监控继电器－驱动器的保护天使

    在工业领域，多系统理念引发了针对单个机器和设备系统的整体思考。这主要涉及能源管理、维护和可用性。在此背景下，监控继电器的地位变得更加重要，该“保护天使”为高效的驱动技术奠定了基础。

    随着自动化技术的发展和种类的日渐增多，对生产和装配过程进行全面监控的需求愈加增强。监控继电器和传感器配合使用能够实现这一目的。它们可以作为机器和设备的“眼睛和耳朵”，对它们进行监视。为此，西门子自动化和驱动集团推出了Sirius 3UG4系列监控继电器，该系列继电器可监控电气和非电气变量（图 1）。为了能够尽早识别电源和电压故障，以避免可能造成的损坏，单相和三相电源均可以采用监控继电器进行监控。例如：通过识别相序，该继电器能够保证驱动器的转向正确。

    当发生相序故障或者控制电源电压断相时，监控继电器可监控到并即时报告相序或断相故障。在这些情况下，异步交流电机仅通过两相电源运行，它的不稳定运行状态（转矩振荡）会损伤轴和轴承，并可能导致驱动器出现快速过热，进而停止运转。这种情况极为常见，它可以提前、有效地加以预防。

    与之类似的情况时有发生，为什么这些机器设备还能够持续运转？原因就在于它们通过监控继电器有效预防了电机的过热，并能够检测相序的不对称。此功能既适合相应的不对称负荷网络，又适用于发生断相故障的能量恢复系统。

    凭借其宽泛的电压范围－160 V至690 V，在无独立辅助电压的情况下，三相电源监控继电器可以在全球范围内广泛应用。17 V至600 V的单相电压变量分作三个区间。通过显示实际值和故障类型，该继电器能够快速而又安全地诊断数字变量。例如：当降低电源电压时，电机电流提高，进而导致电机出现不期望的升温。此时，监控继电器将报告上述状况，并在特定情况下断电。此外，在过压情况下，它们也将执行上述操作。

提供电流的重要数据

    除了电压以外， 监控继电器还能提供有关电机优化运行的重要数据。继电器能够进行专业监控－例如：仅需一个继电器3UG4641即可同时监控cos φ和有功电流（图2）。

    因此，机器和设备制造商对这种继电器产生了浓厚的兴趣。无论功率因数cos φ，还是电机消耗的有功电流，都取决于其负荷情况。这表明，对于两种参数，只要掌握了其中一个数据，即可轻易获得电机的负荷等级。因此，通过这种简单的途径，即可监控电机的负荷情况；另外，在对有功电流进行监控时，该方法适用于电机的整个转矩范围。

图1 Sirius系列监控继电器致力于电气驱动器的优化运行

图2：3UG4监控继电器能够持续监视电源和电机电压

    它们之间的相互关系如下：通过提高电机负荷，能够显著增大视在电流，尤其是额定转矩将超比例地增大。然而，额定负荷之下的功率因数cos φ将率先发生重大变化。然而，在总体范围内，它所引起的有功电流Ires－即cos φ 和 I 的乘积，表明电机负荷和测量值之间存在一种近似的线性关系，因此，不通过电压，即可监控电机负荷。借助于这种监控继电器的测量精度，甚至可以监控空转电流小于0,5 A的小型单相电机。cos-φ和有效电流的单相监控继电器具备宽泛的控制电压范围－交流90 V至690V。

    通过对cos φ进行监控，并对补偿设备进行控制，此类继电器能够提高电机效率，从而为机器和设备制造商进行高效的能源管理奠定基础。随着能源价格的不断上涨，预计能源管理将更加重要。

    通过窗口监控和有功电流测量，这些继电器能够独立识别开关柜和电机之间的电缆断线以及相故障。此外，它们还能够快速诊断、并排除故障，从而提高了电机的可用性。

    在交流/直流24 V至240 V、宽泛的电源电压范围内，可使用单相电流监控继电器3UG463。仅需两个执行装置，即可记录范围介于3 mA 至10 A的电流。这些仪表适用于频率为40 Hz至500 Hz的交流电压。此外，它们还可用于直流电源。作为数字执行装置，这些独立的电流记录仪能够显示测量仪表的实际值和故障起因。通过对测量电流进行高度解析，这些仪表甚至可作为阈值开关，以便评估外部模拟信号－例如：电流介于4 mA 和20 mA之间的该信号。

