如何使用廉價的三相監測繼電器保護昂貴機械

暖通空調 (HVAC) 系統、水處理、物料處理、機床、航海和航空等，大多數商用和工業應用中所使用的機器，皆由三相馬達所驅動。這些可靠的機器可能會因各種故障狀況而受損。如果這些狀況無法迅速排除，可能導致故障或至少會縮短工作壽命，進而引發嚴重停機和高昂維修成本。

相位監測繼電器可用來偵測這些故障，並通知操作人員，並在發生永久損壞前停止機器。這些繼電器可以偵測是否所有三個相位都存在、其序列都正確，且相位電壓都在正確的範圍內。如果發生錯誤，繼電器會斷開一組觸點，觸發警報狀態或關閉機器電源。

目前市面上有多種相位感應繼電器，可處理多種電壓、三相配置和錯誤狀況。本文將簡要探討潛在的馬達故障模式，以及相位感應繼電器的運作方式。然後藉由 Carlo Gavazzi 真實產品案例，說明三相相位監測繼電器的選擇和應用方式。

三相馬達故障模式

各種產業常見的故障包括三相電源相關的故障，以及其對馬達造成的影響。若三個相位中失去其中之一，或相位電壓不平衡，皆會導致馬達剩餘相位中的電流高於正常電流，進而導致失去機械動力和引起機械過度振動。同樣的，欠壓和過電壓會迫使馬達增加電流，以驅動相同的負載，進而縮短馬達壽命。

另一種故障可能是相位序列有誤，導致馬達反向運轉，對馬達的負載端造成嚴重後果。

相位監測繼電器功能

相位監測繼電器具有一系列與三相電源狀態相關的功能。這類繼電器是由其所監測的三相線路供電，全部都會監測相位序列和任何失去的相位電壓。當所有相位都存在且電源序列正確時，繼電器將啟用。如果失去任何相位或相位序列有誤，繼電器將斷電。某些相位監測繼電器還會監測所有三相的電壓位準。電壓測定會使用真均方根 (TRMS) 測量，並在振幅低於預設閾值時，停用繼電器。某些裝置提供相同的振幅偵測功能，但使用者可調整極限設定值。許多繼電器型號可監測相位不對稱和容差。所有繼電器型號都會在電壓位準或不對稱問題引起制動前提供延遲，以防止雜散啟動。在某些型號中，延遲可以透過編程方式設定。

相位監測繼電器選項

Carlo Gavazzi Inc. 的 DPA01CM44 是一款三線配置的相位敏感繼電器 (圖 1)。此系列由三相電源供電，有多種型號可供選擇，可在電壓為 230、400、600 和 690 VAC 下運作。這些繼電器主要安裝在 DIN 軌道上，還可提供外掛程式的版本。繼電器輸出配置可以是單極雙擲 (SPDT) 或雙 SPDT 觸點。

圖 1：DPA01CM44 是一款 DIN 軌道安裝式相位監測繼電器，可用於 208 至 480 VAC 三相線路中，且含 SPDT 繼電器觸點輸出。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

在正常電壓條件下，繼電器是在啟用狀態下，亦即繼電器輸出的常開型 (NO) 觸點是在閉合狀態下；而常關型 (NC) 輸出觸點則是在斷開狀態下。繼電器的操作時間在 100 ms 以內。前面板上的狀態 LED 指示燈顯示電源已開啟且繼電器已啟用。

可以安裝 DPA01 相位監測繼電器來監測任何三相線路 (圖 2 中的範例 1)，也可以與三相馬達相連 (範例 2)。

圖 2：DPA01 系列三相監測繼電器的應用範例。範例 1 (左) 顯示其已連接且可監測三相線路。範例 2 (右) 說明其用於監測三相馬達。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

當任一應用發生錯誤狀況時，若以適當方式連接到繼電器的接觸器，將斷開連續的三相電路，同時監測繼電器仍會與電源連接。若進行連接以監測沒有馬達的三相線路時，可以有效偵測到弱相，因為缺失輸入的位準會顯著下降。當監測器連接至馬達時，若操作馬達，會因內部電感式耦合而再生缺失的相位。只要振幅小於標稱三相電壓的 85%，繼電器就會被設定為偵測到缺欠相位。因此，務必確認馬達再生相位是否小於標稱線路電壓的 85%。

