电动机管理系统有效保护机床设备

风继续吹起

机床设备中的一个重要电气参数就是电动机的有效功率。利用Phoenix Contact公司的Contactron电动机管理器，就可以对这一参数进行精确的监控，较高的超负荷和低负载运行状况能够马上被这一仪器察觉到。由于电动机管理器能够在电机发生故障停机之前及时发出报警和维护保养的提示，从而能够有效地对机床设备起到保护作用，使机床设备的可用性明显提高。
在工业应用中，一般都用电动机来启动生产。一般情况下，它都由按照过电流时间长短而发挥保护作用的电动机电流保护器进行保护；或者由根据负载大小进行过载保护的电动机保护开关进行保护。但是，当电动机的冷却风扇反转时，或者冷却器堵塞、无法实现正常的冷却时，电动机又会如何？
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8 q, Z9 I% d/ s* `8 i* Z用于参数赋值、故障诊断和生产数据采集的FDT/DTM软件电流监控往往不足
毫无疑问：当电动机的温度升高到一定的临界值之后，会导致电动机的失效损坏。作为解决方法，可以在电动机的绕组中安装一个热敏电阻，并将这一热敏电阻与能够在电动机温度过高时切断电动机电流的控制开关连接在一起。热敏电阻和温控开关两者共同构成了电动机的全面保护。然而，这一保护方案对其后续的机械设备或者机械结构几乎没有一点保护作用，不能避免它们在最糟糕的工作情况下仍然出现失效的情况。
电动机失效的主要原因是：许多用户为减少库存，储备的电动机变型品种太少。在实践中，大约90%的电动机的工作负荷只达到了额定功率的40%～60%，都不在其最佳工作特性范围内工作。而这些电动机的过电流保护装置是按照电动机铭牌上的额定功率进行设置的，是按照电动机在最佳工作特性范围内的参数进行设置的。当负载有所变化时，即使是很小的变化，也会在功率因数和效率中反映出来；电动机电流的变化几乎保持不变。尽管如此，机械装置仍然可能过载，而纯电流监控系统中却不会显示问题。这就会给机床设备带来严重的后果：电动机驱动的机械装置严重受损，代价昂贵。
检测有效功率以提高对机床设备的保护
Phoenix Contact公司研发生产的Contactron系列电动机管理器带有有效功率采集器，可以对电动机和机床设备进行保护（图1）。由于在电动机的整个功率范围内只有有效功率是线性变化的，因此可以通过这种线性变化随时获知电动机输出扭矩的大小。另一方面，只有在过电流和低负载时的功率因数这两个参数能够对电动机进行保护。电动机管理器对所有的变量参数都进行监控，例如：电流、电压和功率因数；并在6.6ms后根据检测到的数据计算出有效功率，从而也能够确定那些时间很短的负载变化情况。
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图1 带有运行功率检测的电动机管理器：对电动机和机床设备进行保护按照这种监控方法，能够很快地发出报警信息，或者切断机床设备的动力电源。检测到的、可以绘制出电动机运行曲线的数据，真实地反映了机床设备的工作状况；清楚地显示了与理论观察数据或者理论计算数据之间的差异。利用这种Contactron电动机管理器，所有安装在电动机之后的机床设备部件和仪器，例如轴承、机械部件等的有效功率都能被一同考虑在内并显示出来，并能够快速地给予安全保护（图2）。与纯粹的电流保护相比较，基于有效功率的监控也能够在低负荷时起到安全保护的作用，例如泵的失油运行等，完成长期以来需要辅助使用有效功率监控器才能完成的任务。

