CB1控制与保护开关电器及其新型应用

管瑞良，顾怡文

(常熟开关制造有限公司，常熟 215500)

0 引言

电动机在各行各业中的应用越来越广泛，随着社会经济的高质量发展，对电动机的控制与保护也提出了新的要求。CPS即控制与保护开关电器，是集成了断路器、接触器、过载继电器、隔离器等主要功能于一体化的多功能电器，是电动机控制与保护的理想元件。常熟开关根据电动机控制与保护技术发展趋势在国内同行中率先推出的新一代CPS产品CB1系列，创新采用新材料、新结构以及智能化技术，全面集成短路保护(断路器)、通断控制(接触器)、过载保护(电动机保护器)及电路隔离(隔离器)等于一体，具有自配合、小型化、模块化、智能化、高性能、长寿命、低功耗等特征，为电动机控制与保护提供了最新解决方案。

1 工作原理

以CB1-12为例，主要由控制器、电磁铁、脱扣器、手动操作机构、传动机构、触头灭弧系统、辅助触头及其他功能扩展模块构成，连接在电源和负载之间，图1所示为其原理框图。控制器接收到起动指令后控制电磁铁吸合，电磁铁带动传动机构，传动机构带动触头系统闭合，实现合闸控制。控制器通过三相电流互感器检测主回路电流，当发生诸如短路、过载、断相之类的电气故障时，控制器可分别驱动脱扣器和(或)电磁铁动作，通过操作机构和(或)传动机构作用于触头系统，使触头系统分断，实现故障保护功能。

图1 CB1-12原理框图

2 技术优势分析

2.1 一体化、自配合

CB1将断路器、接触器、过载继电器、隔离器等元件功能高度集成，一方面将单一触头结构的第二代CPS的电流规格拓展到63A，填补了国内外第二代CPS在这一电流段的空白。另一方面首次研发出将断路器、接触器、电动机保护单元集成式一体化并满足GB/T 14048.9的组合式CPS产品，实现了产品固有的自配合特性。与传统分立元件构成的电机控制系统相比，用户在选型时无需考虑各元器件之间的特性匹配问题，仅需根据负载功率或额定工作电流以及系统短路指标就可轻松型。CB1对短路分断能力范围内的过电流进行最优保护(如图2所示)，使过载保护由接触器功能(电磁铁)动作、短路短延时和短路瞬时由断路器功能(脱扣器)动作，保证被保护对象及自身的可靠。过电流配合达到完全配合(优于“2类”配合的性能)，在分断短路故障后无需维护即可连续运行的能力，满足连续作业的需求，解决了传统方案的不足问题。

图2 过电流最优保护

2.2 小型化、模块化

CB1采用新的绝缘材料、触头材料、电磁系统、传动结构，并进行高度集成，确保了小型化的实现。CB1-12、32宽度仅为45mm，CB1-63宽度仅为54mm，为国内同类产品最小，同等电流规格体积相比第一代产品缩小30%以上。另外CB1的部件及附件均采用模块化设计，产品既生产方便、保证部件质量，也便于通过加装附件满足不同用户对不同功能的需求。CB1-12还可边靠边并列安装如图3所示，大大降低对安装空间的要求，使得相同尺寸的开关柜或动力箱可容纳更多的CB1，有利于用户使用成本的降低。

图3 CB1-12边靠边并列示意

2.3 高分断、高限流

CB1系列产品采用限流型双断点触头系统、磁/气吹灭弧系统、软硬件结合的冗余快速短路检测技术和快速脱扣装置，实现高短路分断能力和极佳的限流性能，CB1-12～63短路分断能力达到50kA，CB1-125～160达到150kA，短路分断时间仅3ms左右，限流系数低至0.1，有效限制短路能量(I2t)，减小了短路电流对电力系统的冲击，同时短路分断时峰值电流被抑制得很小，使上下级之间短路保护选择性成为可能。

2.4 智能化、多功能

CB1智能型控制器功能丰富，设置灵活，满足不同用户的需求：(1)控制方式多样，具有端子控制、手动控制、键盘控制和远程控制四种方式。(2)保护齐全、可配置，具有短路保护、瞬时大电流保护、过载保护、断相保护、不平衡保护、堵转保护、接地故障保护、工艺过流保护、起动超时保护等。(3)具备测量功能，可对三相电流、接地电流等实时测量，三相电流精度达2%。(4)直观可视，各种参数、状态、电流、电机的运行状态(热容百分比)等可实时显示。(5)具备日志功能，能记录最近10次的故障类型及故障发生时的电流。(6)自动复位功能，当发生除短路以外的故障时，经60s后能自动重合闸。(7)热记忆功能，模拟电机发热和散热，可防止电机连续起动而烧毁电机。(8)键盘锁定功能，可防止无关人员的误操作。(9)模拟量输出功能，提供模拟电流输出信号(4～20mA)接测量仪表。(10)过载报警功能，提供过载预报警和报警输出。(11)通信功能，基于Modbus-RTU协议的通信产品，通过各种协议转换器可实现Profibus、DeviceNet、CAN及TCP协议的通信，便于组建智能配电控制网络。

