姚 波 陸偉青
（ 上海安科瑞電氣有限公司 上海嘉定 201801）
摘 要：介紹一款經(jīng)濟(jì)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器-ARD2型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該保護(hù)器將眾多保護(hù)功能集于一體，針對(duì)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中會(huì)遇到的多種故障進(jìn)行保護(hù)，使電機(jī)在各種故障條件下不會(huì)產(chǎn)生損壞，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，減少由于電動(dòng)機(jī)的故障問題帶來的生產(chǎn)損失。
關(guān)鍵字：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，ARD2型，保護(hù)功能，經(jīng)濟(jì)型
0 引言
由于生產(chǎn)自動(dòng)化及各種自動(dòng)控制、順序控制設(shè)備的出現(xiàn)，要求電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、間歇以及變負(fù)荷等方式，電機(jī)的運(yùn)行要求越來越高，運(yùn)行環(huán)境也越來越苛刻，同時(shí)，由于電機(jī)與配套機(jī)械連在一起，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，對(duì)電機(jī)實(shí)行有效的保護(hù)是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。
本文將要介紹的是ARD2型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。該型保護(hù)器主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并針對(duì)電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的啟動(dòng)超時(shí)、欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉(zhuǎn)/阻塞、斷相、不平衡、剩余電流（接地/漏電）等故障進(jìn)行保護(hù)，使電動(dòng)機(jī)不至于因?yàn)橐陨显蚨鴮?dǎo)致?lián)p壞，從而使生產(chǎn)遭受損失，采用ARD2電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能有效提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性，降低生產(chǎn)損失，是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品。
1 技術(shù)指標(biāo)
ARD2型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的技術(shù)指標(biāo)見表1。
表 1
2 設(shè)計(jì)方法
目前市場(chǎng)上綜合型的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)主要采用交流采樣方式+高性能單片機(jī)的方案，采用該設(shè)計(jì)方法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量精度高、能夠提供更完善的保護(hù)功能，但是采用此設(shè)計(jì)方法的成本較高，銷售價(jià)格也高，在只需要對(duì)電動(dòng)機(jī)提供過載、斷相等基本常見故障保護(hù)的場(chǎng)合沒有性價(jià)比可言。因此采用一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功能能夠滿足基本保護(hù)要求、主要用于替代熱繼電器的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器將會(huì)有很大的市場(chǎng)。ARD2型保護(hù)器就是一款設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，保護(hù)功能較多，能夠滿足大多數(shù)電動(dòng)機(jī)保護(hù)要求的經(jīng)濟(jì)型的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。
ARD2型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用低成本的設(shè)計(jì)方案，整體系統(tǒng)由信號(hào)處理單元、中央處理單元、電源模塊、人機(jī)交互單元、人機(jī)界面、控制模塊、通訊接口模塊等構(gòu)成，裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖 1
2.1 信號(hào)處理單元
信號(hào)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(hào)整流成直流信號(hào)，由CPU片內(nèi)AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。
圖 2
圖中IC1為運(yùn)算放大器LM324，采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達(dá)到5V充分利用A/D轉(zhuǎn)換提高顯示精度。IC1將采樣得到的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大處理，提高了信號(hào)的采樣精度，保證了信號(hào)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(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機(jī)，該單片機(jī)片上資源豐富，抗干擾能力突出。內(nèi)含32K字節(jié)用戶程序空間，片上集成2K的RAM，支持BDM片上調(diào)試功能，片內(nèi)集成看門狗電路，片上集成8通道10位AD。外部擴(kuò)展了鐵電存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一些重要的參數(shù)，即使以后升級(jí)程序也不會(huì)丟失先前的重要數(shù)據(jù)。
CPU對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，根據(jù)測(cè)量得到的電流、電壓值與預(yù)先設(shè)定的各種保護(hù)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，由此來判斷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，是否需要進(jìn)行保護(hù)。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(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
2.4 人機(jī)交互單元
人機(jī)交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。
2.5 控制模塊
控制模塊主要由開關(guān)量輸入、輸出組成，見圖4。開關(guān)量輸入用于監(jiān)測(cè)外部開關(guān)狀態(tài)，也可根據(jù)客戶要求用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制；開關(guān)量輸出主要用于輸出報(bào)警信號(hào)、脫扣信號(hào)和遠(yuǎn)程起動(dòng)信號(hào)。
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(guī)約，能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能，見圖5。
圖 5
2.7 整體設(shè)計(jì)
保護(hù)器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結(jié)構(gòu)如圖6。該結(jié)構(gòu)非常適合安裝于抽屜式開關(guān)柜。安裝時(shí)將帶顯示的保護(hù)主體部分嵌入式的安裝在開關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內(nèi)，這樣既簡(jiǎn)化了柜內(nèi)接線、又方便了系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控，同時(shí)數(shù)字化的顯示面板也增添了柜面的統(tǒng)一性和美觀性，使得配電室內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況及故障狀態(tài)一目了然，極大的方便了系統(tǒng)巡視和檢修維護(hù)。互感器部分采用DIN35導(dǎo)軌式安裝方式，方能夠按照用戶的測(cè)量需求，更換不同量程的電流互感器。
圖 6
2.8 軟件設(shè)計(jì)
本產(chǎn)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(hù)子程序、計(jì)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(nèi)容較多，現(xiàn)只給出主程序流程和保護(hù)子程序流程圖，見圖8。
