摘要

     電動機設(shè)備是水泥企業(yè)中應(yīng)用廣泛的動力裝置，而水泥生產(chǎn)企業(yè)屬于能耗高、污染大又需要設(shè)備連續(xù)不間斷工作的行業(yè)，電動機作為水泥行業(yè)設(shè)備的動力來源，其安全、穩(wěn)定可靠的運轉(zhuǎn)對水泥行業(yè)的平穩(wěn)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，本文綜合介紹安科瑞ARD3智能型電動機保護器在某水泥廠的實際應(yīng)用，并闡述了ARD3智能型電動機保護器產(chǎn)品的特點及其智能化保護、測量、控制和通訊等，供工程設(shè)計中參考。

一、引言

     隨著現(xiàn)代化水泥工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模增大，生產(chǎn)設(shè)備也越來越大型化，因此所需用的拖動電動機的功率也越來越大。水泥廠生產(chǎn)工藝流程較復(fù)雜，可以總結(jié)水泥生產(chǎn)過程為生料制備（一磨）、熟料煅燒（一燒）、水泥粉磨（二磨）。因此，低壓電動機作為水泥生產(chǎn)過程中常用的機組，數(shù)量多、種類復(fù)雜，隨著科學技術(shù)的不斷進步和工藝控制過程的不斷完善，尤其是自動化生產(chǎn)要求，迫切需要開發(fā)和完善電動機的控制和保護設(shè)備，實現(xiàn)對整個自動化生產(chǎn)過程和大型機械的遙控、遙測、遙調(diào)、故障診斷以及集中控制等功能^[1]。

    水泥生產(chǎn)是一項較龐大的工程，生產(chǎn)流程的環(huán)境比較惡劣，粉塵污染嚴重，通風條件差，工作場所溫度較高，而且需要設(shè)定大量的工作站點，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點中使用了大量低壓電動機來控制其他設(shè)備的運行，運用簡單的電壓表、電流表、電能表和頻率表等受到通信功能不夠靈活、儀表功能單一等多種條件的約束，已經(jīng)無法滿足電廠設(shè)備自動化生產(chǎn)的要求。水泥行業(yè)生產(chǎn)過程的特點為長周期運行，一旦開機，在沒有特殊情況下，一般不會停機，現(xiàn)代化大型水泥企業(yè)年運轉(zhuǎn)率很高，這樣就有高質(zhì)量的、可靠的電氣設(shè)備保證其生產(chǎn)過程的連續(xù)不間斷性，一旦故障停機就會造成巨大的經(jīng)濟損失。特別是大型高壓電動機，一般都拖動球磨機、回轉(zhuǎn)窯、風機等重載啟動設(shè)備，對其制造質(zhì)量和使用要求都很高，正確的安裝、使用、維護、保養(yǎng)，才能保證長周期的運轉(zhuǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。而智能型電動機保護器可實現(xiàn)重載起動，實現(xiàn)對電動機的溫度保護，還提供多種測控功能和控制模式，能夠滿足水泥生產(chǎn)過程對電機設(shè)備的保護、控制要求，不僅能提高電機設(shè)備的運行能力、延長電機設(shè)備的使用壽命，而且能提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源。本文以ARD3智能型電動機保護器在水泥生產(chǎn)中的實際應(yīng)用進行具體介紹。

二、水泥生產(chǎn)對保護器的功能要求

    水泥行業(yè)電機是大容量、高負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備，電動機長期承受多大負荷，就會使溫度上升過高而損壞絕緣，縮短電動機的使用壽命，因此，對水泥生產(chǎn)過程中電機設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及功能要求非常高。在生產(chǎn)運行或設(shè)備檢修過程中，常見的電動機故障可分為以下幾種：

