電機也基本達到額定轉速。軟起動器在起動過程中自動檢測達速電壓，當電機達到額定轉速時，使輸出電壓達到額定電壓。
(6)限流起動，就是電機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值的軟起動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，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。這種起動方式的優點是起動電流小，且可按需要調整。對電網影響小，其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間。
采用軟起動器，可以控制電動機電壓在起動過程中逐漸升高，從而控制起動電流，使電動機平穩起動，機械和電應力降至小。因此軟起動器在市場上得到廣泛應用，并且軟起動器所附帶的軟停車功能有效避免了水泵停止時所產生的“水錘效應”。
1.3 保護性能研究
大多數軟起動器在晶閘管兩側有旁路接觸器觸頭，當起動電壓達到額定值時，旁路接觸器閉合，取代了已完成任務的軟起動器，其優點如下。
(1)在電機運行時可以避免軟起動器產生的諧波。
(2)軟起動的晶閘管僅在起動停車時工作，可降低晶閘管的熱損耗，又可使軟起動器在投入下一次起動之前冷卻下來，延長了使用壽命。
(3)一旦軟起動器發生故障，可由旁路接觸器作為應急備用。
軟起動器可實現節能運行。在電動機運行期間，一旦負載減少或空載時，軟起動器可自動降低電動機端電壓，只給電動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。
軟起動器可通過內置的通信適配器與Modbus、Device—Net、ProfibusDP和Lonworks等現場總線相連接。
Y一△和自耦減壓起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點，即起動過程中出現二次沖擊電流。軟起動器*克服了這些缺點，滿足了傳動控制對自動化程度不斷提高的要求。
(1)無沖擊電流。軟起動器在起動電機時，通過逐漸晶閘管導通角，使電機起動電流從零線性上升至設定值。
(2)恒流起動。軟起動器可以引人電流閉環
控制，使電機在起動過程中保持恒流，確保電機平穩起動。
(3)可根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，自由的無級調整至起動電流。
軟起動器除了具有常見的過載、欠電流、欠電壓、過電壓、斷相和相序等保護外，還具有以下*的保護性能：
(1)起動超次數。在1～60min中，起動次數范圍為1—10次可調節。
(2)起動超時(堵轉保護)。1—30S可調，在規定時間內電動機尚未達到全速，起動器脫扣。
(3)電子式熔斷器。當起動電流為電動機滿載電流的850％時，或運行時為200％～850％電動機滿載電流時，使起動器在一個周波內脫扣。
(4)低轉速超時。低轉速運行超過30s，起動器脫扣。
(5)接線錯誤。電動機接線錯誤時，不能起動。
(6)晶閘管短路。內有金屬氧化壓敏電阻和電路，當一個及以上晶閘管短路時，電動機不能起動。
(7)散熱器過熱。散熱器溫升超過85~C，起動器脫扣。
(8)外部故障。當外部故障觸頭閉合2S，起動器脫扣。
(9)電動機絕緣水平下降。絕緣水平整定范圍為0．2～5MQ，可整定兩個數值，電動機絕緣水平下降至整定值，延時60S報警和起動器瞬時脫扣。
2 電子式熱繼電器
傳統的雙金屬片式熱繼電器因其簡單價廉而得到廣泛應用。但其保護動作，受環境溫度影響較大，容易因*運行的熱疲勞而偏離原有整定值，所以保護作用較差。
三相異步電動機燒壞以不平衡故障(包括斷相)率高，占整個電動機燒壞故障的70％以上。根據對稱分量法，當不平衡故障發生時，將使三相電流和三相電壓的大小、相位不再對稱，電流、電壓中會出現負序分量，不會出現零序分量。
三相異步電動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
電動機正序阻抗和負序阻抗與轉差率有關，忽略勵磁阻抗，正序阻抗為以下，負序阻抗為以下
三相異步電動機在正常運轉時存在兩個主要力矩：一個是使電動機轉動的電磁力矩，由電動機定子繞組中流過的電流發生；另一個是阻礙電動機轉動的阻力力矩，由電動機所帶的機械負荷產生。當三相電動機發生不平衡故障時，轉子上將作用兩個電磁力矩：一個是在正序電壓、正序電流作用下產生的正序電磁力矩，使電動機繼續轉動，另外一個是在負序電壓、負序電流作用下產生的負序電磁力矩，起制動作用。由于負序轉矩的存在，合成轉矩都會減小，從而使銅耗增加，將使電動機溫升加劇，嚴重時甚至燒毀電動機。因此根據三相異步電動機發熱物理過程的數學模型，獲得與實際溫升過程更為吻合的累加定子電流的過載反時限保護特性方程，實現電動機過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，建立各種故障相應的保護特性方程，以保證斷相時及時切斷電源。
電子式熱繼電器應用電子技術，除了與雙金屬片式熱繼電器相同的過載、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熱敏元件組成過熱保護。
(2)接地故障保護。
(3)有多種脫扣等級的保護曲線可供選擇，脫扣動作精度高。
(4)可調定時限保護。
(5)過電壓、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)可通過外接線實現遠動、自動復位。
(9)過載報警。
(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，其接線端可直接與交流接觸器插接，方便地組成電動機起動器。
3 控制與保護開關電器
控制與保護開關電器以模塊化單一結構形式，將斷路器、接觸器、過載繼電器、隔離開關等分離元器件的主要功能集成化，并能夠綜合各種信號，實現控制與保護特性在產品內部自配合。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、節能節材等優點。還具有連續工作性能，即在分斷短路電流后無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、多功能的開關電器。
