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案例頻道 在工業(yè)領(lǐng)域，多系統(tǒng)理念引發(fā)了針對(duì)單個(gè)機(jī)器和設(shè)備系統(tǒng)的整體思考。這主要涉及能源管理、維護(hù)和可用性。在此背景下，監(jiān)控繼電器的地位變得更加重要，該“保護(hù)天使”為高效的驅(qū)動(dòng)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和種類的日漸增多，對(duì)生產(chǎn)和裝配過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)控的需求愈加增強(qiáng)。監(jiān)控繼電器和傳感器配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。它們可以作為機(jī)器和設(shè)備的“眼睛和耳朵”，對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)視。為此，西門子自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)集團(tuán)推出了Sirius 3UG4系列監(jiān)控繼電器，該系列繼電器可監(jiān)控電氣和非電氣變量（圖 1）。為了能夠盡早識(shí)別電源和電壓故障，以避免可能造成的損壞，單相和三相電源均可以采用監(jiān)控繼電器進(jìn)行監(jiān)控。例如：通過(guò)識(shí)別相序，該繼電器能夠保證驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)向正確。
當(dāng)發(fā)生相序故障或者控制電源電壓斷相時(shí)，監(jiān)控繼電器可監(jiān)控到并即時(shí)報(bào)告相序或斷相故障。在這些情況下，異步交流電機(jī)僅通過(guò)兩相電源運(yùn)行，它的不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)（轉(zhuǎn)矩振蕩）會(huì)損傷軸和軸承，并可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)快速過(guò)熱，進(jìn)而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這種情況極為常見(jiàn)，它可以提前、有效地加以預(yù)防。
與之類似的情況時(shí)有發(fā)生，為什么這些機(jī)器設(shè)備還能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)？原因就在于它們通過(guò)監(jiān)控繼電器有效預(yù)防了電機(jī)的過(guò)熱，并能夠檢測(cè)相序的不對(duì)稱。此功能既適合相應(yīng)的不對(duì)稱負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)，又適用于發(fā)生斷相故障的能量恢復(fù)系統(tǒng)。
憑借其寬泛的電壓范圍－160 V至690 V，在無(wú)獨(dú)立輔助電壓的情況下，三相電源監(jiān)控繼電器可以在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。17 V至600 V的單相電壓變量分作三個(gè)區(qū)間。通過(guò)顯示實(shí)際值和故障類型，該繼電器能夠快速而又安全地診斷數(shù)字變量。例如：當(dāng)降低電源電壓時(shí)，電機(jī)電流提高，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)不期望的升溫。此時(shí)，監(jiān)控繼電器將報(bào)告上述狀況，并在特定情況下斷電。此外，在過(guò)壓情況下，它們也將執(zhí)行上述操作。
提供電流的重要數(shù)據(jù)
除了電壓以外， 監(jiān)控繼電器還能提供有關(guān)電機(jī)優(yōu)化運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)。繼電器能夠進(jìn)行專業(yè)監(jiān)控－例如：僅需一個(gè)繼電器3UG4641即可同時(shí)監(jiān)控cos φ和有功電流（圖2）。
