涂志燕
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定20180
摘要：近年來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)的迅速發(fā)展，智能馬達(dá)保護(hù)器以其越的性能逐漸替代傳統(tǒng)的熱繼電器成為電動機(jī)保護(hù)及綜合控制的發(fā)展趨勢。礦山電機(jī)系統(tǒng)中存在大量的大功率交流異步電機(jī)，其運(yùn)行工況對電機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)提出了較高的要求。在介紹了智能馬達(dá)保護(hù)器原理功能和選型的基礎(chǔ)上，深入探討了智能馬達(dá)保護(hù)器在礦山電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用及其不可取代的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)勢。
關(guān)鍵詞：智能型異步電動機(jī)；保護(hù)器；選擇；應(yīng)用；經(jīng)驗
山東黃金三山島金礦8000t／d選礦工程是山東黃金集團(tuán)的項目，項目組經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐和技術(shù)選型，確定整個工程中的電機(jī)保護(hù)采用先進(jìn)的智能馬達(dá)保護(hù)器，取代傳統(tǒng)的熱繼電器，并利用先進(jìn)的總線通訊技術(shù)，*擺脫原始的“硬接線”控制方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)及控制的自動化，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況來看，已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
1工作原理與系統(tǒng)功能
電機(jī)往往因電性原因出現(xiàn)過負(fù)荷、缺相、層間短路及線間短路、線圈的接地漏電、瞬間過電壓的流入等造成損壞。對于因電性原因出現(xiàn)的故障，無論是過電流還是過電壓，主要是因為電流瞬間放大，超過了電機(jī)的負(fù)載電流值而造成損壞。馬達(dá)保護(hù)器根據(jù)這原理，通過監(jiān)測電機(jī)的兩相(三相)線路的電流值和相電壓的變化，進(jìn)行電機(jī)的保護(hù)。
智能馬達(dá)保護(hù)器通常由電流傳感器、比較電路、單片機(jī)、出口繼電器等幾部分組成，傳感器將電動機(jī)的電流變化線性地反映至保護(hù)器的采樣端口，經(jīng)過整流、濾波等環(huán)節(jié)后，轉(zhuǎn)換成與電動機(jī)電流成正比的直流電壓信號、送到相應(yīng)部分與給定的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行比較處理，再經(jīng)單片機(jī)回路處理，推動功率回路，使繼電器動作。當(dāng)電機(jī)由于驅(qū)動部分過載導(dǎo)致電流放大時，從電流傳感器取得的電壓信號將放大、此電壓值大于保護(hù)器的整定值時，過載回路工作，RC延時電路經(jīng)過定的(可調(diào))延時，驅(qū)動出口繼電器動作，使接觸器切斷主回路。欠壓及缺相保護(hù)等功能的工作原理基本相同”。
完善的馬達(dá)保護(hù)是對馬達(dá)運(yùn)行過程中的各種運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息進(jìn)行采集跟蹤，通過對故障報警、保護(hù)動作(保護(hù)脫扣)以及動作延時時間的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)及時準(zhǔn)確的保護(hù)，保證生產(chǎn)的順利。利用總線通訊，可以在上位機(jī)上對馬達(dá)運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并經(jīng)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理提供管理信息。在設(shè)備可能產(chǎn)生重大故障前，越限報警可及時提醒管理人員進(jìn)行處理，避免了不必要的停機(jī)而對正常生產(chǎn)造成影響，保證設(shè)備運(yùn)行的有效性。當(dāng)馬達(dá)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)置的報警值時，保護(hù)裝置僅進(jìn)行報警，不觸發(fā)脫扣；但當(dāng)越限值達(dá)到預(yù)置的脫扣值時，保護(hù)裝置進(jìn)入脫扣觸發(fā)延時。在預(yù)置脫扣延時時間內(nèi)若設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，則取消脫扣執(zhí)行；而如果超過延時時限，則保護(hù)裝置發(fā)出脫扣信號，驅(qū)動執(zhí)行元件動作，停止電機(jī)運(yùn)行。在馬達(dá)控制裝置實(shí)現(xiàn)各項保護(hù)功能的同時，各種保護(hù)信息也由裝置生成，并經(jīng)通信接口上送至計算機(jī)管理系統(tǒng)。
