智能型电动机保护器在某水泥厂的应用

摘要：电动机设备是水泥企业中应用*广泛的动力装置，而水泥生产企业属于能耗高、污染大又需要设备连续不间断工作的行业，电动机作为水泥行业设备的动力来源，其安全、稳定可靠的运转对水泥行业的平稳生产起着至关重要的作用，本文综合介绍安科瑞ARD3智能型电动机保护器在某水泥厂的实际应用，并阐述了ARD3智能型电动机保护器产品的特点及其智能化保护、测量、控制和通讯等，供工程设计中参考。

关键词：水泥行业、电动机保护、智能化、通讯

一、引言

随着现代化水泥工业生产规模增大，生产设备也越来越大型化，因此所需用的拖动电动机的功率也越来越大。水泥厂生产工艺流程较复杂，可以总结水泥生产过程为生料制备（一磨）、熟料煅烧（一烧）、水泥粉磨（二磨）。因此，低压电动机作为水泥生产过程中*常用的机组，数量多、种类复杂，随着科学技术的不断进步和工艺控制过程的不断完善，尤其是自动化生产要求，迫切需要开发和完善电动机的控制和保护设备，实现对整个自动化生产过程和大型机械的遥控、遥测、遥调、故障诊断以及集中控制等功能[1]。

水泥生产是一项较庞大的工程，生产流程的环境比较恶劣，粉尘污染严重，通风条件差，工作场所温度较高，而且需要设定大量的工作站点，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料库控制站、水泥磨控制站、水泥包装控制站等，然而在这些站点中使用了大量低压电动机来控制其他设备的运行，运用简单的电压表、电流表、电能表和频率表等受到通信功能不够灵活、仪表功能单一等多种条件的约束，已经无法满足电厂设备自动化生产的要求。水泥行业生产过程的特点为长周期运行，一旦开机，在没有特殊情况下，一般不会停机，现代化大型水泥企业年运转率很高，这样就必须有高质量的、可靠的电气设备保证其生产过程的连续不间断性，一旦故障停机就会造成巨大的经济损失。特别是大型高压电动机，一般都拖动球磨机、回转窑、风机等重载启动设备，对其制造质量和使用要求都很高，必须正确的安装、使用、维护、保养，才能保证长周期的运转，为企业创造更高的经济效益。而智能型电动机保护器可实现重载起动，实现对电动机的温度保护，还提供多种测控功能和控制模式，能够满足水泥生产过程对电机设备的保护、控制要求，不仅能提高电机设备的运行能力、延长电机设备的使用寿命，而且能提高企业生产效率、节约能源。本文以ARD3智能型电动机保护器在水泥生产中的实际应用进行具体介绍。

二、水泥生产对保护器的功能要求

水泥行业电机是大容量、高负荷连续运转的设备，电动机长期承受多大负荷，就会使温度上升过高而损坏绝缘，缩短电动机的使用寿命，因此，对水泥生产过程中电机设备的可靠性、稳定性及功能要求非常高。在生产运行或设备检修过程中，常见的电动机故障可分为以下几种：

1、机械故障

1）扫膛：由于轴承损坏、轴弯或者检修人员装配不当，导致定转子产生摩擦；

2）轴承损坏：由于轴承装配不当、定/转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够、电动机本体运行温升过高等；

3）振动：由于电动机本身或传动装置不良等。

2、电气故障

1）缺相运行：电动机发生堵转时电流比正常工作的电流大得多。在此情况下，运行时间过长或过于频繁起动，将会导致电动机绕组烧毁；

2）绕组短路或接地：匝间短路的*大原因是电机温度异常升高而导致的，而接地故障大多是由于绕组绝缘损坏；

3）三相电流不平衡：由于电动机外部电源电压不平衡或内部绕组匝间短路或电动机维修时线圈匝数错误或接线错误等。

因此，对某水泥厂电机设备进行有效的维护是很有必要的，对ARD3智能型电动机保护器具体功能要求如下：

（1）完善的电机保护功能

保护器通过采集电路中的三相交流电流、三相交流电压、剩余电流、PTC热电阻阻值、电动机电能等电力参数，以及电动机运行过程中的各种运动状态等信号，经保护器内部处理运算，从而实现对电动机起动超时、过载、阻塞、欠载、断相、三相电流不平衡、剩余电流（接地/漏电）、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、过功率等全面综合保护，进而保证水泥厂生产工作的安全连续运行。

