智能电动机控制器保护及其应用

王 伟

(华东电力设计院，上海 200063)

电动机是所有动力设备中使用最广泛的设备之一，也是发电厂内构成各个工艺系统的重要组成部分.电动机的安全性、可靠性及自动化程度直接影响整个发电厂的安全稳定运行和自动化管理水平，而过载、断相、三相不平衡等故障的经常发生极易损坏电动机.

传统的电动机保护方案大都采用热过载继电器，但由于保护特性粗糙等多种原因，热继电器往往起不到必要的保护作用.

近年来，随着现代化电子技术的迅速发展，各种类型的电动机控制器不断涌现，凭借其完善的数字化测控保护功能已在发电厂中逐步得到推广应用.

本文主要比较和分析了传统的电动机保护装置和智能型电动机控制器的技术特性，介绍了电动机控制器在国内百万级机组电厂中典型的应用案例，指出了其在发电厂继电保护和自动化控制领域的发展方向.

电动机控制器是电动机的智能化控制、测量和保护装置，主要对电动机进行实时监测、控制与保护，并通过装置的通信功能结合上位机监控系统对电动机进行集中管理，可以很好地实现电机设备的实时监控和保护功能，满足发电厂系统运行的高安全性、高可靠性，以及自动化要求［1］.

1 智能电动机控制器与传统电动机保护装置的比较

1.1 电动机的控制方式

电动机控制器通过微处理器程序控制，实现各种电动机启动和运行控制方式，并通过接触器辅助接点状态的反馈，对电动机运行状态进行监测.电动机控制权限包括就地控制和远方控制两种，通过对控制权限的选择可以规定电动机控制的优先级.各种方式的电动机启动控制逻辑均可集成在该装置中，运行人员只需在电动机控制器上进行软件程序的预先选择设定即可.电动机控制器可实现的电机控制启动方式包括(含有必要的逻辑操作和闭锁):

(1)直接启动(可带现场控制按钮盒);

(2)正-反转直接启动(可带现场控制按钮盒或限位开关);

(3)Y/△启动，双速控制启动(单绕组、双绕组);

(4)自耦变压器降压启动;软启动器控制启动等.

某百万级机组工程中采用的西门子Simocode Pro V系列电动机控制器控制原理见图1.

图1 西门子Simocode Pro V系列电动机控制器控制原理

由图1可知，电动机控制器大大简化了传统硬接线控制回路，取消了电流互感器、变送器、转换开关、中间继电器、时间继电器，以及状态指示灯等传统控制元件，用软件取代了硬件对电机的控制，降低了控制回路的故障发生率，同时也便于工作人员对设备进行调试、运行和维护.

1.2 电动机的保护方式

电动机的保护方式主要包括相间短路保护、单相接地短路保护、单相接地保护、过负荷保护、低电压保护等［2］.

熔断器、接触器与热继电器组合是普遍的电动机保护方案，热继电器是我国20世纪50年代初从前苏联引进的产品，因其具有反时限特性，以及结构简单、使用方便、价格便宜等优点，一直延用至今.

但热继电器存在整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等缺点，且启动过程中不能对故障进行有效保护，在发生堵转、长期轻微过载等使电动机绕组产生热积累时，由于热继电器串接在主电路中，无法直接检测电动机绕组的温度，无法保护电动机，加上构成系统时必需附带其他多种控制产品，造成系统运行可靠性较低.

因此，基于热继电器的电动机保护方案已无法满足越来越高的实际应用要求.

随着电子技术的发展，电动机控制器从功能上替代了传统热过载继电器的保护功能，它利用微电子技术、通信与控制技术，增加不同的通信接口与现场总线连接，可以实现远程编程和参数设定，使之成为可通信的新型电器产品，集保护、遥测、通信、遥控、显示于一体，可分别用于计算机控制网络或分布式现场总线系统，成为保护及在线监测和管理系统的主要组成部分.

智能型控制器一般都可存储多套保护定值，允许在现场进行保护定值修改，方便快捷.各种电动机保护功能均固化在装置内部，可根据实际需要进行配置.

表1 国内外常用控制器的保护性能

表1列举了国内外常用控制器的保护性能.

