浅谈智能低压电动机保护控制器的研发及其应用_电动机保护器_

浅谈智能低压电动机保护控制器的研发及其应用

2020/12/14 17:19:23

虞杨芳

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：低压电动机保护控制器是整套工业生产自动化电动机拖动系统中的重要的核心器件，可以实现工业自动化生产过程中电动机远程系统监控与控制的智能化管理，帮助用户及时了解电动机的运行状况，为电动机设备状态分析、负荷预测、电压合格率和配电规划等提供科学的依据。既可以实现工业自动化无人值班或少人值班的运行模式，又能够提高工业自动化变配电系统的供电安全性、先进性、可靠性和电能质量以及变配电电气火灾的预防，加强用电负荷控制和电能成本统计分析管理，具有良好的可靠性与实时性。做好低压电动机的保护与控制具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。

关键词:电动机保护器;低压电动机控制器 ;电动机拖动系统

0 引言

随着电力自动化技术的发展，近年来工业自动化生产过程中对低压配电系统的智能化应用越来越多，为保证供配电的安全性、可靠性、连续性，提高低压配电系统的工业自动化管理水平，在工业控制自动化系统中主要有MCC用电负荷和PC厂用电负荷线路，MCC电动机控制作为现代工业自动化企业能耗大的用电部分，MCC电动机控制如果出现问题将影响整个工业自动化控制效应，严重时将影响整个工业化生产停止运行，造成严重经济损失。由于工业生产自动化及各种自动控制，顺序控制设备的出现，要求低压电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等方式，电动机的运行要求越来越高，运行环境也越来越苛刻，同时由于电动机与配套机械在一起，当电动机发生故障时，经常波及生产系统，因此对电动机实行有效的保护是保证工业自动化生产的一项重要任务。

1产品应用

低压电动机保护控制器集成了电动机的多种起动控制方案，监视电动机起动、运行以及故障异常时电动机的电参数，利用微处理器的快速处理能力，结合具体的电动机额定参数和用户整定的时间以及限值参数对电动机是否异常和故障类别进行正确判断和区别处理，确保工业自动化生产过程中电动机的安全运行，并通过测量窗口显示、发光指示、信号输出和通信总线等多种形式及时告之用户，同时低压电动机保护控制器的使用简化了工业自动化生产过程中传统的电动机二次控制保护电路，提供了完善的电动机控制和保护措施，作为智能化终端可实现基于多种总线方式的通信组网，实现分散控制保护和集中管理。低压电动机保护控制器的应用缩短了工业自动化工程周期，很大程度提高了设计与工业自动化生产过程中生产效率，同时降低了用户现场调试和维护工作量。

2产品研究

低压电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设以及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电动机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，据不完全统计，全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万kW·h，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿kW，因维修所耗的电磁线约5 000万kg，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。

目前低压电动机保护控制器普遍是根据电流的大小来决定是否需要保护，这显然没有考虑到环境因素对电动机的影响。电动机是否需要保护其根本的判断依据应该是电动机绕组温度是否超过其绝缘等级，在相同电流的情况下，对于环境温度高的电动机其烧毁的可能性显然要大于环境温度低的电动机，这说明单纯通过电流的大小来判断电动机是否需要保护并不是十分科学的，不能达到对电动机在各种环境下的完全保护。

同所有的产品一样，低压电动机保护控制器经历了由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，通过研发设计一款对低压电动机运行、控制、管理于一体的智能型低压电动机保护控制器，将激发生产工业控制智能化领域的工业革命。

3 国内外相关技术与产品现状

3.1. 国外低压电动机保护器特点

目前国外低压电动机保护控制器在技术上处于较高水平，主要有以下几个特点：

1）电动机全电量监测，可编程逻辑IO，电动机故障数据曲线分析。

2）高速率、实时测量、总线化功能模块。

3）功能化、智能化、模块化、实施有效的电动机能效分析。

但是现在国外的低压电动机保护控制器产品功能技术并不规范，针对石化领域晃电（失压）再起功能，生产过程控制的群起群停以及电动机漏电预防等功能并不完善。

3.2. 国产低压电动机保护控制器状况

国产低压电动机保护控制器技术开发起步较晚，尤其是针对国内各应用领域对功能要求的差异，部分保护功能要求并不明确，导致缺少低压电动机保护控制器功能要求的统一标准，近几年注重吸收国际相关产品技术与管理经验，强化自主开发，取得了新的技术成果，电动机保护控制方式与产品功能正迈进一个新的技术阶段，但产品的结构单一，并未形成对电动机的智能化管理，导致无法实现对电动机的故障预警，智能化生产过程控制相关技术的应用，还不能满足未来工业自动化电动机智能管理的需求。

