電動機(jī)的保護(hù)配合及CPS在民用建筑中的應(yīng)用

悉地（北京）國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司李炳華

（100013 北京）

摘要：本文敘述了電動機(jī)保護(hù)配合的原則，明確電動機(jī)主回路中各個保護(hù)電器按保護(hù)配合的要求承擔(dān)各自的責(zé)任。同時簡述了控制與保護(hù)開關(guān)電器CPS的特點(diǎn)和技術(shù)性能。重點(diǎn)說明了CPS在消防類電動機(jī)和電動機(jī)可逆控制中的應(yīng)用，進(jìn)一步拓展了CPS的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：電動機(jī)保護(hù)電器控制電器保護(hù)配合控制與保護(hù)開關(guān)電器消防負(fù)荷可逆控制

The protection of the motor and the application of CPS in thecivil building

Binghua.Lee CCDI Group

Abstract: The principle of motor protection coordination is described in thispaper. It’s clear that responsibility ofeach protection appliances is assumed in the main circuit of motor. At the sametime, the characteristics and technical performance of CPS is explained. It’s mainlyillustrated to apply CPS in the fire motor and reversible control.

Keywords: motor, protective device, control device, CPS, fire load, reversiblecontrol

筆者是CPS技術(shù)和應(yīng)用的倡導(dǎo)者和推動者！

早在1992年，國際電工委員會頒布了IEC 60947-6-2:1992標(biāo)準(zhǔn)文件，規(guī)定了“控制與保護(hù)開關(guān)電器”相關(guān)要求，開創(chuàng)了電動機(jī)保護(hù)與控制的新紀(jì)元。CPS是英文Control and Protective Switching Device的縮寫，對電動機(jī)保護(hù)而言是革命性的，它成功的解決了過去一直沒有解決好的電動機(jī)保護(hù)配合問題。我國于1998年在IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了我國第一部國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14048.9-1998，從此CPS逐漸為行業(yè)內(nèi)從業(yè)人員所認(rèn)識、接受，并逐漸推廣和應(yīng)用。令人欣慰的是，我國自主研發(fā)的CPS達(dá)到了世界同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，部分指標(biāo)優(yōu)于國外產(chǎn)品，生產(chǎn)廠家多達(dá)數(shù)十家，并培育出了常熟、中凱、遠(yuǎn)泰、泰永等骨干企業(yè)，產(chǎn)品特點(diǎn)鮮明，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，額定電流高達(dá)225A，可滿足95kW及以下交流電動機(jī)直接啟動的需求，帶動我國CPS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過北京奧運(yùn)場館、上海世博會等重大工程的應(yīng)用驗(yàn)證，國產(chǎn)的CPS性能穩(wěn)定，可靠性高，是值得信賴的低壓電器。

1 電動機(jī)保護(hù)配合的原則

電動機(jī)保護(hù)配合較多，歸納起來主要有如下三個原則：

第一，保護(hù)器件的配合

如圖1a所示，傳統(tǒng)的電動機(jī)主回路由多個元器件組成。短路保護(hù)由短路保護(hù)電器完成，通常采用斷路器或熔斷器；過載保護(hù)由過載保護(hù)電器實(shí)現(xiàn)，通常采用熱繼電器。無論是過載還是短路，都會產(chǎn)生較大的故障電流，在保護(hù)電器動作之前要求控制電器（通常采用接觸器）有足夠的能力承受這么大的故障電流。

因此，電動機(jī)的保護(hù)需要配合嚴(yán)密，不留死角，否則會造成設(shè)備或器件損壞。電動機(jī)保護(hù)的配合可以用圖2直觀的表示。圖中1是熱繼電器曲線，用于過載保護(hù)；2是電磁脫扣器曲線，用于短路保護(hù)；3和4分別是熱繼電器耐熱極限曲線和SCPD耐熱極限；Ij為熱繼電器脫扣曲線與SCPD電磁脫扣曲線的交點(diǎn)，由熱繼電器廠家提供。理想的保護(hù)配合和分工如表1所示，這樣短路保護(hù)電器和過載保護(hù)電器分工明確，各司其職。

