黄冈国产电动机保护器 产量大 寿命长
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产品描述

简易型电动机保护器的设计
摘要:本文介绍了一种以ARM为核心的智能电动机保护器,设计了相关信号处理电路、显示电路、I/O控制电路及通信电路,编写了相关电动机故障保护算法软件。市场应用表明,该电动机保护器能够保证电动机的可靠运行。
0、引言
随着电子技术的不断发展,电动机保护器正朝着智能化、数字化、综合化的方向发展。目前,市场上常规的综合型电动机保护器大都具备了比较齐全的保护功能,但体积较大、安装不便且价格十分昂贵,这使得综合型电动机保护器的推广受到很大局限。在采矿场所,受到现场空间限制,且只需要基本的电动机保护功能,为解决上述问题,研制一种符合国家标准并且高性价比的电动机保护器很有必要。本文以ARM为处理器,开发了一款经济实用的简易型低压电动机保护器。
1、设计依据及功能
简易型低压电动机保护器包括以下功能:
(1)基本保护功能:断相、启动超时、反时限过载、接地、三相不平衡、堵转、阻塞、短路、过压等保护功能,符合GB14048.4、GB14048.6等标准。
(2)选配保护功能:可选配外部故障、漏电、定时限过载、欠载、欠压等保护功能,符合GB14048.4、GB14048.6等标准。
(3)测量和通信功能:可测量三相电流、剩余电流、三相电压;具有RS485通信接口,采用Modbus通信协议,通信符合GBZ19582.1、GBZ19582.2标准。
(4)DI/DO、变送输出功能:支持2路DI、4路DO;支持1路4~20mA变送输出。
(5)安装方式:采用导轨安装或螺丝固定安装,3种额定电流规格分别为5A、25A、100A。
2、硬件方案
简易型电动机保护器采用低成本设计方案,整个系统由中央处理单元、电源模块、信号处理单元、按键模块、显示模块、I/O控制模块、变送输出模块、通讯模块等构成。
2.1信号处理单元
信号处理单元电路如图2所示,经过基准电压信号Vref将传感器检测的信号抬升,限定在0~3.3V信号内,输入中央处理单元,实现交流采样。为保证交流采样的精度,采用了分档处理交流信号的方式,在输入大信号时,信号经过抬升并滤波后直接进入CPU进行采样处理;在输入小信号时,信号抬升后需经过运算放大器信放大并滤波后进入CPU进行采样处理。
2.2控制模块
控制模块由开关量输入和继电器输出构成。开关量输入采用保护器内部提供的15V电源供电,并采用光耦隔离来增强开关量输入抗干扰性和满足保护器工频耐压的要求,开关量输入用于外部开关状态的监测。继电器输出采用性能稳定可靠、使用寿命长的继电器。继电器输出电路示意图如图3所示,为了增强抗干扰的要求,采用光耦进行隔离,ULN2003A可以输出500mA电流,可承受50V电压,内部集成的续流二极管为继电器线圈断电瞬间产生的较高感应电压提供了续流回路,继电器输出用于故障脱扣、故障报警和远程起动等信号的输出。
3、软件方案
保护器的主程序主要包括A/D采样、计算显示、基本保护、按键处理、I/O控制、变送输出及通信等程序。主程序采用模块化设计,具有可移植性强的特点。
主程序经过初始化后,执行A/D采样程序。在A/D采样程序中对电动机三相电流、三相电压、剩余电流进行采样,采样周期结束后,根据采样得到的电动机三相电流值、三相电压值、剩余电流值计算当前电动机的电流值和电压值,随后判断当前电动机的运行状态,当电动机此时为运行状态时,执行电动机保护子程序。
在保护子程序中,根据采样计算得到的电流值电压值判断电动机是否有故障发生,若没有故障发生则返回主程序,若有故障发生时,判断发生哪种类型电动机故障,执行相应的故障处理,并将故障类型在保护器界面上显示。
保护子程序执行后,进入显示值计算子程序,计算三相电流、平均电流、三相电压及剩余电流等参数显示值。显示值计算子程序执行后,进入按键处理子程序,实现人机交互。
