基于PLC的一种电动机过载保护方法及应用

谷龙飞

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

电动机过载保护是为了避免出现连续的使电机过热而损坏的电流，并防止电动机发生过载故障的一种保护手段。按《工业与民用配电设计手册》要求，运行中容易过载的电动机及在起动或自起动条件困难而要求限制起动时间的电动机，应装设过载保护。不当的过载保护可能会造成电气设备损坏，甚至会引发火灾或威胁人身安全。

目前普遍采用的热继电器保护方法并不能做到对电动机的可靠保护。本文通过分析现有的热继电器过载保护中存在的一些问题，提出一种新型的过载保护方法，使过载保护准确、直观地展示给维护人员，并提供准确、可靠的过载保护定值整定方法。

2 热继电器过载保护分析

2.1 热继电器过载保护

热继电器是传统的电动机过载保护器件，因其结构简单体积小等优点而广泛应用，目前一般交流鼠笼电动机过载保护普遍采用热继电器。

热继电器的工作原理是其内部设有热元件和有着不同膨胀系数的双金属片，当电流通过时产生热量，金属片发生形变，当形变达到一定程度时，推动连杆动作，使控制回路断开，从而使接触器线圈失电，主电路跳开，实现电动机的过载保护功能，现场技术人员根据额定电流通过热继电器的旋钮来调整保护定值。

2.2 热继电器过载保护存在的问题

使用热继电器作为电动机过载保护的元件，在实际应用中会存在以下的问题。

(1)热继电器设定值偏高。热继电器的保护动作值是通过热继电器的保护值旋钮完成整定。此旋钮虽有刻度，但调整人员很难获得精确整定值。所以在实际生产中，维护人员一般会手动将旋钮旋到电动机保护不动作的位置上，这样会造成保护值大部分会处于偏高状态，达不到良好的保护效果，存在安全隐患。

(2)热继电器在起动过程较长电机保护中存在的问题。热继电器用于起动时间过长的电动机保护时，因为电动机起动时间过长，超出热继电器的保护特性曲线，往往需增加旁路辅助电路，使电动机起动过程没有热继电器保护。这样做不仅增加了供电系统的复杂程度，而且导致电动机起动过程得不到保护。

(3)热继电器在频繁启停的电动机保护的问题。当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，可能会超出热继电器的适应范围。因为频繁启停电动机可能会使热继电器中双金属片的温升不能真实反映实际状态，从而出现误动作。如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，应使用埋入电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。

这种针对不同情况的设计不仅增加了系统的复杂度，同时也增加了维护工作的难度，增加了备件数量和种类。

(4)热继电器老化问题。通过对热继电器结构的分析可知，热继电器工作主要依赖不同膨胀系统的双金属片，而这种构造也决定了其易发生老化的性质。一旦设备老化，会造成保护性能降低，引起误动作。

(5)热继电器规格复杂多样问题。不同容量电动机需要配备不同规格的热继电器，这就造成了备品备件的多样性。

在实际生产中经常会出现一种情况,当某一热继电器需更换时，同规格型号的备件已经没有备货，现场维护人员一般会使用一个保护值大于设计值的热继电器进行更换。而下次更换时，可能因没有详细记录而装配更大的热继电器。长此以往，可能会造成热继电器保护定值越来越大，达不到保护效果。

3 基于PLC的一种电动机新型过载保护系统

3.1 新型过载保护系统概述

目前多功能智能表越来越多被采用，用以监测电动机实时电流，PLC与多功能智能表通讯获得电动机实时的电力数据。

在此基础上，可利用PLC实现电动机过载保护。通过在PLC内部进行计算获得电动机过载保护曲线，同时在PLC内部实时计算保护曲线与电动机实时电流之间偏差，通过现场总线将结果传送给中控，生成曲线和图表，从而获得电动机可视化过载保护。维护人员可在中控室直观观察电动机实时电流曲线，可人工设置保护曲线类型，对比曲线，使保护曲线更适合特定电机的运行电流曲线。

