一款經濟型智能電動機保護器的設計與應用

由于生產自動化及各種自動控制、順序控制設備的出現，要求電機經常運行在頻繁的起動、制動、正反轉、間歇以及變負荷等方式，電機的運行要求越來越高，運行環境也越來越苛刻，同時，由于電機與配套機械連在一起，當電機發生故障時，經常波及生產系統。因此，對電機實行有效的保護是保證生產系統正常工作的一項重要任務。

本文將要介紹的是ARD2型電動機保護器的經濟、簡潔的設計方法和應用。該型保護器主要用于對電動機運行狀態的監測，并針對電動機在生產運行過程中出現的啟動超時、欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉/阻塞、斷相、不平衡、剩余電流（接地/漏電）等故障進行保護，使電動機不至于因為以上原因而導致損壞，從而使生產遭受損失，采用ARD2電動機保護器能有效提高電動機運行的安全性，降低生產損失，是傳統熱繼電器的理想替代品。

ARD2型智能電動機保護器的技術指標見表1。

 

 

 

 

 

                          表 1

    目前市場上綜合型的智能電動機保護器的設計主要采用交流采樣方式+高性能單片機的方案，采用該設計方法的電動機保護器測量參數多、測量精度高、能夠提供更完善的保護功能，但是采用此設計方法的成本較高，銷售價格也高，在只需要對電動機提供過載、斷相等基本常見故障保護的場合沒有性價比可言。因此采用一種設計簡單、功能能夠滿足基本保護要求、主要用于替代熱繼電器的智能電動機保護器將會有很大的市場。ARD2型保護器就是一款設計簡潔，保護功能較多，能夠滿足大多數電動機保護要求的經濟型的智能電動機保護器。

ARD2型智能電動機保護器采用低成本的設計方案，整體系統由信號處理單元、中央處理單元、電源模塊、人機交互單元、人機界面、控制模塊、通訊接口模塊等構成，裝置硬件結構如圖1所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

               圖 1

2.1 信號處理單元

    信號處理單元采用整流放大濾波電路，見圖2，該電路能將采樣得到的交流信號整流成直流信號，由CPU片內AD進行轉換計算。

              圖 2

    圖中IC1為運算放大器LM324，采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達到5V充分利用A/D轉換提高顯示精度。IC1將采樣得到的信號進行兩級放大處理，提高了信號的采樣精度，保證了信號的線性度。

2.2 中央處理單元

中央處理單元選用MOTOROLA公司的第一款基于高度節能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機，該單片機片上資源豐富，抗干擾能力突出。內含32K字節用戶程序空間，片上集成2K的RAM，支持BDM片上調試功能，片內集成看門狗電路，片上集成8通道10位AD。外部擴展了鐵電存儲器，用于存儲一些重要的參數，即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數據。

CPU對采樣信號進行處理計算，根據測量得到的電流、電壓值與預先設定的各種保護數值進行對比，由此來判斷電動機的運行狀態是否正常，是否需要進行保護。中央處理單元電路見圖3。

             圖 3

2.3 電源模塊

    采用AC380V電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC220V～450V，輸入頻率45Hz～60Hz，輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力。

2.4 人機交互單元

    人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統采用單排四位LED數碼管顯示各種信息。用戶可根據實際需要進行設置。在編程狀態下顯示菜單及參數。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。

2.5 控制模塊

    控制模塊主要由開關量輸入、輸出組成，見圖4。開關量輸入用于監測外部開關狀態，也可根據客戶要求用于電動機的起動、停止控制；開關量輸出主要用于輸出報警信號、脫扣信號和遠程起動信號。

              圖 4

2.6 通訊接口模塊

通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規約，能實現遙測、遙控、遙信等功能，見圖5。

      圖 5

2.7 整體設計

保護器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結構如圖6。該結構非常適合安裝于抽屜式開關柜。安裝時將帶顯示的保護主體部分嵌入式的安裝在開關抽屜的活動面板內，這樣既簡化了柜內接線、又方便了系統隨時調整、設定參數和顯示、監控，同時數字化的顯示面板也增添了柜面的統一性和美觀性，使得配電室內的設備運行情況及故障狀態一目了然，極大的方便了系統巡視和檢修維護。互感器部分采用DIN35導軌式安裝方式，方能夠按照用戶的測量需求，更換不同量程的電流互感器。

           圖 6

2.8 軟件設計

    本產品的主軟件流程圖如圖7所示，主程序包括A/D子程序、保護子程序、計算顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊子程序等子程序，由于程序內容較多，現只給出主程序流程和保護子程序流程圖，見圖8。

                圖 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                圖 8

    ARD2智能電動機保護器按額定工作電壓可分為AC380V、AC220V；按工作電流范圍來分可分為6.3A（1.6A～6.3A）、25A（25A～100A）、100A（25A～100A）、250A（63A～250A）、800A（250A～800A）五個測量檔位。實現對電動機運行中出現的啟動超時、欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉/阻塞、斷相、不平衡、剩余電流（接地/漏電）等故障進行保護。并能在此基礎上增加各種附加功能，主要有：