按键处理子程序执行后,进入显示子程序。在没有按键处理时,显示电动机当前平均电流值;在有按键处理时,显示与按键功能相对应的参数值。当电动机发生故障时,显示相应故障码及故障报警脱口指示灯。
显示子程序执行后,进入I/O控制程序,在电动机发生故障时,控制继电器输出常闭触点脱扣断开,切断电动机供电,使电动机停车。I/O控制程序执行后,进入变送输出子程序,可选择三相电流、平均电流、三相电压、频率中任一参数转换成4~20mA模拟信号输出。
变送输出子程序执行结束后,进入通信子程序。首先判断是否接收到上位机发送的命令数据,接收到命令数据后,根据标准Modbus协议判断命令中地址码是否为保护器本机地址,若是本机地址,向上位机回送相应的参数数据。
4、应用实例
某水泥厂由于水泥生产流程复杂,电动机装置数量较多,选用简易型电动机保护器来对现场电动机设备进行有效保护,既能使电动机充分发挥其过载能力,又能提高电力拖动系统的可靠性和生产过程的连续性。水泥厂采用保护器用于电动机保护控制回路,取代热继电器等作为电动机的过载保护和控制元件,并且利用通讯技术,实现了水泥生产中电动机设备控制的自动化,使水泥厂大型设备的电动机得到了有效保护和控制。
5、结语
随着电动机保护器的应用,市场对产品的需求在不断地变化。针对市场对经济型电动机保护器的需求,研发了一款经济实用的简易型电动机保护器。简易型保护器是以ARM为核心的智能化、数字化电动机保护器,对电动机发生起动超时、过载、断相、

ARD智能型电动机保护器与热继电器相比有哪些优势
1、 智能型电动机保护器与热继电器相比有什么好处?
相同点:
功能:两者都有过载保护、堵转保护、缺相保护。
不同点:
1)保护的全面性:
热继电器:除以上功能外没有其他保护。
智能型电动机保护器:过流保护(堵转保护)、三相电流不平衡、接地/漏电保护、启动超时保护、欠载、欠压、过压保护、欠功率保护、温度保护、外部故障保护、相序保护、抗晃电、失压重启功能。
2)过载保护的区别:
热继电器:只能做成跳闸功能,不能实现报警。
智能型电动机保护器:既可做成跳闸功能,也可以做成报警。
3)大电流承受能力:
热继电器:本身是双金属片,所以需要承受大电流的负载能力。
智能型电动机保护器:本身是互感器,所以不需要承受大电流的负载能力。
4)触点的独立性:
热继电器:很难进行独立触点的输出。
智能型电动机保护器:可以进行独立触点的输出。
5)其他功能的对比:
智能型电动机保护器具有热继电器所不具备的控制功能、测量功能(三相电流、电压、功率、功率因数、电能、频率、热容量、电流不平衡率、漏电流值等)、故障记录功能(当前运行时间、当前停车时间、累计运行时间、启动电流、启动时间、操作次数、输入输出状态、8次故障记录、运行状态指示)、4-20mA输出功能、通讯功能、状态量检测功能。
2、 ARD智能型电动机保护器的实现原理
三相电流采样原理:
电动机主回路三相电流经三个互感器感应出二次电流,经过三个采样电阻把电流信号转成电压信号,经运放跟随AD采样电路转换成数字信号进入微处理器,微处理器把数字信号用微积分算法得到三相电流的有效值,用于显示与保护判断,超过设定值,微处理器发出电平信号驱动继电器动作。其余的模拟量输入(如电压、零序电流、AI模拟量输入)原理与其相同。
开关量输入工作原理:
微处理器随时检测开关量的输入状态,通过微处理器的IO口检测电平信号,按照设置好的驱动逻辑驱动继电器。
4-20mA输出功能:
将4-20mA设置成相应的变送输出,如A相电流。微处理器通过三相互感器检测AD采样运算得到有效值,按以下公式,将结果经DA转换成模拟量输出。
AO = (Ia/Ie)*16+4 mA其中Ia为当前A相电流,Ie为电动机额定电流。
3、保护功能举例
热继电器:
堵转、过载保护都是通过金属片发热层度,使金属片弯曲来断开主回路交流接触器的线圈,达到保护的目的。
ARD智能型电动机保护器
1)过载保护
通过数学公式模拟电动机的发热特性,通过对电动机发热特性的分析进行过载。我司产品采用的发热计算公式为:Q=KΔI2.t。此公式来源于金属发热模型。
