基于SEL351A的大功率電動機限制起停次數方案的探討

摘 要：橡膠后處理裝置中，關鍵機組擠壓脫水機由于工藝原因某些特殊情況下需要對電動機進行頻繁啟停，以消除設備腔體內的積膠。但是短時間內頻繁重載啟停電動機特別是大功率電動機，對電動機及其機組設備都會產生很大的危害。本文簡單介紹了頻繁啟停大功率電動機的危害，并從電動機控制回路的SEL351A繼電器入手，討論了通過SEL351A內部時鐘實現限制大功率電動機短時間內啟停次數的方案。同時，通過試驗對方案結果進行了驗證并對部分缺點進行了改進，基本達到了預期的效果。

關鍵詞：大功率電動機；頻繁啟停危害；限制；SEL351A；

中圖分類號：TM32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-04-00235-02

一、生產工藝簡述和機組負載特性

在橡膠后處理裝置中，擠壓脫水機組采用螺桿擠塑設備，從上游振動脫水篩來的膠塊由管道進入機組的入口，經過擠壓脫水加工成小膠塊或者膠粒，再送到下一步工序。擠壓脫水機組屬于大轉矩負載，在開停車和非正常運行時，膠塊硬度、粘度的變化都將引起負載大幅波動，這就要求螺桿擠塑機要有非常快的動態響應，才能使擠出的膠粒質量均勻，達到工藝標準。由于工藝條件苛刻，一旦參數控制不準確，很容易造成膠塊在設備腔體堆積，堆積后的膠塊溫度、硬度等物理特性逐漸變化，使得膠塊不易排除。由于某些原因，工藝人員一般會依靠拖動設備的電動機驅動螺桿一點點將堆積的膠團擠出，由于設備腔體內膠團溫度下降，膠塊硬度增大，在進行這部分操作時由于單次啟動電動機難以將堆積的膠塊排出，需要短時間內頻繁對電動機進行啟動，這會對拖動設備的電動機產生較大的危害。

二、電動機及電氣回路簡述

脫水擠壓機電動機電源取自6kV高壓間回路，采用ABB的VD4系列真空斷路器實現停送電功能，通過現場操作按鈕實現機組的起停，回路中采用SEL351A繼電器實現對電動機的保護。 SEL351A繼電器具備邏輯編程功能，7組可編程輸出節點、1組故障輸出節點（常閉）和6組輸入節點，各輸入輸出節點功能見表1。同時繼電器內部具有16個可編程時鐘，其中6個時鐘范圍0-999999周波，10個時鐘范圍0-16000周波（一周波0.02s）。

表1 SEL351A輸入輸出節點功能

三、頻繁啟動對電動機的危害

（一）電動機的啟動電流。擠壓脫水機組的拖動電動機，在啟動過程中轉子與旋轉磁場間的相對轉速最大，在轉子導體上產生的感應電勢和電流也最大，此時定子繞組中的電流可達到電動機額定電流的4-7倍（額定電流IN=37.33A），此時電流的熱效應顯著（電流產生的熱量Q=I2R，R為電動機繞組的電阻）。由于電動機頻繁啟動，大電流在繞組導體產生的熱量不能迅速有效的擴散，引起熱效應的累積，造成電動機的不正常溫升，使電動機的絕緣材料老化過程大大加速，嚴重影響電動機的使用壽命。當溫度升高時，絕緣材料的基本性能如電阻、電氣擊穿強度、機械強度等會降低，介質損耗、應力變形等都將增大。隨著時間的延長，這些基本性能將進一步劣化，直到絕緣材料被燒毀。一般來說，在超過電動機允許溫升時，溫度每上升5℃電動機的使用壽命就會減半。

（二）真空斷路器的操作過電壓。由于真空斷路器的開斷性能較強，在起停電動機時容易產生截流過電壓及高頻重燃過電壓，對于容量較小的電動機還會產生三相同時開斷過電壓。真空斷路器在開斷過程中產生的操作過電壓使電動機的繞組絕緣結構尤其是匝間絕緣受到嚴重的危害，而在短時間內頻繁開合真空斷路器產生的操作過電壓對電動機絕緣的影響更為顯著。

（三）電動機啟動時的沖擊轉矩。由于擠壓脫水機電動機啟動方式為全壓啟動，在啟動過程中啟動轉矩很大，一般為額定轉矩的1.2-2倍，其產生的機械沖擊會使整個傳動系統受到過大的扭矩力沖擊，容易對機組設備及電動機本身產生不良影響。隨著時間的延長，很容易造成電動機本身或者脫水擠壓機設備本體造成機械損傷，如電動機轉子籠條斷裂或繞組損壞、變速箱齒輪損壞、轉軸變形等。基于擠壓脫水機組頻繁啟動對其拖動電動機絕緣、使用壽命以及機械設備存在諸多不良影響的現狀，需采取措施限制其短時間內的啟動次數，以保障機組的平穩運行。

四、方案的確定及實施

（一）方案的確定。需要限制電動機在短時間內的啟動次數，只需增加電動機上次停止與本次啟動之間的時間間隔即可。其控制流程如右圖。可以考慮使用SEL351A繼電器本身具備的時鐘控制來實現：使用SEL351A繼電器的內部時鐘，雖然邏輯編程功能相對較差，只能實現簡單的時鐘控制功能，且對控制原理改動很小，可靠性相對較高，成本也相對較低。

（二）方案的實施與驗證。由表1可以看出，在原控制回路中SEL351A繼電器的IN101節點已經作為斷路器分合閘狀態輸入使用，可以使用該節點的輸入信號作為內部時鐘的觸發條件而無需做任何更改。原控制回路中SEL351A已經使用了OUT101-OUT104輸出節點，可以將OUT105作為時鐘控制的輸出節點直接或者間接串入合閘回路中。由于VD4真空斷路器合閘線圈的合閘電流約為3A，預留20%的閾度，按3.6A來考慮。SEL351A輸出節點可以滿足6A電流連續通電的條件，因而可以直接將SEL351A輸出節點串入合閘回路內。根據SEL351A的產品說明書編寫出程序語句如下：

V5=＼IN101 取IN101下降沿信號觸發SV5時間繼電器

SV5DU=15000 取SV5繼電器延時閉合節點，延時15000周波（5分鐘）

OUT105=SV5T 將OUT105輸出節點設置為SV5延時的值

邏輯控制語句輸入SEL351A繼電器后，將原控制回路中的合閘回路斷開一點，再把SEL351A的A09/A10接線端子通過斷開的這點分別接入控制回路中，完成接線及檢查后試驗改進的效果。通過多次重復試驗，驗證了改進結果，實現了限制短時間內大功率電動機啟停次數的功能。

（三）不足與改進建議。1、正常分閘與故障跳閘無區別。由于發生故障跳閘時，一般要求再次啟動時間間隔約30分鐘，而正常停電動機情況下一般間隔約5分鐘，這一點需要進行改進。2、無法對多次頻繁啟動進行有效區分。正常來講，第一次、第二次正常啟停時間間隔為5分鐘，次數再多時應當延時更長（如30分鐘），這也是需要改進的地方。

五、結語

通過試驗及現場實際測試證明，通過SEL351A繼電器的內部時鐘控制功能，可以基本實現對大功率電動機啟停次數限制的功能，減少了現場實際生產過程中頻繁啟停大功率電動機對電動機的不良影響。此次改進也為其他大功率電動機限制啟停次數改進方案提供了經驗，為其他裝置起到了示范作用。