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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，对电动机发生起动超时、过载、断相、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。电动机保护器智能马达保护装置 性能特点 辅助电源支持 AC220/380V 、DC220V/110V。 测量功能分为基本测量(电流、频率)和增选测量(电压(功率、功率因数、相序)、剩余电流(漏电流)、电能)。 具有过载、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。 8路 DI支持干结点输入，可实现远程主站对电动机运行状态的遥信监视。 4路 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、小时、分钟、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)。 显示部分为分体90L，是全中文高清晰的液晶显示。 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。 功能配置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。