2)不平衡保护
举个实例来说明ARD电动机保护器的不平衡保护,当IA=30A,IB=75A,IC=75A,Iav=60A,Ie=100A计算得不平衡率为75%,不平衡率达到保护设定值30%,保护器按照设定值通过内部继电器节点(95.96)断开主回路接触器线圈来实现保护电动机的目的。
三相不平衡率计算公式为:|I-Iav|/IX,Iav为三相电流平均值,当Iav小于Ie时,分母IX =Ie;当Iav大于Ie时,分母IX =Iav。
3)阻塞保护(运行过程中)
阻塞保护适用于电动机运行过程中发生卡死。如保护器测得当前运行电流Imax=300%,电流达到动作设定值250%时,保护器按照设定值通过内部继电器节点(95.96)断开主回路接触器线圈来实现保护电动机的目的,避免电机烧毁。
4)堵转保护(启动过程中)
电动机在起动过程中,如保护器测得起动电流为210%,大于设定的堵转保护设定值200%,保护器按照设定值通过内部继电器节点(95.96)断开主回路接触器线圈来实现保护电动机的目的,避免电机烧毁。
5)起动过程
上电后,保护继电器(95.96)闭合,按下SS1,KM线圈得电闭合,接触器KM的辅助触点闭合构成自锁回路,电动机开始工作,当按下SF1时,线圈失电释放,电动机停止工作。一旦电动机发生任何故障,保护器断开保护继电器(95.96),保护了电动机。
4、经济效益
热继电器要实现电动机保护、控制、监控、测量需要增加如下附件:
1) 热继保护器。
2) 监控需要增加I/O模块。
3) 测量需增加合分闸指示灯、测量电流需增加电流表,现场显示还需增加电流表互感器,DCS系统查看电流需要变送器。
4) 要监控电源是否消失需增加电压继电器。
5) 电动机故障传输到DCS系统需增加中间继电器。
6) 电动机发生故障后,热继电器不知道何时发生的何种故障。
7) 热继电器参数设定后灵敏度不高。
ARD电动机保护器完全可不增加其它设备的情况下完成以上功能。
5、 热继电器与电动机智能保护器实现电动机保护的材料及价格对比
热继电器组成电动机回路:
塑壳开关、交流接触器、电流表(外加互感器)、起动指示灯、停车指示灯、故障指示灯、热继电器、变送器、零序互感器(带接地保护)、电动机。
注:电压测量还需要增加电压表和电压互感器,现场传到DCS系统还需要很多硬接线。
价格:塑壳开关(T4N250)+交流接触器(A9-30-10)+电流表(外加互感器)+指示灯(CP1-10R-10)+热继电器(TA110DU90)+变送器+带接地保护(LNG35 5A)
1506+99+100+14.8*3+581+400+646=3376.4
电动机保护器组成电动机回路:
塑壳开关、交流接触器、电动机保护器(包括电流测量显示、电压测量显示、功率测量、起动停车指示灯、变送器、接地保护、抗晃电功能)、电动机。
注:电压测量不需要增加互感器、要上传所有状态量、模块量、故障原因、故障时间、累计停车时间只要增加通讯功能就可以。
价格:塑壳开关+交流接触器+智能电动机保护器(ARD2F-100/U+90FL)
1506+99+1280=2885

电动机保护器10大功能特点
1、电动机保护器采用先进的微机技术与高性能的集成芯片,整机功能强大、性能优越;
2、测试精度高,线性度好,分辨率高,整机抗干扰能力强,保护动作可靠;
3、三相电流值,电压值及各类故障代号,显示于LED上、直观清晰;
4、稳定性好,长期工作无须维护;
5、电动机保护器采用E2PROM存储技术,实现参数设定,掉电后设定参数仍保存下来,勿须再设定
6、一机多用,可取代传统的电流互感器、电流表、电压表、热继电器和时间继电器等。
7、除了具有通用的保护功能外,还有自启动、通迅启动和关闭,且欠流、过压、欠压、三相电流不平衡、自启动等功能用户可取可舍。
8、通过串行数字接口实现信息传送,一台上位机(PC)可接256台保护器,并可对每台电机进行参数设定,启停操作,便于自动化管理。
