基于SEL351A的大功率电动机限制起停次数方案的探讨

摘 要：橡胶后处理装置中，关键机组挤压脱水机由于工艺原因某些特殊情况下需要对电动机进行频繁启停，以消除设备腔体内的积胶。但是短时间内频繁重载启停电动机特别是大功率电动机，对电动机及其机组设备都会产生很大的危害。本文简单介绍了频繁启停大功率电动机的危害，并从电动机控制回路的SEL351A继电器入手，讨论了通过SEL351A内部时钟实现限制大功率电动机短时间内启停次数的方案。同时，通过试验对方案结果进行了验证并对部分缺点进行了改进，基本达到了预期的效果。

关键词：大功率电动机；频繁启停危害；限制；SEL351A；

中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-04-00235-02

一、生产工艺简述和机组负载特性

在橡胶后处理装置中，挤压脱水机组采用螺杆挤塑设备，从上游振动脱水筛来的胶块由管道进入机组的入口，经过挤压脱水加工成小胶块或者胶粒，再送到下一步工序。挤压脱水机组属于大转矩负载，在开停车和非正常运行时，胶块硬度、粘度的变化都将引起负载大幅波动，这就要求螺杆挤塑机要有非常快的动态响应，才能使挤出的胶粒质量均匀，达到工艺标准。由于工艺条件苛刻，一旦参数控制不准确，很容易造成胶块在设备腔体堆积，堆积后的胶块温度、硬度等物理特性逐渐变化，使得胶块不易排除。由于某些原因，工艺人员一般会依靠拖动设备的电动机驱动螺杆一点点将堆积的胶团挤出，由于设备腔体内胶团温度下降，胶块硬度增大，在进行这部分操作时由于单次启动电动机难以将堆积的胶块排出，需要短时间内频繁对电动机进行启动，这会对拖动设备的电动机产生较大的危害。

二、电动机及电气回路简述

脱水挤压机电动机电源取自6kV高压间回路，采用ABB的VD4系列真空断路器实现停送电功能，通过现场操作按钮实现机组的起停，回路中采用SEL351A继电器实现对电动机的保护。 SEL351A继电器具备逻辑编程功能，7组可编程输出节点、1组故障输出节点（常闭）和6组输入节点，各输入输出节点功能见表1。同时继电器内部具有16个可编程时钟，其中6个时钟范围0-999999周波，10个时钟范围0-16000周波（一周波0.02s）。

表1 SEL351A输入输出节点功能

三、频繁启动对电动机的危害

（一）电动机的启动电流。挤压脱水机组的拖动电动机，在启动过程中转子与旋转磁场间的相对转速最大，在转子导体上产生的感应电势和电流也最大，此时定子绕组中的电流可达到电动机额定电流的4-7倍（额定电流IN=37.33A），此时电流的热效应显著（电流产生的热量Q=I2R，R为电动机绕组的电阻）。由于电动机频繁启动，大电流在绕组导体产生的热量不能迅速有效的扩散，引起热效应的累积，造成电动机的不正常温升，使电动机的绝缘材料老化过程大大加速，严重影响电动机的使用寿命。当温度升高时，绝缘材料的基本性能如电阻、电气击穿强度、机械强度等会降低，介质损耗、应力变形等都将增大。随着时间的延长，这些基本性能将进一步劣化，直到绝缘材料被烧毁。一般来说，在超过电动机允许温升时，温度每上升5℃电动机的使用寿命就会减半。

（二）真空断路器的操作过电压。由于真空断路器的开断性能较强，在起停电动机时容易产生截流过电压及高频重燃过电压，对于容量较小的电动机还会产生三相同时开断过电压。真空断路器在开断过程中产生的操作过电压使电动机的绕组绝缘结构尤其是匝间绝缘受到严重的危害，而在短时间内频繁开合真空断路器产生的操作过电压对电动机绝缘的影响更为显著。

（三）电动机启动时的冲击转矩。由于挤压脱水机电动机启动方式为全压启动，在启动过程中启动转矩很大，一般为额定转矩的1.2-2倍，其产生的机械冲击会使整个传动系统受到过大的扭矩力冲击，容易对机组设备及电动机本身产生不良影响。随着时间的延长，很容易造成电动机本身或者脱水挤压机设备本体造成机械损伤，如电动机转子笼条断裂或绕组损坏、变速箱齿轮损坏、转轴变形等。基于挤压脱水机组频繁启动对其拖动电动机绝缘、使用寿命以及机械设备存在诸多不良影响的现状，需采取措施限制其短时间内的启动次数，以保障机组的平稳运行。

四、方案的确定及实施

（一）方案的确定。需要限制电动机在短时间内的启动次数，只需增加电动机上次停止与本次启动之间的时间间隔即可。其控制流程如右图。可以考虑使用SEL351A继电器本身具备的时钟控制来实现：使用SEL351A继电器的内部时钟，虽然逻辑编程功能相对较差，只能实现简单的时钟控制功能，且对控制原理改动很小，可靠性相对较高，成本也相对较低。

（二）方案的实施与验证。由表1可以看出，在原控制回路中SEL351A继电器的IN101节点已经作为断路器分合闸状态输入使用，可以使用该节点的输入信号作为内部时钟的触发条件而无需做任何更改。原控制回路中SEL351A已经使用了OUT101-OUT104输出节点，可以将OUT105作为时钟控制的输出节点直接或者间接串入合闸回路中。由于VD4真空断路器合闸线圈的合闸电流约为3A，预留20%的阈度，按3.6A来考虑。SEL351A输出节点可以满足6A电流连续通电的条件，因而可以直接将SEL351A输出节点串入合闸回路内。根据SEL351A的产品说明书编写出程序语句如下：

V5=＼IN101 取IN101下降沿信号触发SV5时间继电器

SV5DU=15000 取SV5继电器延时闭合节点，延时15000周波（5分钟）

OUT105=SV5T 将OUT105输出节点设置为SV5延时的值

逻辑控制语句输入SEL351A继电器后，将原控制回路中的合闸回路断开一点，再把SEL351A的A09/A10接线端子通过断开的这点分别接入控制回路中，完成接线及检查后试验改进的效果。通过多次重复试验，验证了改进结果，实现了限制短时间内大功率电动机启停次数的功能。

（三）不足与改进建议。1、正常分闸与故障跳闸无区别。由于发生故障跳闸时，一般要求再次启动时间间隔约30分钟，而正常停电动机情况下一般间隔约5分钟，这一点需要进行改进。2、无法对多次频繁启动进行有效区分。正常来讲，第一次、第二次正常启停时间间隔为5分钟，次数再多时应当延时更长（如30分钟），这也是需要改进的地方。

五、结语

通过试验及现场实际测试证明，通过SEL351A继电器的内部时钟控制功能，可以基本实现对大功率电动机启停次数限制的功能，减少了现场实际生产过程中频繁启停大功率电动机对电动机的不良影响。此次改进也为其他大功率电动机限制启停次数改进方案提供了经验，为其他装置起到了示范作用。