4 产品设计

在设计中，对低压电动机保护控制器装置需解决电动机的智能化保护与控制、生产工艺过程控制、电动机智能维护、电动机运行负荷分析、故障预警及分析等关键技术，在产品设计过程中进行以下内容进行研究。

4.1. 产品应用设计

低压电动机保护控制器适用于保护交流50 Hz，额定工作电压至660 V的各种额定电流的电动机。对电动机的短路、堵转、过载、欠载、断相/不平衡、接地/漏电、过/欠电压、TE时间及外部故障等引起的危害予以保护，并具有测量、操作控制、诊断维护、报警输出、模拟量输出及网络通信（遥测、遥信、遥控、遥调）等功能，满足不同现场的需要。产品应用设计图如图1所示。

图1 产品应用设计图

4.2. 产品硬件设计

低压电动机保护控制器采用独具匠心的软硬件设计：硬件采用高性能ADSP具有强大的实时信号处理能力，主频可达到400 MHz，同步采样模－数转换器，准确度高，响应快，同时采用大容量SDRAM储存器，记录故障发生时的电动机状态及数据，有效还原发生故障状态数据，其运行系统稳定性好又满足通信总线、系统管理和人机交互等软件比较复杂的功能。

（1）硬件结构图

低压电动机保护控制器内部原理框图如图2所示

图2 低压电动机保护控制器内部原理框图

（2）高标准的电磁兼容设计

产品一般安装于低压开关柜及现场操作柜内，应用环境相对恶劣，产品要满足小体积、

高抗干扰、－25～＋65 ℃及高海拔可连续运行等条件。

为达到上述要求，在整机设计时以国际和国内同类产品的高电磁兼容标准为目标，产品的硬件电源部分采用高频开关电源，使得装置更加节能，更能适应各种不同的电源电压环境，CPU及A－D采样的电压基准采用高稳定度且具有温度补偿的基准源，同时所有输入、输出信号均采用隔离器件，从交流输入、产品电源、开关量输入、开关量输出以及通信接口等各个环节考虑电磁兼容设计及线路板合理布局，并采取多项电磁兼容保护措施。

同时，产品在软件中采用了多种抗干扰和容错技术，如交流采样中的傅里叶快速滤波技术，开关量输入的延时复选滤波技术等以提高整机的抗干扰能力。

4.3. 产品软件设计

软件部分的设计主要采用嵌入式C语言，在Visual DSP＋＋5.0编译环境中进行，结构清晰，方便升级和移植。程序框架以主程序为核心，包括初始化程序、自检、主程序、定时中断程序和各个功能模块子程序，各个子程序的功能在主程序中得到实现。

（1）软件初始化和自检

初始化主要包括管脚配置初始化，A－D通道初始化，定时器频率设定以及系统参数初始化等。自检主要检查液晶背光显示是否正常，FLASH参数是否正确和装置与监控系统的通信是否正确连接。如果自检不通过，系统则处于静止等待状态，并将出错信息发给上位机和现场监控人员。自检通过则进入主程序。

（2）软件主程序设计

产品内部器件在进行软件系统初始化操作后执行主程序，正常运行时，主程序中完成采样、计算、控制、通信和保护动作等功能，如有自检故障发生将发出故障信号，并将故障信号传送管理单元。正常运行时还进行判断保护是否启动，保护启动则程序转到保护处理子程序中。在保护处理子程序，完成保护数据计算，保护判断，并根据判断结果执行相应的出口操作。没有故障时则返回主循环。

（3）交流输入信号方向自适应技术

当电动机保护器三相交流电流和电压输入接线端子出现任意相交流电流输入同名端接线反相或任意相电压、电流相序接线错误时，无须改变已有的外部接线，利用三相电流交流采样数据的矢量和3I0判断电流互感器的同名端是否接反，或采用同相接线的电流和电压的相位角判断电压与电流的相序是否正确，装置通过软件方法自动调整和自适应已有的接线方式，将错误相的电流采样点信号取反后作为交流采样值，保障其与正确接线时完全一致的交流采样测量数据。

4.4. 关键技术

（1）基于A－D转换和DSP数据处理技术的高准确度测量技术

通过这项技术智能型电动机保护控制器实现DSP数字处理高准确度测量技术提高采样速率，实现快速采样，多通道并行采样的6通道A－D转换，避免因不同采样造成计量误差，基于快速傅里叶变换（FFT算法）的高速DSP处理，解决了冲击电流对计量的影响，确保计量误差的准确性与抗干扰性。