9、在启动时间内,只对断相、过压、欠压、短路及三相电流不平衡进行保护
低压马达控制与保护器
一.概述
低压马达控制与保护器主要是指,采用模拟电路或数字电路方式实现的控制与保护器。用于主回路为交流50Hz或60Hz、电压至1 000V的电路中的三相异步电动机。
低压马达控制与保护器与交流电动机回路中的接触器配合使用,必须具备对电动机的过载、断相保护的功能。
低压马达控制与保护器可具备对电动机的欠载、堵转、阻塞、三相电流不平衡、温度过高、剩余电流、相序、过电压、欠电压、欠功率、起动超时等故障进行保护的功能。
低压马达控制与保护器可具备对电动机进行直接起动、可逆(双向)控制、各种减压起动和双速控制的控制功能。
低压马达控制与保护器可具备欠压(失压)后电动机重起动(或自起动)的控制功能。
低压马达控制与保护器还可直接或通过适用的通信适配器进行通信,完成各种数据的传输及远程监控。
下面以安科瑞电气股份有限公司ARD系列产品为例,介绍低压马达控制与保护器。
全中文液晶显示,可测量三相电流、三相电压、剩余电流、功率、频率等;带有RS485通讯接口、MODBUS协议;带有过载、断相、不平衡、堵转、阻塞、欠载、过压、欠压、欠功率等保护功能;可以实现直接起动、星三角起动、自耦降压起动、双向起动、双速起动、与变频器配合使用、与软起动器配合使用控制功能等。
二.适用环境
工作温度:-10oC~55oC
存储温度:-25oC~70oC
相对湿度:≤95%不结露
海拔高度:≤2000m
三.电磁兼容
静电抗干扰实验 Ⅲ级(IEC61000-4-2)
辐射抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-3)
电快速瞬变脉冲群干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-4)
浪涌抗干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-5)
射频传导干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-6)
电磁场抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-8)
四.功能
测量功能:电流参数、电压、功率、相序、剩余电流(接地/漏电流)。
保护功能:过载、堵转、阻塞、欠载、断相、不平衡、剩余电流(接地/漏电)、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、tE时间等全面的电动机综合保护功能。
DI输入、DO输出,满足直接起动,星—三角起动,自耦变压器起动,软起动等多种起动方式,通过通讯总线可实现远程主站对电动机进行实时遥控“起/停”操作。
抗晃电确保电动机运行不间断,重起动功能在短时欠压、失压时用于电动机分批重起。
具有标准的RS-485通讯接口,采用Modbus- RTU通讯协议,保证了上位机通讯的快速可靠。
具有DC4-20mA模拟量输出接口,直接与DCS系统相接,可实现对现场设备的监控。
具有系统时钟和8次故障记录功能,系统时钟记录当前时间(年、月、日、时、分、秒);故障记录功能记录电动机发生故障的时间,总的运行时间,故障原因,发生故障时电动机的各种参数值(如三相电流、三相电压、剩余电流、功率因数、热容比、电机状态等)。
可以替代各种电量表、信号灯、热继电器、电量变送器等常规元件,减少了柜内电缆连接及现场施工量,可靠性和综合性价比远高于传统方案。
五.应用领域
适用于煤矿、石化、冶炼、电力、船舶、以及民用建筑等领域。
六.工作电源
工作范围 AC85-270V
频率 50±5Hz,60±5Hz
功耗 <5W
七.工频耐压
2kV/1min交流有效值
八.订货范例
型号:ARD3-100A/CUM-90L
型号说明:
辅助电源:AC220V
电机额定电流:25A~100A
电机起动方式:直接起动(全压起动)
