如何使用廉价的三相监控继电器来保护昂贵的机器

在加热、通风和空调 (HVAC) 系统、水处理、材料处理、机床、船舶和航空应用中常见的商业和工业机器大多数都是由三相电机驱动的。这些可靠的设备可能会遭到一系列的故障条件损坏，如果不迅速解决，可能导致故障或至少缩短运行寿命，从而导致大量停机时间和维修费用。

相位监控继电器可用于检测这些故障，并在造成永久性损害之前通知操作员停止机器。这些继电器可以检测到所有三个相位都存在，具有正确的序列，并让相位电压处于正确范围内。如果发生错误，继电器可以打开一组触头，启动报警状态或关闭机器。

有各种各样的相敏继电器可用于处理广泛的电压、三相配置和出错状态。本文简要讨论了潜在的电机故障模式以及相敏继电器的工作原理。然后使用 Carlo Gavazzi 的实际样件，介绍三相监控继电器的选择和应用。

三相电机故障模式

在众多行业中，其常见故障基本都与三相电源及其对电机的影响有关。失去三相中的一相或相电压的不平衡会导致电机剩余相的电流高于正常值，导致机械功率损失，以及机械振动过大。同样，欠压和过压会迫使电机增加电流，以驱动相同的负载，这会缩短电机的寿命。

另一种可能性是相序不正确，可能导致电机反转，这对电机的负载端会产生灾难性的结果。

相位监控继电器功能

相位监控继电器具有一系列与三相电源状态有关的功能块。它们由其监控的三相线路供电。所有这些功能块都在监控着相序和任何相电压损失。当所有相位都存在，并且电源序列正确时，继电器就会启动。在任何一个相位丢失或相位序列不正确的情况下，继电器就会断电。一些相位监控继电器还监控所有三相的电压水平。电压测定使用真正的均方根 (TRMS) 测量，当振幅下降到预设阈值以下时就停用继电器。有些设备提供相同的振幅检测，但有用户可调的限制设置。很多继电器型号都可以监控相位不对称和容差。所有继电器在由于电压水平或不对称问题而启动之前都会提供一个延迟，以防止虚假激活。在某些型号中，延迟是可编程的。

相位监控继电器选择

Carlo Gavazzi 的 DPA01CM44 是一个用于三线配置的相位敏感继电器的实例（图 1）。该系列由三相电源供电，提供在 230、400、600 和 690 伏交流 (VAC) 电压下工作的型号。这些继电器用于安装在 DIN 导轨上，也有提供插件版本。继电器输出配置采用单刀双掷 (SPDT) 或双 SPDT 触头。

图 1：DPA01CM44 是一个 DIN 导轨安装式相位监控继电器，用于 208 至 480 VAC 三相线路，带有一个 SPDT 继电器触头输出。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

在正常电压条件下，继电器激活意味着继电器输出的常开 (NO) 触头是关闭的，而常闭 (NC) 输出触头是打开的。继电器操作发生在 100 毫秒 (ms) 之内。前面板上的状态 LED 用于指示电源开启和继电器激活。

DPA01 相位监控继电器可以用来监控任何三相线路（图 2 中的例 1），也可以与三相电机相关联（例 2）。

图 2：DPA01 系列三相监控继电器的应用实例。例 1（左）显示其连接来监控三相线。例 2（右）展示了其在监控三相电机方面的应用。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

当这两种应用出现错误情况时，以适当方式连接到继电器的接触器就会打开通电的三相电路，而监控继电器仍会与电源连接。当连通后监控没有电机的三相线路时，检测死相是没有问题的，因为缺失的输入电平会明显下降。当监控器连接到电机时，由于内部电感耦合，电机的运行将倾向于再生缺失的相位。继电器的设定是，只要振幅小于额定三相电压的 85% 就判定检测到失相。因此，重要的是要验证电机的再生能力要低于额定线路电压的 85%。

