淺談智能低壓電動機保護控制器的研發及其應用
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辜秀娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：低壓電動機保護控制器是整套工業生產自動化電動機拖動系統中的重要的核心器件，可以實現工業自動化生產過程中電動機遠程系統監控與控制的智能化管理，幫助用戶及
時了解電動機的運行狀況，為電動機設備狀態分析、負荷預測、電壓合格率和配電規劃等提供科學的依據。既可以實現工業自動化無人值班或少人值班的運行模式，又能夠提高工業自動化變配電系統的供電安全性、可靠性和電能質量以及變配電電氣火災的預防，加強用電負荷控制和電能成本統計分析管理，具有良好的可靠性與實時性。做好低壓電動機的保護與控制具有節能顯著、提高生產效率和經濟效益及保證安全生產的重要意義。
關鍵詞:電動機保護器;低壓電動機控制器 ;電動機拖動系統
0 引言
隨著電力自動化技術的發展，近年來工業自動化生產過程中對低壓配電系統的智能化應用越來越多，為保證供配電的安全性、可靠性、連續性，提高低壓配電系統的工業自動化管理水平，在工業控制自動化系統中主要有MCC用電負荷和PC廠用電負荷線路，MCC電動機控制作為現代工業自動化企業能耗大的用電部分，MCC電動機控制如果出現問題將影響整個工業自動化控制效應，嚴重時將影響整個工業化生產停止運行，造成嚴重經濟損失。由于工業生產自動化及各種自動控制，順序控制設備的出現，要求低壓電動機經常運行在頻繁的起動、制動、正反轉、間歇以及變負荷等方式，電動機的運行要求越來越高，運行環境也越來越苛刻，同時由于電動機與配套機械在一起，當電動機發生故障時，經常波及生產系統，因此對電動機實行有效的保護是保證工業自動化生產的一項重要任務。
1產品應用
低壓電動機保護控制器集成了電動機的多種起動控制方案，監視電動機起動、運行以及故障異常時電動機的電參數，利用微處理器的快速處理能力，結合具體的電動機額定參數和用戶整定的時間以及限值參數對電動機是否異常和故障類別進行正確判斷和區別處理，確保工業自動化生產過程中電動機的安全運行，并通過測量窗口顯示、發光指示、信號輸出和通信總線等多種形式及時告之用戶，同時低壓電動機保護控制器的使用簡化了工業自動化生產過程中傳統的電動機二次控制保護電路，提供了完善的電動機控制和保護措施，作為智能化終端可實現基于多種總線方式的通信組網，實現分散控制保護和集中管理。低壓電動機保護控制器的應用縮短了工業自動化工程周期，很大程度提高了設計與工業自動化生產過程中生產效率，同時降低了用戶現場調試和維護工作量。
2產品研究
低壓電動機作為拖動系統中的重要組成部分在國民經濟中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業，是工業、農業和國防建設以及人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要，而在使用中造成電動機燒毀甚至引發重大安全事故的事件屢見不鮮，據不完全統計，全國每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數千萬kW·h，電動機燒毀的數量達20萬臺次以上，容量約0.4億kW，因維修所耗的電磁線約5 000萬kg，修理費達20億元，而因停工停產所造成的損失是一個無法估量的巨大數目。因此做好電動機的保護具有節能顯著、提高生產效率和經濟效益及保證安全生產的重要意義。
目前低壓電動機保護控制器普遍是根據電流的大小來決定是否需要保護，這顯然沒有考慮到環境因素對電動機的影響。電動機是否需要保護其根本的判斷依據應該是電動機繞組溫度是否超過其絕緣等級，在相同電流的情況下，對于環境溫度高的電動機其燒毀的可能性顯然要大于環境溫度低的電動機，這說明單純通過電流的大小來判斷電動機是否需要保護并不是十分科學的，不能達到對電動機在各種環境下的完全保護。