2設(shè)備選型
三山島金礦通過多方論證，并經(jīng)過嚴(yán)格的電氣設(shè)備招投標(biāo)后，工程選擇了性能價格好的ABB公司產(chǎn)品M102P，M102P智能馬達(dá)保護(hù)器采用現(xiàn)場總線技術(shù)，具有強(qiáng)大的電動機(jī)控制和保護(hù)功能及參數(shù)測量與顯示功能。控制功能包括直接起動、正反轉(zhuǎn)、雙速、星三角、閥門控制等；保護(hù)功能覆蓋了過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、三相不平衡與斷相保護(hù)、漏電保護(hù)、電動機(jī)熱保護(hù)等；可測量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因素、電度量及報告故障類型、電動機(jī)運(yùn)行維護(hù)信息等。
M102P額定工作電壓為DC24V，按開關(guān)量外部輸入電源劃分，可分為AC240V、DC24V兩種，前者有9點(diǎn)開關(guān)量輸入，后者有13點(diǎn)開關(guān)量輸入?？紤]到8000t／d選礦廠皮帶輸送機(jī)都安裝有打滑開關(guān)、撕裂開關(guān)、拉繩開關(guān)、二級跑偏開關(guān)，所需開關(guān)量輸入較多，故為所有皮帶輸送機(jī)配置了開關(guān)量輸入電源為DC24V的M102P，其他風(fēng)機(jī)泵類設(shè)備均配置了開關(guān)量輸入電源為AC240V的M102P。M102P采用電流互感器直接輸入，輸入信號不需變送器變換，M102P內(nèi)置了次側(cè)輸入電流為0．5～63A的電流互感器，由于8000Vd選礦廠大型電機(jī)較多，為方便互換及減少備件的種類，對于次額定電流60A以上的電機(jī)，我們采用在主回路裝設(shè)外接電流互感器的方式，將次電流變?yōu)樾∮?安培的二次電流，再接人量程為5安培的馬達(dá)保護(hù)器，使大型設(shè)備也得到了有效的控制和保護(hù)。
三山島金礦8000t／d選礦工程為M102P配置了MD2型操作面板，操作面板集成了儀表、指示燈、按鈕的功能及故障檢測功能，通過操作面板提供的調(diào)試接口，用筆記本電腦就可很方便地對M102P進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)置及在線編程。8000t／d選礦廠低壓配電系統(tǒng)采用了新型的MNS系列低壓抽屜式開關(guān)柜，因而可以將MD2安裝在開關(guān)抽屜的活動面板內(nèi)，這樣既簡化了柜內(nèi)接線又保持了柜面的統(tǒng)性和美觀性；使得配電室內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況及故障狀態(tài)目了然，方便了系統(tǒng)巡檢和檢修維護(hù)。在8000t／d選礦廠工程設(shè)計上，由于系統(tǒng)的自動化控制要求較高，所以我們提出了對馬達(dá)保護(hù)器的通訊要求。M102P智能馬達(dá)保護(hù)器采用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過RS485接口，采用ProfibusDP通訊協(xié)議與上層通訊系統(tǒng)進(jìn)行通訊，使用PLC作為ProfibusDP主站，M102P作為從站。8000Vd選礦廠共有15個低壓配電室，每個配電室均有PLC站，各配電室的M102P通過總線型連接方式掛到網(wǎng)絡(luò)上，為保證通訊傳輸速率，每個總線上不超過20個節(jié)點(diǎn)，各配電室PLC站通過光纖與控制室主PLC構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，將M102P數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，快速響應(yīng)上位機(jī)的實(shí)時查詢等要求并執(zhí)行相應(yīng)操作，為電氣操作及工藝控制人員通過計算機(jī)瀏覽生產(chǎn)負(fù)荷和生產(chǎn)過程的情況，及時調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，預(yù)防和處理突發(fā)事故。
3效益分析
三山島金礦8000Vd選礦廠于2013年達(dá)產(chǎn)，試車期間電力系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，為達(dá)產(chǎn)做出了重要保證。馬達(dá)保護(hù)器前期投資大，但后期收益可觀。其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在能大幅降低后期維護(hù)費(fèi)用、減員增效、創(chuàng)造良好的社會效益等方面。