1）遠程起動功能：由上位機通過通訊控制保護器的起動繼電器，來實現遠程起動電動機。

2）報警功能：當電動機運行狀態出現故障時，在還未達到預先設定的脫扣時間前進行報警提示。

3）通訊功能：RS-485通訊功能，能夠通過通訊接口將保護器檢測得到的電動機運行的各種參數實時傳送給后臺主控設備，方便工作人員及時了解電動機的工作狀態。

4）漏電保護：開放漏電保護監測功能，當電動機的運行環境出現漏電情況時，及時切斷電動機的供電電源。

5）開關量輸入：用于監測外部開關的分合狀態，也可按客戶要求進行起、停控制。

6）事件記錄：記錄保護器的最近8次脫扣動作產生的時間和原因，方便維護人員查看和檢修。

7）4～20mA模擬量輸出：提供直流4～20mA電流信號。

圖9為采用直接啟動接線方式的ARD2智能電動機保護器典型應用圖。用戶可通過按動外部啟動按鈕SB2或通過上位機遠程控制保護器的啟動繼電器來啟動電機。其控制方式為：當啟動按鈕SB2按下或遠程啟動繼電器7、8閉合，則接觸器KM的吸引線圈處于通電狀態，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭KM閉合，啟動電動機。此時，松開SB2或啟動繼電器7、8斷開后接觸器KM的吸引線圈還是處于通電狀態，主觸頭和自鎖觸頭KM仍舊處于閉合狀態，電動機處于通電狀態。一旦電動機正常啟動后，保護器就對電動機的運行狀態進行監測，當電動機出現故障狀態后，ARD2保護器的脫扣繼電器動作，常閉觸點95、96斷開，使接觸器KM的吸引線圈斷電，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭的狀態由合變為分，切斷電動機的供電，使電動機停車。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖 9

    圖10為電動機采用Y—&#8710;轉換啟動接線方式的ARD2智能電動機保護器典型應用圖。在圖5中，時間繼電器KT的觸頭狀態為吸引線圈失電時的狀態，即“常態”。當啟動按鈕SB2或遠程啟動繼電器7、8閉合，則接觸器KM1線圈通電，使KM1的主觸頭和自鎖觸頭KM1閉合，同時，時間繼電器KT吸引線圈通電，由于延時作用，它的觸頭不立即動作，于是接觸器KM3線圈通電，接于主回路中的KM3的主觸頭閉合，電動機進行星型連接降壓啟動狀態，同時KM3的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM2的吸引線圈不能通電，電動機運行于Y型供電方式。當時間繼電器KT的延時時間到，時間繼電器KT的延時斷開常閉觸頭斷開，使接觸器KM3吸引線圈斷電，主觸頭KM3斷開，同時時間繼電器KT的延時閉合常開觸頭閉合，接觸器KM2的吸引線圈通電，主觸頭KM2閉合，電動機供電方式改為&#8710;型連接，進入正常運行狀態。與此同時，KM2的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM3吸引線圈不會通電。一旦電動機正常啟動后，保護器就對電動機的運行狀態進行監測，當電動機出現故障狀態后，ARD2保護器的脫扣繼電器動作，常閉觸點95、96斷開，使接觸器KM的吸引線圈斷電，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭的狀態由合變為分，切斷電動機的供電，使電動機停車。

              圖 10

在實際使用過程中，應注意嚴格按照電動機的額定電流來選擇保護器，防止人為放大和縮小保護范圍；避免由于量程太大或太小而造成的測量誤差，從而使保護器無法正常對電動機進行保護。

由于ARD2保護器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結構，所以在現場使用時應注意按出廠編號將保護器主體與互感器配對使用。但考慮到會有維修更換保護器或互感器的情況發生，因此只要保護器主體和互感器的產品型號一樣，可以任意配和使用，不會對測量保護產生影響。

保護器的設計定位為替代熱繼電器，故保護器本身不提供對電動機的起動、停止控制及各種起動控制方式。對電動機各種起動控制方式的實現需要外部電路的支持。

    ARD2智能電動機保護器的功能較多，能夠對電動機運行中遇到的各種類型的故障進行準確的報警顯示和脫扣動作，能有效的防止電機意外燒毀的發生，能為用戶節約大量的資金，是熱繼電器的理想替代產品。因此，廣泛采用電動機智能保護器，不但可以提高工藝控制的準確性、科學性，降低事故率，而且對于提高電氣控制系統的自動化水平和發展國民經濟，也能起到積極的推動作用。

[1]上海安科瑞電氣有限公司，ARD2智能電動機保護器選型手冊，2007。

[2]中國電力出版社，電工與電子技術，1999。