智能马达保护器在有色冶金行业中的应用研究（智能马达保护器在有色冶金行业中的应用）

摘要：本文简要介绍了热继电器、电子式电机保护器和智能电机保护器的优缺点，并讲解了如何正确选择智能电机保护器。重点对智能电机保护器的保护方式、端子控制方式、全保护方式进行比较。介绍了通信模式、半通信模式等几种常见的工作模式，并介绍了这四种模式适用的实际情况。最后，通过分析智能电机保护器在实际工程应用中的常见问题，给出了相应的解决方案和建议。

前言

由于低压电机是有色冶炼企业底层使用广泛的设备，其异常运行不仅影响冶炼厂的正常生产，还威胁着人类生命安全。因此，为电机设置适当、全面的保护至关重要。智能电机保护器集保护、遥测、通讯、遥控、显示等功能于一体。是目前最全面的电机保护装置。能够最大程度保证设备运行的安全可靠，从而实现智能化、高精度的保护。同时电机的状态也可以得到全面监控。

电机过载保护装置的研制

1.1 热继电器

热继电器是一种传统的电机保护装置，利用不同热膨胀系数的双金属片实现反时限保护。其特点是结构简单、价格低廉，但也存在稳定性差、重量差、保护功能单一等缺点。

1.2 电子式电机保护器

随着电子技术的不断发展，电子式电机保护器应运而生。从最初的模拟电路的固态继电器到后来的数字电路的智能继电器，特别是微处理器的发展，电机保护器实现了测量、保护和控制功能于一体。通过采集电流、电压、频率、热电阻信号，可实现短路、过载、堵转、超时启动、接地、缺相或不平衡保护等多种保护功能，并能满足多种启动控制方式。

1.3 智能电机保护器

随着微机通信技术和网络技术的发展，智能电机保护器增加了通信模块。通过双向通讯和组网技术，不仅可以采集数据、在线监控运行状态，还可以实现远程控制。特别是现场总线网络通讯的应用，简化了网络结构，大大减少了控制电缆的使用。

智能电机保护器组成及功能

2.1 智能电机保护器的组成

智能电机保护器由主模块和显示模块组成。主要模块包括电源模块、数字信号处理器、开关量输入输出模块、模拟量采集模块、通讯模块等；显示模块负责显示运行参数和设定保护设置。

如果主模块和显示模块集成为一体，则称为一体化智能电机保护器；如果是分开的，则称为分体式智能电机保护器。一些智能电机保护器的测量模块也独立于主体。

2.2 智能电机保护器的功能

智能电机保护器通过微处理器采集并处理电机电路的电流、电压信号，并根据远程控制指令或本地控制指令确定是否启动或停止电机。虽然不同品牌的产品名称和型号不同，但其核心功能基本相同，如下：

1）保护功能。包括过载、缺相、堵转、启动超时、单相接地、短路、外部故障、欠流、欠压、过压保护和温度保护等。

2）测量功能。可测量相电流、相电压、线电压、零序电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率和相角等。

3）测量功能。它可以测量有功和无功电量。

4）控制功能。具有多个数字量输出端口，可实现电机直接启动、双向启动、两速启动和星三角降压启动。

5）管理职能。包括电机累计运行时间记录、电机累计启动次数和启动时间记录、故障动作记录和电机启动报告。

6）信息收集功能。具有多个数字量输入接口和模拟量输入接口，可采集与电机相关的各种电气状态数字信号（断路器状态、接触器状态、控制命令）和电机绕组测温模拟信号。

7）通讯功能。可配备Modbus、Profibus-DP、DeviceNet和Ethnet-IP等多种通讯接口，可实现远程启停控制和状态量反馈。

合理选用智能电机保护器

智能电机保护器的选型应根据安装现场的自然环境、电磁环境以及测控保护和控制要求来确定。

1）安装地点的环境条件。主要指温度、腐蚀、振动、风沙、海拔、电磁污染等。与热继电器不同，智能电机保护器是电子元件，对环境要求相对严格，需要特别注意。

2）控制电压。根据系统的控制电压选择合适的智能电机保护器。有些厂家的电机保护器只提供24VDC电源输入接口。

3）测量、控制和保护要求。根据电机的类型、特性、功率和重要性选择要使用的测量和保护功能。

4）控制需求。根据工艺流程的操作要求确定控制要求，选择手动、自动、就地控制或远程控制等控制方式以及所需的控制功能和控制点数量，然后确定是否需要控制的数量和功能。输入、输出端子满足要求。