保护功能:过载、断相、接地、堵转、阻塞、欠载、不平衡、起动超时、过压、欠压、欠功率、相序
测量功能:三相电压、三相电流、电流不平衡度、接地电流、功率、频率
附加功能:通讯、电压、变送输出
显示:分体显示,中文液晶操作界面
型 号:ARD2F-25/QTJCSR+90FL
辅助电源:AC220V
电机额定电流:6.3A~25A
应用场合:三相电机
测量参数:三相电流、PTC电阻值
附加功能:起动控制、温度保护、报警输出、RS485通讯、8个SOE事件记录
显示方式:90FL(中文液晶显示)
电动机保护器在大地上已经有三十多个春秋,还是阻挡不住电动机烧毁的发生。究其原因主要有以下三方面:
1、设计时没有正确的产品功能定位,哪些是必备功能?哪些是辅助的?(不是功能越多越好)
2、一时没有理想的电流传感器,以至生产的电动机保护器无法实现如下要求:堵绝误动作的产生;与热继电器有很好的互换性;浇灌固化成一体以适应各种恶劣环境,其使用寿命。
3、没能给用户带来切身的利益。
低压电动机毁坏百分之九十七以上是因过电流而引起的,造成过电流原因有过载(堵转)、起动超时、缺相、过压、欠压、三相线路接触不良等等。其中过载(堵转)、起动超时、过压、欠压等原因引起过电流是三相电流均衡增加;而缺相、接触不良、电压不平衡等引起的过电流是其中一相或二相电流增加。因此,高精度与正弦波电流取样是电动机保护器的关键。
一台电动机的毁坏除花钱将其修复外:有时需要机修人员花时间将毁坏的电动机从机械装置内拆卸出来,既费时又耽误生产;一旦是工厂关键设备电动机毁坏造成间接损失将更大。增加了开支,增重了产品的加工成本。经修复过的电动机,其性能也不如原来,加速了整机的折旧。在铜材价格如此高涨的今天,保护与维护电动机免于烧毁,显得尤其重要。

电动机保护器在化工行业抗晃电中的应用
摘要
介绍目前常用的抗晃电措施,着重介绍使用电动机保护实现抗晃电的方法。
0 引言
“晃电”指的是电网因雷击、对地短路、重合闸、设备起动、发电厂故障及其他原因造成电网电压短时失压、电网电压短时大幅度波动、短时断电数秒等的电能质量事件。化工企业对系统供电可靠性的要求较高,一旦出现供电系统晃电,会引起保护设备欠压误保护、生产设备意外停机,致使生产线瘫痪、事故扩大,导致非常大的经济损失,甚至对操作人员的安全构成威胁。
1常用的抗晃电的措施
1.1 UPS抗晃电系统
DCS、PLC等控制系统的工作电源由UPS电源接入,实现抗晃电的目的。电网正常工作时,给负载供电,同时给储能电池充电;当市电欠压或突然掉电时,UPS电源开始工作,由储能电池给负载供电。
系统发生晃电时,接触器的线圈依靠UPS供电正常工作,保持主触头的吸合,避免晃电造成电机停机;当母线失电超过一定的时间后,根据二次控制部分设定时间断开输出,避免电压恢复后事故的发生。
1.2 DC-BANK 抗晃电系统
变频器抗晃电有如下方法:
(1)取消变频器低压保护设置,设置快速重起动。该方法缺点是关键电机的停止、重起会影响生产的连续性和造成次品增加,另外低压往往会表现为变频器的过流保护,而取消过流保护会增加变频器本身损坏隐患,因此,这种方式在连续性生产要求较高的石化企业很少使用。
(2)DC-BANK系统,主要应用于变频电机和PLC/DCS 供电系统。电网正常时变频器由交流母线供电,DC-BANK 系统处于热备状态;电网晃电或备自投切换时,电网电压下降,转换成由DC-BANK 向变频器的直流母线供电,变频器保持正常工作。
1.3 电动机的抗晃电措施
交流接触器广泛使用于低压电动机控制系统中,晃电发生后接触器断开,会使电动机停转。
电动机抗晃电主要为接触器抗晃电,交流接触器的抗晃电方法:
(1)采用抗晃电接触器(具有延时释放/避开弹跳区的接触器),晃电出现时接触器不立即释放,也不工作在临界弹跳区。
(2)在原有的交流接触器上增加延时模块。
(3)加装再起动控制器。
