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器，設計了相關信號處理電路、顯示電路、I/O控制電路及通信電路，編寫了相關電動機故障保護算法軟件。市場應用表明，該電動機保護器能夠保證電動機的可靠運行。

關鍵詞：簡易型；電動機保護器；ARM

 0、引言

  隨著電子技術的不斷發(fā)展，電動機保護器正朝著智能化、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器大都具備了比較齊全的保護功能，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功能，為解決上述問題，研制一種符合國家標準并且高性價比的電動機保護器很有必要。本文以ARM為處理器，開發(fā)了一款經(jīng)濟實用的簡易型低壓電動機保護器。

1、設計依據(jù)及功能

簡易型低壓電動機保護器包括以下功能：

  （1）基本保護功能：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、過壓等保護功能，符合GB14048.4、GB14048.6等標準。

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

  （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標準。

  （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

  簡易型電動機保護器采用低成本設計方案，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、通訊模塊等構成，系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖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入CPU進行采樣處理；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入CPU進行采樣處理。

圖2信號處理單元電路

2.2控制模塊

  控制模塊由開關量輸入和繼電器輸出構成。開關量輸入采用保護器內(nèi)部提供的15V電源供電，并采用光耦隔離來增強開關量輸入抗干擾性和滿足保護器工頻耐壓的要求，開關量輸入用于外部開關狀態(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、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、剩余電流值計算當前電動機的電流值和電壓值，隨后判斷當前電動機的運行狀態(tài)，當電動機此時為運行狀態(tài)時，執(zhí)行電動機保護子程序。

  在保護子程序中，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)行相應的故障處理，并將故障類型在保護器界面上顯示。

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

  顯示子程序執(zhí)行后，進入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)標準Modbus協(xié)議判斷命令中地址碼是否為保護器本機地址，若是本機地址，向上位機回送相應的參數(shù)數(shù)據(jù)。

4、應用實例

  某水泥廠由于水泥生產(chǎn)流程復雜，電動機裝置數(shù)量較多，選用簡易型電動機保護器來對現(xiàn)場電動機設備進行有效保護，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。水泥廠采用保護器用于電動機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動機的過載保護和控制元件，并且利用通訊技術，實現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中電動機設備控制的自動化，使水泥廠大型設備的電動機得到了有效保護和控制。

5、結(jié)語

  隨著電動機保護器的應用，市場對產(chǎn)品的需求在不斷地變化。針對市場對經(jīng)濟型電動機保護器的需求，研發(fā)了一款經(jīng)濟實用的簡易型電動機保護器。簡易型保護器是以ARM為核心的智能化、數(shù)字化電動機保護器，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、欠壓等故障時進行實時保護，保證了工業(yè)設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

  [1] 黃凱，劉向軍. 電動機保護器的發(fā)展與展望[J]. 電氣技術. 2017,(3):1-4

  [2] 王欣. 基于PIC單片機的低壓自動化電動機綜合保護器[J]. 機電工程技術. 2016,(10):30-31,102

  [3] 孫秀珍. 用STC12C5410單片機實現(xiàn)電動機智能保護器的研究[J]. 工業(yè)和信息化教育. 2013,(2):91-94

  [4] 趙波，胡景泰，黃文濤. ARD3T智能電動機保護器主體和測量模塊設計原理[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2012,(12):136-140

  [5] 趙波，吳建明，湯建軍. 基于H8/3687FP單片機的電動機保護器[J]. 低壓電器. 2007,(19):25-27