自恢复式过欠压保护器

浅谈ARD3电动机保护器设计原理 安科瑞 蔡昀羲摘 要：本文着重介绍ARD3电动机保护器的具体设计方法，给出硬件原理图和软件流程图。文章按照产品的各硬件功能模块进行展开说明，介绍硬件功能模块时，对硬件功能模块原理图进行详细分析，结合各种实际应用的情况说明此处硬件是怎样设计的，为什么这样设计以及这样设计的优缺点。通常电动机保护器工作的条件比较恶劣，为使产品性能方面更加稳定可靠，需要使用一些抗干扰措施，文中介绍的这些抗干扰措施在实际使用中被证明是成功的。关键词：电动机保护器；ARD3；保护功能；ModBus0　 引言　　随着电子技术的发展，电动机保护器正向基于现场总线的智能型方向发展。我公司设计的ARD3电动机保护器立足于国内先进水平，是具有智能保护和可通信功能的电动机保护器。产品系列电流范围齐全，产品系列额定电流范围1.6～800A；可测量的电流范围宽，可以达到10倍电机额定电流；采用先进的软件算法和可靠的硬件设计，对电动机的过载、断相、三相不平衡、堵转、阻塞、过压、欠压等故障进行有效判断和可靠保护，过载保护采用计算分析当前电动机的热容量的方法，根据热容情况判断电动机的过载状态，此种方法可以最大发挥电动机的过载能力；配有可编程开关量输入、继电器输出，用于实现远程主站对电动机运行状态的遥信监视和直接起动、自耦降压、星-三角等起动方式；带有标准RS-485接口ModBus通讯协议实现计算机联网。1　 硬件设计 　　ARD3电动机保护器用H8/3687FP单片机实现电动机的保护功能。在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部分构成，下面分别对其中的关键部分作简要介绍。1.1 信号采集单元　　ARD3电动机保护器采用交流采样算法计算被测信号。采样方式是按一定周期（称为采样周期）连续实时采样被测信号一个完整的波形（对于正弦波只需采样半个周期即可），然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到被测信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。　　信号采集单元的功能取样、整流、放大互感器二次测的输出信号，将这些信号转换为单片机可处理的信号。ARD3电动机保护器中处理三相电流信号、剩余电流信号、电压信号的信号采集放大电路原理都相同，现以一路电流信号采集放大电路为例说明电路工作原理。 　　信号采集放大电路如图1所示。在图中二极管A1、A7是双向二极管，对后级电路起到过压保护作用。当输入的信号在正常范围内，A1、A7不起作用，当输入信号超出正常范围（或有脉冲干扰信号出现）时，A1、A7导通，防止超出后级电路端口范围的信号进入后级电路，破坏后级A/D电路。CR1为取样电阻，将从CT1输出的电流信号转变为电压信号。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13组成同相放大电路将电压信号放大后输入A/D转换电路。　　图1中LM324采用双电源供电，这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。图1中通过运放将输入信号进行分档处理，小信号从P1.0输出大信号从P1.1输出。这样处理是因为：电动机保护器要处理的电流范围很宽（要从电动机1倍额定电流到10倍额定电流），分档处理可以提高测量精度。1.2 I/O单元　　开关量输入处理电路如图2所示。电路开关量由IN1～IN7输入，通过光藕后产生IS1～IS7，并行信号IS1～IS7输入到74HC165，通过74HC165将并行信号转换为串行信号传送给CPU。电阻R11～R18起到限流作用保护光耦中的二极管不被损坏。RS1～RS8是上拉电阻与电容CS～CS8配合使用既可以稳定光耦输出电平又可以在上电时对光耦起到保护作用。Fig.2 Switching input circuit　　继电器控制电路如图3所示。JDQ1～JDQ4与CPU连接，三极管QJ11～QJ14的供电电压是+5V，三极管QJ1～QJ4的供电电压是+24V。现以QJ11，QJ1这路控制电路来说明电路工作原理，当CPU输出高电平时三极管QJ11不导通，OUT11不会输出电流光藕不会导通，JT1也输出高电平，QJ1不会导通继电器不会动作。当CPU输出低电平时三极管QJ11导通，OUT1输出高电平使光耦导通， JT1变为低电平，三极管QJ1导通OUT1输出低电平使继电器发生动作。