(4)使用带有抗晃电功能的电动机保护器。电动机保护器具有过载、断相、不平衡、堵转、阻塞、起动超时、过压、欠压、接地、漏电等保护功能;具有电流测量、电压测量、频率测量、功率测量等测量功能;具有起动控制、抗晃电功能、失压重起等控制功能;具有4-20mA DC变送输出,MODBUS、PROFIBUS通讯功能。
工作原理如下:95-96接点作为保护接点,保护器上电后处于常闭状态,当出现故障或辅助电源断电后变为常开状态;7-8接点同起动按钮SB2并联,出现晃电后7-8吸合维持控制回路处于起动状态,电压瞬间后可执行重起功能。
采用直接起动方式的抗晃电控制原理如图10所示,95-96接点功能同图9,7-8接点为起动控制继电器,保护器接收到SB1发出点动起动信号后,7-8吸合并自保持,接触器KM线圈得电接通电机主回路;保护器接收到SB2发出点动停止信号后,7-8输出断开,接触器KM线圈失电,断开电机主回路;发生晃电后,线圈KM失电,电机主回路被切断,保护器根据晃电时间长短自动选择执行“立即重起动”,“分批延时自起动”或“禁止起动”。
电动机保护器行业标准(JB/T 10736)中对抗晃电(失压重起)功能描述要求:“具有欠电压(失压)重起动保护功能的保护器,因主电路欠电压故障或失压停车,若在“立即重起动时间”内电压恢复至正常(允许重起动设定值以上)时,保护器可使电动机立即恢复至电动机停车前的运行状态(不经过起动延时、降压等过程);若超过“立即重起动失压时间”而在“延时重起动延时时间”设定时间内,电压恢复至欠电压(失压)重起动设定值以上,则电动机按“延时重起动延时时间”延时起动(与正常起动的过程相同),延时时间允许误差为±10%;若超过“延时重起动延时时间”后电压恢复,则电动机不再自动重起动,恢复电压值误差不大于±10%。”
2 电动机保护器抗晃工作原理及相关参数的设置
以安科瑞ARD系列电动机保护为例。为实现抗晃电功能,电动机保护器需带有抗晃电模块,将交流电输入接在抗晃电模块的输入端,抗晃电模块的输出接到电动机保护器的辅助电源输入端,电动机保护器的电压测量信号取自接触器上级,防止晃电时接触器脱开,无法测得恢复电压。线路正常供电时抗晃电模块的内部储能装置处于储能状态,晃电期间由抗晃电模块储能设备向电动机保护器供电,维持电动机保护器正常工作。当系统电压恢复到“重起动电压”后,电动机保护器对晃电持续时间进行判断,时间小于“立即重起动失电时间”立即吸合“输出继电7-8起动电动机;晃电时间长于“立即重起动失电时间”,而小于“允许失电时间”,执行延时重起动;晃电时间长于“允许失电时间”,不执行起动。
电动机保护器可以实现晃电立即重起动、失压延时重起动、失压时间过长闭锁起动,并且带有过载、断相、堵转、阻塞、过压、欠功率等全面的保护功能,可以确保电动机的平稳运行,并减少系统投资。
3 结束语
本文介绍了几种常见的晃电处理方法,着重介绍电动机保护器实现抗晃电的方法。

电动机保护器
浅谈ARD3电动机保护器设计原理
摘 要:本文着重介绍ARD3电动机保护器的具体设计方法,给出硬件原理图和软件流程图。文章按照产品的各硬件功能模块进行展开说明,介绍硬件功能模块时,对硬件功能模块原理图进行详细分析,结合各种实际应用的情况说明此处硬件是怎样设计的,为什么这样设计以及这样设计的优缺点。通常电动机保护器工作的条件比较恶劣,为使产品性能方面更加稳定可靠,需要使用一些抗干扰措施,文中介绍的这些抗干扰措施在实际使用中被证明是成功的。
关键词:电动机保护器;ARD3;保护功能;ModBus
0 引言
随着电子技术的发展,电动机保护器正向基于现场总线的智能型方向发展。我公司设计的ARD3电动机保护器立足于国内先进水平,是具有智能保护和可通信功能的电动机保护器。产品系列电流范围齐全,产品系列额定电流范围1.6~800A;可测量的电流范围宽,可以达到10倍电机额定电流;采用先进的软件算法和可靠的硬件设计,对电动机的过载、断相、三相不平衡、堵转、阻塞、过压、欠压等故障进行有效判断和可靠保护,过载保护采用计算分析当前电动机的热容量的方法,根据热容情况判断电动机的过载状态,此种方法可以发挥电动机的过载能力;配有可编程开关量输入、继电器输出,用于实现远程主站对电动机运行状态的遥信监视和直接起动、自耦降压、星-三角等起动方式;带有标准RS-485接口ModBus通讯协议实现计算机联网。