   1、機械故障

   1）掃膛：由于軸承損壞、軸彎或者檢修人員裝配不當，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦；

   2）軸承損壞：由于軸承裝配不當、定/轉(zhuǎn)子鐵心軸向錯位或重新對轉(zhuǎn)軸機加工后精度不夠、電動機本體運行溫升過高等；

   3）振動：由于電動機本身或傳動裝置不良等。

   2、電氣故障

   1）缺相運行：電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運行時間過長或過于頻繁起動，將會導(dǎo)致電動機繞組燒毀；

   2）繞組短路或接地：匝間短路的大原因是電機溫度異常升高而導(dǎo)致的，而接地故障大多是由于繞組絕緣損壞；

   3）三相電流不平衡：由于電動機外部電源電壓不平衡或內(nèi)部繞組匝間短路或電動機維修時線圈匝數(shù)錯誤或接線錯誤等。

   因此，對某水泥廠電機設(shè)備進行的維護是很有必要的，對ARD3智能型電動機保護器具體功能要求如下：

  （1）完善的電機保護功能

    保護器通過采集電路中的三相交流電流、三相交流電壓、剩余電流、PTC熱電阻阻值、電動機電能等電力參數(shù)，以及電動機運行過程中的各種運動狀態(tài)等信號，經(jīng)保護器內(nèi)部處理運算，從而實現(xiàn)對電動機起動超時、過載、阻塞、欠載、斷相、三相電流不平衡、剩余電流（接地/漏電）、溫度、外部故障、相序、過壓、欠壓、欠功率、過功率等綜合保護，進而保證水泥廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運行。

   （2）及時排除電動機運行故障功能

    水泥生產(chǎn)現(xiàn)場電動機運行過程中通過電動機保護器對電機設(shè)備進行檢測，當電動機出現(xiàn)狀況時應(yīng)及時發(fā)出報警信號，并記錄故障信息，方便維護人員查找故障原因并作出及時的處理，保證故障發(fā)生時電機設(shè)備動作的可靠性和靈敏性。

   （3）對各設(shè)備進行遠程監(jiān)測功能

    水泥生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，保護器不僅要提供電機設(shè)備的保護功能，而且要能夠過RS-485通訊接口，經(jīng)過Modbus-RTU/Profibus-DP通訊協(xié)議與上位機管理系統(tǒng)進行通訊連接，實現(xiàn)實時監(jiān)測電動機的運行狀態(tài)以及運行過程中的電力參數(shù)，保證后臺操作人員能讀取、修改水泥成產(chǎn)現(xiàn)場電動機保護器的各種整定參數(shù)并通過后臺人機界面實時觀察當前現(xiàn)場電動機控制回路的工作狀態(tài)、供電電源質(zhì)量等，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

三、典型工程應(yīng)用案例

    在水泥行業(yè)工程應(yīng)用中，由于水泥生產(chǎn)流程復(fù)雜，電動機裝置數(shù)量較多，因此需要選用安科瑞ARD3智能型電動機保護器來對工業(yè)現(xiàn)場電機設(shè)備進行保護，既能使電動機充分發(fā)揮其過載能力，又能提高電力拖動系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)過程的連續(xù)性。水泥廠采用保護器用于電機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動機的過載保護和控制元件，而且利用的通訊技術(shù)，實現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電機設(shè)備控制的自動化。通過將90L顯示模塊嵌入安裝在開關(guān)抽屜的活動面板內(nèi)，來簡化了水泥廠控制柜內(nèi)接線，使得配電室內(nèi)設(shè)備運行情況及故障狀態(tài)清晰可見，方便工程師隨時調(diào)整系統(tǒng)、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控以及檢修維護。將ARD3保護器應(yīng)用于某水泥廠生產(chǎn)線電機設(shè)備的控制回路中，實現(xiàn)了水泥廠對電機保護的要求：（見圖1 ARD3智能型電動機保護器應(yīng)用于某水泥廠電動機設(shè)備控制回路接線圖）