（2）及时排除电动机运行故障功能

水泥生产现场电动机运行过程中通过电动机保护器对电机设备进行检测，当电动机出现状况时应及时发出报警信号，并记录故障信息，方便维护人员查找故障原因并作出及时的处理，保证故障发生时电机设备动作的可靠性和灵敏性。

（3）对各设备进行远程监测功能

水泥生产现场环境较恶劣，保护器不仅要提供电机设备的保护功能，而且要能够过RS-485通讯接口，经过Modbus-RTU/Profibus-DP通讯协议与上位机管理系统进行通讯连接，实现实时监测电动机的运行状态以及运行过程中的电力参数，保证后台操作人员能读取、修改水泥成产现场电动机保护器的各种整定参数并通过后台人机界面实时观察当前现场电动机控制回路的工作状态、供电电源质量等，实现远程监控。

三、典型工程应用案例

在水泥行业工程应用中，由于水泥生产流程复杂，电动机装置数量较多，因此需要选用安科瑞ARD3智能型电动机保护器来对工业现场电机设备进行有效保护，既能使电动机充分发挥其过载能力，又能提高电力拖动系统的可靠性和生产过程的连续性。水泥厂采用保护器用于电机保护控制回路，取代热继电器等作为电动机的过载保护和控制元件，而且利用先进的通讯技术，实现了水泥生产中电机设备控制的自动化。通过将90L显示模块嵌入安装在开关抽屉的活动面板内，来简化了水泥厂控制柜内接线，使得配电室内设备运行情况及故障状态清晰可见，方便工程师随时调整系统、设定参数和显示、监控以及检修维护。将ARD3保护器应用于某水泥厂生产线电机设备的控制回路中，实现了水泥厂对电机保护的要求：（见图1 ARD3智能型电动机保护器应用于某水泥厂电动机设备控制回路接线图）

（1）过载保护功能

ARD3智能型电动机保护器通过读取电流互感器检测到的三相电流值，判断电动机出现过载运行后，实现了在设定的报警或脱扣（延时）时间内发出报警或脱扣信号。

（2）堵转保护功能

水泥厂电动机在起动过程中，如果由于现场工作环境影响以及电机设备自身的原因造成电机出现堵转现象，保护器能够及时判断出电动机起动发生此类故障并及时作出相应处理。

（3）三相不平衡保护功能

断相/不平衡故障运行时对电动机的危害很大，当电动机发生断相或三相电流严重不平衡时，当不平衡率达到保护器设定值时，保护器按照设定的要求保护，发出停车或报警，确保电动机的安全运行。

（4）故障判断及记录功能

当电动机出现某种故障时，保护器切断电动机电源的同时处于保护状态并保存故障类型、时间及电机运行参数等信息，电机保护器通过识别与记忆电路对故障予以设别、记忆和指示，方便了检修人员查出故障原因。故障排除后，按下显示模块上的复位按钮即可复位保护器，故障指示灯消失，保证了电动机能够再次启动。

（5）抗晃电功能

在某水泥厂水泥生产过程中，在电网故障造成电压瞬间较大幅度的波动或者短时间断电又恢复，可以使电动机保护器重新起动，保证电动机的平稳运行。

（6）在线监测功能

控制室操作人员可通过保护器的通讯，在后台人机界面上实现对水泥生产线上保护器的各种保护整定参数的读取和设定，同时在线监测电机运行负载和供电电源质量，并有效记录各电机型号、运行方式和历史维护记录以及出现的故障信息，为水泥生产线的安全生产提供了可靠依据。