因此，機(jī)器和設(shè)備制造商對(duì)這種繼電器產(chǎn)生了濃厚的興趣。無(wú)論功率因數(shù)cos φ，還是電機(jī)消耗的有功電流，都取決于其負(fù)荷情況。這表明，對(duì)于兩種參數(shù)，只要掌握了其中一個(gè)數(shù)據(jù)，即可輕易獲得電機(jī)的負(fù)荷等級(jí)。因此，通過(guò)這種簡(jiǎn)單的途徑，即可監(jiān)控電機(jī)的負(fù)荷情況；另外，在對(duì)有功電流進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，該方法適用于電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)矩范圍。
圖1Sirius系列監(jiān)控繼電器致力于電氣驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化運(yùn)行
圖2：3UG4監(jiān)控繼電器能夠持續(xù)監(jiān)視電源和電機(jī)電壓
它們之間的相互關(guān)系如下：通過(guò)提高電機(jī)負(fù)荷，能夠顯著增大視在電流，尤其是額定轉(zhuǎn)矩將超比例地增大。然而，額定負(fù)荷之下的功率因數(shù)cos φ將率先發(fā)生重大變化。然而，在總體范圍內(nèi)，它所引起的有功電流Ires－即cos φ 和 I 的乘積，表明電機(jī)負(fù)荷和測(cè)量值之間存在一種近似的線性關(guān)系，因此，不通過(guò)電壓，即可監(jiān)控電機(jī)負(fù)荷。借助于這種監(jiān)控繼電器的測(cè)量精度，甚至可以監(jiān)控空轉(zhuǎn)電流小于0,5 A的小型單相電機(jī)。cos-φ和有效電流的單相監(jiān)控繼電器具備寬泛的控制電壓范圍－交流90 V至690V。
通過(guò)對(duì)cos φ進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行控制，此類繼電器能夠提高電機(jī)效率，從而為機(jī)器和設(shè)備制造商進(jìn)行高效的能源管理奠定基礎(chǔ)。隨著能源價(jià)格的不斷上漲，預(yù)計(jì)能源管理將更加重要。
通過(guò)窗口監(jiān)控和有功電流測(cè)量，這些繼電器能夠獨(dú)立識(shí)別開(kāi)關(guān)柜和電機(jī)之間的電纜斷線以及相故障。此外，它們還能夠快速診斷、并排除故障，從而提高了電機(jī)的可用性。
在交流/直流24 V至240 V、寬泛的電源電壓范圍內(nèi)，可使用單相電流監(jiān)控繼電器3UG463。僅需兩個(gè)執(zhí)行裝置，即可記錄范圍介于3 mA 至10 A的電流。這些儀表適用于頻率為40 Hz至500 Hz的交流電壓。此外，它們還可用于直流電源。作為數(shù)字執(zhí)行裝置，這些獨(dú)立的電流記錄儀能夠顯示測(cè)量?jī)x表的實(shí)際值和故障起因。通過(guò)對(duì)測(cè)量電流進(jìn)行高度解析，這些儀表甚至可作為閾值開(kāi)關(guān)，以便評(píng)估外部模擬信號(hào)－例如：電流介于4 mA 和20 mA之間的該信號(hào)。
系統(tǒng)溫度監(jiān)控－旨在提高電機(jī)的使用壽命
監(jiān)控繼電器最重要的功能在于對(duì)故障和過(guò)負(fù)荷的診斷。在某些行業(yè)應(yīng)用里， 對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的使用壽命，外界影響－尤其是外部供電溫度－扮演著決定性角色。然而，電流保護(hù)裝置未能提供理想的解決方案。
熱敏電阻型電機(jī)保護(hù)繼電器3RN1能夠解決下述問(wèn)題－離心機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)器的重載啟動(dòng)，頻繁的開(kāi)關(guān)、制動(dòng)過(guò)程，以及灰塵沉積造成的非正常的電機(jī)冷卻（圖3）。它能夠直接測(cè)量電機(jī)繞組溫度。在此，可以使用帶兩個(gè)傳感器的繼電器、以及帶六個(gè)傳感器的繼電器－例如：適用于開(kāi)采巷道。通過(guò)使用上述繼電器，能夠定義不同的溫度范圍，這也是它們的優(yōu)勢(shì)之所在。因此，在溫度上升時(shí)，能夠首先發(fā)出告警信號(hào)，隨后立即斷電。如果電機(jī)的溫度達(dá)到警告區(qū)，則附加的冷卻單元將被啟動(dòng)，使電機(jī)重新產(chǎn)生正常的溫度等級(jí)，以防電機(jī)出現(xiàn)故障。
圖3：在十分惡劣的環(huán)境條件下，通過(guò)使用熱敏電阻型電機(jī)保護(hù)繼電器3RN1，能夠直接記錄電機(jī)的繞組溫度。
圖4 推薦采用3RS1繼電器，以便直接監(jiān)控電機(jī)溫度。
