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关 键 词：无源型电动机保护器
行 业：电气 电工仪器仪表 自动化仪表
发布时间：2019-04-22
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、欠载、不平衡、堵转、阻塞、短路、过压、欠压等故障时进行实时保护，保证了工业设备能够安全可靠地运行。
电机保护器的技术难点
电机保护器使用可靠的通讯协议，用于模块数据通讯处理。此套协议要带有模块识别、数据传送、数据校验、冲突检测、仲裁等功能。同时对传输数据格式做好规定控制工程网版权所有，即起始位、停止位、数据位、检验位，数据校验等。传输数据格式可以参考常规数据传输模式，起始位1位，数据位8位/7位，停止位1位/2位，校验位1位，检验位可以选择奇、偶校验。数据传输要带有校验数据，可以采用CRC等校验方式。
电机保护器产品继电器输出是不能误动作的，继电器输出通常用于控制电机运行状态或信号传输，一旦出现误动，影响很大。误动的原因有多种，不符合标准的规范而引起的误动;产品抗干扰性不好，受到干扰引起误动。
作为电机保护器要符合《GB14048.4低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器》和《JB/T10736—2007低压电机保护器》等标准的要求，设计者以相关标准作为设计依据，这样可以减少功能上的偏差带来的误动。
由于电机保护器产品抗干扰性能不好而产生的误动，对设计者有很大的考验。干扰的传播途径有很多种控制工程网版权所有，产品供电电源，空间电磁信号，连接线耦合等，强干扰会引起产品死机等工作状态不正常。常规使用看门狗来保证产品死机后自动复位的方法，在保护类产品中并不完全适用，通过看门狗进行复位时，继电器会出现瞬间工作状态跳变，很可能造成误动作。
可编程逻辑功能，使用者对产品需求多种多样，将使用者的要求分好类，通过上位机配置软件进行功能编程。需要有行业经验丰富的工程师参与需求功能库的建立，通过时尽量在硬件上做到通用化，即硬件采用一个平台，对硬件平台写入不同的程序(是指由客户编制的程序)，执行不同的功能。
业绩表
江苏华峰超纤材料有限公司改造;
新疆天泰纤维有限公司;
甘肃七一冰川矿泉水;
京博农化科技股份有限公司;
泰安联合农药项目;
内蒙古亚东奈产品建设;
北碚区长滩污水处理厂;
利川市自来水公司-水厂改扩建工程;
喜星电子;
宁夏福泰硅业;
深圳大通;
京博农化改造;
星火有机硅污水站污水改造工程;
内蒙古德胜金属制品;
江苏汉光实业股份有限公司;
京博清远环保;
山东国舜--内蒙古凌云海;
丰收坝水厂二期扩建;
上海化学什达废处理有限公司;
北碚区长滩污水处理厂;
厦门水务集团前埔污水处理厂;
港莲化高密泵站工程;
宜宾筠连YS112井区平台EP工程;
大柴旦和信息科技年产5万吨液碱;
云南建投机械制造安装有限公司新建厂房
ARD系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号、现场总线通信等功能。可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。
电动机综合保护器结构以及用途
主要用途就是用在交流50赫兹(60Hz)、额定电压至690伏、额定电流自3A至800A、可调工作电流自0.12A至800A的电力系统中接通、承受和分断正常条件以及规定的过载条件下的电流,且能够接通、承载并分断规定的不正常情况下等的电流，例如短路。
从电动机综合保护器结构和功能角度看,它的系列产品已经不只是接触器、或断路器、或热继电器等的单个产品,现在已经成为一套控制保护系统。
ARD系列的出现完全解决了传统形式的采用分立元器件，过去是由很多种组合在一起的，如常见的断路器或熔断器+接触器+过载继电器，可能太多出现问题，现在都能够克服和完善。
电动机综合保护器系列产品是完全可以代替断路器、接触器、热继电器、熔断器等低压电器。
电动机保护器发展
电动机保护器顾名思义就是给电机全面的保护控制，在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以或保护控制。
目前电动机保护器已由过去的机械式发展为电子式和智能型，灵敏度高，可靠性高，功能多，调试方便。可直接显示电动机的电流、电压、温度等参数，保护动作后故障种类一目了然，极便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外，根据电动机气隙磁场进行电动机偏心检测技术使电动机磨损状态在线监测成为可能，通过曲线显示反映电动机偏心程度的值的变化趋势，记录两年时间该值的变化情况，可早期发现轴承故障，做到早发现，早处理，避免扫膛事故发生。
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