图3中二极管DJ1～DJ4作为继电器续流二极管。Fig.3 Relay control circuit　　控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作时会产生“火花”，严重时可影响系统的正常工作。因此，在PCB板布局时应将继电器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外，在继电器线圈两端应并联续流二极管，否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压，从而破坏电路。固态继电器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，本产品中考虑到产品的可靠性要求采用固态继电器。1.3 通讯单元　　通讯电路如图4所示。通讯电路实现将CPU串口输出电平转换到RS485电平。本电路的巧妙之处在于数据收发直接由硬件来控制，不用CPU参与控制，这样可以节省CPU资源简化程序设计。Fig.4 Communications circuit1.4 CPU单元　　CPU单元是电机保护器的核心单元。信号采集，各种报警处理，通信功能，显示功能……都是由它来完成的。本产品采用的CPU芯片是瑞萨公司的H8/3687芯片，该芯片功能如下：62条基本指令； RTC（片上实时时钟，可作为自由运算计数器使用），SCI（异步或者时钟同步串行通信接口）2路，1路IIC接口，8路10位A/D，８位定时器２个（Timer B1,TimerV），16位定时器１个（TimerZ），看门狗定时器，14位PWM，45个I/O引脚（H8/3687N有43个I/O引脚），包括8个可直接驱动LED的大电流引脚（IOL=20mA,@VOL=1.5V），片上复位电源POR电路，片上低电压检测电路（LVD）。该芯片有两种封装形式：LQFP-64（10mm×10mm）FP-64(14mm×14mm) 。CPU单元电路如图5所示。　　因为A/D功能，IIC功能，RTC，定时器，看门狗等功能都已经集成到芯片内部，所以CPU单元的外围电路十分简洁，各引脚只需外接增加端口驱动能力的上拉电阻和稳定信号的滤波电容即可。2　 软件设计　　系统软件要完成三相电流、1路剩余电流、三路电压A/D，各种保护量计算，保护功能判断处理，显示电压、电流，故障记录，按键处理，通讯，变送等功能。只有合理安排程序流程来完成这些功能，保护器才能可靠工作。程序流程图如图6所示：3　 抗干扰措施　　电动机保护器作为保护电动机装置要具有很强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中采取如下措施提高产品的抗干扰性：1硬件方面：电源部分加EMC滤波器，高频变压器次级与初级加高压电容，输出部分加滤波电路；信号采集部分增加滤波电路；在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路；在各芯片电源输入处加去藕电容；继电器两端并联续流二极管，加光耦与CPU端口隔离；不使用的CPU端口定义为输出状态；PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理，模拟信号在模拟区域内布线，数字信号数字区域内布线，二者不进入彼此区域内；布线时尽量加粗电源线与地线，信号线走线时走145º线，不走直角线；使用CPU内部看门狗监控程序运行。2软件方面：各路信号采集都使用软件滤波，增加采样值的准确性。通过采取一系列的措施，产品的抗干扰性能大幅提高，本产品一次性顺利通过3C安全认证型式试验。4　 结论　　ARD3电动机保护器采用先进的设计方案，集测量、保护、控制、通讯于一身，产品性能安全可靠，可以对电动机实施可靠有效的保护。ARD3电动机保护器在实际使用中完全可以替热继电器、温度继电器等传统的电动机保护产品，替代各种指针式电量表、信号灯、电量变送器等常规元件，简化电动机控制电路，减少柜内电缆连接及现场施工量。