同所有的產品一樣，低壓電動機保護控制器經歷了由簡單到復雜逐漸科學完善的發展過程，通過研發設計一款對低壓電動機運行、控制、管理于一體的智能型低壓電動機保護控制器，將激發生產工業控制智能化領域的工業革命。
3 國內外相關技術與產品現狀
3.1. 國外低壓電動機保護器特點
目前國外低壓電動機保護控制器在技術上處于較高水平，主要有以下幾個特點：
1）電動機全電量監測，可編程邏輯IO，電動機故障數據曲線分析。
2）高速率、實時測量、總線化功能模塊。
3）功能化、智能化、模塊化、實施有效的電動機能效分析。
但是現在國外的低壓電動機保護控制器產品功能技術并不規范，針對石化領域晃電（失壓）再起功能，生產過程控制的群起群停以及電動機漏電預防等功能并不完善。
3.2. 國產低壓電動機保護控制器狀況
國產低壓電動機保護控制器技術開發起步較晚，尤其是針對國內各應用領域對功能要求的差異，部分保護功能要求并不明確，導致缺少低壓電動機保護控制器功能要求的統一標準，近幾年注重吸收相關產品技術與管理經驗，強化自主開發，取得了新的技術成果，電動機保護控制方式與產品功能正邁進一個新的技術階段，但產品的結構單一，并未形成對電動機的智能化管理，導致無法實現對電動機的故障預警，智能化生產過程控制相關技術的應用，還不能滿足未來工業自動化電動機智能管理的需求。
4 產品設計
在設計中，對低壓電動機保護控制器裝置需解決電動機的智能化保護與控制、生產工藝過程控制、電動機智能維護、電動機運行負荷分析、故障預警及分析等關鍵技術，在產品設計過程中進行以下內容進行研究。
4.1. 產品應用設計
低壓電動機保護控制器適用于保護交流50 Hz，額定工作電壓至660 V的各種額定電流的電動機。對電動機的短路、堵轉、過載、欠載、斷相/不平衡、接地/漏電、過/欠電壓、TE時間及外部故障等引起的危害予以保護，并具有測量、操作控制、診斷維護、報警輸出、模擬量輸出及網絡通信（遙測、遙信、遙控、遙調）等功能，滿足不同現場的需要。產品應用設計圖如圖1所示。
圖1 產品應用設計圖
4.2. 產品硬件設計
低壓電動機保護控制器采用獨具匠心的軟硬件設計：硬件采用高性能ADSP具有強大的實時信號處理能力，主頻可達到400 MHz，同步采樣模－數轉換器，準確度高，響應快，同時采用大容量SDRAM儲存器，記錄故障發生時的電動機狀態及數據，有效還原發生故障狀態數據，其運行系統穩定性好又滿足通信總線、系統管理和人機交互等軟件比較復雜的功能。
（1）硬件結構圖
低壓電動機保護控制器內部原理框圖如圖2所示
圖2 低壓電動機保護控制器內部原理框圖
（2）高標準的電磁兼容設計
產品一般安裝于低壓開關柜及現場操作柜內，應用環境相對惡劣，產品要滿足小體積、
高抗干擾、－25～＋65 ℃及高海拔可連續運行等條件。
為達到上述要求，在整機設計時以和國內同類產品的高電磁兼容標準為目標，產品的硬件電源部分采用高頻開關電源，使得裝置加節能，能適應各種不同的電源電壓環境，CPU及A－D采樣的電壓基準采用高穩定度且具有溫度補償的基準源，同時所有輸入、輸出信號均采用隔離器件，從交流輸入、產品電源、開關量輸入、開關量輸出以及通信接口等各個環節考慮電磁兼容設計及線路板合理布局，并采取多項電磁兼容保護措施。
同時，產品在軟件中采用了多種抗干擾和容錯技術，如交流采樣中的傅里葉快速濾波技術，開關量輸入的延時復選濾波技術等以提高整機的抗干擾能力。
4.3. 產品軟件設計
軟件部分的設計主要采用嵌入式C語言，在Visual DSP＋＋5.0編譯環境中進行，結構清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序為核心，包括初始化程序、自檢、主程序、定時中斷程序和各個功能模塊子程序，各個子程序的功能在主程序中得到實現。