在需要自定义过压或欠压阈值的应用中，可以使用 Carlo Gavazzi 的 DPB01CM48 多功能相位监控继电器。该继电器可以检测到过压和欠压情况，以及失相和不当相序。过压和欠压阈值水平可由用户通过前面板的开关进行调节（图 3）。

图 3：DPB01CM48 多功能相位监控继电器使用前面板控制装置监控失相、相序以及可选择的过压和欠压阈值。过压和欠压启动的操作延迟可由用户调整，以尽量减少瞬时激活。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

这款继电器也是 DIN 导轨安装式，支持三角和星形/Y 形三相拓扑结构。它有用户可编程的电压范围，可选择 380、400、415、480 VAC 线对线电压，以及 220、230、240、277 VAC 线对中性点电压。电路拓扑结构和电压范围是通过一个内部 DIP 开关设置的。DPB01 系列中有一个单独的型号来处理较低的电压范围。

该继电器的前面板上有三个控制旋钮。上按钮用于设置 -2 至 -22% 的额定电压下限电压阈值，中按钮用于设置 2 至 22% 的额定电压上限电压阈值，下按钮用于设置 10 ms 至 30 秒 (s) 之间的操作延迟。延时用来防止短时电压瞬变造成继电器意外跳闸。

继电器的前面板上有三个 LED 灯来显示其状态。绿色 LED 用于指示电源已打开。黄色 LED 用于指示继电器已通电。如果有一个报警事件，那么黄色 LED 就会关闭，继电器在超时后就会断电，红色 LED 会闪烁。如果错误是过压或欠压情况，红色 LED 会以 2 赫兹 (Hz) 的频率闪烁，超时后继电器将被断电。如果发生失相或相序不正确，继电器会在 200 ms 内断电，红色 LED 会在错误状态持续期间以 5 Hz 的速度闪烁。

DPC01DM69 相位监控继电器具有 Carlo Gavazzi 最完整的功能集（图 4）。这款 DIN 导轨安装式继电器可监控相序和失相，以及欠压和过压、相位对称和容差。

图 4：DPC01DM69 是一款 DIN 导轨安装式相位监控继电器，左侧边缘的 LED 指示继电器状态（黄色）、报警状态（红色）和电源状态（绿色）。控制装置用于设置容差/不对称或过压/欠压阈值，以及继电器延迟。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

在选择工作电压范围和三相拓扑结构方面，DPC01DM69 的操作与 DPB01CM48 类似。它有额外的 DIP 开关选择，用于开机延迟（1 秒或 6 秒）、输出配置（双组 SPDT 触头或单组双极双掷 (DPDT) 触头），以及过压/欠压或不对称/容差的监控功能。

DPC01CM69 根据报警类型以三种不同的模式运行。失相或相序不正确会导致输出继电器 1 和 2 断电。过压或不对称事件会导致输出 1 继电器在预设延迟 1 结束时断电，而欠压或超限事件会导致输出 2 继电器在预设延迟 2 结束时断电。这种双输出排列方式使得对不同报警事件的反应更加灵活。

不对称性是衡量电源质量的一个指标，定义为线路电压最大偏差的绝对值除以三相系统的额定电压。容差是衡量电源质量的另一个指标，定义为线路电压与额定电压最大偏差的绝对值除以三相系统的额定电压（图 5）。

图 5：三相电源的不对称性和容差方程。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

一般来说，三相线的不平衡度应小于 2%，以避免三相电机的过热。请注意，DPC01CM69 封套上的不对称性和容差标示为 2% 到 22% 不等。

结语

在各行各业中，三相交流电监控对于避免因电机损坏而造成昂贵的停机时间至关重要。为确保这一点，Carlo Gavazzi 推出了广泛的三相监控继电器，其设计采用了最先进的测量技术，且设置简单。这些继电器涵盖监控失相和相序的简单设备到更复杂的监控器，并且还能感知过压和欠压情况，以及相位不对称和容差。这些相位监控继电器保证了三相电源问题不会对昂贵的机器造成损害。