摘 要：介绍一款经济型智能电动机保护器-ARD2型的设计与应用，该保护器将众多保护功能集于一体，针对电动机在实际使用中会遇到的多种故障进行保护，使电机在各种故障条件下不会产生损坏，提高电动机运行的可靠性，减少由于电动机的故障问题带来的生产损失。关键字：电动机保护器，ARD2型，保护功能，经济型0　 引言　　由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，要求电机经常运行在频繁的起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等方式，电机的运行要求越来越高，运行环境也越来越苛刻，同时，由于电机与配套机械连在一起，当电机发生故障时，经常波及生产系统。因此，对电机实行有效的保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。　　本文将要介绍的是ARD2型电动机保护器的经济、简洁的设计方法和应用。该型保护器主要用于对电动机运行状态的监测，并针对电动机在生产运行过程中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）等故障进行保护，使电动机不至于因为以上原因而导致损坏，从而使生产遭受损失，采用ARD2电动机保护器能有效提高电动机运行的安全性，降低生产损失，是传统热继电器的理想替代品。1　 技术指标　　ARD2型智能电动机保护器的技术指标见表1。2　 设计方法　　目前市场上综合型的智能电动机保护器的设计主要采用交流采样方式+高性能单片机的方案，采用该设计方法的电动机保护器测量参数多、测量精度高、能够提供更完善的保护功能，但是采用此设计方法的成本较高，销售价格也高，在只需要对电动机提供过载、断相等基本常见故障保护的场合没有性价比可言。因此采用一种设计简单、功能能够满足基本保护要求、主要用于替代热继电器的智能电动机保护器将会有很大的市场。ARD2型保护器就是一款设计简洁，保护功能较多，能够满足大多数电动机保护要求的经济型的智能电动机保护器。　　ARD2型智能电动机保护器采用低成本的设计方案，整体系统由信号处理单元、中央处理单元、电源模块、人机交互单元、人机界面、控制模块、通讯接口模块等构成，装置硬件结构如图1所示。　　信号处理单元采用整流放大滤波电路，见图2，该电路能将采样得到的交流信号整流成直流信号，由CPU片内AD进行转换计算。　　图中IC1为运算放大器LM324，采用双电源供电，这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。IC1将采样得到的信号进行两级放大处理，提高了信号的采样精度，保证了信号的线性度。2.2 中央处理单元　　中央处理单元选用MOTOROLA公司的第一款基于高度节能型S08核的器件MC9S08AW32高性能单片机，该单片机片上资源丰富，抗干扰能力突出。内含32K字节用户程序空间，片上集成2K的RAM，支持BDM片上调试功能，片内集成看门狗电路，片上集成8通道10位AD。外部扩展了铁电存储器，用于存储一些重要的参数，即使以后升级程序也不会丢失先前的重要数据。　　CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断电动机的运行状态是否正常，是否需要进行保护。中央处理单元电路见图3。　　采用AC380V电源模块。该电源模块输入电压为AC220V～450V，输入频率45Hz～60Hz，输出电压稳定、故障率小，输出纹波 1％，转换效率≥75％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。2.4 人机交互单元　　人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。2.5 控制模块　　控制模块主要由开关量输入、输出组成，见图4。开关量输入用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制；开关量输出主要用于输出报警信号、脱扣信号和远程起动信号。2.6 通讯接口模块　　通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图5。2.7 整体设计　　保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构如图6。该结构非常适合安装于抽屉式开关柜。安装时将带显示的保护主体部分嵌入式的安装在开关抽屉的活动面板内，这样既简化了柜内接线、又方便了系统随时调整、设定参数和显示、监控，同时数字化的显示面板也增添了柜面的统一性和美观性，使得配电室内的设备运行情况及故障状态一目了然，极大的方便了系统巡视和检修维护。互感器部分采用DIN35导轨式安装方式，方能够按照用户的测量需求，更换不同量程的电流互感器。