系统温度监控－旨在提高电机的使用寿命

    监控继电器最重要的功能在于对故障和过负荷的诊断。在某些行业应用里， 对于驱动器的使用寿命，外界影响－尤其是外部供电温度－扮演着决定性角色。然而，电流保护装置未能提供理想的解决方案。

    热敏电阻型电机保护继电器3RN1能够解决下述问题－离心机、变频驱动器的重载启动，频繁的开关、制动过程，以及灰尘沉积造成的非正常的电机冷却（图3）。它能够直接测量电机绕组温度。在此，可以使用带两个传感器的继电器、以及带六个传感器的继电器－例如：适用于开采巷道。通过使用上述继电器，能够定义不同的温度范围，这也是它们的优势之所在。因此，在温度上升时，能够首先发出告警信号，随后立即断电。如果电机的温度达到警告区，则附加的冷却单元将被启动，使电机重新产生正常的温度等级，以防电机出现故障。

图3：在十分恶劣的环境条件下，通过使用热敏电阻型电机保护继电器3RN1，能够直接记录电机的绕组温度。

图4 推荐采用3RS1继电器，以便直接监控电机温度。

    由于此类继电器尤其适用于恶劣的环境条件，因此它们能够满足较高的要求。一种符合DIN EN 60990(VDE 0106) [2]标准、安全隔离电压高达300 V的继电器、以及一种双稳态继电器可供选择使用。此外，热敏电阻型电机保护继电器已经通过了防爆Atex气体和尘土防护认证。

    而且，温度监控继电器3RS10/3RS11适于测量固体、流体和气体介质的温度（图4）。首先，它们适用于电机保护；此外，它们也适用于设备保护，与热敏电阻型电机保护继电器不同，它们可用来监控开关柜的温度和霜冻情况，还可用来记录不同的过程变量。

    作为可调的数字式继电器，温度监控继电器能够取代低端领域的温度调节器。它最多可以连接三个2或3导体型电阻温度传感器。作为指定的监控元件，数字式温度监控继电器适用于发热设备的温度监测。

工业应用

    监控继电器家族中的另一个“保护天使”是3UG4624型剩余电流（漏电流）监控继电器。它能够监控装置，此处的故障电流均由灰尘沉积或湿气、多孔导线、以及容性故障电流的形成而引起。另外，3UL22电流互感器适用于各种额定故障电流和导线横截面积。通过配套使用3UG4624剩余电流监控继电器和3UL22电流互感器，能够隔离监控30 mA至40A范围内的告警和断电阈值。

    基于宽泛的电源电压范围，该继电器适用于全球范围90V至690 V的交流电源。在此，通过对它的实际值和启动状态进行数字化描述，能够显著提高操作的舒适度。

    在未接地的交流和直流电源中，相应的绝缘监控继电器3UG3被指定进行绝缘监控。

    为了监控非电气变量，可通过使用监控继电器3UG4501监控液位；亦可使用速度监控继电器3UG4651，以监控转速。这两种监控继电器的控制电源电压为交直流24 V至240 V。最重要的是，液位监控继电器能够对泵进行保护，防止其出现干转；另外，还能够监控泄漏情况，并提供过流保护。为此，可向二极或三极传感器施加交流电压，并对它们的电流情况进行监控。通过可调的灵敏度，能够控制静止的流体。通过可调的开关延时，能够监控波动的液体。

    如果无法通过cos φ或有功电流进行监控，例如：水轮、或通过传动装置或皮带驱动器、以及大型电机进行的“去耦”应用，亦可采用转速监控继电器。

    转速监控继电器还适用于运行极慢的电机。跟踪每次旋转的转数，即可始终显示正确的实际转速。

    Sirius系列监控继电器广泛应用于各个工业领域中，它们能够持续监控电机，以便快速确定并消除故障。它们能够持续提高机器和设备的可用性，以便实现既定目标－实用的“驱动器的安全天使”。

文献资料

[1] 西门子股份公司自动化和驱动集团网址：www.siemens.de/relais

[2] DIN EN 60990 (VDE 0106):2000-10 程序

用于测量触摸电流和保护性导体电流。

Offenbach：VDE-出版社