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　　智能电动机保护控制器在建筑节能中的应用：针对传统低效的电动机控制保护方式下，常见的因短路、过载、堵转、缺相等原因造成的电动机运行事故，提出基于DCS分布式控制系统集电动机监测、保护、控制为体的智能解决方案：可为不同设备的数据采集和通信提供开放透明的交互平台；具有实时采集记录功能和在线分析、判断及预测电动机设备故障的能力。实现对电动机实施主动性智能分析和诊断的监控保护，保障系统安全运行。

　　本公司3月1号11点55分报道：安科瑞智能电动机保护控制器选型要点@企业资讯

　　YI、智能电动机保护控制器在建筑节能中的应用概述：针对传统低效的电动机控制保护方式下，常见的因短路、过载、堵转、缺相等原因造成的电动机运行事故，提出基于DCS分布式控制系统集电动机监测、保护、控制为体的智能解决方案：可为不同设备的数据采集和通信提供开放透明的交互平台；具有实时采集记录功能和在线分析、判断及预测电动机设备故障的能力。实现对电动机实施主动性智能分析和诊断的监控保护，保障系统安全运行。电动机在现代自动化控制域中占有难以替代的位置。目，许多企业仍在沿用传统电动机保护和控制方式。每年因短路、过载、堵转、缺相等电动机运行故障导致的事故损失屡见不鲜，成为制约企业生产力和市场竞争力的瓶颈。传统的电动机控制多由电压互感器、电流互感器，电压表、电流表、有功功率表等指针式模拟电气仪表和测量转换开关构成测量单元；采用交流接触器、中间继电器和控制按钮或转换开关构成控制单元；采用断路器、熔断器、热继电器构成保护单元。现代工业自动化产品涵盖了工业传感器、控制器、检测器、调速系统、传动系统、伺服系统以及现场总线和组态软件等等。能够为工业自动化生产提供智能化监测和控制的解决方案。二、应用案例某中央空调制冷站节能改造项目摒弃了传统落后的电动机控制方式，采用基于现代工业自动化产品基础上的智能化监测、保护和控制解决方案。该项目属中外合资企业，中央制冷站配置有：YORK螺杆式制冷机组1920 kW（电功率 337 kW）×4台，冷冻水泵 55 kW×5台（4用1备），冷却水泵37 kW×5台（4用1备），冷却塔风机15 kW×4台。主要用于工艺性用冷，年耗电量约为350万 kWh ，年度电费约为 184 万元。经过HVAC（暖通空调）智能节能控制系统改造后，取得年节电率约32 ％的效果。三、HVAC节能控制系统

　　1、节能控制方案设计思路上世纪末，水泵变频调速控制技术已在国内 HVAC界中得到普遍应用，表面上看，似乎只要分别通过冷冻水、冷却水循环水泵和冷却塔风机各自的能耗控制，降低水泵和风机的运行能耗，就可以稳定地获取相应的节能收益。其实不然，HVAC系统是个较为复杂的系统工程，任何子系统都不能够孤立存在，要想实现HVA系统的经济运行工况，无论是制冷机组还是水泵机组，仅仅从局部去评估节能效果是不够的。此案例中电制冷机组与冷冻泵机组、冷却泵机组和冷却塔风机的标称能耗比为 337 ∶55 ∶37 ∶15 ；主机与辅机能耗比则为 3.15∶1。任何个不是以降低系统综合能耗指标为控制目标的 HVAC节能控制系统都要面对三种情况：（1）包括水泵/风机在内的辅机系统节能，电制冷主机能耗不变，系统总能耗下降，节能效益明显。（2）辅机系统节能，电制冷主机能耗增加，两者相抵，辅机系统变频调速节能效益付诸东流。（3）辅机系统节能，电制冷主机能耗剧增，系统总能耗不降反增。系统节能效益为负值，劳民伤财。因此，电制冷 HVAC系统节能控制应运用系统工程理论从系统层面出发，权衡协调各子系统之间的相互关系，避免单方面地强调某个方面，而忽略其它方面可能会给系统运行造成的负面影响，无论是冷冻水子系统还是冷却水子系统的节能控制，盲目追求水泵节能效益大化是不可取的。也就是说， 采用水泵变频调速控制技术不是节能目标而是节能手段，包括主机子系统在内的各子系统的节能控制要服从系统服务质量和安全运行，以及整体节能效益的大局。由于“电表是挂在系统上的，而不是挂在水泵上”，只有在保障系统服务质量和安全运行的提下，尽可能地降低用户电费支出，这样的HVAC 节能控制方案才能被用户接受。2、DCS 分布式控制系统该智能节能控制管理系统采用分布式控制系统（DCS ，Distributed Control System ）。 引入了计算机技术、自动控制技术和现代数据通信技术构成各种功能模块，实现对包括电动机运行参数在内的诸多生产过程参数的在线保护、监测、分析、统计和控制。其特点是现场由可编程逻辑控制器（PLC ，ProgrammableLogic Controller）、变频器（INV ，inverter）和 M203 智能电动机保护器（MPE ，Motor Protection Equipment）等具有微处理器功能的控制器实施分散控制，实时数据通过网络 Modbus 数据总线传输到控制管理层，实现分散控制，集中监控管理的目的。系统由监控管理层、网络通信层和现场控制层三部分构成，其网络架构见图 1 。