: k  c1 p$ R; ?1 H0 `" p' N图2 有效管理P适合于识别各种工况下的负载保存下来的启动运行曲线属于设备运行状况的重要资料，因为可以作为设备老化、污垢程度或者磨损状况的参考资料使用。利用这一曲线，可以准确地确定所有的监控参数、监控的上下极限值以及与这些极限值对应的报警、提示或者切断供电、参数赋值等信息。该管理器的参数赋值是利用DTM（设备类型管理器）软件进行的，利用这一电动机管理器可以与FDT（现场设备工具），例如Phoenix Contact公司的自动化管理软件AutomationXplorer兼容。利用这种方式，电动机管理器就可以统一、稳定地集成到各种工程技术工具或者控制系统之中。
只有有效功率允许对机床设备的上、下极限负载的整个范围进行监控。作为机床设备的保护开关，它保障了机床设备具有很高的可用性，从而也保障了很高的生产能力。利用其有效功率监控功能，使其能够及时发现使用过程中的故障和干扰，从而避免设备停机故障。作为技术数据计算的基础，依据的都是电气数据：把电动机兼做传感器使用而得到的电气数据。费时费力的附加传感器，甚至是价格昂贵的传感器，例如压力传感器、流量传感器或者压差传感器等都可以省略。其他的电气参数，例如不同档位的工作时间、机床设备的总工作时间以及使用的能源等，都可以在优化维护保养的同时进行采集。
; |- U2 ?; @( R' c9 d) i! b) }2 e利用电动机供电电缆轻松方便进行补装
6 H1 H$ j0 a* ?+ l! c利用集成电流转换器的电动机管理器，可以直接对16A电流的电动机进行监控，无需占用太多空间就能完成安装。当电动机的电流更大时，可以使用一个专门的模块，结合外置式的电流转换器就能对各个功率档次的电动机进行监控了。因此，利用这一仪器对电动机和机床设备进行监控就变得非常简单了：所利用的仅仅是给电动机供电的电缆。这样，在现有设备中补充装配这种电动机管理器也是有可能的，今后也就能为用户提供精确的机床设备运行数据了。
三相电负载的切断由专门的机械继电器或者由Contactron系列无磨损并利用电机管理器模块数字输出端进行供电、断电控制的半导体继电器来完成。此时，电动机管理器提供了对泵、控制台或者切削加工机床的安全监控和保护，并对各个设备所需的电力能源进行评估。在这一监控过程中，无论电机管理器是自主供电还是利用现场总线供电，都能很好地完成这一任务。
; U$ \  l! W+ i在Phoenix Contact公司研发生产的、符合DPV1技术规范（EN 50170）认证的Profibus现场总线网关的帮助下，可以将最大32个电动机管理器模块简单方便地安装在连接件T-Bus的卡槽上就可以实现相互间的通讯了（图3），无需繁杂的布线。与市场上常见的其他解决方案相比，这一方案能够明显减少投资费用，节约电气柜中的安装空间。所有的生产数据都可通过FDT/DTM传输到上一级的控制系统，由上一级控制系统进行处理。除此以外，Profibus现场总线网关还支持故障-安全功能：通过DTM的参数赋值可以对Profibus现场总线系统中的故障和错误施加影响，进行安全保护性的断电控制。另外，这种仪器设备还带有数字式I/O端子，可以与其他元器件进行联系。在Profibus DPV1系统中进行的网关集成可通过GSD仪器描述方法进行赋值，所采用的FDT/DTM在电动机管理器以及整个机床设备的参数赋值、监控和故障诊断方面的灵活性大大提高。

图3 简单而又快速地在T-Bus连接件卡槽中实现各个模块的连接Contactron电动机管理器
Phoenix Contact公司研发生产的电动机能够根据维护保养周期的要求，实现8种工作模式和供电状态的转换；结合连续的状态监控和很高的采样率，保障了机床设备很高的可用性。通过简单地在电动机供电电缆上的连接，使得电动机也变成了一个传感器，能够提供各种有用的电气参数，例如视在功率、无功功率和有效功率，电流、电压，功率因数，开关时间，工作时间以及能源消耗等。价格昂贵的探测器、传感器都不是必须安装使用的元器件了。
文章关键词： 电动机、机床、设备