趙波¹，胡景泰²，黃文濤³
（1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801；2. 上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司，
上海 ，200063；3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）

摘 要：為了彌補國內(nèi)電動機保護器行業(yè)沒有完全模塊式產(chǎn)品的空白，給出一種模塊式電動機保護器ARD3T的主體、測量模塊設(shè)計方法。按照功能進行模塊劃分，各模塊利用內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸，通過內(nèi)部總線進行模塊供電。給出主體、測量模塊設(shè)計方法、典型硬件原理圖，指出設(shè)計中所要注意的事項。給出各種環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)，最后進一步給出了產(chǎn)品采用的抗干擾處理措施，測試結(jié)果表明設(shè)計的正確性和合理性，產(chǎn)品的設(shè)計思想、設(shè)計理念更符合未來市場的需求

0 引言
        目前市場中各類電動機保護裝置種類繁多，從簡單的電子式熱繼電器到高端的多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品，但獨立模塊化的產(chǎn)品較少，尤其是國內(nèi)電動機保護器生產(chǎn)廠家沒有真正意義上的模塊式產(chǎn)品。通常國內(nèi)電動機保護器將全部功能集中在主體內(nèi)，這類產(chǎn)品的功能模塊是線路板式模塊，只適用于工廠內(nèi)部生產(chǎn)使用，在使用場所需要進行功能擴展時要拆除主體單元，或通過調(diào)換新產(chǎn)品的方式來實現(xiàn)功能擴展，如果線路板上某一功能發(fā)生故障需要進行維修時，需要拆除整個產(chǎn)品，這樣不利于現(xiàn)場使用。
        ARD3T是模塊式產(chǎn)品，有如下幾種模塊：測量模塊、溫度模塊、模擬量模塊、通訊模塊、開關(guān)量模塊、顯示模塊、主體模塊。由主體和測量模塊組成基本模塊，實現(xiàn)基本的測量、保護、控制功能，其它模塊作為選配模塊，由基本模塊加選配模塊實現(xiàn)復(fù)雜功能，添加刪除模塊后，直接對產(chǎn)品組態(tài)即可投入使用，不需返廠，利于生產(chǎn)使用，本文主要介紹主體、測量模塊的設(shè)計原理。
1  主體、測量模塊功能介紹
        主體模塊是ARD3T的大腦，協(xié)調(diào)各模塊工作，對各模塊的信息進行分析、判斷、處理。主體帶有的硬件資源有：開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、Rs485通訊電路、PTC測量電路、故障記錄等。可提供的編程功能有：對開關(guān)量輸入、輸出編程、定時器、計數(shù)器、真值表、各種起動方式、保護動作、4～20mA變送輸出等。
        測量模塊完成電流、電壓、剩余電流測量，將測量結(jié)構(gòu)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線發(fā)送給主體。測量模塊電流測量范圍為0.4A至800A，電壓為AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流為50mA～5A、3A～30A。電機電流小于等于100A時，采用一體式互感器模塊（互感器安裝于測量模塊內(nèi)部），大于100A時采用外置式電流互感器+測量模塊。