控制與保護開關電器適用于現代化建筑中的泵、風機、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、紡織等領域的電動機控制和保護；適用于電動機控制尤其是智能化電控系統或高分斷能力的電動機控制、工廠或車間的單電機控制與保護，以及遠程控制照明系統等場合。
3.1 與分立電器構成的系統比較研究
控制與保護開關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。控制與保護開關電器采用模塊化的單一電器產品結構型式，具有控制與保護功能，能夠實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。以往在選擇電器時需考慮的因素很多，自電源進線端至負載端要選擇多種電器，而在選用控制與保護開關電器時，則只需根據負載功率或電流即可正確選擇單一類型的產品，這樣大大減輕了設計人員的工作量，而且還提高了對各類電動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。控制與保護開關電器在分斷短路電流后無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。控制與保護開關電器具有體積小、安裝面積少、節約能源、節約材料，設計、工藝、質量標準統一等優點。
3.2 與塑殼斷路器比較研究
控制與保護開關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時的分斷時間僅為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、熱沖擊，保護了系統中的其他電器設備。控制與保護開關電器飛弧距離僅為20～30mm，過載和瞬動整定電流均可調整，克服了塑殼斷路器的短路保護整定電流出廠后用戶無法調整的缺點，使其即使安裝在線路末端，短路電流較小時，同樣具有良好的短路保護功能。
3.3 與接觸器比較研究
控制與保護開關電器與接觸器相比具有壽命長、操作方便的特性，其機械壽命達500—1000萬次，電壽命AC一3達100～120萬次。采用了*的觸頭與電磁系統分離式設計，有效觸頭的二次彈跳，大幅度提高了產品的電壽命，而且特別適用于重載起動等嚴酷的場合。控制保護開關電器既可現場手動操作，又可實現遠距離遙控控制。
3.4 功能特點研究
應用微電子的控制與保護開關電器抗力強，實現控制與保護開關數字化、智能化、通信網絡化及現場總線連接監控等功能。其功能特點如下。
(1)具有遠距離自動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)具有協調配合的時間一電流保護特性(具有長延時、短路短延時、和瞬時三段保護特性)。
(4)具有斷相、過流、堵轉、短路、欠流、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、隔離、起動延時(避開起動大電流、它和過流動作時間分開)等諸多功能。
(5)監控器對各種運行、故障等狀態采用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，可對各種參數進行設定和查詢；由于采用存儲記憶技術，實現參數設定，斷電后設定參數仍保存下來，無須再設定。
(7)具有故障記憶功能，便于故障查詢、分析。
(8)具有與現場總線連接的通信接口，便于用戶實現智能化管理。有遙測、遙信、遙調、遙控(即“四遙”)功能，可與ModBus、Profibus、DeviceNet總線通信。
(9)用戶根據需要選配功能模塊或附件，即可實現對各類電動機負載和配電負載的控制與保護。控制與保護開關電器用在電動機線路可取代斷路器、接觸器、過載繼電器、隔離開關等電器元件，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關電器價格昂貴，且一旦損壞要整臺更換，代價很大。故產量和使用量都受到限制。
4安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型
4.1 產品簡介
ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能。可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業的配電領域。
4.2 產品選型
產品功能
說明：“√”表示具備“■”表示可選
5結語
電動機在運行中經常會由于使用不當而引發各種故障，據不*統計，國內每年燒毀電動機的數量在20萬臺以上，直接經濟損失約16億元，間接經濟損失高達百億元。隨著現代化電子技術的迅速發展，各種新型的電動機控制和保護器不斷涌現，均能夠根據負載電流判斷線路中的各種故障并及時進行保護，保證了電動機的可靠運行，提高了運行人員的工作效率，大限度地減少經濟損失。因此，應用智能型電動機起動和保護控制器替代傳統的接觸器、熔斷器、熱繼電器是發展趨勢。
【參考文獻】
[1]卓樂友．電力工程電氣設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2007.
[2]王偉.智能電動機控制器保護及其應用[J].上海電力學院學報,2011,27(3):219-223.
[3]張平澤.電動機起動和保護控制器的研究
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版
作者簡介：霍麗麗，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電動機保護器的設計與應用。
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