5）沟通需求。根据需要确定是否采用遥控、遥信的通信方式，并进一步确定采用哪种通信方式。

6）满足机柜的需要。根据机柜的不同，选择一体式或分体式智能电机保护器。一般情况下，固定柜选择一体式保护器，抽屉柜选择分体式保护器[4]。 7）特殊需要。是否需要输入输出端子可以自由定义。

智能电机保护器应用实例

在有色冶炼中，根据工艺要求和客户需求，智能电机保护器的主要应用模式包括保护模式、终端控制模式、全通讯模式和半通讯模式。

4.1 保护方式

在保护方式下，智能电机保护器只使用自身的保护和测量功能，不参与外部控制，相当于原来的热继电器的作用。具体接线如图1所示。

图1 保护方式接线图

该模式适合对原有系统进行改造升级，外部控制接线修改量很小。优点是最大限度地降低了智能电机保护器装置本身问题或通讯问题带来的风险；缺点是不能充分发挥智能电机保护器的功能，远程DCS控制电路仍采用硬线。一些保守的客户由于不信任通信的稳定性和可靠性，普遍采用这种模式。

4.2 端子控制方式

在端子控制方式下，智能电机保护器通过自身的开关量输入端子采集外部控制指令，进而控制其开关量输出电机的启动、停止、正转和反转。具体接线如图2所示。

图2 端子控制方式接线图

该模式下，智能电机保护器具有保护和控制两种功能。与上述保护方式相比，其优点是可以充分利用智能电机保护器的控制功能，但与上述保护方式一样，其远程DCS控制电路仍然是Hardwired。

4.3 全通讯模式

全通讯模式下，智能电机保护器仅在就地控制时起保护作用，不参与控制，相当于保护模式；远程DCS通过通讯线控制智能保护器输出电机启动、停止或正反转等指令。

这种模式的优点主要体现在两个方面：一是保证了本地控制的独立性，尽可能避免了通讯控制带来的风险，提高了安全系数；其次，大大减少了电缆的使用和布线工作量。

影响该模式推广的关键因素是客户对通信稳定性和可靠性的担忧。在实际应用中，一些项目出现了通讯不畅、经常掉线、易受干扰等问题。但这些基本上都是由于通信网络方案不合理、施工质量差、通信线路和产品质量存在问题等因素造成的。全通信模型本身已经非常成熟，不存在大的问题。已在国内外得到广泛应用。

4.4 半通讯模式

半通讯方式的特点是对电机的远程DCS启停控制仍然采用硬接线，仅通过通讯网络传输状态信号，故称为半通讯方式。

半通信模式介于保护模式和通信模式之间，是一种折衷的应用。其应用背景是：客户对智能电机保护器缺乏信心，担心通讯不可靠导致电机启动和停止失控，影响生产或引发安全事故。因此，遥控信号仍然通过硬线传输。不过，这种模式也为未来转变为全通信模式留下了接口，以方便未来的升级和改造。

以上仅以普通电机单相运行为例，列出了智能电机保护器常用的4种工作模式。每种模式都有其应用背景和实际需求。设计者需要根据实际工程和需求选择合适的工作模式。模型。

问题和建议

5.1 智能电机保护器的短路保护问题

智能电机保护器具有多种保护功能，短路保护就是其中之一。其主要保护逻辑是基于对采集的进线电流进行分析计算。当电流超过电机额定电流的5倍时，其短路保护插座发出断路器跳闸指令。该跳闸命令是通过断路器的并联线圈来实现的。这个逻辑本身没有问题。问题出在智能电机保护器和并联线圈的工作电源上。正常情况下，工作电源从电机主电路的某一相取电。当通讯控制方式接线图之外发生三相短路时，母线各相电压会下降，或者工作电源所在相出现单相故障。当对地短路时，该相电压也会下降。当电压低于智能电机保护器和分励脱扣器的正常工作电压时，智能电机保护器和分励线圈都无法正常动作，无法实现短路保护。事实上，电机主电路的断路器本身就具有良好的短路保护功能，因此智能电机保护器没有必要设置短路保护。