2 主體、測量模塊設(shè)計原理介紹
        2.1主體、測量模塊產(chǎn)品特點
        常規(guī)電動機保護器產(chǎn)品的組成通常包括：互感器模塊、主體模塊、顯示模塊。互感器模塊為保護級電流互感器，直接將互感器二次側(cè)信號傳輸給主體模塊，電流采樣處理電路在主體模塊內(nèi)部。這種處理方式設(shè)計簡單，但有以下不足：每種電流規(guī)格的互感器模塊和主體模塊是一一對應(yīng)的，如果客戶更換了使用的電機或生產(chǎn)工藝有變動時，原產(chǎn)品額定電流設(shè)定不能滿足要求時，需要將互感器、主體兩部分返廠重新更換；互感器模塊出現(xiàn)故障后，主體無法給出提示；互感器模塊沒有與主體連接或連接不可靠，二次側(cè)開路產(chǎn)生的高壓。大多數(shù)常規(guī)電動機保護器僅能對開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出進行編程，可編程功能較少，不帶有定時器、計數(shù)器、真值表功能，無法進行相關(guān)的編程，通常只帶有一種起動方式，不可以現(xiàn)場對起動方式進行設(shè)定。
        模塊式的ARD3T產(chǎn)品主體與測量模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接，測量模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，通過內(nèi)部通訊協(xié)議主體可自動識別測量模塊種類，主體模塊檢測到測量模塊有故障時，自動發(fā)出報警提示。在實際使用因各種原因而需要更換電機，并且新電機的額定電流、功率等參數(shù)不在原保護器參數(shù)可設(shè)定范圍內(nèi)時，只需更換ARD3T測量模塊，主體模塊不必更改，新的測量模塊與主體連接后，通過重新組態(tài)即可直接進行生產(chǎn)。測量模塊本身帶有CPU單元和信號采樣處理電路，用于完成電參數(shù)的測量。主體和測量模塊之間采用數(shù)字方式進行通信，信息傳送可靠，主體和測量模塊間沒有通過連接線連接時，測量模塊與主體接口不會產(chǎn)生高壓危險。 
        與常規(guī)電動機保護器相比，ARD3T主體模塊開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出可編程功能除常規(guī)的運動控制外，還包括各類報警輸出、脫扣輸出、計數(shù)器輸出、定時器輸出、真值表輸出、通訊輸出等，可以通過可編程功能實現(xiàn)較復(fù)雜的電機操作。ARD3T主體同時帶有：保護模式、直接起動、雙向起動、星三角起動、自耦降壓起動、雙速單繞組起動、雙速雙繞組起動等起動方式，通過液晶或上位機配置軟件可以直接在不同起動方式間切換，更符合現(xiàn)場使用需求。ARD3T主體帶有模塊擴展接口，現(xiàn)場人員通過簡單的外部接線即可實現(xiàn)模塊功能擴展。

        2.2主體、測量模塊硬件原理
        根據(jù)主體、測量模塊的功能可知：主體模塊硬件上必須能提供如下功能：電源、開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、PTC測量電路、通訊處理電路、CPU單元等；測量模塊上必須具備電壓、電流、剩余電流采樣電路、信號處理電路、CPU單元、通訊電路等。主體、測量模塊硬件框圖如圖1、圖2所示。

圖1 主體硬件框圖

Fig.1 main module hardware block diagram

     圖2 測量模塊硬件框圖

Fig.2 measurement module hardware block diagram

        ARD3T模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，即整個產(chǎn)品供電全部來源于主體的電源部分，主體電源穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品的可靠性。開關(guān)電源具有效率高、適用范圍寬等優(yōu)點，本項目采用開關(guān)電源作為主體電源，電源采用PI公司的TENY系列芯片。
        主體開關(guān)量輸入用于外接起動、停止等控制按鈕或作為工藝連鎖使用，現(xiàn)場布線時如將控制線同動力線綁接在一起或線纜鋪設(shè)時不注意分層處理，連接線過長且不使用屏蔽電纜，都會容易引起開關(guān)量輸入信號的誤動作，直接影響生產(chǎn)的安全可靠。為此設(shè)計開關(guān)量輸入電路時，要有相應(yīng)的抗干擾處理措施，使電路有強抗干擾能力，ARD3T開關(guān)量輸入信號電路見圖3所示，電阻R71、R94為限流電阻同時通電容C31組成第一級濾波電路，根據(jù)濾波要求計算電阻、電容參數(shù)，二極管D1為TVS管，有兩中作用：一是用于誤接保護；另一是作為第二級濾波使用。U12為光耦用于信號隔離，電容C35為光耦后級的濾波電容，可以消除高頻脈沖信號，進一步保證對開關(guān)量輸入信號檢測的正確性。

 

圖3 開關(guān)量輸入電路

Fig.3 Switching input circuit

主體開關(guān)量輸出用于控制接觸器、中間繼電器、信號輸出（運行信號、故障信號等），開關(guān)量輸出信號的正確性同樣影響著生產(chǎn)的可靠性。設(shè)計開關(guān)量輸出電路時，首先選好繼電器，通常我們最關(guān)心的參數(shù)有：觸點負載、最大切換電壓、最大切換功率、最大切換電流、浪涌電壓、介電電壓等。這些參數(shù)在技術(shù)手冊上都可以查到，但手冊上給出的“觸點負載”通常指的是純阻性負載，實際使用中的負載以感性居多，帶感性負載時觸點容量需要乘以相應(yīng)的降容系數(shù)才是我們所需要的數(shù)值，如果無法知道確切的降容系數(shù)，可以通過繼電器試驗進行實測。ARD3T開關(guān)量輸出電路如圖4所示，圖4中C44、C20、R10、R11組成濾波、限流電路，防止外部干擾引起繼電器輸出誤動作，同時R10、R11組成分壓電路同樣可以吸收小的脈沖干擾信號；D6為續(xù)流二極管，用于釋放繼電器關(guān)斷時線圈產(chǎn)生的自感電動勢。

