软起动器对电机过载保护的控制方法

1、软起动器对电机过载保护的控制方法1引言多年研究软起动器，发现软起动器对电动机的过载保护有些简单化，虽然说是反时限保护，但实际是采用定时分段的办法，有时误动作，有时烧电动机。对 于电动机断续过载保护时由于电动机早已过热，那么它的过载能力已经减小， 对于冷态的电动机来说，它的过载能力要比热态的电动机过载能力大的多。如果要真正反应电动机的过载能力又能对电动机起到过载保护就必需通过热积 分，采用热记忆功能。这样才能保正系统的可靠性和保护的灵敏性。1.1两种典型的数学模型软起动器对电动机具有控制、保护、监测等功能，对电动机的热过载保护采用的反时限保护特性有多种数学模型，其中典型的有两类：（1）等I2t的

2、时间电流特性尸（2）IEC60255-3推荐的数学模型r以上式中：Ir 电流整定值I 实际电流值t 动作时间（s）K表征特性的常数a函数指数1.2脱扣器的控制方式脱扣器的控制方式可采用：(1) 积分法以两种典型的数学模型为例，分别求积分值：A J(-1 dr亠 Jo rU设定K1或K2的动作值，控制动作时间 t o(2) 查表法设定I t对照表，根据当前I控制动作时间t o但是在实际运行中两种方法均存在弊端。如用积分法上述的两类数学模型都可能造成在低于动作值时仍能误动作；如用查表法在通常电流不断变化的情况下，很难合理的控制过载脱扣的延时时间。为了较好的解决低压断路器的智能控制器中长延时脱扣器的

3、延时控制，本文试图按热保护的基本原理进行分析和探讨。2热保护的基本要求根据热平衡关系，电气设备的发热应等于散热与蓄热之和，即矗红価仇3* (门(1)式中：P发热功率；Kr散热系数；S散热表面积；T 温升；c 比热；G发热体重量；t 时间。微分方程的解为:_ P式中n J 一孔占一稳走温升=eCF口 S 一趣时间常数TO 初始L&刃_rO=oBh当P=O时<4)过载保护元件应在小于被保护电气设备温升允许值的设置值动作，断开电路匚=匚Q_G丁）+当10=0时动作时间tr = -nni k)3按热平衡原理整定过载长延时脱扣代入式（2）中则旳心厶 J2-（1弋才耶'“（5）貝中：

4、M/Ii, R为等値电阻. 由式（5）可得竺MQ-x.Ef 令 PR ,JKrS ° NR赋（2）可变换为4期川十巧+如“在诈0即曲二0时 肚护贝J） 4匹如要求在湖达卅时断开电踰霜能脱扌曙可按 邛撕整定，则 恥附贝必宀）（8）（9）（10）（8）（10）中乜为延时时间.4动作值和热时间常数的计算4.1动作值2“ lim A, K设圧二叽时由式（8）贝IJIN"（I"因此几次最大的不脱扣电流值 设几=爲匚按电动机起动器和断路器的要求，k2应分别小于1.2和1.3，为同时满足这两种要求，并留有裕度，可取k2=1.11.15。由式（11）可取K=k22T （12）式（

5、9）和（10）可转换为:t = -T InH -以K作为式（6）或（7）的截止值，当 A> K时控制器动作，实现长延时保护 功能。（13）T = :_蚁-等)(14)4.2热时间常数的计算在已知任意一N值下要求的如=当时.Kk2=l. 15,tr值，即可计算TK = 2<5)由式(14)-ln(l-写)6=641, 2s4.3延时时间的计算按式（13）计算在不同过载电流下的延时时间，并考虑电流测量误差的影响，计算结果见表1 （计算时取T=642s）法当表1不同过载毓下艇时时恥计算值iili一 10+1%1If2396.91咏X1288.8-19HW丨.耳629.2淋9小.-8.9-

6、10,6训2L277.9257.7239,8f心7,86lr25.57243-5J-6.47,21,17.651(1.5915.63"1时（5动作值的测量和计算为测量智能脱扣器实态通电时的 A值，可以采用数值积分的方法等间隔的测量 电流和计算A值并与K值比较。设测量间隔为 t,并且初始温升为0,由式（6）和（7）AO-O"'珂一£巧+坷产片=异）+片它号蜕二巧十也#呻4收二和珂一茁皐）十谆上列各式中N可以为变重 逐次计算，逐次与吐匕犊，克至心刁k时控制器动作臼则 上列各式中N可以为变量。逐次计算，逐次与 k比较，直至Ax>k时控制器动作。则在有辅助电