5.2 智能电机保护器测量精度低的问题

智能电机保护器基本上只配备一组三相CT，保护器的保护功能必须是第一位的。测量和计量功能只是附带的，因此所配置的CT首先必须满足保护功能的需要。用于保护功能的CT要求在较大的故障电流通过时铁心不能饱和，以便更好地反映一次电流值。因此，当正常电流通过时，智能电力保护器的测量精度较低。因此，智能电机保护器的测量数据不适合作为企业的生产成本数据。如果要收集能耗数据，则应设置单独的测量CT和仪表。

5.3 智能电机保护器与变频器配合使用易受电磁干扰的问题

当智能电机保护器与变频器安装在同一柜内并一起使用时，智能电机保护器可能会因变频器的电磁干扰而误动作。在某项目中，采用智能电机保护器作为变频器的旁路保护电器。正常情况下，变频器工作时，旁路没有电流流过。但现场发现，智能电机保护器不断发出漏电故障报警。理论上，智能电机保护器的抗电磁干扰能力符合国家标准的要求，这种情况不应该出现，但实际上这种情况经常出现。因此，建议智能电机保护器和变频器尽可能远离安装在单独的机柜中，以避免干扰。还有一种经常采用的接线方式，即将现场控制箱的按钮和远程启停信号直接连接到智能电机保护器的输入端子上。这种方法的优点是没有转接，布线也比较简单。但这种接线方式在工程中常常会造成控制信号的干扰问题。出现此问题的原因是控制信号电压不一致。端子的输入电压为24VDC，而输出端口到控制盒信号灯的电压为220VAC。如果设计者不注意这一点，将控制盒的所有信号都用一根控制线，就会出现高压与低压的干扰，导致控制异常。避免这个问题的方法也很简单，只需用不同的控制线将这两种不同电压的信号分开即可。

5.4 智能电机保护器安装在抽屉柜中时的通讯问题

目前，市场上智能电机保护器使用的通信协议或接口有很多种，但无论使用哪种协议或接口，当智能电机保护器安装在抽屉单元中时，都会遇到通信电缆连接问题。众所周知，抽屉单元是可拆卸的，甚至可拆卸更换。它通过初级插头和次级插脚连接到外部固定电源电缆和控制电缆。由于智能电机保护器安装在抽屉单元中，因此其与外部通信总线的连接成为问题。如果像其他控制信号一样采用副引脚方式，虽然可以解决连接问题，但由于副引脚裸露在外，没有屏蔽层，无法保证通信不间断。通信的可靠性是第一位的，因此大多采用将通信电缆直接从柜后打入抽屉单元，然后连接到智能电机保护器的方法。机柜后面留有通信电缆的余量。当抽屉单元在小范围内拉出时没有问题。然而，当抽屉单元完全从柜体中拉出时，需要先拔掉连接器。这种做法牺牲了抽屉单元的部分便利性。

ARD系列电机保护器产品选型介绍

ARD智能电机保护器适用于额定电压至660V的低压电机电路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能保证了电机的安全运行，并具有逻辑可编程功能，可满足多种控制方式。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、变压器组成，可适应各种机柜的安装。可选配不同的通讯模块，满足现场通讯需求。

6.1 功能特点

支持基波和全波功率参数测量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ）、电流及电流不平衡度、电流正序、负序、零序分量、电压、三相相电压相角、剩余电流。

保护功能有过载反时限、过载时限、接地、启动超时、漏电、欠载、断相、堵转、堵转、短路、过流、不平衡（电流、电压）、过功率、欠功率、过压、欠压、相序、温度、tE时间、外部故障、启动次数限制、运行时间报警、故障报警次数。

9路可编程DI输入，默认内置DC24V电源，也可选配外部有源湿接点。

5路可编程DO输出，满足直接启动、星三角启动、自耦变压器启动等多种启动方式。主站可通过通讯总线实现对电机的远程控制“启/停”。

可选防触电功能：支持触电立即重启和失压重启。

可选配MODBUS_RTU通讯和PROFIBUSDP通讯，最多支持2个通讯接口。

可选配DC4-20mA模拟量输出接口，可连接DCS系统，对现场设备进行监控。

具有故障记录、启动记录、停车记录、DI位移记录、重启记录等多种事件记录。

显示界面为LCD，支持中英文切换。

6.2 产品选型

结论

智能电机保护器取代传统热继电器已是大势所趋。利用智能电机保护器通过总线通信联网，实现工厂低压电机的遥测和远程控制，是智能配电和智能工厂的基本要求。为了让智能电机保护器得到更好的应用和推广，工程设计人员和设备制造商需要紧密合作，根据出现的问题提出更好的解决方案。

审稿人：李茜