图1 ARD3智能型电动机保护器应用于某水泥厂电动机设备控制回路接线图

水泥生产工艺流程较多，所以将保护器有效的应用于电动机保护设备控制回路的同时要能够满足水泥厂的大型控制系统的要求。如图2是某水泥厂控制系统的整体结构图，现场由多个控制站点组成，通过标准RS-485通讯接口与PC机、接触器、电动机以及其他设备构成集中式控制系统，工程师通过监控计算机以及生产管理软件完成对整个系统设备的数据采集、处理、显示和监视功能，并在满足权限和逻辑时，通过远程控制软件实现对现场相应的电机设备等的控制。由于现代水泥工厂采用的大型电机设备较多，大于110KW及以上的电机，均采用在主回路装设电流互感器。考虑到水泥生产工艺的不同和企业投入的资金，电动机需要不同的起动方式，ARD3智能型电动机保护器提供灵活的联锁功能，实现直接启动、双向启动、星/三角启动、自耦变压器启动等，使大型设备的电机得到了有效保护和控制[2]。

图2 某水泥厂控制系统结构图

由图3 所示为ARD3智能型电动机保护器在水泥厂的实际工程应用，主要由服务器、各个控制站点、保护器和现场设备组成，服务器通过现场总线采集现场各电机设备的运行工况，并为工程师站和操作员站提供服务，其中带有Modbus总线的保护器通过通讯管理机接入监控网络，Profibus总线直接接入服务器网络，服务器与工程师站、操作员站通过交换机连接在同一个网络中。

图3 ARD3智能型电动机保护器工程应用

系统功能：（1）各电动机的工况显示：三相交流电流、三相交流电压、零序电流、功率、电动机电能、接触器状态、保护器的各个报警信息等；（2）各电机保护整定数据的调整、修改和整定；（3）完善的数据存储机制，可实时查看各电机设备的管理信息和报警信息、故障信息；（4）电能统计、电源供电质量等；（5）故障未发生时提前报警。综上所述，将保护器应用于水泥生产自动控制系统中后方便了工程师对控制系统进行维护、管理[2]。

四、ARD3智能型电动机保护器在某水泥行业运行效果

水泥生产线上使用的电机设备使用的周期、寿命越长，其为企业带来的经济价值也就越高，因此对电动机的保护也是相当重要。ARD3智能型电动机保护器运用到水泥行业，给水泥的自动化生产过程带来如下运行效果：

（1）系统信息集中化

水泥厂电气设计除了用于一般供配电外，还要完成大量电机设备的拖动控制设计。采用ARD3智能型电动机保护器的通讯功能进行组网后，用户可以通过上位机读取各个装置节点的参数，如：电动机三相交流电流、三相交流电压、电动机运行状态、电动机电能、电动机运行故障信息等，工程师根据这些信息实现了对现场所有的电机设备的运行情况实时分析处理，不再需要现场每个装置处配备一个工程师来进行实时监视，提高了整个控制系统的安全性、可靠性。保护器模拟量输出4-20mA模拟量信号给控制系统，便于工程师集中控制。

（2）智能化控制保护

保护器直接串接于控制回路，电动机出现过电流、断相、超温等故障时，将及时终止电动机的运行，并对各种故障信息作出相应的指示。保护器能自动识别手动控制回路和自动控制回路，对于自动控制回路，能记忆自锁，避免电动机在故障状态时重复起动，加剧电动机损坏。同时，水泥厂大型电机检测元件采用穿芯式结构的电流互感器，与主电路形成完全隔离，提高了自身的可靠性，又彻底解决了接线端子的发热问题，且互换性好[3]。

（3）故障记录便于现场问题分析

电动机工作在环境恶劣的水泥生产中，很容易出现故障，并且故障原因多样化。采用ARD3智能型电动机保护器，电动机发生故障后，将备用电动机及时投入而不影响运行机制，保护器强大的故障记录功也为维护人员节省了大量的时间，提高了生产的效率及系统运行可靠性。