對於需要自訂過電壓或欠壓閾值的應用，可以使用 Carlo Gavazzi 的 DPB01CM48 多功能相位監測繼電器。此繼電器會偵測過電壓和欠壓狀況，以及欠相和相位序列有誤。使用者可以透過前面板開關來調整過電壓和欠壓閾值位準 (圖 3)。

圖 3：DPB01CM48 多功能相位監測繼電器使用前面板控制器來監測欠相、相位序列，以及可選式過電壓和欠壓的閾值。使用者可以調整過電壓和欠壓致動的操作延遲，將暫態啟動減至最低。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

此繼電器也是 DIN 軌道安裝式產品，可支援三角形和星形三相拓撲。可選擇的使用者可編程電壓範圍為 380、400、415、480 VAC 線間電壓，以及 220、230、240 和 277 VAC 相電壓。電路拓撲和電壓範圍由內部 DIP 開關設定。DPB01 系列中的獨立型號可處理較低的電壓範圍。

繼電器前面板有三個控制旋鈕。上方旋鈕可將較低的電壓閾值設定在標稱電壓的 -2% 至 -22% 之間；中間旋鈕可將較高電壓閾值設定在標稱電壓的 2% 至 22% 之間；最低的控制旋鈕可將操作延遲設定在 10 ms 至 30 s 之間。此延遲是用來防止短期間暫態電壓不慎觸發繼電器。

繼電器前面板上有三個 LED 指示燈，可用於指示其狀態。綠色 LED 指示燈表示電源已開啟。黃色 LED 指示燈表示繼電器已通電。如果發生警報事件，則黃色 LED 指示燈將熄滅，繼電器將在逾時後斷電，而且紅色 LED 指示燈將閃爍。如果錯誤狀況是過電壓或欠壓，則紅色 LED 指示燈會以 2 Hz 的頻率閃爍，而繼電器會在逾時後斷電。如果發生欠相或相位序列有誤，則繼電器會在 200 ms 內斷電，並且紅色 LED 指示燈會在錯誤狀態持續期間，以 5 Hz 的頻率閃爍。

DPC01DM69 相位監測繼電器具備 Carlo Gavazzi 公司最完整的功能集 (圖 4)。此種 DIN 軌道安裝式繼電器可監測相位序列和欠相，以及欠壓和過電壓、相位不對稱和容差。

圖 4：DPC01DM69 是一款 DIN 軌道安裝式相位監測繼電器，其左緣的 LED 指示燈會指示繼電器狀態 (黃色)、警報狀態 (紅色) 和電源狀態 (綠色)。控制組容差／不對稱或過電壓／欠壓閾值，以及繼電器延遲。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

在選擇工作電壓範圍和三相拓撲方面，DPC01DM69 與 DPB01CM48 類似。本產品具有額外的 DIP 開關選項，可用於開機延遲 (1 s 或 6 s)、輸出配置 (雙組 SPDT 觸點或單組雙極雙擲 (DPDT) 觸點)，以及用於過電壓／欠壓或不對稱／容差的監測功能。

DPC01CM69 可在三種不同模式下操作，具體取決於警報類型而定。欠相或相位序列有誤會導致輸出繼電器 1 和 2 斷電。過電壓或不對稱事件會使輸出 1 繼電器在預設延遲 1 結束時斷電，而且欠壓或超出容差事件會使輸出 2 繼電器在預設延遲 2 結束時斷電。這種雙輸出配置可在回應不同警報事件時，具備更大的彈性。

不對稱性是電源品質的指標，其定義為線路電壓最大偏差值的絕對值除以 3 相系統標稱電壓。容差是電源品質的另一項指標，其定義為線路電壓與標稱電壓最大偏差值之差的絕對值除以 3 相系統標稱電壓 (圖 5)。

圖 5：三相電源不對稱和容差的數學公式。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

一般而言，三相線路的不平衡應低於 2%，以避免三相馬達過熱。請注意，DPC01CM69 蓋上的不對稱和容差尺度範圍為 2% 到 22%。

結論

眾多產業中，監測三相交流電可避免因馬達損壞而導致代價高昂的停機狀況，因此非常重要。為了確保輕鬆有效完成這一任務，Carlo Gavazzi 提供多種三相監測繼電器，這些繼電器都是採用最先進測量技術，同時也方便進行設定。繼電器包括監測欠相和相位序列的簡單裝置，還有更複雜的監測器，可額外感應過電壓和欠壓條件，甚至相位不對稱性和容差。這些相位監測繼電器可確保三相電源問題不會對昂貴的機器造成損壞。