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技術(shù)文章

簡易型電動機保護(hù)器的設(shè)計

技術(shù)文章

江東流1 李萬忠2 周敏杰3 趙波4

(1.江蘇安科瑞電器制造有限公司,江蘇 江陰 214400)

(2. 山東安瀾電力科技有限公司,山東 255000)

 

摘要:本文介紹了一種以ARM為核心的智能電動機保護(hù)器,設(shè)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,編寫了相關(guān)電動機故障保護(hù)算法軟件。市場應(yīng)用表明,該電動機保護(hù)器能夠保證電動機的可靠運行。

關(guān)鍵詞:簡易型;電動機保護(hù)器;ARM

 0、引言

  隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電動機保護(hù)器正朝著智能化、數(shù)字化、綜合化的方向發(fā)展。目前,市場上常規(guī)的綜合型電動機保護(hù)器大都具備了比較齊全的保護(hù)功能,但體積較大、安裝不便且價格十分昂貴,這使得綜合型電動機保護(hù)器的推廣受到很大局限。在采礦場所,受到現(xiàn)場空間限制,且只需要基本的電動機保護(hù)功能,為解決上述問題,研制一種符合國家標(biāo)準(zhǔn)并且高性價比的電動機保護(hù)器很有必要。本文以ARM為處理器,開發(fā)了一款經(jīng)濟(jì)實用的簡易型低壓電動機保護(hù)器。

1、設(shè)計依據(jù)及功能

簡易型低壓電動機保護(hù)器包括以下功能:

  (1)基本保護(hù)功能:斷相、啟動超時、反時限過載、接地、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、過壓等保護(hù)功能,符合GB14048.4、GB14048.6等標(biāo)準(zhǔn)。

  (2)選配保護(hù)功能:可選配外部故障、漏電、定時限過載、欠載、欠壓等保護(hù)功能,符合GB14048.4、GB14048.6等標(biāo)準(zhǔn)。

  (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GBZ19582.1、GBZ19582.2標(biāo)準(zhǔn)。

  (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(dǎo)軌安裝或螺絲固定安裝,3種額定電流規(guī)格分別為、2、100A。

2、硬件方案

  簡易型電動機保護(hù)器采用低成本設(shè)計方案,整個系統(tǒng)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(gòu)成,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。重點介紹了信號處理單元和控制模塊。

圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1信號處理單元

  信號處理單元電路如圖2所示,經(jīng)過基準(zhǔn)電壓信號Vref將傳感器檢測的信號抬升,限定在0~3.3號內(nèi),輸入中央處理單元,實現(xiàn)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,信號經(jīng)過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,信號抬升后需經(jīng)過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

  控制模塊由開關(guān)量輸入和繼電器輸出構(gòu)成。開關(guān)量輸入采用保護(hù)器內(nèi)部提供的15V電源供電,并采用光耦隔離來增強開關(guān)量輸入抗干擾性和滿足保護(hù)器工頻耐壓的要求,開關(guān)量輸入用于外部開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測。繼電器輸出采用性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長的繼電器。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(nèi)部集成的續(xù)流二極管為繼電器線圈斷電瞬間產(chǎn)生的較高感應(yīng)電壓提供了續(xù)流回路,繼電器輸出用于故障脫扣、故障報警和遠(yuǎn)程起動等信號的輸出。

圖3繼電器輸出電路

3、軟件方案

  保護(hù)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(hù)、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(shè)計,具有可移植性強的特點。

圖4主程序流程

  主程序經(jīng)過初始化后,執(zhí)行A/D采樣程序。在A/D采樣程序中對電動機三相電流、三相電壓、剩余電流進(jìn)行采樣,采樣周期結(jié)束后,根據(jù)采樣得到的電動機三相電流值、三相電壓值、剩余電流值計算當(dāng)前電動機的電流值和電壓值,隨后判斷當(dāng)前電動機的運行狀態(tài),當(dāng)電動機此時為運行狀態(tài)時,執(zhí)行電動機保護(hù)子程序。

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

  保護(hù)子程序執(zhí)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(shù)顯示值。顯示值計算子程序執(zhí)行后,進(jìn)入按鍵處理子程序,實現(xiàn)人機交互。

  按鍵處理子程序執(zhí)行后,進(jìn)入顯示子程序。在沒有按鍵處理時,顯示電動機當(dāng)前平均電流值;在有按鍵處理時,顯示與按鍵功能相對應(yīng)的參數(shù)值。當(dāng)電動機發(fā)生故障時,顯示相應(yīng)故障碼及故障報警脫口指示燈。

  顯示子程序執(zhí)行后,進(jìn)入I/O控制程序,在電動機發(fā)生故障時,控制繼電器輸出常閉觸點脫扣斷開,切斷電動機供電,使電動機停車。I/O控制程序執(zhí)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(shù)轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬信號輸出。

  變送輸出子程序執(zhí)行結(jié)束后,進(jìn)入通信子程序。首先判斷是否接收到上位機發(fā)送的命令數(shù)據(jù),接收到命令數(shù)據(jù)后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議判斷命令中地址碼是否為保護(hù)器本機地址,若是本機地址,向上位機回送相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

4、應(yīng)用實例

  某水泥廠由于水泥生產(chǎn)流程復(fù)雜,電動機裝置數(shù)量較多,選用簡易型電動機保護(hù)器來對現(xiàn)場電動機設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù),既能使電動機充分發(fā)揮其過載能力,又能提高電力拖動系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)過程的連續(xù)性。水泥廠采用保護(hù)器用于電動機保護(hù)控制回路,取代熱繼電器等作為電動機的過載保護(hù)和控制元件,并且利用通訊技術(shù),實現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電動機設(shè)備控制的自動化,使水泥廠大型設(shè)備的電動機得到了有效保護(hù)和控制。

5、結(jié)語

  隨著電動機保護(hù)器的應(yīng)用,市場對產(chǎn)品的需求在不斷地變化。針對市場對經(jīng)濟(jì)型電動機保護(hù)器的需求,研發(fā)了一款經(jīng)濟(jì)實用的簡易型電動機保護(hù)器。簡易型保護(hù)器是以ARM為核心的智能化、數(shù)字化電動機保護(hù)器,對電動機發(fā)生起動超時、過載、斷相、欠載、不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、過壓、欠壓等故障時進(jìn)行實時保護(hù),保證了工業(yè)設(shè)備能夠安全可靠地運行。

  文章來源:《電氣時代》2017年12期。

參考文獻(xiàn)

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