由于此類繼電器尤其適用于惡劣的環(huán)境條件，因此它們能夠滿足較高的要求。一種符合DIN EN 60990(VDE 0106) [2]標(biāo)準(zhǔn)、安全隔離電壓高達(dá)300 V的繼電器、以及一種雙穩(wěn)態(tài)繼電器可供選擇使用。此外，熱敏電阻型電機(jī)保護(hù)繼電器已經(jīng)通過(guò)了防爆Atex氣體和塵土防護(hù)認(rèn)證。
而且，溫度監(jiān)控繼電器3RS10/3RS11適于測(cè)量固體、流體和氣體介質(zhì)的溫度（圖4）。首先，它們適用于電機(jī)保護(hù)；此外，它們也適用于設(shè)備保護(hù)，與熱敏電阻型電機(jī)保護(hù)繼電器不同，它們可用來(lái)監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜的溫度和霜凍情況，還可用來(lái)記錄不同的過(guò)程變量。
作為可調(diào)的數(shù)字式繼電器，溫度監(jiān)控繼電器能夠取代低端領(lǐng)域的溫度調(diào)節(jié)器。它最多可以連接三個(gè)2或3導(dǎo)體型電阻溫度傳感器。作為指定的監(jiān)控元件，數(shù)字式溫度監(jiān)控繼電器適用于發(fā)熱設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。
工業(yè)應(yīng)用
監(jiān)控繼電器家族中的另一個(gè)“保護(hù)天使”是3UG4624型剩余電流（漏電流）監(jiān)控繼電器。它能夠監(jiān)控裝置，此處的故障電流均由灰塵沉積或濕氣、多孔導(dǎo)線、以及容性故障電流的形成而引起。另外，3UL22電流互感器適用于各種額定故障電流和導(dǎo)線橫截面積。通過(guò)配套使用3UG4624剩余電流監(jiān)控繼電器和3UL22電流互感器，能夠隔離監(jiān)控30 mA至40A范圍內(nèi)的告警和斷電閾值。
基于寬泛的電源電壓范圍，該繼電器適用于全球范圍90V至690 V的交流電源。在此，通過(guò)對(duì)它的實(shí)際值和啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化描述，能夠顯著提高操作的舒適度。
在未接地的交流和直流電源中，相應(yīng)的絕緣監(jiān)控繼電器3UG3被指定進(jìn)行絕緣監(jiān)控。
為了監(jiān)控非電氣變量，可通過(guò)使用監(jiān)控繼電器3UG4501監(jiān)控液位；亦可使用速度監(jiān)控繼電器3UG4651，以監(jiān)控轉(zhuǎn)速。這兩種監(jiān)控繼電器的控制電源電壓為交直流24 V至240 V。最重要的是，液位監(jiān)控繼電器能夠?qū)Ρ眠M(jìn)行保護(hù)，防止其出現(xiàn)干轉(zhuǎn)；另外，還能夠監(jiān)控泄漏情況，并提供過(guò)流保護(hù)。為此，可向二極或三極傳感器施加交流電壓，并對(duì)它們的電流情況進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)可調(diào)的靈敏度，能夠控制靜止的流體。通過(guò)可調(diào)的開(kāi)關(guān)延時(shí)，能夠監(jiān)控波動(dòng)的液體。
如果無(wú)法通過(guò)cos φ或有功電流進(jìn)行監(jiān)控，例如：水輪、或通過(guò)傳動(dòng)裝置或皮帶驅(qū)動(dòng)器、以及大型電機(jī)進(jìn)行的“去耦”應(yīng)用，亦可采用轉(zhuǎn)速監(jiān)控繼電器。
轉(zhuǎn)速監(jiān)控繼電器還適用于運(yùn)行極慢的電機(jī)。跟蹤每次旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，即可始終顯示正確的實(shí)際轉(zhuǎn)速。
Sirius系列監(jiān)控繼電器廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，它們能夠持續(xù)監(jiān)控電機(jī)，以便快速確定并消除故障。它們能夠持續(xù)提高機(jī)器和設(shè)備的可用性，以便實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)－實(shí)用的“驅(qū)動(dòng)器的安全天使”。
文獻(xiàn)資料
[1] 西門子股份公司自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)集團(tuán)網(wǎng)址：www.siemens.de/relais
[2] DIN EN 60990 (VDE 0106):2000-10 程序
用于測(cè)量觸摸電流和保護(hù)性導(dǎo)體電流。
Offenbach：VDE-出版社
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)