智能電動機控制器保護及其應用

王 偉

(華東電力設計院，上海 200063)

電動機是所有動力設備中使用最廣泛的設備之一，也是發電廠內構成各個工藝系統的重要組成部分.電動機的安全性、可靠性及自動化程度直接影響整個發電廠的安全穩定運行和自動化管理水平，而過載、斷相、三相不平衡等故障的經常發生極易損壞電動機.

傳統的電動機保護方案大都采用熱過載繼電器，但由于保護特性粗糙等多種原因，熱繼電器往往起不到必要的保護作用.

近年來，隨著現代化電子技術的迅速發展，各種類型的電動機控制器不斷涌現，憑借其完善的數字化測控保護功能已在發電廠中逐步得到推廣應用.

本文主要比較和分析了傳統的電動機保護裝置和智能型電動機控制器的技術特性，介紹了電動機控制器在國內百萬級機組電廠中典型的應用案例，指出了其在發電廠繼電保護和自動化控制領域的發展方向.

電動機控制器是電動機的智能化控制、測量和保護裝置，主要對電動機進行實時監測、控制與保護，并通過裝置的通信功能結合上位機監控系統對電動機進行集中管理，可以很好地實現電機設備的實時監控和保護功能，滿足發電廠系統運行的高安全性、高可靠性，以及自動化要求［1］.

1 智能電動機控制器與傳統電動機保護裝置的比較

1.1 電動機的控制方式

電動機控制器通過微處理器程序控制，實現各種電動機啟動和運行控制方式，并通過接觸器輔助接點狀態的反饋，對電動機運行狀態進行監測.電動機控制權限包括就地控制和遠方控制兩種，通過對控制權限的選擇可以規定電動機控制的優先級.各種方式的電動機啟動控制邏輯均可集成在該裝置中，運行人員只需在電動機控制器上進行軟件程序的預先選擇設定即可.電動機控制器可實現的電機控制啟動方式包括(含有必要的邏輯操作和閉鎖):

(1)直接啟動(可帶現場控制按鈕盒);

(2)正-反轉直接啟動(可帶現場控制按鈕盒或限位開關);

(3)Y/△啟動，雙速控制啟動(單繞組、雙繞組);

(4)自耦變壓器降壓啟動;軟啟動器控制啟動等.

某百萬級機組工程中采用的西門子Simocode Pro V系列電動機控制器控制原理見圖1.

圖1 西門子Simocode Pro V系列電動機控制器控制原理

由圖1可知，電動機控制器大大簡化了傳統硬接線控制回路，取消了電流互感器、變送器、轉換開關、中間繼電器、時間繼電器，以及狀態指示燈等傳統控制元件，用軟件取代了硬件對電機的控制，降低了控制回路的故障發生率，同時也便于工作人員對設備進行調試、運行和維護.

1.2 電動機的保護方式

電動機的保護方式主要包括相間短路保護、單相接地短路保護、單相接地保護、過負荷保護、低電壓保護等［2］.

熔斷器、接觸器與熱繼電器組合是普遍的電動機保護方案，熱繼電器是我國20世紀50年代初從前蘇聯引進的產品，因其具有反時限特性，以及結構簡單、使用方便、價格便宜等優點，一直延用至今.

但熱繼電器存在整定粗糙、受環境影響大、重復性差、誤差大及功能單一等缺點，且啟動過程中不能對故障進行有效保護，在發生堵轉、長期輕微過載等使電動機繞組產生熱積累時，由于熱繼電器串接在主電路中，無法直接檢測電動機繞組的溫度，無法保護電動機，加上構成系統時必需附帶其他多種控制產品，造成系統運行可靠性較低.

因此，基于熱繼電器的電動機保護方案已無法滿足越來越高的實際應用要求.

隨著電子技術的發展，電動機控制器從功能上替代了傳統熱過載繼電器的保護功能，它利用微電子技術、通信與控制技術，增加不同的通信接口與現場總線連接，可以實現遠程編程和參數設定，使之成為可通信的新型電器產品，集保護、遙測、通信、遙控、顯示于一體，可分別用于計算機控制網絡或分布式現場總線系統，成為保護及在線監測和管理系統的主要組成部分.

智能型控制器一般都可存儲多套保護定值，允許在現場進行保護定值修改，方便快捷.各種電動機保護功能均固化在裝置內部，可根據實際需要進行配置.

表1 國內外常用控制器的保護性能

表1列舉了國內外常用控制器的保護性能.

