淺談電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器在水泵設(shè)備上的應(yīng)用探討

 任運(yùn)業(yè)

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇無(wú)錫 214432

   摘要：在生產(chǎn)過(guò)程中，如果設(shè)備運(yùn)行不暢，或者出現(xiàn)故障都會(huì)直接影響到生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行，給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障的關(guān)鍵因素之一就是電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，由于保護(hù)措施不到位導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)甚至直接燒毀，從而影響到生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

   本文通過(guò)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的保護(hù)措施的探討和研究，希望能給相關(guān)人員的工作開(kāi)展提供幫助，保障生產(chǎn)過(guò)程中水泵電動(dòng)機(jī)的良好穩(wěn)定運(yùn)行。并介紹了適合水泵電動(dòng)機(jī)使用的ARD2F系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

   關(guān)鍵詞：水泵電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、智能保護(hù)

一、概述：

   目前水泵系統(tǒng)設(shè)備上使用的電機(jī)，大部分采用熱繼電器，作為電機(jī)的過(guò)載保護(hù)元件，因其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但由于熱繼電器靈敏度低、誤差大、穩(wěn)定性差，保護(hù)不可靠。受環(huán)境、溫度、本身材料等影響，在保護(hù)電機(jī)方面，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

二、水泵設(shè)備電機(jī)損壞原因及改進(jìn)的目的

   電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、在相對(duì)潮濕的環(huán)境下工作、散熱出現(xiàn)問(wèn) 題或者電流過(guò)大都有可能導(dǎo)致出現(xiàn)故障，其中對(duì)于水泵電動(dòng)機(jī)而言，由于設(shè)備進(jìn)水而導(dǎo)致其燒毀的比例相對(duì)較大。這一方面是由于為了提高傳輸效率或者出于安裝空間的考量大多數(shù)水泵電動(dòng)機(jī)屬于一體式泵機(jī)組合系統(tǒng)，即電動(dòng)機(jī)和水泵的葉輪使用的是同一根傳動(dòng)軸，主要是通過(guò)機(jī)械密封來(lái)防止水或者其他液體進(jìn)入電動(dòng)機(jī)的繞組內(nèi)，但這種機(jī)械密封難以有效地進(jìn)行事前預(yù)防，一旦損壞，電動(dòng)機(jī)進(jìn)水后必然會(huì)產(chǎn)生故障。另一方面水泵電動(dòng)機(jī)的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不可避免地會(huì)接觸到水或其他液體，這也進(jìn)一步加大了其進(jìn)水燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。

   對(duì)于一些生產(chǎn)制造型企業(yè)來(lái)說(shuō)，一旦電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或者運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，都會(huì)影響其產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)質(zhì)量，不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，對(duì)企業(yè)長(zhǎng)久的發(fā)展也極為不利。對(duì)電機(jī)保護(hù)器選型也提出了苛刻的要求。所以在選擇保護(hù)器上一定要考慮電機(jī)與保護(hù)器的合理配用關(guān)系。理想的電機(jī)保護(hù)器不是功能最多，也不是所謂先進(jìn)的，而是應(yīng)該滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，做到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的統(tǒng)一，具有較高的性能價(jià)格比。

三、智能電機(jī)保護(hù)器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與選型

   以我們用常見(jiàn)的智能型保護(hù)器為例來(lái)說(shuō)明，介紹一下電機(jī)保護(hù)器外部輸入與保護(hù)器的配合關(guān)系，以便給選型和使用提供一些參考。

   常見(jiàn)的幾種引起電機(jī)故障源輸入信號(hào)連接方式。主要有：電壓信號(hào)輸入、電流信號(hào)輸入、零序信號(hào)輸入、溫度信號(hào)輸入。電源采用交流220V供電，輸出方式直接采用接觸器控制。其他輸入輸出功能備選，如模擬量輸出可直接連接電壓表、電流表,以及作為其他外接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。RS485通訊接口可用來(lái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接監(jiān)測(cè)控制電機(jī)，作為大型設(shè)備和危險(xiǎn)操作場(chǎng)所是不可少的。開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入可作為電機(jī)啟動(dòng)模式選擇，使用比較靈活。作為擴(kuò)展功能備用。

3.1 欠壓、過(guò)壓、缺相保護(hù)