表1 保護(hù)器件的保護(hù)分工

第二，電動機(jī)主回路中的控制電器也參與到保護(hù)配合中

控制電器（如圖1中的接觸器）的額定限制短路電流不應(yīng)小于安裝處的預(yù)期短路電流。額定限制短路電流是接觸器、PC級的ATSE等產(chǎn)品中非常重要的技術(shù)參數(shù)，他們本身沒有短路保護(hù)能力，需要斷路器、熔斷器等短路保護(hù)電器與之配合，國標(biāo)GB 14048相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對額定限制短路電流有如下定義：在有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下，用制造廠指定的短路保護(hù)電器進(jìn)行保護(hù)的電器，在短路保護(hù)電器動作時間內(nèi)能夠良好地承受的預(yù)期短路電流值。通俗地說，當(dāng)發(fā)生短路時，在短路保護(hù)電器切斷故障回路之前，接觸器等控制電器應(yīng)能承受如此之大的故障電流，滿足電動機(jī)保護(hù)配合要求。

第三，保護(hù)配合的類型

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008第9.2.4條第4款第1項(xiàng)指出，電動機(jī)保護(hù)配合分為1類和2類配合，詳細(xì)描述和特點(diǎn)見表2所示。顯然，2類配合強(qiáng)調(diào)供電的可靠性和連續(xù)性，適用于重要負(fù)荷（如消防類負(fù)荷）。

表2 1類配合和2類配合

在CPS問世之前，采用分立元件很難完整地、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)上述電動機(jī)保護(hù)配合，出現(xiàn)的問題相對較多。而CPS則很好的將這些保護(hù)配合固化在器件中，保護(hù)配合比較嚴(yán)密，是一項(xiàng)值得推廣的新技術(shù)。

2 CPS的特點(diǎn)

如前所述，傳統(tǒng)的電動機(jī)主回路有隔離電器、短路保護(hù)電器SCPD、控制電器、過載保護(hù)電器及附屬電器等組成，與傳統(tǒng)的分立元件相比，CPS（如圖1b所示）的優(yōu)勢非常顯著，主要特點(diǎn)如下：

2.1 CPS保護(hù)配合嚴(yán)密

CPS保護(hù)配合分工明確，不留死角，配合嚴(yán)密，完全符合上文所述電動機(jī)保護(hù)配合的要求，滿足《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008相關(guān)條款的規(guī)定。

2.2 主回路簡潔

圖1b所示，CPS構(gòu)成的電動機(jī)全壓啟動電路非常簡單，一個器件構(gòu)成一個回路。CPS集成了電動機(jī)的保護(hù)電器、控制電器、隔離電器等功能。

2.3 保護(hù)齊全

CPS具有多種保護(hù)功能，例如相間短路保護(hù)、接地故障保護(hù)、過載保護(hù)、斷相保護(hù)等，同時其體積比分立元件的要小很多，控制箱體積可以大大減小，節(jié)省空間。

2.4 控制多樣

CPS可以進(jìn)行電動機(jī)全壓啟動、星三角降壓啟動、單向控制、可逆控制、雙電源（ATSE）控制等多種控制，控制非常靈活。

當(dāng)然，目前CPS尚不能做到電動機(jī)控制與保護(hù)的全覆蓋，最大額定電流只有225A，只能應(yīng)用于中小容量的電動機(jī)。

3 CPS在民用建筑中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用依據(jù)

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008第9.2.6條第1款第1）項(xiàng)規(guī)定，控制與保護(hù)開關(guān)電器（CPS）宜用于頻繁操作及不頻繁操作的電動機(jī)回路。規(guī)范條文有如下含義：

a）規(guī)范里所述的電動機(jī)回路是指電動機(jī)主回路，CPS可以代替隔離電器、短路保護(hù)電器、控制電器、過載保護(hù)電器等，簡化了電動機(jī)主回路，可靠性得以提高；

b）規(guī)范沒有對CPS的應(yīng)用場所、負(fù)荷類型等方面做進(jìn)一步的要求，也就是說，規(guī)范沒有限制CPS在各種類型的民用建筑、各類負(fù)荷中的應(yīng)用；

c）沒有限定電動機(jī)操作的頻次。民用建筑中新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、送風(fēng)機(jī)等屬于頻繁操作的電動機(jī)，而排煙風(fēng)機(jī)、消火栓泵等屬于不頻繁操作的電動機(jī)。