2.5 长寿命、高可靠

CB1采用基于电流反馈的PWM恒流控制如图4所示，无论是否存在电压波动都能确保线圈电流始终稳定，并通过控制电流大小匹配吸力与反力间的平衡，使触头合闸时的速度处于合理区间，降低投入时的冲击，保证合、分闸的可靠，大大提高CB1的使用寿命。另外针对工业环境及建筑领域的地下室等环境，增强电磁兼容性能和提高耐潮湿环境能力，保证产品在恶劣环境中的可靠性。

图4 控制特性

2.6 低功耗、低成本

CB1电磁铁采用永磁辅助保持技术，直流电磁铁加入永磁体并通过设置气隙，实现在合闸位置由永磁体提供部分吸合能量辅助保持闭合，在分闸位置存在磁阻很小的辅助气隙，只需要较小的线圈磁势就能获得较大的激磁磁通抵消永磁磁通使动铁心启动，从而减少线圈匝数并缩小整体尺寸，同时采用PWM控制，降低线圈工作电流，减少工作损耗，接近于接触器能效“1级”标准要求，由表1控制回路耗电对比，可知与第一代CPS产品相比其控制回路节能40%以上，节能效果显著，使用成本更低。

控制回路耗电对比 表1

3 产品应用

CB1系列产品具有12A、32A、63A、125A/160A四个壳架等级，满足最大至75kW电机的直接控制与保护，具体规格参数见表2。CB1具有电子型(E型)和智能型(Z型)两种控制器，电子型主要适用于电机基本保护的场合，满足用户对经济性的需求；智能型适用于电机全面保护和基于现场总线控制的场合，满足用户对高性能、多功能的需求。同时CB1还具有双速控制、三速控制、星三角控制及可逆控制等派生型产品，用于满足用户对双速电机、三速电机、需要星-三角降压启动的三相鼠笼式感应电动机及需要可逆运转电机的起/停控制的要求。

主要规格及参数 表2

图5 CB1派生控制单元

3.1 常用风机、水泵控制的典型应用

CB1在建筑领域主要应用于控制送/排风风机、排烟风机、给/排水泵、消防泵等负载。CB1可满足国家建筑标准设计图集16D303-2《常用风机控制电路图》和16D303-3《常用水泵控制电路》的设计要求。不仅可以实现直接启动，还可以实现电机的双速、三速、星-三角及可逆等控制，原理简图如图5所示。采用CB1后不仅大大减少了线路中所需元件的品种数量，简化电气设计线路，提高电气成套装置的可靠性、安全性，而且使得制作、调试及今后日常维护亦相应趋于简单、容易。特别是采用CB1后，其适配的小巧灵活的箱体结构一改过去“采用分立元件不得不装入较大箱体”的局面，特别适合于“寸土寸金”的建筑电气设计，尤其是其较薄的箱体深度可制作成嵌入型式在一般的土建墙内暗敷。

3.2 智能化动力控制柜的新型应用

图6 智能化动力控制柜方案

在群控或马达控制中心(MCC)中，可选择具有Modbus通信接口的控制器，构成基于现场总线技术的智能化可通信控制系统，实时控制负载启/停，监测负载运行情况，保证系统运行可靠。常熟开关在发挥CB1优势的同时结合公司智能化产品推出新型智能化动力控制柜应用方案如图6所示。采用通信型CB1和智能配电一体机CEPA3的集成方案。主要元器件为进线开关、维纳尔母线系统、转接器、接线板、CB1、CEPA3和二次控制等。动力柜左侧为元件区、右侧为电缆出线区，上部设置一个CM5塑壳断路器作为总(倒)进线开关，与CB1一起通过维纳尔专用转接器直接挂在60Classic经典型维纳尔母线系统上，母线系统共分四层，不同层之间通过接线板相互连接，以实现塑壳断路器对其他三层母线系统的电能分配。每个CB1的出线通过下方线槽通往右侧电缆出线区内安装的一次端子上供用户现场电缆接入。面板上配装仪表及CEPA3智能配电一体机。柜前操作，单面维护，可靠墙布置。该方案配置了带有RS485通讯接口的I/O模块，通过现场总线与CEPA3智能配电一体机相连接，实现在CEPA3界面上操作，从而替代了繁琐的按钮、指示灯，使操作面板清晰、简单。CEPA3智能配电一体机能控制每个CB1的合、分并监测各回路的状态等。如CB1选用带故障报警接点输出功能后，通过I/O模块上传至CEPA3，可在一体机界面上实现报警。

智能化动力控制柜集成应用具有以下特点。

(1)多回路、低成本：元件小型化、模块化、集成化，可实现紧凑安装，结合多层分层安装，安装数可达3倍于抽屉柜元件安装数。同时占地减少3/4，安装效率高，维护成本低，综合性价比高。

(2)易安装、高安全：CB1与母线转接器组合后可挂接于维纳尔母线系统，可替代部分抽屉柜的功能，安装、维护、更换快捷，无需停电。元件区与出线区左右分区布置，便于元件安装和用户电缆接入。系统无裸露带电体，移除CB1仍具有防触摸保护功能，同时电连接和机械连接可靠，实现整体高安全。

(3)完美保护、智能控制：CB1既具有自配合特性和丰富保护功能，又可与断路器组合应用达到高于II类配合的要求，实现系统完美保护。CEPA3智能配电一体机集监控主机、监控软件、数据采集器和Modbus TCP网关为一体，实现系统智能控制、监测、报警及通信等。

4 结束语