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低压智能电动机保护器的可靠性设计 摘 要：针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题，根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面，提出了抗干扰方法，获得了良好的EMC性能。 关键词：微处理器;EMC电磁兼容性;软件;硬件;抗干扰 1、引言 电动机作为一种拖动机械因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点，在国民经济各个方面被广泛采用。在当代，随着电子技术的发展和智能电动机保护器技术的成熟而普及率越来越高。 智能电动机保护器采用了微处理器技术，不仅解决了传统的热继整定粗糙、不能实现断相保护，重复性差、测量参数误差大的缺点。保护器通过电流来判断断相故障，软件模拟热积累过程的方法来实现过载保护等方法保证了电机的可靠运行，而微处理器强大的扩展性包括开关量输入、继电器输出，4~20mA变送输出、RS485通讯等很好的满足了控制系统的“四遥”功能。 电动机保护器提高了电动机运行的可靠性和系统智能化要求，因此保护器的可靠运行起着举足轻重的作用，同时也对保护器抗外界干扰提出了比较现实的要求。下面就从硬件和软件两个方面提出可靠性设计。 2、硬件可靠性设计 2.1 微处理的选择 采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08内核的高度节能型处理器，是一款认可用于汽车市场的微控制器。可应用在家电、汽车、工业控制等场合，具有业内的EMC性能。 2.2 电源端滤波处理 利用电磁原理进行硬件电路滤波是提高保护器EMC的有效方法。线路如下图，经热敏电阻t、压敏电阻RV1、电感L1、L2、差模电容C1、共模电感L3、共模电容C2、C3组成的两级滤波处理，很好的隔离了由于电源端的输入和输出干扰。PTC热敏电阻器的主要用于过流过热保护，直接串在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态，俗称“万次保险丝”。根据线路的工作电流来确定选择。压敏电阻主要用于吸收各种操作浪涌及感应雷浪涌过压保护，以防止这类过电压干扰或损坏各种电路元件。根据设计经受的浪涌电压按照允许使用电压和通流容量来选择。其中,L1、L2、C1为抑制差模干扰，L3、C2、C3为抑制共模干扰。L1、L2铁芯应选择不易饱和的材料及M-F特性优良的材料。按照IEC-380安全技术指标推荐，图中元件参数的选择范围为：C1=0.1~2uF;C2、C3=2.2~33uF;L3为几个或几十毫亨，随工作电流不同而取不同的参数值。 按照下面公式计算C2、C3的容量： Ii=2πfCyU 式中：Ii───允许的交流漏电流 f───电源频率; U───电源供电电压; 为电源端是否使用滤波器，使用瑞士TRANSIENT 2000电磁兼容测试仪1000V 100KHZ 0.75mS条件EFT群脉冲实验，从TEXtronix TDS1012B捕抓到的信号比较，未使用滤波处理的电源输出端产生了尖峰脉冲，会导致微处理器复位，甚至死机。 2.3 信号端处理 谐波和电磁辐射干扰会导致保护器误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无常工作。在电动机控制回路中产生该类干扰源为变频器和现场对讲机。解决的方法有：一是信号输入线胶合，胶合的双胶线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应的磁通方向，使其感应互相抵消。二是内部线路处理。如下图，采用双差分输入的差动放大器，具有很高的共模抑制比。在输入回路中接RC滤波器、信号的输入和输出端使用器件、降低输入输出阻抗、可靠接地和合理的屏蔽等措施。 2.4 保护输出端处理 输入输出端采用光电隔离的方法，也是可以消除共模干扰，同时在保护继电器的的输出端并接压敏电阻，有效的提高了继电器的寿命，也降低了由于外部接触器动作对内部的干扰。考虑到客户使用控制电压的不确定性和接触器线圈容量，确认使用MYG14D821。 2.5 外部存储技术和看门狗保护电路 使用外置存储芯片X25043，SPI接口。微处理器内置SPI控制模块，方便的与该芯片接口，外部存储技术保证了运行状态和事件的记录。低电压复位和外部看门狗提高了保护器的可靠性。 2.6 主体与显示单元通过RS485连接 考虑到使用环境的特殊性和要求的多样性，主体与显示单元之间连接也采用RS485 Modbus-Rtu协议连接，提高了显示与控制的可靠性。 3、软件可靠性设计 3.1 实时多任务的调度 保护器起着保护电动机的重任，对它的要求是既不能误动，也不能拒动，而且必须快速。实时多任务的调度实际是通过时间片的轮换实现宏观上的多任务效果。对于保护器而言，存在着三个重要的任务，等间隔的交流采样，根据算法得到稳态与暂态电量数据;根据得到的数据判断故障，故障计时、清零和脱扣输出;人机交互界面。下图以一个周波T=20mS，32点采样为例(考虑到快速除法)，32次采样总时间为3.2mS，数据计算时间为9.72mS, 计时0.36mS,则人机交互的时间为6.72mS。这样的任务调度即满足了保护实时性要求，又较快的响应了参数设置。 3.2 软件陷阱 程序是固化在微处理器的存储器中，由编译器统一安排，但设计时，设计人员考虑到产品的扩展性，一般留有余量，也因此总有些存储空间会未被使用。当微处理器的PC指针因为干扰被错置时，系统就会出错。软件陷阱就是在不用的存储空间、中断入口、子程序后加入强制跳转指令，让出错的PC指针恢复正常。 方法是： NOP NOP JSR MAIN 4、结束语 本文针对低压智能电动机保护器在实际使用中遇到的各种电磁兼容问题，根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面，提出了抗干扰方法，获得了良好的EMC性能。电动机智能监控保护器安装调试注意事项 1.根据安装部位要求方式和保护功能的需要，合理选择电动机保护器型号及其各项保护动作参数设置。 2.按电动机保护器产品使用说明书要求正确安装，应按各接线端子用途正确无误连接，工作电源应接在控制回路前，并注意标称电压与实际电压相符合。 3.电动机保护器配用电流变比互感器时，若设备现场或控制室需电流表显示时，另配一个电流互感器，不然对配带电流表的那相电流显示会有影响。 4.安装分体式的电动机保护器不要将不同编号的配套互感器和显示部分共同使用。 5.调试通讯协议，可以按用户要求改进，模拟量4-20毫安接口输出量应与连接设备相匹配使用。 6.正确接地，低压系统为TN-C保护系统时，电动机保护器负载侧的设备的接地保护(PE)线必须改为按TT系统的独立保护接地，中性(N)线不得重复接地，不得作为保护线。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**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**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**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，**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