        ARD3T主體帶有RS485通訊電路，通訊協(xié)議為MODBUS，通訊電路原理如圖5所示，本電路的巧妙之處在于數(shù)據(jù)收發(fā)直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節(jié)省CPU資源簡化程序設(shè)計。RS485通訊電路設(shè)計時要根據(jù)通訊最高波特率選取光耦，最高波特率為38400時，通常選

 

圖4 開關(guān)量輸出電路

Fig.4 Switching output circuit

        取6N137、TLP115等高速光耦。最高波特率為9600/19200時，可以使用TLP181等常規(guī)光耦，但要注意電阻值R56、R6、R3、R4的參數(shù)匹配，否則在高低溫測試時，通訊線長度為1200米時，通訊可靠性將降低。                        

圖5 通訊電路

Fig.5 Communication circuit

        測量模塊作為ARD3T必備模塊之一，負責(zé)完成電流、電壓、剩余電流、頻率、功率的測量，并及時的將計算結(jié)果通過內(nèi)部總線傳送給主體模塊。測量模塊采用交流采樣的真有效值算法完成對電流、電壓、剩余電流的測量，真有效值在信號有畸變的情況下可以保證測量的準確性。

        電流、電壓、剩余電流測量都是對模擬信號的測量，硬件設(shè)計中原理是相同的，都有以下組成：信號采樣電路、濾波電路、信號放大電路、A/D電路。電流信號采樣通過互感器進行隔離，通過取樣電阻取電流互感器二次側(cè)信號，電壓信號是通過電阻分壓的方式實現(xiàn)信號采集，取樣電阻需要選取精度高、溫漂系數(shù)好的金屬膜電阻。濾波和信號放大電路一起構(gòu)成了信號處理電路，鑒于RC低通濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、能耐受較大過載和浪涌沖擊等優(yōu)點，電路設(shè)計中濾波電路采用了RC低通濾波電路。RC濾波電路濾除的信號頻率與采樣頻率有關(guān)，設(shè)計時將采樣頻率一半以上的信號濾除。

測量模塊信號處理電路見圖6所示。圖中RB5為取樣電阻，完成信號采樣，R15、C19組成RC濾波；Q3為保護電路，防止大信號輸入，引起后極芯片損壞，U3B實現(xiàn)信號反向放大，輸出信號給后極AD使用。

測量模塊測量的電流、電壓頻率通常都是工頻頻率，當(dāng)頻率有偏離工頻頻率時仍按工頻頻率進行測量會引起較大測量誤差，為此ARD3T測量模塊采用頻率跟蹤技術(shù)進行頻率自動跟蹤，可跟蹤范圍為45Hz～65Hz，頻率跟蹤的基礎(chǔ)是頻率測量，頻率測量可以分為軟件測頻、硬件測頻兩種方法，硬件測頻最常用的方法是硬件鎖相環(huán)，軟件測頻常用的方法有最小二乘法、牛頓類算法、離散卡爾曼濾波算法，離散傅氏算法及其改進算法，正交去調(diào)制法等。各種測頻方法都有其自身的特點，ARD3T測頻是通過硬件上使用滯回比較器，軟件上對滯回比較器輸出計時的方法來實現(xiàn)頻率測量。在純正弦波的信號時，測頻容易實現(xiàn)，但有諧波干擾時仍保證頻率測量的準確性有一定的難度，ARD3T測頻的硬件電路帶有滯回比較功能，可以保證頻率測量的準確性。

 

圖6 測量信號處理電路

Fig.6 Signal acquisition amplifier

        2.3 ARD3T電流、電壓測量數(shù)據(jù)
        使用2.2中測量電路測量到的電壓、電流數(shù)據(jù)見表1、表2所示，測試時為驗證電路的可靠性測試環(huán)境分為常溫常濕（+25℃，60%濕度）、低溫（-20℃）、高溫高濕（+65℃，95%濕度），三種環(huán)境溫度，信號分為工頻無諧波的純正弦信號、工頻有諧波的信號、45Hz/65正弦信號、45Hz/65有諧波信號，將各種情況下的測量結(jié)果同儀器輸出參數(shù)進行比對可知：測量模塊在測試的各種環(huán)境、各類信號下都可以保證測量的準確性。

