淺談電動機保護控制器在水泵設備上的應用探討

 任運業(yè)

江蘇安科瑞微電網研究院有限公司 江蘇無錫 214432

   摘要：在生產過程中，如果設備運行不暢，或者出現(xiàn)故障都會直接影響到生產活動的正常進行，給企業(yè)帶來較大的經濟損失。而導致設備產生故障的關鍵因素之一就是電動機出現(xiàn)問題，由于保護措施不到位導致電動機停止運轉甚至直接燒毀，從而影響到生產的質量和效率。

   本文通過對水泵電動機的保護措施的探討和研究，希望能給相關人員的工作開展提供幫助，保障生產過程中水泵電動機的良好穩(wěn)定運行。并介紹了適合水泵電動機使用的ARD2F系列電動機保護器。

   關鍵詞：水泵電動機、電動機、智能保護

一、概述：

   目前水泵系統(tǒng)設備上使用的電機，大部分采用熱繼電器，作為電機的過載保護元件，因其體積小、結構簡單、成本低等優(yōu)點在生產中得到了廣泛應用。但由于熱繼電器靈敏度低、誤差大、穩(wěn)定性差，保護不可靠。受環(huán)境、溫度、本身材料等影響，在保護電機方面，已經不能適應現(xiàn)代化生產的需要。

二、水泵設備電機損壞原因及改進的目的

   電動機超負荷運轉、在相對潮濕的環(huán)境下工作、散熱出現(xiàn)問 題或者電流過大都有可能導致出現(xiàn)故障，其中對于水泵電動機而言，由于設備進水而導致其燒毀的比例相對較大。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)水泵電動機屬于一體式泵機組合系統(tǒng)，即電動機和水泵的葉輪使用的是同一根傳動軸，主要是通過機械密封來防止水或者其他液體進入電動機的繞組內，但這種機械密封難以有效地進行事前預防，一旦損壞，電動機進水后必然會產生故障。另一方面水泵電動機的工作現(xiàn)場環(huán)境不可避免地會接觸到水或其他液體，這也進一步加大了其進水燒毀的風險。

   對于一些生產制造型企業(yè)來說，一旦電動機停轉或者運轉不正常，都會影響其產品的生產進度和生產質量，不僅會增加生產成本，對企業(yè)長久的發(fā)展也極為不利。對電機保護器選型也提出了苛刻的要求。所以在選擇保護器上一定要考慮電機與保護器的合理配用關系。理想的電機保護器不是功能最多，也不是所謂先進的，而是應該滿足現(xiàn)場實際需求，做到經濟性和可靠性的統(tǒng)一，具有較高的性能價格比。

三、智能電機保護器的現(xiàn)場應用與選型

   以我們用常見的智能型保護器為例來說明，介紹一下電機保護器外部輸入與保護器的配合關系，以便給選型和使用提供一些參考。

   常見的幾種引起電機故障源輸入信號連接方式。主要有：電壓信號輸入、電流信號輸入、零序信號輸入、溫度信號輸入。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備的驅動信號。RS485通訊接口可用來遠程計算機連接監(jiān)測控制電機，作為大型設備和危險操作場所是不可少的。開關量信號輸入可作為電機啟動模式選擇，使用比較靈活。作為擴展功能備用。

3.1 欠壓、過壓、缺相保護

3.1.1 欠壓

   當供電系統(tǒng)出現(xiàn)不正常的情況，電壓降低到一定程度，電機就會出現(xiàn)疲勞、堵轉，達到幾倍的過電流。有時，在電壓恢復的瞬間，快要停轉或已經停轉的電機同時運轉，會導致線路電壓的重新下降，在配電系統(tǒng)中要盡量避免。所以，接入欠壓保護是十分必要的。

3.1.2 過壓

   外因：由雷擊引起。

   操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起線路電感在器件兩端感應出的過電壓。

   當供電系統(tǒng)中，其相電壓高于我們預設的保護電壓值，保護器動作，斷開常閉觸點、使KM斷電，主觸頭斷開，電機停轉。從而保護電機。

3.1.3 缺相

   在水泵系統(tǒng)中，有相當一部分設備采用三相不接地供電。當供電系統(tǒng)中，某一相斷電， 會使設備電機電流突然增大，使輸入電壓不正常，當電壓值異常于設定值，保護器動作。切斷KM接觸器。

3.2 過流保護

   過流保護是電機保護中的重點，對電機的危害也最大。主要包括過載、短路、堵轉、三相不平衡等。我們把電流互感器作為檢測和輸入元件。

3.2.1 過載

   如果在某種情況下使電機的實際使用功率超過電機的額定功率，則稱這種現(xiàn)象為電機過載。過載電機的工作電流大于其額定電流，通常在1.5倍以內應屬正常范圍。一旦超出正常范圍，保護機構動作，切斷接觸器，同時發(fā)出過載信號。

