摘要

     電動(dòng)機(jī)設(shè)備是水泥企業(yè)中應(yīng)用廣泛的動(dòng)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(dòng)機(jī)作為水泥行業(yè)設(shè)備的動(dòng)力來源，其安全、穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)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(dòng)機(jī)保護(hù)器在某水泥廠的實(shí)際應(yīng)用，并闡述了ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品的特點(diǎn)及其智能化保護(hù)、測(cè)量、控制和通訊等，供工程設(shè)計(jì)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(dòng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)作為水泥生產(chǎn)過程中常用的機(jī)組，數(shù)量多、種類復(fù)雜，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝控制過程的不斷完善，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)要求，迫切需要開發(fā)和完善電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程和大型機(jī)械的遙控、遙測(cè)、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(xiàng)較龐大的工程，生產(chǎn)流程的環(huán)境比較惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，通風(fēng)條件差，工作場(chǎng)所溫度較高，而且需要設(shè)定大量的工作站點(diǎn)，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫(kù)控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點(diǎn)中使用了大量低壓電動(dòng)機(jī)來控制其他設(shè)備的運(yùn)行，運(yùn)用簡(jiǎn)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(dòng)化生產(chǎn)的要求。水泥行業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)為長(zhǎng)周期運(yùn)行，一旦開機(jī)，在沒有特殊情況下，一般不會(huì)停機(jī)，現(xiàn)代化大型水泥企業(yè)年運(yùn)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(jī)就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是大型高壓電動(dòng)機(jī)，一般都拖動(dòng)球磨機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、風(fēng)機(jī)等重載啟動(dòng)設(shè)備，對(duì)其制造質(zhì)量和使用要求都很高，正確的安裝、使用、維護(hù)、保養(yǎng)，才能保證長(zhǎng)周期的運(yùn)轉(zhuǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。而智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的溫度保護(hù)，還提供多種測(cè)控功能和控制模式，能夠滿足水泥生產(chǎn)過程對(duì)電機(jī)設(shè)備的保護(hù)、控制要求，不僅能提高電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行能力、延長(zhǎng)電機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體介紹。

二、水泥生產(chǎn)對(duì)保護(hù)器的功能要求

    水泥行業(yè)電機(jī)是大容量、高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期承受多大負(fù)荷，就會(huì)使溫度上升過高而損壞絕緣，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此，對(duì)水泥生產(chǎn)過程中電機(jī)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及功能要求非常高。在生產(chǎn)運(yùn)行或設(shè)備檢修過程中，常見的電動(dòng)機(jī)故障可分為以下幾種：

   1、機(jī)械故障

   1）掃膛：由于軸承損壞、軸彎或者檢修人員裝配不當(dāng)，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(dāng)、定/轉(zhuǎn)子鐵心軸向錯(cuò)位或重新對(duì)轉(zhuǎn)軸機(jī)加工后精度不夠、電動(dòng)機(jī)本體運(yùn)行溫升過高等；

   3）振動(dòng)：由于電動(dòng)機(jī)本身或傳動(dòng)裝置不良等。

   2、電氣故障

   1）缺相運(yùn)行：電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)或過于頻繁起動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組燒毀；

   2）繞組短路或接地：匝間短路的大原因是電機(jī)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(dòng)機(jī)外部電源電壓不平衡或內(nèi)部繞組匝間短路或電動(dòng)機(jī)維修時(shí)線圈匝數(shù)錯(cuò)誤或接線錯(cuò)誤等。

   因此，對(duì)某水泥廠電機(jī)設(shè)備進(jìn)行的維護(hù)是很有必要的，對(duì)ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具體功能要求如下：

  （1）完善的電機(jī)保護(hù)功能

    保護(hù)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(dòng)機(jī)電能等電力參數(shù)，以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)保護(hù)器內(nèi)部處理運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)、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(hù)，進(jìn)而保證水泥廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運(yùn)行。