（2）抗电磁干扰技术

采取电磁场内屏蔽、接地系统、干扰耦合等结构优化设计及采用控制晶振、DSP时钟频率技术，有效解决了EMC、EMI电磁环境干扰、辐射问题，通过第三方检测机构检测和工程现场实践验证，此产品在抗静电放电、雷击浪涌、电快速脉冲群和高频衰减振荡等方面性能可靠，大大提高了此产品的电磁抗干扰性能。

（3）电动机低频低压减载技术

在低压电动机保护控制中，由于电网负载无功不足而引起电压下降，频率降低，电网低频低压引起系统电压质量不合格，造成线路过负荷甚至电网系统瓦解。为了防止电压崩溃，根据电动机控制等级预设减载级别，实施切除一部分电网负荷使电网电压升高，这样可以保护电动机运行回路安全，可以使整个配电线路安全运行。

（4）电动机运行晃电（失电压）（分批）再起动技术

在电动机实际运行控制中，电动机运行后主回路电网电源造成失压或晃电，致使控制于电动机接触器失电，对电动机运行立即减速或停车，电网电压重新恢复后，低压电动机保护控制器检测到三相测量电压满足失电压（晃电）再起动的设置电压定值（设定范围10%～110%U e ）时，满足失压再起动条件，立即实施失压再起动控制输出信号，保证电动机实际运行的连续化。具体逻辑框图如图3所示。

图3 逻辑框图

I e —设定的电动机额定电流值

U ise —设定的电动机允许“再起”电压值

T3 —设定的允许再起动时间（设定范围0～20.0 s，步长0.1 s）

Time3 —设定的再起动立即再起或失压延时再起时间（设定范围0.1～25.0 s）

KM—接触器状态点（电动机运行时闭点）

（5）预设定电动机分批群起群停技术

在石化领域中，针对电动机工艺化控制，通过网络通信广播命令预设定电动机分批分段停车功能，进行远程批量控制电动机运行停车操作，实行对同一链路的电动机单一停车通信指令，在操作上造成不便，而通过采用预设停车广播命令功能码，利用网络通信控制系统对电动机保护控制器下发指定广播命令，根据负荷重要性及工艺控制要求对电动机保护器可设定几段停车命令，电动机保护器接收到已设定的广播命令自动停车控制输出，实现通过网络通信控制方式实行电动机分批分段群起群停车功能，通过这项技术提高企业生产工艺控制手段，改变企业生产控制复杂性。

5 产品关键技术的应用

供配电系统的故障是不可避免的，电动机的再起动技术是对供配电系统故障后的补救措施之一，目的是进一步提高供配电系统对电动机供电的可靠性，保证生产连续化，因此要求用于电动机再起动技术的元件及设备的可靠性非常高，否则电动机再起动技术就失去了应有的价值。交流电动机普遍采用交流接触器作为起动开关，其操作电源也取自供电电源，当外部供电电源因短路、雷击引起的晃电使电源瞬间消失时，交流接触器则由于失去操作电源而断开，即使外部电源瞬间又恢复供电，电动机仍需人工干预才能恢复运转。为应对这种供电电源瞬时故障的一种高度智能化的新型电动机失电压再起动装置，通过对供配电系统的实时监控，能快速判断是否符合再起动条件，采用先进的嵌入式技术设计，体积小、接线简单，可以根据需要设定不同的自起动时间，满足实际生产工序要求；采用性能优异的低功耗微型单片机结合独特的电源设计，当外部供电电源瞬时消失时，有后备电池立即供电，对于大量集中使用小容量低压电动机的石化行业采用这一技术可以解决晃电带来的生产实际问题，当电网电压超低和断电时间小于整定时间时，只要电网恢复正常，电动机将自行恢复原运转状态。

国内某石化企业使用低压电动机保护控制器主要应用于保护型控制以及失电压（晃电）再起动功能，由于电网电压波动或雷击造成电网电压瞬时失电压，直接影响整个工艺化连续生产控制，此项目应用低压电动机保护控制器产品数量达到500多台，作为石油化工的企业，生产连续性是企业的要点，在经历多次电网晃电故障中，低压电动机保护控制器在工艺自动化连续生产控制中发挥了重要作用，晃电时间达到了30 ms，实现生产过程中因电网电压晃电停机的电动机全部自动再起或分批集中再起，避免因电网故障引起工艺停产事故，减小人工干预次数，更好地提高生产效率，失电压（晃电）立即（分批）再起技术的应用达到了满意的效果。

6 安科瑞智能电动机保护器介绍

6.1产品介绍

智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

6.2技术参数

6.2.1数字式电动机保护器