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、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。
模块式电动机保护器设计思想
摘 要： 本文通过介绍上海安科瑞电气股份有限公司开发的ard3t模块式智能电动机保护器，在企业自身和客户使用上所具有的优势，进一步介绍模块式电动机保护器的设计思想，技术难点及设计时所遇到的一些问题及处理方法。
0 引言
智能电动机保护器发展至今，存在两种发展趋势,一种是：多种功能集成在一个壳体内;另一种是：根据功能划分模块，通过模块拼装满足各种要求。多种功能在一个壳体内的方式，可以减少开发前期的投入，开发周期短，从短期内来看，对企业有利。功能模块化，开发前期投入多，相对前种方式开发周期会变长，但成功后，后期产品维护方便，可以消除因功能多少引起生产紊乱，产品使用者进行产品升级或改造时产生停产等不利因素。
1 模块式电动机保护器的优势
1.1 对企业自身的优势
客户的需求是多样化的，产品使用环境不同、实际生产工艺不同，造成客户对产品的需求往往有所不同，同一类产品功能不同，会引起生产厂家生产上的不同，库存管理、分类不同，加大企业自身生产负担。模块式电动机保护器，各模块功能明确，方便生产，利于存储。企业将基本的保护功能作为基本模块，其它保护、控制、通讯功能作为选配模块，这样在客户需要不同功能时，在基本模块基础上添加对应模块即可，通过搭积木方式实现不同功能的产品。在面对客户多样化需求时，优势是不言而喻的。
1.2 对使用者的优势
模块式电动机保护器适用范围广，使用者根据自身需要选取产品，使用者只需要常规过载、断相等常规保护功能时选取基本模块即可。需要带有全面保护和控制功能，选取基本模块和所需的模块进行组合。需要带有全面保护、控制、通讯、管理分析功能时，选取基本模块加多个模块进行组合。
模块式电动机保护器灵活性高，使用者在设计初期选用了基本模块，而实际生产中发现需要更多功能时，添加模块即可。当使用者遇到系统、功能升级或改造，而引起设备升级、变动时，添加、删减对应的功能模块即可完成技术改造，不必担心造成停产等影响。
模块式电动机保护器可靠性高，在使用中如遇到保护器出现故障，模块式电动机保护器会自动报出具体模块故障，使用者只需更换故障模块，不影响其它模块。
2 模块式电动机保护器的设计思想
要进行模块式电动机保护器设计，首先要明确产品使用环境，模块种类，以及划分的依据。
2.1 产品使用环境
作为保护类产品，要明确产品的正常工作环境。根据标准，环境温度可选位为：-10 ℃ ～+55 ℃，此温度可以满足绝大多数产品的使用环境;大气压力为：80 kpa～110 kpa(海拔2000 m以下);相对湿度为：湿月的月平均相对湿度为90%，同时该月的平均温度为25 ℃，并且在产品上不应出现凝露;使用环境不应有腐蚀、破坏绝缘的气体及导电介质，对于使用环境内有火灾、爆炸危险的介质、产品应有防爆措施。户内产品的使用环境应有防御雨、雪、风、沙的设施。供电电源：额定电压ac 220v，交流电源额定电压为额定值的85%～110%。
2.2 控制功能
标准中对电动机保护器控制功能描述如下：“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”。由此可见标准将控制功能作为非标配功能处理，实际客户使用时可以只将保护器当作保护元件使用，模块式电动机保护器作为可编程产品，可以通过编程功能自由实现的起动有：保护模式、直接起动/全压起动、星三角起动、自耦降压起动、可逆起动、双速起动，变频器配合使用、软起动器配合使用等起动方式。
除各种常规起动方式外，模块式电动保护器还带有两种自起动功能，自起动功能如下：
a)带有运行中的电动机因失压或欠压停车，当电源恢复到允许自起动电压值后，执行立即自起动、延时自起动、禁止自起动的功能。
b)带有不考虑停车间隔时间的长短，产品可根据掉电前产品记忆的电动机运行情况实现自起动功能。
2.3 保护功能
模块式电动机保护器须具备如下保护功能：过载保护、断相保护、堵转保护、阻塞保护、欠载保护、不平衡保护、起动超时保护、过压保护、欠压保护、欠功率保护、相序保护、单相接地保护、漏电保护、外部故障、工艺连锁等多种保护功能。