　　合理的电参量实时采集和优良的电动机保护是HVAC系统实现能效控制的基础， 虽然目市场上可供选择的数字式电动机综合保护装置产品并不少见，例如ABB的 ESD2000M102马达管理中心、Acrel的3 000 电力监控系统等。但是在变频调速控制系统的应用中不同程度地存在些问题。

　　在 HVAC系统中水泵电动机负载特性为泵式负载，空载或者欠载都可能会对电动机造成危害。所以，目大多数智能电动机保护器或电动机管理中心产品（以下统称 MPE ）标配了欠载报警和脱扣保护功能，如ABB M101/2系列甚至还配置了空载保护功能。其机理是根据电流和额定电流IN的比值判断是否启动欠载（空载）保护。JB /T10613 - 2006《数字式电动机综合保护装置通用技术条件》 中 5. 6.1.11欠功率保护（或欠电流保护）规定：“产品的欠功率保护（或欠电流保护）动作或报警功率值和延时时间误差不超过 ± 10 % 。

　　也就是说欠载保护动作整定值被设定为20％I N ，目部分产品仅向用户提供报警、脱扣和先报警后脱扣三种保护方式供选择。该项目选择的是100 A规格产品，欠载电流值给定为20A。通常在工频工况下考虑到电动机空载电流等因素，将37 kW、 69. 8 A 电动机的欠载电流值设定为20 A还是合理的。可是在变频调速工况下，当变频器输出U / f（电压和频率）均较低时，电动机的运行电流要比工频额定电压工况下小的多，这样在低负荷工作区内MPE 就会反复出现欠载保护误动作故障。该项目现场实测部分数据见表 1 。

　　可见，当水泵电动机在 36 Hz 以下运行时，MPE就会出现错误的欠载保护动作。 更严重的是，由于“狼来了”效应造成故障报警指示灯常亮，致使保护器其他保护报警功能丧失作用。当然还可以按69.8A×20%整定欠载电流值为13.96 A ，但是，依然不能满足更低U/f 条件下的低负荷工况。解决的方法有：

　　b.屏蔽 MPE 欠载保护功能，设定为只报警不脱扣。这样可以排除保护器欠载保护脱扣误动作故障，规避了因脱扣保护误动作导致的停机事故。但是因故障报警指示灯常亮， 致使保护器其他保护报警功能丧失作用的缺陷仍然无法排除。

　　c.选用能够向用户提供“报警”、“脱扣”、“先报警后脱扣”功能选择开关的产品。 手动屏蔽其欠载保护功能，即将此功能设置在 “关闭”状态。其他保护功能保持开启状态。

　　显然上述三种解决方法均与JB /T10613 -2006规范要求不符，尚有待进步完善。

　　MPE在线计量的是包括变频器在内的电动机实际消耗电能。在传统的感应式三相有功电量计量表中作用于旋转铝盘的转动力矩M与被测量电路的有功功率成正比：MKUIcos，其中：K为比例常数，U为线电压/V，I 为线电流/ A ，cos为电动机功率因数。而 MPE 是建立在现代数字信号处理技术基础上，采用数学模型，对于非正弦波信号普遍采用了真有效值计算模式，且在此基础上累计电量。另外，还要对因互感器、电路系统等引起的相位误差进行数值修正，公式略。在该案例中我们关注的是系统交流输入侧电压、电流以及功率和耗电量。变频器输入侧电流的波形受到多种因素影响，其电流大小随负荷变化而变化，导致电流分量波形畸变，含有大量的谐波分量。显然，在不同的输入电压波形和不同的输出U /f ，以及不同负荷条件下，输入电流波形是完全不同的。例如，在感性负荷电路中其输入电流波形中的高次谐波会得到定程度的抑制，如图 2（a ）所示。可是图 2（b）给出的波形中不但包含大量的低次谐波，而且其谐波含量和幅值均是随着负荷大小的变化而变化。在这种情况下，企图仅仅利用滤除低次谐波的方式去排除计量误差就缺乏明确的物理意义和误差计算标准，难以用于计量仪表，故多用于监测和简单估计。相比之下，采用整流式仪表，测量结果实际上是基波与所有谐波有效值之和。 虽然与测量基波有效值的要求仍有定距离，但由于它有明确的物理意义，因此有定的参考价值。

　　因此，通过解析表达式定量地计算变频器输入侧电流比较困难， 在工程上也不实用。 由于采样算法的不同，导致 MPE 与配电柜感应式三相有功电量表两者之间计量出现较大偏差， 在该案例中日偏差量甚至可达到数十 kWh 。鉴于该项目配电柜计量表计 （感应式模拟表计）为缴费依据，故与生产商协作，选用了具有相似算法的 M203 MPE，使得上述缺陷得以改善，实时的电参量采集与传输技术要求得以满足。