7、源的情况下， A值逐渐递减，直至软起动器重新起动， 递增；或辅助电源断开， A值清零。为防止过载脱扣后，软起动器在短时内的再接通并在短时内再分断， 定的恢复时间，以保证在恢复时间内，软起动器不得起动。A值又开始可设置一6测量误差分析对式(8)微分：生£<44, =JV27W(l-e r) + (l-e r)rf(JVaD忽略池的测童和控制误差，取 dAr=O由上式可得刍(扎碍06“，即特换为误差传谨关系式:(15)式(15)反映了延时测星相对误差与电流测量相对误差的关系由式(15)对应表1中的计算值tr，在表2中列出p和f的相应值表2与表1中计算值tr对应的p和f值1 5P P

8、f1.22*491.5568.90.885-3,212.0257 JOJOI6,02.030.0374-2JM7J16.590.02582,03表2的误差传递系数f的估算值与表1的计算结果基本相符。由表1及表2可以看出在较低过载倍数下由电流测量误差所引起的延时时间误 差较大。7保护特性的斜率调节7.1建立数学模型为了满足不同的配合需要， 现在有的制造厂提供了改变长延时保护特性斜率的 调节功能或参照IEC60255标准提供了不同数学模型的保护特性。为了实现保 护特性的斜率调节，本文推荐两种数学模型并用的方案。（1）基本数学模型经对比分析我们可以以式（7）作为基本保护特性的基本数学模型。（2）用于

9、斜率调节的数学模型可选用国家标准 GB14598.7（等同IEC60255-3 ）推荐的数学模型用于斜率调节。根据 GB14598.7：f Kr 椚_刿丄（16）式中：N=l/lr 指数a可选K 为常数现以三种斜率的保护特性为例： A 型反时限 tr=K/ ( N0.02-1 ) (17) B 型反时限tr=K/ ( N-1) ( 18) C 型反时限tr=K/ ( N4-1) ( 19)K值可根据保护要求设定，或参照前述基本保护特性Nir (如N=2或N=6)对应的时间 tr 设定。7.2 动作值的测量和控制将式( 17)、( 18)、( 19)变换为A=t( N0.02-1 )( 20)A

10、=t( N-1)( 21)A=t( N4-1)( 22)在实际运行中可每经过一个等间隔t进行一次累加，逐次计算 A值，逐次与K值比较，直至达到设定值K值，求出延时时间tr。以式( 21)为例，设4地心+（ 23）式中N可为变量。直至AxMK,匚=心对应式（20）和（22）可以采用同样方法进行计算和控制。但是应用此方法计算有两个问题需要解决：（1）设定N的阈值通常在K的设定值范围，在 N=1.05的条件下，计算值tr很可能小于1h，不 能满足软起动器要求。 为了防止在1.05Ir及以下的误脱扣，需设定阈值，如设 定Nd=1.15，当NW Nd时可仍按基本数学模型控制和计算。（2）阈值上下数学模型

11、的转换如在N>Nd时，按式（20）（22）的数学模型进行计算和控制。现举例说明如下保护特性取式（21），设定K=13.5根据式（12）计算T值，取k2=1.15T=13.5/1.152=10.2在NW Nd时按前面第4节所述方法进行计算和控制。在N>Nd时按式（21）的数学模型进行计算，如果在尚未达到动作值时电流又下降使NW Nd,并且当前A值为Ay。则此后需按基本数学模型累加计算A值：加旷心厂）+妒(24)式中初始值Ay为原数学模型下保留的 A值。以下按前面第 4节所述方法进行计算和控制。如果此后又回复 N>Nd条件，应重新按式（21）的数学模型计算和控制。在反复转换数学模

12、型时不需改变 K值和当前的A值。保护特性取式（22），设定K=1200 根据式（12）计算T值，取k2=1.15T=1200/1.152=907.4在NW Nd时按前面第4节所述方法进行计算和控制。在N>Nd时按式（22）的数学模型进行计算，如果在尚未达到动作值电流又下 降至NW Nd,并且当前A值为Ay。则需按式（24）计算A值。如果此后又回复 N>Nd条件，应重新按式（22）的数学模型计算和控制。在反复转换数学模型时不需改变 K值和当前A值。7.3误差分析对式（16）微分Af AT寸*r（25）式中八式（19）、（ 20）和（21）三种数学模型时间相对误差与电流相对误差之间的传递系数计算值见表 3。表3三种数学模型时间相对误差与电流相对误差之间的传递系数计算值】亠ia =0,02a =11aL2 |-5.49f773L5 |T-1J5-4.27-1J由表3中可见，当a =0.02和a =1时在Nr> 1.5的情况下，要满足延时时间的 误差不超过土 10%的要求并不困难；但是在a =4时，因特性曲线斜率值大，要 达到同样的指标是有一定难度的，即使电流测量误差为土 2%再考虑K的控制误差和数值化整等因素，延时时间的误差也可能大于