1 硬件设计
ARD3电动机保护器用H8/3687FP单片机实现电动机的保护功能。在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部分构成,下面分别对其中的关键部分作简要介绍:
1.1 信号采集单元
ARD3电动机保护器采用交流采样算法计算被测信号。采样方式是按一定周期(称为采样周期)连续实时采样被测信号一个完整的波形(对于正弦波只需采样半个周期即可),然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算,从而得到被测信号的真有效值,这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。
信号采集单元的功能取样、整流、放大互感器二次测的输出信号,将这些信号转换为单片机可处理的信号。ARD3电动机保护器中处理三相电流信号、剩余电流信号、电压信号的信号采集放大电路原理都相同,现以一路电流信号采集放大电路为例说明电路工作原理。
信号采集放大电路如图1所示。在图中二极管A1、A7是双向二极管,对后级电路起到过压保护作用。当输入的信号在正常范围内,A1、A7不起作用,当输入信号超出正常范围(或有脉冲干扰信号出现)时,A1、A7导通,防止超出后级电路端口范围的信号进入后级电路,破坏后级A/D电路。CR1为取样电阻,将从CT1输出的电流信号转变为电压信号。LM324和CR4,CR7,CR10,CR13组成同相放大电路将电压信号放大后输入A/D转换电路。
LM324采用双电源供电,这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。图1中通过运放将输入信号进行分档处理,小信号从P1.0输出大信号从P1.1输出。这样处理是因为:电动机保护器要处理的电流范围很宽(要从电动机1倍额定电流到10倍额定电流),分档处理可以提高测量精度。
1.2 I/O单元
电路开关量由IN1~IN7输入,通过光藕后产生IS1~IS7,并行信号IS1~IS7输入到74HC165,通过74HC165将并行信号转换为串行信号传送给CPU。电阻R11~R18起到限流作用保护光耦中的二极管不被损坏。RS1~RS8是上拉电阻与电容CS~CS8配合使用既可以稳定光耦输出电平又可以在上电时对光耦起到保护作用。
继电器控制电路如图3所示。JDQ1~JDQ4与CPU连接,三极管QJ11~QJ14的供电电压是+5V,三极管QJ1~QJ4的供电电压是+24V。现以QJ11,QJ1这路控制电路来说明电路工作原理,当CPU输出高电平时三极管QJ11不导通,OUT11不会输出电流光藕不会导通,JT1也输出高电平,QJ1不会导通继电器不会动作。当CPU输出低电平时三极管QJ11导通,OUT1输出高电平使光耦导通, JT1变为低电平,三极管QJ1导通OUT1输出低电平使继电器发生动作。
控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜,市场产品丰富,驱动线路也比较简单,但可靠性和使用寿命有限,且在触点动作时会产生“火花”,严重时可影响系统的正常工作。因此,在PCB板布局时应将继电器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外,在继电器线圈两端应并联续流二极管,否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压,从而破坏电路。固态继电器具有寿命长、性能稳定,无火花等特点,本产品中考虑到产品的可靠性要求采用固态继电器。
1.3 通讯单元