　　与传统的脉冲输出电量表相比，MPE具有更高的电信号采集与传输速率，与传统热继电器不同的是 MPE 功能完善，集检测、保护和控制等功能于体，测量参数丰富，保护功能完善， 控制功能基本齐全。在针对性地解决了上述技术羁绊的基础上，该案例采用了 M203 高性能智能电动机综合保护器，为该项目节能提供了较为理想的技术手段。

　　M203配置CT125“3＋0”体化互感器，在不同规格中均可测量7倍电动机额定电流以上的电流过载，傲世皇朝平台！当电动机I e≤315 A则无需另外配置电流互感器。如果选用支持标准电流互感器（5A /1A）的转接器CT130还能满315 A＜I e≤630A的电动机保护和测量。除了可在线监测常规的三相线电压、相电压、三相电流以及电网频率、有功功率等电参数之外，M203还能同时提供三相电压不平衡度、相序、三相电流不平衡度、零序电流和功率因数、视在功率、无功功率，以及消耗电量、运行时间等监测参量，并具有记录电网晃电次数的功能。

　　M203具备电动机保护功能：过载、欠载、电流不平衡、过压、欠压、电压不平衡、堵转与短路智能识别、接地保护、PTC/NTC 温度保护、增安型t E 保护、相序保护、启动超时等报警和保护功能。

　　与同类产品相比，M203具备鲜明的保护特性。基于Microchip公司的工业高性能16 位 DSP芯片，内置12位A/D转换器硬件基础，以及多种电动机负荷工作状态热力学数学模型，较好地模拟了电动机发热散热规律，保护器反时限脱扣，使其具备丰富的智能运算和诊断功能，见图 3 ～ 图 6 。

　　采用时域特征智能识别算法，自动生成特征参数，无需人工干预即可准确区分电动机启动电流与堵转故障特性（见图 6），及时做出相应保护反应。

　　拥有的短路故障“多特征融合模式识别技术”，通过综合采集电动机的过载、相间平衡度和功率因数等多参量并进行分析，迅速准确地捕捉电动机相间短路故障特征并做出及时保护反应。 尤其是在短路电流和启动电流值相当， 甚至小于启动电流的情况而无法采用幅度鉴别保护时将十分有用。

　　具备6个开关量隔离输入，可实现远程开机、停机、复位和工艺联锁控制。支持全压直接启动、 Y-△降压启动、自耦降压启动，以及正反转、软启动和变频等多种电动机启动、 运行方式。Y -△降压启动、自耦降压启动除具有“转换时间”工作模式外，还支持电流检测自动转换工作模式，摒弃了传统时间/中间继电器控制环节，使得二次控制电路简洁明了。在减少设备元器件故障率的同时还可避免人工设置启动时间的繁琐和误操作。

　　通过M203标配的 RS485通信接口和 Modbus-RTU通信协议，上位机可对多台 M203 实施遥测、遥信、遥调、遥控，实现测量、控制自动化。还可通过编程设定将三相电流、电压、平均值、功率等电参数变换为 4 ～ 20 mA 电流模拟量输出，为系统的电参数采集与组态提供方便。

　　尽管理论上个串口可以连接127台M203，但是在实际工程中，建议每个串口联机台数以≤32为宜。在调试中可视实际态势在网络始端台和末端台M203 通信 A、B 端口之间并联枚1/16 W120Ω金属膜电阻，达到平衡网络的目的。

　　M203 128×64点阵式蓝屏 LCD 提供中文对话窗口，向用户开放各种报警/保护参量的额定设置和查询功能，并以声光型式提供故障信息。M203采用96×96面板安装型式，使得机柜面板布置更加简洁，巡检更加方便，在空间狭小的MNS柜中安装时更具空间优势。

　　智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

　　可实现：2路4～20mA输入测量，2路4～20mA变送输出4～20mA输入测量精度±0.5% 4～20mA输出带载能力为≤500Ω

　　结语在市场竞争日趋激烈的环境中改善生产控制系统效益，优化生产设备在线利用率和提高设备生产力是企业需要面对的现实，基于DCS 系统的现代电动机智能监测、保护和控制系统为此提供了精良的利器。电动机智能控制的解决方案能够为不同设备的A / D数据采集和通信提供开放透明的沟通平台，无缝兼容众多第三方设备，通过各方丰富的数据信息之间的友好交换和主动性智能分析诊断功能，为用户提供实时/历史准确的数据，使其具有判断、分析和预测设备故障的能力，实现维护保养、故障预判和定位的愿景。其高度无缝集成平台能够任意搭建各种智能化监控系统，以满足不同用户的多种个性化需求，让用户从电动机智能化监控系统中获益。参考文献[1] 吕伟，王磊 ．种基于现场总线技术的智能电动机控制和保护装置 ．低压电器 ． 2005 （ 1 ）： 47 - 50．[2]刘新民.智能电动机保护器在建筑节能中的应用[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版电话：QQ：3008034352邮箱：作者：陈沁雨