（1）軟件初始化和自檢
初始化主要包括管腳配置初始化，A－D通道初始化，定時器頻率設定以及系統參數初始化等。自檢主要檢查液晶背光顯示是否正常，FLASH參數是否正確和裝置與監控系統的通信是否正確連接。如果自檢不通過，系統則處于靜止等待狀態，并將出錯信息發給上位機和現場監控人員。自檢通過則進入主程序。
（2）軟件主程序設計
產品內部器件在進行軟件系統初始化操作后執行主程序，正常運行時，主程序中完成采樣、計算、控制、通信和保護動作等功能，如有自檢故障發生將發出故障信號，并將故障信號傳送管理單元。正常運行時還進行判斷保護是否啟動，保護啟動則程序轉到保護處理子程序中。在保護處理子程序，完成保護數據計算，保護判斷，并根據判斷結果執行相應的出口操作。沒有故障時則返回主循環。
（3）交流輸入信號方向自適應技術
當電動機保護器三相交流電流和電壓輸入接線端子出現任意相交流電流輸入同名端接線反相或任意相電壓、電流相序接線錯誤時，無須改變已有的外部接線，利用三相電流交流采樣數據的矢量和3I0判斷電流互感器的同名端是否接反，或采用同相接線的電流和電壓的相位角判斷電壓與電流的相序是否正確，裝置通過軟件方法自動調整和自適應已有的接線方式，將錯誤相的電流采樣點信號取反后作為交流采樣值，保障其與正確接線時完全一致的交流采樣測量數據。
4.4. 關鍵技術
（1）基于A－D轉換和DSP數據處理技術的高準確度測量技術
通過這項技術智能型電動機保護控制器實現DSP數字處理高準確度測量技術提高采樣速率，實現快速采樣，多通道并行采樣的6通道A－D轉換，避免因不同采樣造成計量誤差，基于快速傅里葉變換（FFT算法）的高速DSP處理，解決了沖擊電流對計量的影響，確保計量誤差的準確性與抗干擾性。
（2）抗電磁干擾技術
采取電磁場內屏蔽、接地系統、干擾耦合等結構優化設計及采用控制晶振、DSP時鐘頻率技術，有效解決了EMC、EMI電磁環境干擾、輻射問題，通過第三方檢測機構檢測和工程現場實踐驗證，此產品在抗靜電放電、雷擊浪涌、電快速脈沖群和高頻衰減振蕩等方面性能可靠，大大提高了此產品的電磁抗干擾性能。
（3）電動機低頻低壓減載技術
在低壓電動機保護控制中，由于電網負載無功不足而引起電壓下降，頻率降低，電網低頻低壓引起系統電壓質量不合格，造成線路過負荷甚至電網系統瓦解。為了防止電壓崩潰，根據電動機控制等級預設減載級別，實施切除一部分電網負荷使電網電壓升高，這樣可以保護電動機運行回路安全，可以使整個配電線路安全運行。
（4）電動機運行晃電（失電壓）（分批）再起動技術
在電動機實際運行控制中，電動機運行后主回路電網電源造成失壓或晃電，致使控制于電動機接觸器失電，對電動機運行立即減速或停車，電網電壓重新恢復后，低壓電動機保護控制器檢測到三相測量電壓滿足失電壓（晃電）再起動的設置電壓定值（設定范圍10%～110%U e ）時，滿足失壓再起動條件，立即實施失壓再起動控制輸出信號，保證電動機實際運行的連續化。具體邏輯框圖如圖3所示。
圖3 邏輯框圖
I e —設定的電動機額定電流值
U ise —設定的電動機允許“再起”電壓值
T3 —設定的允許再起動時間（設定范圍0～20.0 s，步長0.1 s）
Time3 —設定的再起動立即再起或失壓延時再起時間（設定范圍0.1～25.0 s）
KM—接觸器狀態點（電動機運行時閉點）
（5）預設定電動機分批群起群停技術
在石化領域中，針對電動機工藝化控制，通過網絡通信廣播命令預設定電動機分批分段停車功能，進行遠程批量控制電動機運行停車操作，實行對同一鏈路的電動機單一停車通信指令，在操作上造成不便，而通過采用預設停車廣播命令功能碼，利用網絡通信控制系統對電動機保護控制器下發廣播命令，根據負荷重要性及工藝控制要求對電動機保護器可設定幾段停車命令，電動機保護器接收到已設定的廣播命令自動停車控制輸出，實現通過網絡通信控制方式實行電動機分批分段群起群停車功能，通過這項技術提高企業生產工藝控制手段，改變企業生產控制復雜性。