1.3 信息監測與傳輸方式

與傳統的熱磁型電動機保護裝置相比，電動機控制器提供了豐富的電動機運行監控功能，它集成了傳統的電壓表和電流表等測量儀表，以及變送器、故障信號擴展繼電器、監視繼電器等輔助繼電器的功能，監控數據可經現場總線上傳至上位機監控系統集中管理.同時，也可通過安裝在開關柜面板上的LCD操作面板直接顯示.主要監視信號如下:

(1)運行參數 三相電流、三相電壓、頻率、功率因數、有功功率等;

(2)狀態參數 運行、停機、故障報警、故障脫扣信號、接觸器操作次數、電動機運行時間、事件記錄、信息維護等.

目前，大多數的電動機控制器配置通用RS485通訊接口，并可支持多種通訊方式，如modbusRTU，ProfibusDP，DeviceNet，CAN，LONWORKS等，組成單網或冗余雙網.網絡拓撲為總線結構，可通過中繼器擴展.

電動機控制器可以將電動機的實時監測數據上傳至上層監控系統，同時接收監控系統各種控制指令，運行人員也可通過應用層軟件對系統內的設備進行統一管理，實現完全的遠程實時監控功能.

因此，應用電動機控制器能在很大程度上為運行維護人員提供更豐富、更準確的信息.

此外，電動機控制器集成了電動機的所有保護和控制功能，即使總線或自動化系統發生故障，也可以保證單個回路仍具有完全獨立性，以及所具有的各種功能［3］.

表2為國內外常用控制器的監測與通訊功能.

表2 國內外常用控制器的監測與通訊功能

2 智能電動機控制器應用實例

某百萬級機組工程采用了西門子電動機控制器Simocode Pro V系列產品，用于對低壓電動機的控制保護.Simocode Pro是智能電機管理控制系統，其中央處理單元為微處理器，所有的控制和保護功能都由微處理器執行，包括連鎖功能、運行計算、診斷和統計數據，以及自動控制級與電機回路之間高性能的通訊(Profibus-DP)等.某百萬級機組工程中低壓電動機控制單線見圖2.

由圖2可知，與傳統的電機控制回路相比，Simocode Pro大大簡化了電機的控制回路，減少了接線，從而減少了故障點.單獨的Simocode Pro系統可以實現控制和監視功能及信號處理，不需要增加過載繼電器、熱敏電阻計算電路、電流互感器，以及模數轉換等，這些功能的實現完全不需要控制電路接線.啟停開關可直接接到基本單元的輸入端，接觸器線圈通過基本單元的輸出控制，不需要互鎖的輔助觸點.

在本工程中，Simocode Pro的主要應用保護功能如下:

(1)過載保護 通過電流測量模塊監測電機電流，通過過熱保護采集電機溫度作為過載的保護機制;

(2)相不平衡保護 對相不平衡的程度進行監視并傳輸到控制系統，在超過一個可調節值時，可以觸發一個可定義和可延遲的響應;

(3)過熱保護 通過基于開關量的PTC熱敏電阻，對電機內的溫度直接進行測量;

(4)堵轉保護 當電流超過一個可調堵轉限值后，可在Simocode Pro中設定一個可定義和可延遲的響應.

在本工程中，Simocode Pro的主要監測功能包括:內部接地故障監視;外部接地故障監視;電流限值監視;電壓監視;有功功率監視;功率因數監視;相序識別.

Simocode Pro具有集成的Simocode DP接口、波特率自適應功能，采用標準SUB-D接口時最高可支持12 MBit/s，采用的接線端子最高可支持1.5 MBit/s［4］.

3 結語

目前，電動機控制器已發展到了微電子時代，從最新技術發展和已經進入市場的最新產品來看，在智能型控制器基礎上進一步增加可編程的模式控制功能是其主要發展趨勢.智能電動機控制器的應用保證了電動機的可靠運行，提高了運行人員的工作效率.我們相信，隨著科學技術的迅速發展，智能電動機控制器會在發電廠中得到更為廣泛的應用.

［1］張葆豫.電動機最新保護技術［M］.鄭州:河南科學技術出版社，1998:121-123.

［2］卓樂友.電力工程電氣設計手冊:電氣二次部分［S］.北京:中國電力出版社，2009:623-648.

［3］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，1992:66-101.

［4］西門子公司.Simocode pro系統電動機保護和控制設備［EB/OL］［2008 － 03 － 23］.http://www.industry.siemens.com.cn/topics/cn/zh/service-suport/pages/Default.aspx.