2.8 软件设计　　本产品的主软件流程图如图7所示，主程序包括A/D子程序、保护子程序、计算显示子程序、按键处理子程序、通讯子程序等子程序，由于程序内容较多，现只给出主程序流程和保护子程序流程图，见图8。3　 功能简介　　ARD2智能电动机保护器按额定工作电压可分为AC380V、AC220V；按工作电流范围来分可分为6.3A（1.6A～6.3A）、25A（25A～100A）、100A（25A～100A）、250A（63A～250A）、800A（250A～800A）五个测量档位。实现对电动机运行中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）等故障进行保护。并能在此基础上增加各种附加功能，主要有：　　1）远程起动功能：由上位机通过通讯控制保护器的起动继电器，来实现远程起动电动机。　　2）报警功能：当电动机运行状态出现故障时，在还未达到预先设定的脱扣时间前进行报警提示。　　3）通讯功能：RS-485通讯功能，能够通过通讯接口将保护器检测得到的电动机运行的各种参数实时传送给后台主控设备，方便工作人员及时了解电动机的工作状态。　　4）漏电保护：开放漏电保护监测功能，当电动机的运行环境出现漏电情况时，及时切断电动机的供电电源。　　5）开关量输入：用于监测外部开关的分合状态，也可按客户要求进行起、停控制。　　6）事件记录：记录保护器的最近8次脱扣动作产生的时间和原因，方便维护人员查看和检修。　　7）4～20mA模拟量输出：提供直流4～20mA电流信号。4　 典型应用　　图9为采用直接启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。用户可通过按动外部启动按钮SB2或通过上位机远程控制保护器的启动继电器来启动电机。其控制方式为：当启动按钮SB2按下或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM的吸引线圈处于通电状态，使接触器KM的主触头和自锁触头KM闭合，启动电动机。此时，松开SB2或启动继电器7、8断开后接触器KM的吸引线圈还是处于通电状态，主触头和自锁触头KM仍旧处于闭合状态，电动机处于通电状态。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。　　图10为电动机采用Y—∆转换启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。在图5中，时间继电器KT的触头状态为吸引线圈失电时的状态，即“常态”。当启动按钮SB2或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM1线圈通电，使KM1的主触头和自锁触头KM1闭合，同时，时间继电器KT吸引线圈通电，由于延时作用，它的触头不立即动作，于是接触器KM3线圈通电，接于主回路中的KM3的主触头闭合，电动机进行星型连接降压启动状态，同时KM3的互锁触头断开，使接触器KM2的吸引线圈不能通电，电动机运行于Y型供电方式。当时间继电器KT的延时时间到，时间继电器KT的延时断开常闭触头断开，使接触器KM3吸引线圈断电，主触头KM3断开，同时时间继电器KT的延时闭合常开触头闭合，接触器KM2的吸引线圈通电，主触头KM2闭合，电动机供电方式改为∆型连接，进入正常运行状态。与此同时，KM2的互锁触头断开，使接触器KM3吸引线圈不会通电。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。　　在实际使用过程中，应注意严格按照电动机的额定电流来选择保护器，防止人为放大和缩小保护范围；避免由于量程太大或太小而造成的测量误差，从而使保护器无法正常对电动机进行保护。　　由于ARD2保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构，所以在现场使用时应注意按出厂编号将保护器主体与互感器配对使用。但考虑到会有维修更换保护器或互感器的情况发生，因此只要保护器主体和互感器的产品型号一样，可以任意配和使用，不会对测量保护产生影响。　　保护器的设计定位为替代热继电器，故保护器本身不提供对电动机的起动、停止控制及各种起动控制方式。对电动机各种起动控制方式的实现需要外部电路的支持。6　 结语　　ARD2智能电动机保护器的功能较多，能够对电动机运行中遇到的各种类型的故障进行准确的报警显示和脱扣动作，能有效的防止电机意外烧毁的发生，能为用户节约大量的资金，是热继电器的理想替代产品。因此，广泛采用