2.4 产品着火危险防护
工业类产品需要具有不可燃烧的特性，选用的耐火材料应具有gb 4943-2001规定的v2及以上阻燃等级，能承受gb/t 5169.5中严酷等级为20 s的针焰试验。
2.5 模块划分
智能型电动机保护器具备如下功能：电流、电压、功率、频率等电参数测量;电机转子、轴承温度测量;电参数、温度值的变送输出;开关量输入、输出;工艺连锁;各类保护功能;通讯组网等功能。从上述功能描述上看，功能可总结为：电参数测量;温度测量;模拟量输入输出;对电机保护、控制;通讯功能几方面。
采用按功能划分模块的方式，可以划分出如下几种模块：电参数测量模块、温度模块、模拟量模块、通讯模块、开关量模块、显示模块、cpu单元几种。
2.6 模块功能
各模块功能如下：
cpu单元负责协调各模块工作，带有开关量输入、开关量输出功能、对外通讯组网、时钟、故障记录、ptc测量等功能。开关量输入、输出可以自由编程设定功能。可以实现直接起动、双向起动、双速起动、自耦降压起动、星三角起动等多种起动。cpu单元是模块式电动机保护器模块。
测量模块测量实现电流、电压测量。电流范围为0.4a至800a，电压为ac220v、ac380v、ac660v，频率45hz～65hz，漏电流50ma～5a。测量用电流互感器需要选取保护级电流互感器，保护级电流互感器相对测量级电流互感器过载能力强，通常可以达到10倍过载不饱和。目前,市场上常用的保护级电流互感器，精度可以达到0.5级，在保护类产品中使用，效果很好。电机电流小于等于100a时，采用一体式模块互感器，当大于100a采用外置式电流互感器。电动保护器的过载、断相、堵转、过压、欠压、欠功率等保护功能都是通过对电参数的分析来实现的，测量模块也是模块式电动机保护器的模块。
温度模块通过外接pt100、pt1000、cu50、ptc/ntc等传感器实现温度测量。可以使用温度模块，对电动机绕组、轴承的温度温度进行测量，通过实测的温度值，执行温度保护。还可以通过温度模块的测温功能，对电动机的冷却过程进行跟踪，测出实际冷却时间。温度模块可以外接三路温度传感器，可以通过一个温度模块同时对电机绕组、轴承进行测温。
模拟量模块可以实现模拟量输入测量和模拟量变送输出。模拟量输入测量功能，可以被用在现场工艺连锁保护、测量显示等情况，模拟量输入可接的设备包括：电力变送器、模拟信号变送器、转速传感器、角度传感器、位置传感器等设备，通过接收判断上述设备的信号实现对应的工业操作。通过模拟量输出功能，能将电参量、温度、模拟量输入等参数转换为dcs或plc所需要的模拟量输出信号，由dcs或plc执行相应的操作。
开关量模块对cpu单元的开关量进行扩展，当cpu单元的开关量点数无法满足使用者需求时，通过外加开关量模块实现产品开关量点数扩展。
常用的现场总线有：modbus、profibus、devicenet、canbus等，通过外加通讯模块实现与profibus、devicenet等通讯网络进行通讯。采用专用通讯模块来实现，产品在多种通讯网络中使用，使的产品应有灵活性提到提高。
由cpu单元和测量模块组成基本模块，实现基本的测量、保护、控制功能，其它模块作为选配模块，由基本模块加选配模块实现复杂功能。
2.7 模块互联
模块互联直接影响到产品的可靠性。数据交换的处理是产品稳定工作的关键，常用的通讯接口spi、iic、uart、can 等，都有自身的特点与局限性。根据产品实际功能、特点，选用合理的通讯接口。通过选定的通讯接口进行模块互联。
alp300 保护器，采用新的单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的起动超时、过压、欠压、过载、断相、不平衡、欠载、接地、阻塞、短路等多种情况进行保护，现场维护人员可通过数码管显示屏快速查找故障原因。
工作原理：alp300通过监测电动机工作时的电参数，以判断电动机是否出现故障或异常工作状态，并据此进行对应的自动保护控制，以达到无人值守时的自动保护或远程自动控制。
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