   （2）及時(shí)排除電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障功能

    水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中通過電動(dòng)機(jī)保護(hù)器對(duì)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)狀況時(shí)應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并記錄故障信息，方便維護(hù)人員查找故障原因并作出及時(shí)的處理，保證故障發(fā)生時(shí)電機(jī)設(shè)備動(dòng)作的可靠性和靈敏性。

   （3）對(duì)各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能

    水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣，保護(hù)器不僅要提供電機(jī)設(shè)備的保護(hù)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(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行過程中的電力參數(shù)，保證后臺(tái)操作人員能讀取、修改水泥成產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的各種整定參數(shù)并通過后臺(tái)人機(jī)界面實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)控制回路的工作狀態(tài)、供電電源質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)裝置數(shù)量較多，因此需要選用安科瑞ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器來對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，既能使電動(dòng)機(jī)充分發(fā)揮其過載能力，又能提高電力拖動(dòng)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(hù)器用于電機(jī)保護(hù)控制回路，取代熱繼電器等作為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)和控制元件，而且利用的通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電機(jī)設(shè)備控制的自動(dòng)化。通過將90L顯示模塊嵌入安裝在開關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內(nèi)，來簡(jiǎn)化了水泥廠控制柜內(nèi)接線，使得配電室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況及故障狀態(tài)清晰可見，方便工程師隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控以及檢修維護(hù)。將ARD3保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠生產(chǎn)線電機(jī)設(shè)備的控制回路中，實(shí)現(xiàn)了水泥廠對(duì)電機(jī)保護(hù)的要求：（見圖1 ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠電動(dòng)機(jī)設(shè)備控制回路接線圖）

   （1）過載保護(hù)功能

   ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器通過讀取電流互感器檢測(cè)到的三相電流值，判斷電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)定的報(bào)警或脫扣（延時(shí)）時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警或脫扣信號(hào)。

   （2）堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能

    水泥廠電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，如果由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境影響以及電機(jī)設(shè)備自身的原因造成電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，保護(hù)器能夠及時(shí)判斷出電動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)生此類故障并及時(shí)作出相應(yīng)處理。

   （3）三相不平衡保護(hù)功能

    斷相/不平衡故障運(yùn)行時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害很大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相或三相電流嚴(yán)重不平衡時(shí)，當(dāng)不平衡率達(dá)到保護(hù)器設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器按照設(shè)定的要求保護(hù)，發(fā)出停車或報(bào)警，確保電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。

   （4）故障判斷及記錄功能

    當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)某種故障時(shí)，保護(hù)器切斷電動(dòng)機(jī)電源的同時(shí)處于保護(hù)狀態(tài)并保存故障類型、時(shí)間及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等信息，電機(jī)保護(hù)器通過識(shí)別與記憶電路對(duì)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(hù)器，故障指示燈消失，保證了電動(dòng)機(jī)能夠再次啟動(dòng)。

   （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(dòng)或者短時(shí)間斷電又恢復(fù)，可以使電動(dòng)機(jī)保護(hù)器重新起動(dòng)，保證電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

   （6）在線監(jiān)測(cè)功能

    控制室操作人員可通過保護(hù)器的通訊，在后臺(tái)人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥生產(chǎn)線上保護(hù)器的各種保護(hù)整定參數(shù)的讀取和設(shè)定，同時(shí)在線監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行負(fù)載和供電電源質(zhì)量，并記錄各電機(jī)型號(hào)、運(yùn)行方式和歷史維護(hù)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(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)用于某水泥廠電動(dòng)機(jī)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(hù)器的應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備控制回路的同時(shí)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(chǎng)由多個(gè)控制站點(diǎn)組成，通過標(biāo)準(zhǔn)RS-485通訊接口與PC機(jī)、接觸器、電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)以及生產(chǎn)管理軟件完成對(duì)整個(gè)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(shí)，通過遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的電機(jī)設(shè)備等的控制。由于現(xiàn)代水泥工廠采用的大型電機(jī)設(shè)備較多，大于110KW及以上的電機(jī)，均采用在主回路裝設(shè)電流互感器。考慮到水泥生產(chǎn)工藝的不同和企業(yè)投入的資金，電動(dòng)機(jī)需要不同的起動(dòng)方式，ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器提供靈活的聯(lián)鎖功能，實(shí)現(xiàn)直接啟動(dòng)、雙向啟動(dòng)、星/三角啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)等，使大型設(shè)備的電機(jī)得到了保護(hù)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(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥廠的實(shí)際工程應(yīng)用，主要由服務(wù)器、各個(gè)控制站點(diǎn)、保護(hù)器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成，服務(wù)器通過現(xiàn)場(chǎng)總線采集現(xiàn)場(chǎng)各電機(jī)設(shè)備的運(yùn)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(hù)器通過通訊管理機(jī)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(jī)連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