表1 測量模塊實測數(shù)據(jù)1

Tab.1 measured data 1 measurement module

測試環(huán)境條件	數(shù)據(jù)類型	儀器輸出參數(shù)
		I=25A U=380V F=50Hz 諧波無	I=100A U=380V F=50Hz 諧波無	I=100A U=380V F=45Hz 諧波無	I=25A U=380V F=65Hz 諧波無
+25℃，60%濕度	Ia	25.00	100.0	100.0	25.00
	Ib	25.00	99.9	99.9	25.00
	Ic	24.98	100.0	100.0	24.98
	Uab	379.9	379.9	379.8	380.0
	Ubc	379.8	379.8	379.8	379.8
	Uca	380.0	380.0	380.0	380.0
+65℃，95%濕度	Ia	24.92	99.9	99.9	24.93
	Ib	24.92	99.8	99.8	24.93
	Ic	24.93	99.9	99.9	24.93
	Uab	379.9	380.0	379.9	379.9
	Ubc	380.0	379.8	379.8	379.8
	Uca	379.8	380.0	380.0	380.0
-20℃	Ia	25.17	100.1	100.1	25.16
	Ib	25.16	100.2	100.1	25.16
	Ic	25.15	100.2	100.1	25.16
	Uab	381.6	381.8	381.6	381.8
	Ubc	381.7	381.7	381.6	381.8
	Uca	381.6	381.5	381.6	381.8

表2 測量模塊實測數(shù)據(jù)2

Tab.1 measured data 2 measurement module

測試環(huán)境條件	數(shù)據(jù)類型	儀器輸出參數(shù)
		I=25A； U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=45Hz	I=25A U=380V F=65Hz
		諧波（1-31次組合，最大40%）
+25℃，60%濕度	Ia	24.98	100.0	100.0	25.00
	Ib	25.00	99.9	99.9	25.00
	Ic	24.98	100.0	100.0	24.98
	Uab	380.1	380.0	379.9	380.0
	Ubc	380.0	380.0	379.9	379.9
	Uca	380.1	380.1	380.0	380.1
+65℃，95%濕度	Ia	24.92	99.8	99.8	24.91
	Ib	24.92	99.8	99.8	24.91
	Ic	24.93	99.9	99.9	24.91
	Uab	380.1	380.0	379.9	380.0
	Ubc	380.0	380.0	379.9	379.9
	Uca	380.1	380.0	380.0	380.0
-20℃	Ia	25.15	100.2	100.1	25.17
	Ib	25.16	100.2	100.2	25.15
	Ic	25.15	100.2	100.1	25.15
	Uab	381.5	381.7	381.6	381.6
	Ubc	381.7	381.7	381.8	381.6
	Uca	381.5	381.7	381.6	381.6

 3 ARD3T主體、測量模塊抗干擾措施

        ARD3T主體、測量模塊中設(shè)計時，采用了多種軟硬件抗干擾處理措施。硬件中在電源部分設(shè)計有共模電感、X電容、差模電感組成的濾波器電路，通過該電路可以使產(chǎn)品通過4級電快速脈沖群試驗；產(chǎn)品設(shè)計有專用的浪涌保護電路，可以保證產(chǎn)品通過4級浪涌測試；開關(guān)量輸入處添加必要的濾波電路可以有效地防止干擾信號引起的開關(guān)量誤導(dǎo)通；信號處理芯片管腳處加入合理的保護電路，防止異常信號造成芯片損壞；信號處理電路處設(shè)計合理的濾波電路有效的衰減了高頻干擾引起的測量誤差；測量軟件中加入數(shù)字濾波技術(shù)，可以很好的保證測量準確性。

4 結(jié)束語
        隨著電動機保護器使用的普及，市場對產(chǎn)品的需求在不斷變化，產(chǎn)品的研發(fā)要著眼于未來市場的發(fā)展，ARD3T電動機保護器是在總結(jié)市場發(fā)展方向，結(jié)合本身原產(chǎn)品的特點的基礎(chǔ)上而推出的，產(chǎn)品設(shè)計思想、設(shè)計理念先進、功能可靠，更符合未來市場的需求。ARD3T電動機保護器在實際使用中不僅可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動機保護產(chǎn)品，還可替代各種指針式電量表、信號燈、電量變送器等常規(guī)元件，還可以作為MCC的核心元件完成一定的邏輯運算，簡化電動機控制電路，在現(xiàn)場可任意添加、刪除產(chǎn)品模塊，使用方便，更符合未來市場需求。

文章來源于：《電力系統(tǒng)保護與控制》2012年12期。

  [1] 孫莉.電力系統(tǒng)軟件測頻的改進方法[J].繼電器，2006，（19）：38-41