3.1.1 欠壓

   當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)不正常的情況，電壓降低到一定程度，電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)疲勞、堵轉(zhuǎn)，達(dá)到幾倍的過(guò)電流。有時(shí)，在電壓恢復(fù)的瞬間，快要停轉(zhuǎn)或已經(jīng)停轉(zhuǎn)的電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致線路電壓的重新下降，在配電系統(tǒng)中要盡量避免。所以，接入欠壓保護(hù)是十分必要的。

3.1.2 過(guò)壓

   外因：由雷擊引起。

   操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。

   當(dāng)供電系統(tǒng)中，其相電壓高于我們預(yù)設(shè)的保護(hù)電壓值，保護(hù)器動(dòng)作，斷開(kāi)常閉觸點(diǎn)、使KM斷電，主觸頭斷開(kāi)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。從而保護(hù)電機(jī)。

3.1.3 缺相

   在水泵系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分設(shè)備采用三相不接地供電。當(dāng)供電系統(tǒng)中，某一相斷電， 會(huì)使設(shè)備電機(jī)電流突然增大，使輸入電壓不正常，當(dāng)電壓值異常于設(shè)定值，保護(hù)器動(dòng)作。切斷KM接觸器。

3.2 過(guò)流保護(hù)

   過(guò)流保護(hù)是電機(jī)保護(hù)中的重點(diǎn)，對(duì)電機(jī)的危害也最大。主要包括過(guò)載、短路、堵轉(zhuǎn)、三相不平衡等。我們把電流互感器作為檢測(cè)和輸入元件。

3.2.1 過(guò)載

   如果在某種情況下使電機(jī)的實(shí)際使用功率超過(guò)電機(jī)的額定功率，則稱這種現(xiàn)象為電機(jī)過(guò)載。過(guò)載電機(jī)的工作電流大于其額定電流，通常在1.5倍以內(nèi)應(yīng)屬正常范圍。一旦超出正常范圍，保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切斷接觸器，同時(shí)發(fā)出過(guò)載信號(hào)。

3.2.2 短路

   三相電機(jī)的短路情況復(fù)雜一些，有單相接地短路，也有相間短路；單相接地短路時(shí)中任意一相與PE線直接短接了，一般不會(huì)燒毀電機(jī)，但是會(huì)在電機(jī)外殼帶電，容易造成觸電。另外就是相間短路，有兩相短路，也有三相短路，三相短路電流會(huì)大得多。電機(jī)內(nèi)部短路大都是電機(jī)繞組絕緣損壞造成的，絕緣損壞一般是電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行造成。當(dāng)電機(jī)絕緣破壞、內(nèi)部匝間短路、接線錯(cuò)誤等，都將發(fā)生短路現(xiàn)象，瞬間的短路電流使保護(hù)器動(dòng)作，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2.3 堵轉(zhuǎn)

   當(dāng)負(fù)載突然增大，電機(jī)本身內(nèi)部問(wèn)題（軸承損壞、掃膛） 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速器等，上述任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都是導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)的原因。堵轉(zhuǎn)會(huì)使電機(jī)電流持續(xù)增加，可達(dá)額定電流的7倍，時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)燒壞電機(jī)，當(dāng)電流值達(dá)到保護(hù)器設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器動(dòng)作。

3.3 零序保護(hù)

   零相序保護(hù)輸入端，正常運(yùn)行的電機(jī)電流大小、向量之和等于零，零序互感器二次線圈的電流也為零，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序互感器二次線圈將出現(xiàn)較大的電流，發(fā)出信號(hào)切斷供電，零序保護(hù)主要用來(lái)作為漏電保護(hù)。

3.4 溫度檢測(cè)

   高溫是電機(jī)絕緣的殺手，有時(shí)電流值未達(dá)到保護(hù)值，但是溫度已經(jīng)高到足以損害絕緣狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該加以保護(hù)。在電機(jī)內(nèi)部安裝一個(gè)熱敏元件，當(dāng)環(huán)境溫度變化、散熱不良等一些原因，設(shè)備出現(xiàn)異常致使溫度升高，超出我們?cè)O(shè)定的溫度范圍，保護(hù)器執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，斷開(kāi)電機(jī)回路，避免高溫帶來(lái)的設(shè)備損害。

   以上我們只做了幾種常用的保護(hù)措施輸入，對(duì)一些不經(jīng)常巡視、距離遠(yuǎn)、危險(xiǎn)場(chǎng)所（如高溫、腐蝕），應(yīng)配合遠(yuǎn)程控制功能，既保證設(shè)備的正常運(yùn)行，又可保證人員的安全，使生產(chǎn)順利進(jìn)行。