圖 7
圖 8
3 功能簡(jiǎn)介
ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(gè)測(cè)量檔位。實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的啟動(dòng)超時(shí)、欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉(zhuǎn)/阻塞、斷相、不平衡、剩余電流（接地/漏電）等故障進(jìn)行保護(hù)。并能在此基礎(chǔ)上增加各種附加功能，主要有：
1）遠(yuǎn)程起動(dòng)功能：由上位機(jī)通過通訊控制保護(hù)器的起動(dòng)繼電器，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
2）報(bào)警功能：當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí)，在還未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的脫扣時(shí)間前進(jìn)行報(bào)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(hù)器檢測(cè)得到的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給后臺(tái)主控設(shè)備，方便工作人員及時(shí)了解電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。
4）漏電保護(hù)：開放漏電保護(hù)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)漏電情況時(shí)，及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)的供電電源。
5）開關(guān)量輸入：用于監(jiān)測(cè)外部開關(guān)的分合狀態(tài)，也可按客戶要求進(jìn)行起、停控制。
6）事件記錄：記錄保護(hù)器的最近8次脫扣動(dòng)作產(chǎn)生的時(shí)間和原因，方便維護(hù)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(hào)。
4 典型應(yīng)用
圖9為采用直接啟動(dòng)接線方式的ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器典型應(yīng)用圖。用戶可通過按動(dòng)外部啟動(dòng)按鈕SB2或通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制保護(hù)器的啟動(dòng)繼電器來啟動(dòng)電機(jī)。其控制方式為：當(dāng)啟動(dòng)按鈕SB2按下或遠(yuǎn)程啟動(dòng)繼電器7、8閉合，則接觸器KM的吸引線圈處于通電狀態(tài)，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭KM閉合，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，松開SB2或啟動(dòng)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(tài)，主觸頭和自鎖觸頭KM仍舊處于閉合狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)。一旦電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后，保護(hù)器就對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)后，ARD2保護(hù)器的脫扣繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)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(tài)由合變?yōu)榉郑袛嚯妱?dòng)機(jī)的供電，使電動(dòng)機(jī)停車。
圖 9
圖10為電動(dòng)機(jī)采用Y—?轉(zhuǎn)換啟動(dòng)接線方式的ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器典型應(yīng)用圖。在圖5中，時(shí)間繼電器KT的觸頭狀態(tài)為吸引線圈失電時(shí)的狀態(tài)，即“常態(tài)”。當(dāng)啟動(dòng)按鈕SB2或遠(yuǎn)程啟動(dòng)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(shí)，時(shí)間繼電器KT吸引線圈通電，由于延時(shí)作用，它的觸頭不立即動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行星型連接降壓?jiǎn)?dòng)狀態(tài)，同時(shí)KM3的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM2的吸引線圈不能通電，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于Y型供電方式。當(dāng)時(shí)間繼電器KT的延時(shí)時(shí)間到，時(shí)間繼電器KT的延時(shí)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(shí)時(shí)間繼電器KT的延時(shí)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(dòng)機(jī)供電方式改為?型連接，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí)，KM2的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM3吸引線圈不會(huì)通電。一旦電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后，保護(hù)器就對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)后，ARD2保護(hù)器的脫扣繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)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(tài)由合變?yōu)榉郑袛嚯妱?dòng)機(jī)的供電，使電動(dòng)機(jī)停車。
圖 10
5 選型注意
在實(shí)際使用過程中，應(yīng)注意嚴(yán)格按照電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇保護(hù)器，防止人為放大和縮小保護(hù)范圍；避免由于量程太大或太小而造成的測(cè)量誤差，從而使保護(hù)器無法正常對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。
由于ARD2保護(hù)器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結(jié)構(gòu)，所以在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)應(yīng)注意按出廠編號(hào)將保護(hù)器主體與互感器配對(duì)使用。但考慮到會(huì)有維修更換保護(hù)器或互感器的情況發(fā)生，因此只要保護(hù)器主體和互感器的產(chǎn)品型號(hào)一樣，可以任意配和使用，不會(huì)對(duì)測(cè)量保護(hù)產(chǎn)生影響。
保護(hù)器的設(shè)計(jì)定位為替代熱繼電器，故保護(hù)器本身不提供對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制及各種起動(dòng)控制方式。對(duì)電動(dòng)機(jī)各種起動(dòng)控制方式的實(shí)現(xiàn)需要外部電路的支持。
6 結(jié)語(yǔ)
ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的功能較多，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)運(yùn)行中遇到的各種類型的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的報(bào)警顯示和脫扣動(dòng)作，能有效的防止電機(jī)意外燒毀的發(fā)生，能為用戶節(jié)約大量的資金，是熱繼電器的理想替代產(chǎn)品。因此，廣泛采用電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器，不但可以提高工藝控制的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，降低事故率，而且對(duì)于提高電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)，也能起到積極的推動(dòng)作用。
文章來源于：《機(jī)床電器》2008年第3期。
參考文獻(xiàn)
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[2] 中國(guó)電力出版社，電工與電子技術(shù)，1999。