通讯电路实现将CPU串口输出电平转换到RS485电平。本电路的巧妙之处在于数据收发直接由硬件来控制,不用CPU参与控制,这样可以节省CPU资源简化程序设计。
1.4 CPU单元
CPU单元是电机保护器的核心单元。信号采集,各种报警处理,通信功能,显示功能……都是由它来完成的。本产品采用的CPU芯片是瑞萨公司的H8/3687芯片,该芯片功能如下:62条基本指令; RTC(片上实时时钟,可作为自由运算计数器使用),SCI(异步或者时钟同步串行通信接口)2路,1路IIC接口,8路10位A/D,8位定时器2个(Timer B1,TimerV),16位定时器1个(TimerZ),看门狗定时器,14位PWM,45个I/O引脚(H8/3687N有43个I/O引脚),包括8个可直接驱动LED的大电流引脚(IOL=20mA,@VOL=1.5V),片上复位电源POR电路,片上低电压检测电路(LVD)。该芯片有两种封装形式:LQFP-64(10mm×10mm)FP-64(14mm×14mm) 。CPU单元电路如图5所示。
因为A/D功能,IIC功能,RTC,定时器,看门狗等功能都已经集成到芯片内部,所以CPU单元的**电路十分简洁,各引脚只需外接增加端口驱动能力的上拉电阻和稳定信号的滤波电容即可。
2 软件设计
系统软件要完成三相电流、1路剩余电流、三路电压A/D,各种保护量计算,保护功能判断处理,显示电压、电流,故障记录,按键处理,通讯,变送等功能。只有合理安排程序流程来完成这些功能,保护器才能可靠工作。
3 抗干扰措施
电动机保护器作为保护电动机装置要具有很强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中采取如下措施提高产品的抗干扰性:1硬件方面:电源部分加EMC滤波器,高频变压器次级与初级加高压电容,输出部分加滤波电路;信号采集部分增加滤波电路;在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路;在各芯片电源输入处加去藕电容;继电器两端并联续流二极管,加光耦与CPU端口隔离;不使用的CPU端口定义为输出状态;PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理,模拟信号在模拟区域内布线,数字信号数字区域内布线,二者不进入彼此区域内;布线时尽量加粗电源线与地线,信号线走线时走145o线,不走直角线;使用CPU内部看门狗监控程序运行。2软件方面:各路信号采集都使用软件滤波,增加采样值的准确性。通过采取一系列的措施,产品的抗干扰性能大幅提高,本产品一次性顺利通过3C安全认证型式试验。
4 结论
ARD3电动机保护器采用先进的设计方案,集测量、保护、控制、通讯于一身,产品性能安全可靠,可以对电动机实施可靠有效的保护。ARD3电动机保护器在实际使用中完全可以替热继电器、温度继电器等传统的电动机保护产品,替代各种指针式电量表、信号灯、电量变送器等常规元件,简化电动机控制电路,减少柜内电缆连接及现场施工量。

问:电动机保护器的选型方法?
答:1、电机方面:要先了解的型号规格、电动机功能特性、防护型式、额定电压、额定电流、额定功率、电源频率、绝缘等级等。这些内容基本能给用户如何正确使用和维护及选型保护器提供了参考依据。
2、环境条件:主要指常温、高温、高寒、腐蚀度、震动度、风沙、海拔、电磁污染等。
3、电动机用途:主要指拖动机械设备要求特点,如风机、水泵、空压机、车床、油田抽油机等不同负载机械特性。
4、控制系统方面:控制模式有手动、自动、就地控制、远程控制、单机独立运行、生产线集中控制等情况。启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等启动方式。
5、其他方面:用户对现场生产监护管理是比较随意还是严谨,非正常性的停机对生产影响的严重程度等。
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