3.2 應(yīng)用場所及舉例

常用的風(fēng)機(jī)、水泵控制詳見國標(biāo)圖集《常用電機(jī)控制電路圖》10D303-2~3相關(guān)章節(jié)，本文重點(diǎn)介紹該標(biāo)準(zhǔn)圖中沒有涉及到的應(yīng)用，供讀者參考。

3.2.1 CPS在排煙風(fēng)機(jī)和正壓送風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

由于消防負(fù)荷的特殊性和重要性，加之CPS是新技術(shù)、新產(chǎn)品，根據(jù)專家審查的意見，10D303-2~3暫沒在消防類的設(shè)備中使用CPS，待經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證后再進(jìn)行補(bǔ)充。

圖3是排煙風(fēng)機(jī)和正壓送風(fēng)機(jī)控制圖，其主回路參見圖1b，為CPS方案，適合于交流380V單臺消防排煙風(fēng)機(jī)或正壓送風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場控制或兩地控制，過載保護(hù)只報(bào)警，風(fēng)口（或風(fēng)閥）上的微動開關(guān)直接與風(fēng)機(jī)聯(lián)動，消防聯(lián)動模塊提供無源動合觸點(diǎn)，當(dāng)消防系統(tǒng)提供有源觸點(diǎn)時，取消變壓器T。只有現(xiàn)場控制時，取消SS1'、SF1'、S、HG'并將X1:5與X1:6短接，X1:6與X1:7斷開，X1:7與X1:8短接,X1:10與X1：11斷開。圖中CPS包含線圈、過載保護(hù)觸點(diǎn)，動合觸點(diǎn)、動斷觸點(diǎn)。用于正壓送風(fēng)機(jī)控制時，將X1:8與X1:9短接。

圖4是排煙風(fēng)機(jī)和正壓送風(fēng)機(jī)另一個控制方案，適合于交流380V單臺消防排煙風(fēng)機(jī)或正壓送風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場控制或兩地控制，控制電源為交流220V，過載只報(bào)警不作用于斷電，風(fēng)口（或風(fēng)閥）上的微動開關(guān)直接與風(fēng)機(jī)聯(lián)動，消防聯(lián)動模塊提供無源動合觸點(diǎn)，當(dāng)消防系統(tǒng)提供有源觸點(diǎn)時，取消變壓器T。只有控制箱上控制時，取消SS1'、SF1'、S、HG1'。圖中CPS包含線圈、過載保護(hù)觸點(diǎn)、動合觸點(diǎn)、動斷觸點(diǎn)?？刂破鱁MC是風(fēng)機(jī)專用控制模塊，其面板上有風(fēng)機(jī)的啟停控制及相關(guān)信號，詳見《常用電機(jī)控制電路圖》10D303-2相關(guān)頁碼。當(dāng)本圖用于正壓送風(fēng)機(jī)控制時，將X1:11與X1:12短接。

3.2.2 CPS在電動機(jī)可逆控制中的應(yīng)用

圖5和圖6分別為CPS組成的電動機(jī)可逆控制的主回路和二次原理圖，CPS1、CPS2分別控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的線圈，集成在CPS內(nèi)，類似分立元件構(gòu)成電動機(jī)主回路中的接觸器，CPS本身具有機(jī)械聯(lián)鎖功能，正反轉(zhuǎn)的動斷觸點(diǎn)分別串聯(lián)在對方的線圈回路，形成電氣聯(lián)鎖。本方案還具有BA自動控制功能。

3 總結(jié)

綜上所述，CPS在電動機(jī)保護(hù)與控制方面的應(yīng)用可以小結(jié)如下：

1）CPS固化了電動機(jī)保護(hù)配合，可靠性、實(shí)用性、靈活性大大提高，電動機(jī)的保護(hù)與控制水平比分立元件有大幅度提升。

2）CPS在消防類電動機(jī)保護(hù)與控制方面有成熟的控制方案，經(jīng)多年的工程實(shí)踐驗(yàn)證，控制方案、產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足消防類電動機(jī)的控制與保護(hù)的需要。

3）電動機(jī)可逆控制技術(shù)成熟，工程實(shí)際驗(yàn)證效果良好，可以滿足工程需要。

4）CPS有其局限性，現(xiàn)在只有中小容量的產(chǎn)品，尚無法取代分立元件。

【參考文獻(xiàn)】

1 《常用電機(jī)控制電路圖》10D303-2~3

2 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》 JGJ16-2008