5 產品關鍵技術的應用
供配電系統的故障是不可避免的，電動機的再起動技術是對供配電系統故障后的補救措施之一，目的是進一步提高供配電系統對電動機供電的可靠性，保證生產連續化，因此要求用于電動機再起動技術的元件及設備的可靠性非常高，否則電動機再起動技術就失去了應有的價值。交流電動機普遍采用交流接觸器作為起動開關，其操作電源也取自供電電源，當外部供電電源因短路、雷擊引起的晃電使電源瞬間消失時，交流接觸器則由于失去操作電源而斷開，即使外部電源瞬間又恢復供電，電動機仍需人工干預才能恢復運轉。為應對這種供電電源瞬時故障的一種高度智能化的新型電動機失電壓再起動裝置，通過對供配電系統的實時監控，能快速判斷是否符合再起動條件，采用的嵌入式技術設計，體積小、接線簡單，可以根據需要設定不同的自起動時間，滿足實際生產工序要求；采用性能優異的低功耗微型單片機結合獨特的電源設計，當外部供電電源瞬時消失時，有后備電池立即供電，對于大量集中使用小容量低壓電動機的石化行業采用這一技術可以解決晃電帶來的生產實際問題，當電網電壓超低和斷電時間小于整定時間時，只要電網恢復正常，電動機將自行恢復原運轉狀態。
國內某石化企業使用低壓電動機保護控制器主要應用于保護型控制以及失電壓（晃電）再起動功能，由于電網電壓波動或雷擊造成電網電壓瞬時失電壓，直接影響整個工藝化連續生產控制，此項目應用低壓電動機保護控制器產品數量達到500多臺，作為石油化工的企業，生產連續性是企業的要點，在經歷多次電網晃電故障中，低壓電動機保護控制器在工藝自動化連續生產控制中發揮了重要作用，晃電時間達到了30 ms，實現生產過程中因電網電壓晃電停機的電動機全部自動再起或分批集中再起，避免因電網故障引起工藝停產事故，減小人工干預次數，好地提高生產效率，失電壓（晃電）立即（分批）再起技術的應用達到了滿意的效果。
6 安科瑞智能電動機保護器介紹
6.1產品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
6.2技術參數
6.2.1數字式電動機保護器
6.2.2模塊式電動機保護器
6.3 產品選型
說明：“√”表示具備，“■”表示可選。
7結語
低壓電動機保護控制器的技術發展要跟蹤用戶應用需求的不斷變化，也明示了今后產品技術的發展趨向。隨著國家加大智能電網建設以及節能減排力度，傳統的電動機保護器已不能滿足現代化工業領域控制需要，低壓電動機保護控制器市場需求量逐漸增加。
從工業控制應用的低壓電動機保護器在未來發展趨勢來看，低壓電動機保護器不僅是保護、測量、控制于一體，應該具有電動機運行狀況分析功能，作為電動機運行性能故障預
警功能，顯示接近實時的運行數據動態曲線，通過數據信息，工作人員可及時進行判斷并進行相應處理，這樣能輔助用戶實時了解電動機的運行效率，掌控負荷能耗效率，用戶可參考分析報告進行設備維護與檢修工作，有利于提高生產效率，提高電動機保護器智能化和功能化，這也是低壓電動機保護控制器未來的發展趨勢。
參考文獻
[1]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（3）．
[2]陳培國．低壓電動機保護器的現狀及完善 [Ｊ]．低壓電器，2011（2）．
[3]夏靈敏，劉永勝， 吳東波， 張 丹.低壓電動機保護控制器的研發及其應用
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：辜秀娟，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電，郵箱: 3008713919@qq.com，：（同微信），QQ:3008713919