   對(duì)于一般電機(jī)，以上保護(hù)環(huán)節(jié)已經(jīng)基本能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。當(dāng)然還要考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境， 如現(xiàn)場(chǎng)濕度、環(huán)境溫度，操作端與執(zhí)行端距離的要求，設(shè)備維護(hù)周期，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)敏感程度等。

   經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，使我們能夠提前預(yù)知電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠及早判斷。通過(guò)保護(hù)器的回看功能，還能判斷出現(xiàn)問(wèn)題的基本位置，為維修維護(hù)提供依據(jù)。

四、保護(hù)器選擇分類

   現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器還有很多在實(shí)際生產(chǎn)中需要的功能，如回看功能、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制、多種啟動(dòng)方式選擇等。

   保護(hù)器在類型上分為：一般普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

4.1 一般普通型

結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要功能以突出過(guò)載、缺相(三相不平衡)堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)。故障類型采用指示燈顯示。

4.2 數(shù)碼顯示監(jiān)控型

數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護(hù)器， 內(nèi)部電路運(yùn)用單片機(jī)，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護(hù)， 集保護(hù)、測(cè)量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定，用戶可以自行對(duì)各種參數(shù)修正。

4.3 智能監(jiān)中文顯示控型

智能漢字顯示更適合國(guó)內(nèi)，與其他類型相比，功能更加完善。此類產(chǎn)品對(duì)各種參數(shù)、狀態(tài)、信息直接在操作面板單元上中文漢顯液晶顯示，使界面更加直觀醒目，并且支持遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊功能。啟動(dòng)方式有多種選擇，并有存儲(chǔ)回看功能，給后期的維護(hù)維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

五、保護(hù)器在選擇上應(yīng)注意事項(xiàng)

   在選擇保護(hù)器的同時(shí)，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)：主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據(jù)。(2)使用環(huán)境因素的影響：主要指溫度、濕度、污染等。(3)電動(dòng)機(jī)使用方向：指拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備要求。(4)控制系統(tǒng)：控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)化程序等工作運(yùn)行。啟動(dòng)方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動(dòng)等啟動(dòng)方式。(5)安裝要求：在選型上要考慮安裝空間大小，留有足夠的余量，便于散熱及接線、維護(hù)、查看方便。(6)靈敏度要求：是帶載啟動(dòng)還是空載啟動(dòng)，是滿載還是逐漸加載，主要是在電流設(shè)定方面要考慮到啟動(dòng)瞬間的電流值與額定電流值之間的時(shí)間差。(7)其他方面：如生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)位置的隨意性、啟動(dòng)停止的頻繁程度等。

六、ARD系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

          ARD智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應(yīng)各種柜體的安裝。可選配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)通訊需求。

6.1、功能特點(diǎn)

■  支持基波和全波電力參數(shù)測(cè)量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負(fù)序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■  保護(hù)功能包括過(guò)載反時(shí)限、過(guò)載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過(guò)功率、欠功率、過(guò)壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警。

■  9路可編程DI輸入，默認(rèn)采用內(nèi)置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點(diǎn)。

■  5路可編程DO輸出，滿足直接起動(dòng)，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，等多種起動(dòng)方式，可通過(guò)通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)的遙控“起/停"。

■  可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動(dòng)、失壓重起動(dòng)。

■  可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUS DP通訊，支持最多2路通訊接口。

■  可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

■  具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車(chē)記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類事件記錄。

■  顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

6.2、產(chǎn)品選型 

五、結(jié)束語(yǔ)

   通常選用電機(jī)保護(hù)器，要充分考慮到電機(jī)的過(guò)載能力，避免損壞。提高可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性。力爭(zhēng)做到經(jīng)濟(jì)合理。在功能選擇上應(yīng)綜合考慮到電機(jī)的本身的價(jià)值、負(fù)載類型、使用環(huán)境、占主體設(shè)備上的重要程度、停止電機(jī)運(yùn)行是否會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響以及影響的程度等因素。

   通過(guò)以上改造，必定能改善供電、用電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，并且對(duì)水泵電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平提高了一個(gè)臺(tái)階， 同時(shí)大大降低了維修成本， 提高了電機(jī)的運(yùn)行效率， 增加了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)具有積極的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏智偉.水泵電動(dòng)機(jī)的保護(hù)措施探討[J].科技資訊, 2020.01期

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器).

作者介紹：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)裝置的應(yīng)用。