3.2 新型过载保护系统的主要功能

3.2.1 电流数据和保护数据的实时监测

利用智能表对电流数据和保护数据进行实时监测，技术人员在中控室就可以监控实时电流数据和保护数据的变化。同时智能表可监控多种其他电气参数，可供其他保护或控制使用。

3.2.2 实时电流与保护数据的实时对比

将生成的实时电流和实时保护电流值绘制电流曲线和数据报表，数字化展示保护值与实际值的差值，可视化直观展示过载保护情况。对比图如图1所示。

图1 实时电流与保护电流实时对比图

3.2.3 可视化数字化调整保护数据

维护人员可通过对比图调整曲线参数与保护参数，从而调整保护曲线的形式，使其更加贴合实际电流曲线。具体实现过程如图2所示，图2a为调整参数前，通过对比，很容易发现保护值远大于实际电流值，没有起到保护的作用，通过调整曲线参数，得到效果良好的保护曲线，图2b为参数调整后。

图2 保护电流调整对比曲线图

同时，也可以根据系统提供的数据报表进行调整，这样的调整过程更加数字化。如表1所示，以调整保护参数为例，左边为调整前，右边为调整后。电机刚启动一刻定为0s，可通过图表对比从启动时开始各时刻保护电流与实时电流之间的差值。调整前差值较大，保护不够精确，调整后差值缩小到可以接受的范围内。

4 过载数字化保护采用的计算公式与保护方案

因为电动机在过载、绕组短路、过压、低压、过流等情况下都会导致通过绕组的电流增大，超过其额定电流，如果实际电流超出额定电流则绕组就会过热，最终导致电机绝缘绕组损坏。

4.1 保护策略

按照相关规范，当主回路中实际电流I为额定电流lp的12倍或以上时，即l≥12lp，应迅速跳闸；当主回路中实际电流I大于额定电流lp但小于额定电流的12倍，即lp

4.2 反时限过流保护算法

按IEC标准：反应过热状况的保护一般采用超反时限特性：

式中：t——动作时间；

tp——反时限过流保护时间常数整定值；

I——当前电流值；

lp——额定电流值。

4.3 程序实现

参数：tp、lp、ls(设定的保护电流)、ts(启动时间)；输入：I；输出：t、m(动作信号)。

电机启动后ts时间内，当I大于等于ls，即当前电流大于等于启动保护电流时，向外输出动作信号。启动后，以lp为临界点，当l超过lp时，调用反时限过流保护算法，并从这一时刻开始计时tn，当tn大于等于计算的保护时间t时，向外输出动作信号m。当l超过lp后，未达到动作时间前l降回lp以下，则计时tn清零。当回路中实际电流I为额定电流lp的12倍或以上时，即l≥12lp，直接发出动作信号。

5 新型过载保护系统的应用

该基于PLC的电动机过载保护系统目前已经应用在湖南某项目的振打锤系统中，振打锤系统共有振打电机34台。振打电机具有工作电流小、过载后电流增量小的特点。振打电机的额定电流1.1A，当对其增加60kg外力后，电流增量仅为0.15A。当采用热继电器过载保护方式时，保护效果较差，一旦发生堵锤等过载故障时经常烧毁振打电机。

针对该系统的特点，采用基于PLC的电动机过载保护方法， PLC与多功能智能表通讯获得电动机实时的电力数据，在PLC内部采用计算获得电动机过载保护曲线，同时在PLC内部实时计算保护曲线与电动机实时电流之间偏差，通过现场总线将结果传送给中控。维护人员在中控室对比曲线设定合适的保护曲线，系统根据保护曲线自动实现对电动机的过载保护。系统结构见图3。

图3 基于PLC的电动机过载保护系统框图

系统可以精确捕捉过载电流并实施保护，系统实施后，该项目中振打电机大幅减少了过载烧毁电机的事故，实现了可靠且可视的电动机过载保护。

6 结语

与传统的电动机过载保护相比，第一，基于PLC的电动机过载保护能提高保护的可靠性，保护值与实际电流值可视、精确掌握，实现可视化、数字化调整保护值。第二，可通过此举措取代热继电器，减少硬件，通过软件实现保护功能，也省去了过载保护器件的维护工作。第三，提高了过载保护的灵活性，调整保护参数即能改变保护曲线以满足各种类型电动机(对启动时间较长或频繁启停的电机同样适用)。

利用此方法类似可解决其他电动机保护如，缺相保护、低电压保护、过电压保护，本文只针对过载保护，实际上可以将其他保护同时融入系统中来实现，并不增加硬件成本和运行时间。

数字化是现代工业的基本趋势，工业自动化程度的提高也越来越需要过载保护继电器具有较高的可靠性来保证系统的安全运行，因此研究基于PLC的电动机过载保护技术对现代工业有着重要的意义。