簡(jiǎn)易型電動(dòng)機保護器的設計

簡(jiǎn)易型電動(dòng)機保護器的設計的詳細資料：

安科瑞 鮑靜君

摘要：本文介紹了一種以ARM為核心的智能電動(dòng)機保護器，設計了相關(guān)信號處理電路、顯示電路、I/O控制電路及通信電路，編寫(xiě)了相關(guān)電動(dòng)機故障保護算法軟件。市場(chǎng)應用表明，該電動(dòng)機保護器能夠保證電動(dòng)機的可靠運行。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易型；電動(dòng)機保護器；ARM

 0、引言

  隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)機保護器正朝著(zhù)智能化、數字化、綜合化的方向發(fā)展。目前，市場(chǎng)上常規的綜合型電動(dòng)機保護器大都具備了比較齊全的保護功能，但體積較大、安裝不便且價(jià)格十分昂貴，這使得綜合型電動(dòng)機保護器的推廣受到很大局限。在采礦場(chǎng)所，受到現場(chǎng)空間限制，且只需要基本的電動(dòng)機保護功能，為解決上述問(wèn)題，研制一種符合標準并且高性?xún)r(jià)比的電動(dòng)機保護器很有必要。本文以ARM為處理器，開(kāi)發(fā)了一款經(jīng)濟實(shí)用的簡(jiǎn)易型低壓電動(dòng)機保護器。

1、設計依據及功能

簡(jiǎn)易型低壓電動(dòng)機保護器包括以下功能：

  （1）基本保護功能：斷相、啟動(dòng)超時(shí)、反時(shí)限過(guò)載、接地、三相不平衡、堵轉、阻塞、短路、過(guò)壓等保護功能，符合GB14048.4、GB14048.6等標準。

  （2）選配保護功能：可選配外部故障、漏電、定時(shí)限過(guò)載、欠載、欠壓等保護功能，符合GB14048.4、GB14048.6等標準。

  （3）測量和通信功能：可測量三相電流、剩余電流、三相電壓；具有RS485通信接口，采用Modbus通信協(xié)議，通信符合GB19582.1、GB19582.2標準。

  （4）DI/DO、變送輸出功能：支持2路DI、4路DO；支持1路4~20mA變送輸出。

  （5）安裝方式：采用導軌安裝或螺絲固定安裝，3種額定電流規格分別為5A、25A、100A。

2、硬件方案

  簡(jiǎn)易型電動(dòng)機保護器采用低成本設計方案，整個(gè)系統由中央處理單元、電源模塊、信號處理單元、按鍵模塊、顯示模塊、I/O控制模塊、變送輸出模塊、通訊模塊等構成，系統硬件結構如圖1所示。介紹了信號處理單元和控制模塊。

圖1系統硬件結構圖

2.1信號處理單元

  信號處理單元電路如圖2所示，經(jīng)過(guò)基準電壓信號Vref將傳感器檢測的信號抬升，限定在0~3.3V信號內，輸入中央處理單元，實(shí)現交流采樣。為保證交流采樣的精度，采用了分檔處理交流信號的方式，在輸入大信號時(shí)，信號經(jīng)過(guò)抬升并濾波后直接進(jìn)入CPU進(jìn)行采樣處理；在輸入小信號時(shí)，信號抬升后需經(jīng)過(guò)運算放大器信放大并濾波后進(jìn)入CPU進(jìn)行采樣處理。

圖2信號處理單元電路

2.2控制模塊

  控制模塊由開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出構成。開(kāi)關(guān)量輸入采用保護器內部提供的15V電源供電，并采用光耦隔離來(lái)增強開(kāi)關(guān)量輸入抗干擾性和滿(mǎn)足保護器工頻耐壓的要求，開(kāi)關(guān)量輸入用于外部開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監測。繼電器輸出采用性能穩定可靠、使用壽命長(cháng)的繼電器。繼電器輸出電路示意圖如圖3所示，為了增強抗干擾的要求，采用光耦進(jìn)行隔離，ULN2003A可以輸出500mA電流，可承受50V電壓，內部集成的續流二極管為繼電器線(xiàn)圈斷電瞬間產(chǎn)生的較高感應電壓提供了續流回路，繼電器輸出用于故障脫扣、故障報警和遠程起動(dòng)等信號的輸出。

