智能电机控制装置如何最大限度地提高恢复能力和正常运行时间

在下一代工业 4.0 制造、金属与基础材料加工、矿物提炼与采矿以及像饮用水和污水处理厂之类关键基础设施中，都需要能够最大限度地提高机器恢复能力和正常运行时间的智能电机控制装置。

这些应用中的电机控制装置必须能够控制并保护 75 马力 (HP) 至 700 马力的电机。为实现弹性运行，需要对机器进行全方位的保护，包括过载保护、接地故障保护和相位不平衡保护等。

同时还应包括触点磨损自诊断和线圈过压/欠压检测，并配有可视指示器，以支持预测性维护。系统需要采用模块化设计，以加快维修速度，以最大限度延长正常运行时间。此外，还需要符合国家电气规范 (NEC)、UL 和国际电工委员会 (IEC) 的短路电流额定值 (SCCR) 要求，以确保电气设备能够承受大电流而不会损坏，并确保其安全性。

这些电机控制装置还必须符合 IEC 60947-4-1 标准，该标准涉及机电接触器和启动器的安全问题，包括电机保护开关设备 (MPSD)、瞬时电机保护开关设备 (IMPSD) 和接触器继电器的执行器。

本文首先概述了 SCCR 的要求。然后深入介绍了 Schneider Electric 最近开发的智能电机控制装置系列，包括模块化接触器和过载继电器，详细说明了保护功能的操作以及自诊断的实现方式。

其间展示了这些过载继电器是如何满足 IEC 60947-4-1 要求的，以及模块化设计是如何加快预防性维护速度的。最后，介绍了如何使用两个接触器来组装一个换向组件，从而实现交流电机的双向控制。

在指定控制面板时，SCCR 是一项基本特性，有助于提高整体可靠性。它用于确定接触器和导线等电力元件的尺寸。IEC 60947-4-1 详细说明了计算 SCCR 的三个阶段（图 1）：

1. 确定配电系统中每个保护或控制元件以及每个区块和元件的 SCCR。
2. 确定每个支路的 SCCR。根据电路中元件的参数值来计算。
3. 确定整个控制面板的 SCCR。根据电路的参数值来计算。

图 1：SCCR 计算从单个元件额定值（黄色方框）开始，然后确定分支电路的 SCCR（红色虚线方框），最后考虑整个控制面板的 SCCR 需求（灰色矩形）。（图片来源：Schneider Electric）

TeSys Giga 接触器

TeSys Giga 接触器的额定电流为 115 至 900 安培 (A)，有 3 极 (3P) 和 4 极 (4P) 两种配置。其 SCCR 额定值高达 100 千安 (kA) 和 480 伏 (V)，各种保护装置的具体规格和额定值列于接触器侧面的表格中。此外，4P 接触器还显示 AC-3 和电机马力额定值。这些接触器可用于两种负载类别：

• AC-1 – 适用于功率因数大于 0.95 的交流负载。这些负载主要是非电感或轻微电感负载，如电阻负载。切断电弧可将电弧和触点磨损降至最低。
• AC-3 – 适用于电机正常运行时有分断的鼠笼电机。闭合时，会产生高达电机额定满负荷电流七倍的浪涌电流。断开时，接触器会切断电机的额定满载电流。

TeSys Giga 接触器可由交流 (AC) 或直流 (DC) 控制电压供电，且内置浪涌抑制器。接触器分为标准型和高级型两种。标准接触器设计用于一般用途。具体包括：

• LC1G1154LSEN，4P，用于 AC-1 负载。额定电流为 250 A，配备 200-500 V AC/DC 宽带线圈
• LC1G225KUEN，3P，用于 AC-3 负载。额定电流为 225 A，采用 100-250 V AC/DC 线圈

高级的 TeSys Giga 接触器还具有其他特性，如更多的线圈电压选择、更低的线圈功耗、可编程逻辑控制器 (PLC) 输入以及无需拆卸电缆或母线连接即可进行维护的电缆设计。

高级型号还兼容下一节讨论的可选远程磨损诊断 (RWD) 模块。高级接触器实例有：

• LC1G115BEEA，3P，用于 AC-3 负载。额定电流为 115 A，带有 24-48 V AC/DC 线圈
• LC1G800EHEA，3P，用于 AC-3 负载。额定电流为 800 A，带有 48-130 V AC/DC 线圈

所有 TeSys Giga 接触器的前面板上都有一个诊断 LED ，用于快速评估故障情况（图 4）。

图 2：典型的 TeSys Giga 接触器，在顶部中央位置带有诊断 LED。（图片来源：DigiKey）

TeSys Giga 接触器具有多种集成诊断功能，可提高可靠性并支持预防性维护，包括：

触点磨损诊断和 RWD

触点在每次断开电源电路中的电流时都会出现磨损。触点故障会导致电机失去控制。TeSys Giga 控制器中的触点磨损算法可持续计算触点的剩余使用寿命。当剩余寿命低于 15% 时，就会发出警报，以便安排预防性维护：

• 接触器正面的诊断 LED 上也会看到本地警报。
• 可选的 RWD 模块可用于高级接触器。

控制电压诊断

控制电压可用于监控欠压和过压情况。对于零件编号以 LSEMC 结尾的装置，可通过选配的远程设备管理 (RDM) 模块远程提供诊断指示。欠压的定义是供电电压低于最低规格 80% 的情况，过压的定义是供电电压高于最大值的 110%。