3.2.2 短路

   三相電機的短路情況復雜一些，有單相接地短路，也有相間短路；單相接地短路時中任意一相與PE線直接短接了，一般不會燒毀電機，但是會在電機外殼帶電，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，三相短路電流會大得多。電機內部短路大都是電機繞組絕緣損壞造成的，絕緣損壞一般是電機長時間過載運行造成。當電機絕緣破壞、內部匝間短路、接線錯誤等，都將發(fā)生短路現(xiàn)象，瞬間的短路電流使保護器動作，避免事故進一步擴大。

3.2.3 堵轉

   當負載突然增大，電機本身內部問題（軸承損壞、掃膛） 、傳動機構、變速器等，上述任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都是導致堵轉的原因。堵轉會使電機電流持續(xù)增加，可達額定電流的7倍，時間稍長就會燒壞電機，當電流值達到保護器設定值時，保護器動作。

3.3 零序保護

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

3.4 溫度檢測

   高溫是電機絕緣的殺手，有時電流值未達到保護值，但是溫度已經高到足以損害絕緣狀態(tài)時，應該加以保護。在電機內部安裝一個熱敏元件，當環(huán)境溫度變化、散熱不良等一些原因，設備出現(xiàn)異常致使溫度升高，超出我們設定的溫度范圍，保護器執(zhí)行保護動作，斷開電機回路，避免高溫帶來的設備損害。

   以上我們只做了幾種常用的保護措施輸入，對一些不經常巡視、距離遠、危險場所（如高溫、腐蝕），應配合遠程控制功能，既保證設備的正常運行，又可保證人員的安全，使生產順利進行。

   對于一般電機，以上保護環(huán)節(jié)已經基本能滿足現(xiàn)場需要。當然還要考慮到現(xiàn)場環(huán)境， 如現(xiàn)場濕度、環(huán)境溫度，操作端與執(zhí)行端距離的要求，設備維護周期，對電網波動敏感程度等。

   經過以上改進，使我們能夠提前預知電機運行狀態(tài)，在出現(xiàn)問題時，能夠及早判斷。通過保護器的回看功能，還能判斷出現(xiàn)問題的基本位置，為維修維護提供依據(jù)。

四、保護器選擇分類

   現(xiàn)代智能電機保護器還有很多在實際生產中需要的功能，如回看功能、遠程通訊、遠程控制、多種啟動方式選擇等。

   保護器在類型上分為：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

結構比較簡單，主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉等故障保護。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)控型保護器， 內部電路運用單片機，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護， 集保護、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設定，用戶可以自行對各種參數(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內，與其他類型相比，功能更加完善。此類產品對各種參數(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，并且支持遠程計算機通訊功能。啟動方式有多種選擇，并有存儲回看功能，給后期的維護維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

五、保護器在選擇上應注意事項

   在選擇保護器的同時，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動機主要參數(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)電動機使用方向：指拖動機械設備要求。(4)控制系統(tǒng)：控制模式有手動、自動化程序等工作運行。啟動方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動等啟動方式。(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、查看方便。(6)靈敏度要求：是帶載啟動還是空載啟動，是滿載還是逐漸加載，主要是在電流設定方面要考慮到啟動瞬間的電流值與額定電流值之間的時間差。(7)其他方面：如生產現(xiàn)場對電動機位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

六、ARD系列電動機保護器產品選型介紹

          ARD智能電動機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。可選配不同通訊模塊適應現(xiàn)場通訊需求。

6.1、功能特點

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

■  保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時間、外部故障、起動次數(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警。

■  9路可編程DI輸入，默認采用內置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點。

■  5路可編程DO輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，等多種起動方式，可通過通訊總線實現(xiàn)主站對電動機的遙控“起/停"。

■  可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。

■  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，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)控。

■  具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動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、產品選型 

五、結束語

   通常選用電機保護器，要充分考慮到電機的過載能力，避免損壞。提高可靠性和生產的連續(xù)性。力爭做到經濟合理。在功能選擇上應綜合考慮到電機的本身的價值、負載類型、使用環(huán)境、占主體設備上的重要程度、停止電機運行是否會對生產造成影響以及影響的程度等因素。

   通過以上改造，必定能改善供電、用電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，并且對水泵電氣控制系統(tǒng)的自動化水平提高了一個臺階， 同時大大降低了維修成本， 提高了電機的運行效率， 增加了經濟效益，對水泵電動機具有積極的推進作用。

參考文獻：

[1]夏智偉.水泵電動機的保護措施探討[J].科技資訊, 2020.01期

[2] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開關設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器).

作者介紹：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于江蘇安科瑞微電網研究院有限公司，主要研究方向為電動機保護裝置的應用。