圖3繼電器輸出電路

3、軟件方案

  保護器的主程序流程圖如圖4所示，主要包括A/D采樣、計算顯示、基本保護、按鍵處理、I/O控制、變送輸出及通信等程序。主程序采用模塊化設計，具有可移植性強的特點(diǎn)。

圖4主程序流程

  主程序經(jīng)過(guò)初始化后，執行A/D采樣程序。在A(yíng)/D采樣程序中對電動(dòng)機三相電流、三相電壓、剩余電流進(jìn)行采樣，采樣周期結束后，根據采樣得到的電動(dòng)機三相電流值、三相電壓值、剩余電流值計算當前電動(dòng)機的電流值和電壓值，隨后判斷當前電動(dòng)機的運行狀態(tài)，當電動(dòng)機此時(shí)為運行狀態(tài)時(shí)，執行電動(dòng)機保護子程序。

  在保護子程序中，根據采樣計算得到的電流值電壓值判斷電動(dòng)機是否有故障發(fā)生，若*發(fā)生則返回主程序，若有故障發(fā)生時(shí)，判斷發(fā)生哪種類(lèi)型電動(dòng)機故障，執行相應的故障處理，并將故障類(lèi)型在保護器界面上顯示。

  保護子程序執行后，進(jìn)入顯示值計算子程序，計算三相電流、平均電流、三相電壓及剩余電流等參數顯示值。顯示值計算子程序執行后，進(jìn)入按鍵處理子程序，實(shí)現人機交互。

  按鍵處理子程序執行后，進(jìn)入顯示子程序。在沒(méi)有按鍵處理時(shí)，顯示電動(dòng)機當前平均電流值；在有按鍵處理時(shí)，顯示與按鍵功能相對應的參數值。當電動(dòng)機發(fā)生故障時(shí)，顯示相應故障碼及故障報警脫口指示燈。

  顯示子程序執行后，進(jìn)入I/O控制程序，在電動(dòng)機發(fā)生故障時(shí)，控制繼電器輸出常閉觸點(diǎn)脫扣斷開(kāi)，切斷電動(dòng)機供電，使電動(dòng)機停車(chē)。I/O控制程序執行后，進(jìn)入變送輸出子程序，可選擇三相電流、平均電流、三相電壓、頻率中任一參數轉換成4~20mA模擬信號輸出。

  變送輸出子程序執行結束后，進(jìn)入通信子程序。先判斷是否接收到上位機發(fā)送的命令數據，接收到命令數據后，根據標準Modbus協(xié)議判斷命令中地址碼是否為保護器本機地址，若是本機地址，向上位機回送相應的參數數據。

4、應用實(shí)例

  某水泥廠(chǎng)由于水泥生產(chǎn)流程復雜，電動(dòng)機裝置數量較多，選用簡(jiǎn)易型電動(dòng)機保護器來(lái)對現場(chǎng)電動(dòng)機設備進(jìn)行有效保護，既能使電動(dòng)機充分發(fā)揮其過(guò)載能力，又能提高電力拖動(dòng)系統的可靠性和生產(chǎn)過(guò)程的連續性。水泥廠(chǎng)采用保護器用于電動(dòng)機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動(dòng)機的過(guò)載保護和控制元件，并且利用通訊技術(shù)，實(shí)現了水泥生產(chǎn)中電動(dòng)機設備控制的自動(dòng)化，使水泥廠(chǎng)大型設備的電動(dòng)機得到了有效保護和控制。

5、結語(yǔ)

  隨著(zhù)電動(dòng)機保護器的應用，市場(chǎng)對產(chǎn)品的需求在不斷地變化。針對市場(chǎng)對經(jīng)濟型電動(dòng)機保護器的需求，研發(fā)了一款經(jīng)濟實(shí)用的簡(jiǎn)易型電動(dòng)機保護器。簡(jiǎn)易型保護器是以ARM為核心的智能化、數字化電動(dòng)機保護器，對電動(dòng)機發(fā)生起動(dòng)超時(shí)、過(guò)載、斷相、欠載、不平衡、堵轉、阻塞、短路、過(guò)壓、欠壓等故障時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護，保證了工業(yè)設備能夠安全可靠地運行。

  文章來(lái)源：《電氣時(shí)代》2017年12期。

參考文獻

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