内部功能诊断

诊断 LED 持续闪烁表示控制电路出现了内部故障。

电机保护开关装置

像 TeSys Giga 接触器这样的智能电机控制装置是工业 4.0 设备的重要组成部分。使用 MPSD（电机保护开关设备）也是确保最大生产率和可用性的一个重要考虑因素。

在 IEC 60947-4-1 中，MPSD 指的是一种带延时设计的装置，用于保护电机免受过载状况的影响。第二种装置是 IMPSD（瞬时电机保护开关设备），它是一种特殊类型的 MPSD，在检测到过载时会立即跳闸。IMPSD 通常与交流电机保护无关。

根据应用的不同，电机启动可能需要几秒，也可能需要几十秒。因此必须指定 MPSD 来满足安全应用要求，同时避免令人讨厌的跳闸。

为了满足特定的应用需求，IEC 60947-4-1 定义了多个过载继电器等级。跳闸等级指明了继电器在过载时断开电路所花费的最长时间。

北美和 IEC 跳闸等级之间也存在差异。例如，10 级是北美的跳闸级别，在检测到 600% 的过载电流设定值后 4-10 秒内跳闸。10A 级是 IEC 跳闸级别，在检测到 720% 的过载电流设定值后 2-10 秒内跳闸（表 1）。

表 1：基于额定电流 (Ir) 的热过载继电器等级示例。（表格来源：Schneider Electric）

跳闸等级 10A 和 10 适用于正常负荷的电机。建议重型电机使用 20 级，以避免跳闸干扰。30 级用于较长的启动电机。

TeSys Giga 过载继电器

TeSys Giga 热过载继电器具有高度灵活性，旨在用于交流电机。接地故障保护、相位不平衡保护和跳闸等级（5、10、20 和 30）的设置均可在前面板上配置。前面板还包括报警和状态 LED。它们具有较宽的可调热过载保护范围，四种重叠型号可处理 28 A 至 630 A 的应用（图 3）：

LR9G115，28 至 115 A 可调

LR9G225，57 至 225 A 可调

LR9G500，125 至 500 A 可调

LR9G630，160 至 630 A 可调

图 3：TeSys Giga 过载继电器的前面板包括状态 LED 和保护调节。（图片来源：DigiKey）

热过载

热过载保护用于单相和三相异步电机。热过载保护的电流水平可根据所采用过载继电器的型号进行调整。此外，还可调整跳闸等级和相关延迟。热过载保护可设置为自动或手动复位。

失相

失相保护用于防止三相异步电机过热。过载继电器持续监控每相线路的电流。当其中一相的电流值低于额定电流 (Ir) 的 0.1 倍，而另一相的电流值大于 0.8 Ir 时，过载继电器会在 4 ±1 秒内触发。失相保护功能无法禁用，必须手动重置。

相位不平衡

相位不平衡会导致异步电机过热。常见原因包括：

• 市电供电线路长
• 进线开关触点故障
• 网络不平衡

当不平衡率超过 40% 时，过载继电器将在 5±1 秒内触发。相位不平衡保护必须手动复位。

接地故障

接地故障保护用于保护三相异步电机。当负载电路的绝缘因振动、潮湿或其他因素而失效时，就会发生接地故障。过载继电器监控接地电流 (Ig)。当 Ig 超过 Ir 的 10% 以上时，继电器会在 1 ±0.2 秒内跳闸。接地故障保护必须手动重置。

模块化

在触点过度磨损、过载或其他异常运行条件损坏控制器时 TeSys Giga 接触器的模块化设计特别有用。控制模块也可以更换，以适应不同的线圈电压，开关模块也可以关闭，以更换磨损的极点。

通过选配套件可实现电缆记忆功能，以方便快速维护。安装后，无需拆卸电缆即可快速更换控制或开关模块。

反转

在输送机、电梯和包装线等应用中，换向接触器用于改变交流电机的旋转方向。其工作原理就是颠倒连接的极性，使电机反向旋转。

换向接触器可使用两个机械联锁的标准接触器来实现。联锁装置可防止接触器同时开启（图 6）。

图 4：两个 TeSys Giga 接触器联锁在一起组成一个交流电机换向接触器。（图片来源：Schneider Electric）

例如，可使用以下元件来制造额定功率为 200 马力、电压为 460 V、线圈电压为 100-250 V AC/DC 的换向接触器（图 6）：

• LC1G265KUEN，TeSys Giga 电机控制器，需要两个
• DZ2FJ6，接触器接线片套件
• LA9G3612，展阔套件
• LA9G3761，反向母线
• LA9G970，机械联锁装置

结语

TeSys Giga 接触器和过载继电器是用途非常广泛的设备，可在各种应用中最大限度地提高恢复能力和正常运行时间。接触器的额定电流从 115 A 到 900 A 不等，有 3P 和 4P 两种配置。其 SCCR 最高可达 100 kA 480 V，模块化设计加快了维护速度。

这些可编程过载继电器的工作电流范围很宽，只需少量设备即可满足多种应用需求。最后，通过机械联锁系统连接两个 TeSys Giga 接触器，可实现双向运动控制。