1.3 信息监测与传输方式

与传统的热磁型电动机保护装置相比，电动机控制器提供了丰富的电动机运行监控功能，它集成了传统的电压表和电流表等测量仪表，以及变送器、故障信号扩展继电器、监视继电器等辅助继电器的功能，监控数据可经现场总线上传至上位机监控系统集中管理.同时，也可通过安装在开关柜面板上的LCD操作面板直接显示.主要监视信号如下:

(1)运行参数 三相电流、三相电压、频率、功率因数、有功功率等;

(2)状态参数 运行、停机、故障报警、故障脱扣信号、接触器操作次数、电动机运行时间、事件记录、信息维护等.

目前，大多数的电动机控制器配置通用RS485通讯接口，并可支持多种通讯方式，如modbusRTU，ProfibusDP，DeviceNet，CAN，LONWORKS等，组成单网或冗余双网.网络拓扑为总线结构，可通过中继器扩展.

电动机控制器可以将电动机的实时监测数据上传至上层监控系统，同时接收监控系统各种控制指令，运行人员也可通过应用层软件对系统内的设备进行统一管理，实现完全的远程实时监控功能.

因此，应用电动机控制器能在很大程度上为运行维护人员提供更丰富、更准确的信息.

此外，电动机控制器集成了电动机的所有保护和控制功能，即使总线或自动化系统发生故障，也可以保证单个回路仍具有完全独立性，以及所具有的各种功能［3］.

表2为国内外常用控制器的监测与通讯功能.

表2 国内外常用控制器的监测与通讯功能

2 智能电动机控制器应用实例

某百万级机组工程采用了西门子电动机控制器Simocode Pro V系列产品，用于对低压电动机的控制保护.Simocode Pro是智能电机管理控制系统，其中央处理单元为微处理器，所有的控制和保护功能都由微处理器执行，包括连锁功能、运行计算、诊断和统计数据，以及自动控制级与电机回路之间高性能的通讯(Profibus-DP)等.某百万级机组工程中低压电动机控制单线见图2.

由图2可知，与传统的电机控制回路相比，Simocode Pro大大简化了电机的控制回路，减少了接线，从而减少了故障点.单独的Simocode Pro系统可以实现控制和监视功能及信号处理，不需要增加过载继电器、热敏电阻计算电路、电流互感器，以及模数转换等，这些功能的实现完全不需要控制电路接线.启停开关可直接接到基本单元的输入端，接触器线圈通过基本单元的输出控制，不需要互锁的辅助触点.

在本工程中，Simocode Pro的主要应用保护功能如下:

(1)过载保护 通过电流测量模块监测电机电流，通过过热保护采集电机温度作为过载的保护机制;

(2)相不平衡保护 对相不平衡的程度进行监视并传输到控制系统，在超过一个可调节值时，可以触发一个可定义和可延迟的响应;

(3)过热保护 通过基于开关量的PTC热敏电阻，对电机内的温度直接进行测量;

(4)堵转保护 当电流超过一个可调堵转限值后，可在Simocode Pro中设定一个可定义和可延迟的响应.

在本工程中，Simocode Pro的主要监测功能包括:内部接地故障监视;外部接地故障监视;电流限值监视;电压监视;有功功率监视;功率因数监视;相序识别.

Simocode Pro具有集成的Simocode DP接口、波特率自适应功能，采用标准SUB-D接口时最高可支持12 MBit/s，采用的接线端子最高可支持1.5 MBit/s［4］.

3 结语

目前，电动机控制器已发展到了微电子时代，从最新技术发展和已经进入市场的最新产品来看，在智能型控制器基础上进一步增加可编程的模式控制功能是其主要发展趋势.智能电动机控制器的应用保证了电动机的可靠运行，提高了运行人员的工作效率.我们相信，随着科学技术的迅速发展，智能电动机控制器会在发电厂中得到更为广泛的应用.

［1］张葆豫.电动机最新保护技术［M］.郑州:河南科学技术出版社，1998:121-123.

［2］卓乐友.电力工程电气设计手册:电气二次部分［S］.北京:中国电力出版社，2009:623-648.

［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.北京:机械工业出版社，1992:66-101.

［4］西门子公司.Simocode pro系统电动机保护和控制设备［EB/OL］［2008 － 03 － 23］.http://www.industry.siemens.com.cn/topics/cn/zh/service-suport/pages/Default.aspx.