(1)硬件投資
設(shè)備及部件使用分析：項目共采購160臺M102P馬達(dá)保護(hù)器及配件，投資120萬元；增加了馬達(dá)保護(hù)器后，可節(jié)省160個熱繼電器?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能設(shè)備分散在各配電室，能直接執(zhí)行控制和計算功能，可減少大量的變送器及調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號傳輸處理單元及其大量復(fù)雜的硬線連接，與采用硬接線連接相比，PLC系統(tǒng)可減少23個32點(diǎn)DI模塊，1O個32點(diǎn)DO模塊，1O個16點(diǎn)AI模塊，還可節(jié)省160個品牌電流變送器。按照以上設(shè)備招標(biāo)價格計算，除去馬達(dá)保護(hù)器，設(shè)備投資可節(jié)省22萬元。
電纜使用及安裝費(fèi)用分析：按照配電柜離儀控柜之間的距離15m計算，如果采用硬接線方式，每個節(jié)點(diǎn)需敷設(shè)KW14$1．5電纜和DJYPVP121．5電纜，如果安裝馬達(dá)保護(hù)器則每個配電室平均敷設(shè)20mDP電纜即可?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，條通信總線上可掛接幾個甚至上百個設(shè)備，節(jié)省安裝附件，安裝工作量大大減少，設(shè)計及接線校對的工作量也大大減少。資料顯示，與DCS相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝費(fèi)用可節(jié)省60％以上。按照電纜招標(biāo)價格及安裝工程定額計算，此項可節(jié)省投資4萬元。
從硬件投資來看，從傳統(tǒng)的熱繼電器更換為智能馬達(dá)保護(hù)器需次性投資94萬元。
(2)減少維護(hù)維修費(fèi)用，達(dá)到減員增效的目的
由于馬達(dá)保護(hù)器具有自診斷及定的故障處理能力，可以早期分析與排除故障，短維護(hù)停工時間。同時，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、接線簡單，減少了維護(hù)工作量。加裝馬達(dá)保護(hù)器后，每年可減少電動機(jī)燒毀事故，總?cè)萘吭?00kW左右，每年可節(jié)約電機(jī)更換或維修費(fèi)用約15萬元；換裝智能馬達(dá)保護(hù)器后，8000Vd選礦廠電氣維護(hù)人員可比原來減少4人，4人年工資共計25萬；由于馬達(dá)保護(hù)器保護(hù)的都是重要電機(jī)設(shè)備，換裝智能馬達(dá)保護(hù)器后，選廠設(shè)備故障停機(jī)率可由3％o降低到2‰，即每年可減少停車時間7．92小時，按照含金量為2克／噸，回收率為0．95，金價為280元／克計算，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為57萬元。
綜上所述，8000t／d選礦廠項目對智能馬達(dá)保護(hù)器需次性投資94萬元，在達(dá)產(chǎn)運(yùn)行后，每年可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為97萬元。
4安科瑞ARD系列智能電動機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
4.1產(chǎn)品簡介
ARD該系列低壓電動機(jī)保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能?？膳c接觸器、電動機(jī)起動器等電器元件構(gòu)成電動機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。
4.2產(chǎn)品選型
5結(jié)束語
智能馬達(dá)保護(hù)器性能先進(jìn)，能對低壓電機(jī)提供整套專業(yè)化的集控制、保護(hù)與監(jiān)測于體的智能化管理模式，是過程控制系統(tǒng)電動機(jī)智能化管理的理想選擇，為8000Vd選礦廠產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，廣泛采用智能馬達(dá)保護(hù)器，不但可以提高選礦廠工藝控制的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，降低事故率，而且對于提高三山島金礦選礦廠電氣控制系統(tǒng)的自動化水平起到推動作用。
【參考文獻(xiàn)】
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【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊，2019.11版
作者簡介：
涂志燕，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電動機(jī)保護(hù)器的設(shè)計與應(yīng)用。