   （1）過載保護功能

   ARD3智能型電動機保護器通過讀取電流互感器檢測到的三相電流值，判斷電動機出現(xiàn)過載運行后，實現(xiàn)了在設(shè)定的報警或脫扣（延時）時間內(nèi)發(fā)出報警或脫扣信號。

   （2）堵轉(zhuǎn)保護功能

    水泥廠電動機在起動過程中，如果由于現(xiàn)場工作環(huán)境影響以及電機設(shè)備自身的原因造成電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，保護器能夠及時判斷出電動機起動發(fā)生此類故障并及時作出相應(yīng)處理。

   （3）三相不平衡保護功能

    斷相/不平衡故障運行時對電動機的危害很大，當電動機發(fā)生斷相或三相電流嚴重不平衡時，當不平衡率達到保護器設(shè)定值時，保護器按照設(shè)定的要求保護，發(fā)出停車或報警，確保電動機的安全運行。

   （4）故障判斷及記錄功能

    當電動機出現(xiàn)某種故障時，保護器切斷電動機電源的同時處于保護狀態(tài)并保存故障類型、時間及電機運行參數(shù)等信息，電機保護器通過識別與記憶電路對故障予以設(shè)別、記憶和指示，方便了檢修人員查出故障原因。故障排除后，按下顯示模塊上的復(fù)位按鈕即可復(fù)位保護器，故障指示燈消失，保證了電動機能夠再次啟動。

   （5）抗晃電功能

    在某水泥廠水泥生產(chǎn)過程中，在電網(wǎng)故障造成電壓瞬間較大幅度的波動或者短時間斷電又恢復(fù)，可以使電動機保護器重新起動，保證電動機的平穩(wěn)運行。

   （6）在線監(jiān)測功能

    控制室操作人員可通過保護器的通訊，在后臺人機界面上實現(xiàn)對水泥生產(chǎn)線上保護器的各種保護整定參數(shù)的讀取和設(shè)定，同時在線監(jiān)測電機運行負載和供電電源質(zhì)量，并記錄各電機型號、運行方式和歷史維護記錄以及出現(xiàn)的故障信息，為水泥生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)提供了可靠依據(jù)。

圖1  ARD3智能型電動機保護器應(yīng)用于某水泥廠電動機設(shè)備控制回路接線圖

    水泥生產(chǎn)工藝流程較多，所以將保護器的應(yīng)用于電動機保護設(shè)備控制回路的同時要能夠滿足水泥廠的大型控制系統(tǒng)的要求。如圖2是某水泥廠控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)場由多個控制站點組成，通過標準RS-485通訊接口與PC機、接觸器、電動機以及其他設(shè)備構(gòu)成集中式控制系統(tǒng)，工程師通過監(jiān)控計算機以及生產(chǎn)管理軟件完成對整個系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和監(jiān)視功能，并在滿足權(quán)限和邏輯時，通過遠程控制軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場相應(yīng)的電機設(shè)備等的控制。由于現(xiàn)代水泥工廠采用的大型電機設(shè)備較多，大于110KW及以上的電機，均采用在主回路裝設(shè)電流互感器?？紤]到水泥生產(chǎn)工藝的不同和企業(yè)投入的資金，電動機需要不同的起動方式，ARD3智能型電動機保護器提供靈活的聯(lián)鎖功能，實現(xiàn)直接啟動、雙向啟動、星/三角啟動、自耦變壓器啟動等，使大型設(shè)備的電機得到了保護和控制^[2]。

圖2 某水泥廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    由圖3 所示為ARD3智能型電動機保護器在水泥廠的實際工程應(yīng)用，主要由服務(wù)器、各個控制站點、保護器和現(xiàn)場設(shè)備組成，服務(wù)器通過現(xiàn)場總線采集現(xiàn)場各電機設(shè)備的運行工況，并為工程師站和操作員站提供服務(wù)，其中帶有Modbus總線的保護器通過通訊管理機接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，Profibus總線直接接入服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器與工程師站、操作員站通過交換機連接在同一個網(wǎng)絡(luò)中。