圖3  ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器工程應(yīng)用

    系統(tǒng)功能：（1）各電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電能、接觸器狀態(tài)、保護(hù)器的各個(gè)報(bào)警信息等；（2）各電機(jī)保護(hù)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(chǔ)機(jī)制，可實(shí)時(shí)查看各電機(jī)設(shè)備的管理信息和報(bào)警信息、故障信息；（4）電能統(tǒng)計(jì)、電源供電質(zhì)量等；（5）故障未發(fā)生時(shí)提前報(bào)警。綜上所述，將保護(hù)器應(yīng)用于水泥生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)中后方便了工程師對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、管理^[2]。

四、ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在某水泥行業(yè)運(yùn)行效果

    水泥生產(chǎn)線上使用的電機(jī)設(shè)備使用的周期、壽命越長(zhǎng)，其為企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也就越高，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)也是相當(dāng)重要。ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器運(yùn)用到水泥行業(yè)，給水泥的自動(dòng)化生產(chǎn)過程帶來如下運(yùn)行效果：

   （1）系統(tǒng)信息集中化

    水泥廠電氣設(shè)計(jì)除了用于一般供配電外，還要完成大量電機(jī)設(shè)備的拖動(dòng)控制設(shè)計(jì)。采用ARD3智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的通訊功能進(jìn)行組網(wǎng)后，用戶可以通過上位機(jī)讀取各個(gè)裝置節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，如：電動(dòng)機(jī)三相交流電流、三相交流電壓、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)電能、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障信息等，工程師根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有的電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)分析處理，不再需要現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)裝置處配備一個(gè)工程師來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。保護(hù)器模擬量輸出4-20mA模擬量信號(hào)給控制系統(tǒng)，便于工程師集中控制。

    （2）智能化控制保護(hù)

    保護(hù)器直接串接于控制回路，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過電流、斷相、超溫等故障時(shí)，將及時(shí)終止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，并對(duì)各種故障信息作出相應(yīng)的指示。保護(hù)器能自動(dòng)識(shí)別手動(dòng)控制回路和自動(dòng)控制回路，對(duì)于自動(dòng)控制回路，能記憶自鎖，避免電動(dòng)機(jī)在故障狀態(tài)時(shí)重復(fù)起動(dòng)，加劇電動(dòng)機(jī)損壞。同時(shí)，水泥廠大型電機(jī)檢測(cè)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(chǎng)問題分析

    電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)器，電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障后，將備用電動(dòng)機(jī)及時(shí)投入而不影響運(yùn)行機(jī)制，保護(hù)器強(qiáng)大的故障記錄功也為維護(hù)人員節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了生產(chǎn)的效率及系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器也在朝著多元化方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥企業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，合理選擇電機(jī)設(shè)備的保護(hù)功能和保護(hù)方式，可提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，能夠預(yù)防并杜絕電機(jī)燒毀，同時(shí)減少了因非計(jì)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(xiàn)：

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[2]楊建華,劉葳.電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在水泥行業(yè)的應(yīng)用.水泥技術(shù).2009(05)

[3]電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的歷史及現(xiàn)狀.上海神引雙華電器有限公司

作者簡(jiǎn)介：周菁，女，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)保護(hù)節(jié)能控制。