圖3  ARD3智能型電動機保護器工程應(yīng)用

    系統(tǒng)功能：（1）各電動機的工況顯示：三相交流電流、三相交流電壓、零序電流、功率、電動機電能、接觸器狀態(tài)、保護器的各個報警信息等；（2）各電機保護整定數(shù)據(jù)的調(diào)整、修改和整定；（3）完善的數(shù)據(jù)存儲機制，可實時查看各電機設(shè)備的管理信息和報警信息、故障信息；（4）電能統(tǒng)計、電源供電質(zhì)量等；（5）故障未發(fā)生時提前報警。綜上所述，將保護器應(yīng)用于水泥生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)中后方便了工程師對控制系統(tǒng)進行維護、管理^[2]。

四、ARD3智能型電動機保護器在某水泥行業(yè)運行效果

    水泥生產(chǎn)線上使用的電機設(shè)備使用的周期、壽命越長，其為企業(yè)帶來的經(jīng)濟價值也就越高，因此對電動機的保護也是相當重要。ARD3智能型電動機保護器運用到水泥行業(yè)，給水泥的自動化生產(chǎn)過程帶來如下運行效果：

   （1）系統(tǒng)信息集中化

    水泥廠電氣設(shè)計除了用于一般供配電外，還要完成大量電機設(shè)備的拖動控制設(shè)計。采用ARD3智能型電動機保護器的通訊功能進行組網(wǎng)后，用戶可以通過上位機讀取各個裝置節(jié)點的參數(shù)，如：電動機三相交流電流、三相交流電壓、電動機運行狀態(tài)、電動機電能、電動機運行故障信息等，工程師根據(jù)這些信息實現(xiàn)了對現(xiàn)場所有的電機設(shè)備的運行情況實時分析處理，不再需要現(xiàn)場每個裝置處配備一個工程師來進行實時監(jiān)視，提高了整個控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。保護器模擬量輸出4-20mA模擬量信號給控制系統(tǒng)，便于工程師集中控制。

    （2）智能化控制保護

    保護器直接串接于控制回路，電動機出現(xiàn)過電流、斷相、超溫等故障時，將及時終止電動機的運行，并對各種故障信息作出相應(yīng)的指示。保護器能自動識別手動控制回路和自動控制回路，對于自動控制回路，能記憶自鎖，避免電動機在故障狀態(tài)時重復(fù)起動，加劇電動機損壞。同時，水泥廠大型電機檢測元件采用穿芯式結(jié)構(gòu)的電流互感器，與主電路形成*隔離，提高了自身的可靠性，又*解決了接線端子的發(fā)熱問題，且互換性好^[3]。

    （3）故障記錄便于現(xiàn)場問題分析

    電動機工作在環(huán)境惡劣的水泥生產(chǎn)中，很容易出現(xiàn)故障，并且故障原因多樣化。采用ARD3智能型電動機保護器，電動機發(fā)生故障后，將備用電動機及時投入而不影響運行機制，保護器強大的故障記錄功也為維護人員節(jié)省了大量的時間，提高了生產(chǎn)的效率及系統(tǒng)運行可靠性。

五、結(jié)束語

    隨著電子技術(shù)及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展。電動機保護器也在朝著多元化方向發(fā)展，電動機保護器在水泥企業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，合理選擇電機設(shè)備的保護功能和保護方式，可提高設(shè)備運行的可靠性，能夠預(yù)防并杜絕電機燒毀，同時減少了因非計劃停車而造成的損失，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

參考文獻：

[1]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電器安全系統(tǒng)解決方案產(chǎn)品手冊.安科瑞電氣股份有限公司.2013.01

[2]楊建華,劉葳.電動機保護器在水泥行業(yè)的應(yīng)用.水泥技術(shù).2009(05)

[3]電動機保護器的歷史及現(xiàn)狀.上海神引雙華電器有限公司

作者簡介：周菁，女，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電機保護節(jié)能控制。