模塊式電動機保護器設(shè)計思想

　　摘 要： 本文通過介紹上海安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ARD3T模塊式智能電動機保護器，在企業(yè)自身和客戶使用上所具有的優(yōu)勢，進一步介紹模塊式電動機保護器的設(shè)計思想，技術(shù)難點及設(shè)計時所遇到的一些問題及處理方法。

　　關(guān)鍵詞：電動機保護器 模塊化 內(nèi)部總線 可編程

　　Abstract:

　　Key words:

　　中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：

　　0 引言

　　智能電動機保護器發(fā)展至今，存在兩種發(fā)展趨勢,一種是：多種功能集成在一個殼體內(nèi);另一種是：根據(jù)功能劃分模塊，通過模塊拼裝滿足各種要求。多種功能在一個殼體內(nèi)的方式，可以減少開發(fā)前期的投入，開發(fā)周期短，從短期內(nèi)來看，對企業(yè)有利。功能模塊化，開發(fā)前期投入多，相對前種方式開發(fā)周期會變長，但成功后，后期產(chǎn)品維護方便，可以消除因功能多少引起生產(chǎn)紊亂，產(chǎn)品使用者進行產(chǎn)品升級或改造時產(chǎn)生停產(chǎn)等不利因素。

　　1 模塊式電動機保護器的優(yōu)勢

　　1.1 對企業(yè)自身的優(yōu)勢

　　客戶的需求是多樣化的，產(chǎn)品使用環(huán)境不同、實際生產(chǎn)工藝不同，造成客戶對產(chǎn)品的需求往往有所不同，同一類產(chǎn)品功能不同，會引起生產(chǎn)廠家生產(chǎn)上的不同，庫存管理、分類不同，加大企業(yè)自身生產(chǎn)負擔。模塊式電動機保護器，各模塊功能明確，方便生產(chǎn)，利于存儲。企業(yè)將最基本的保護功能作為基本模塊，其它高級保護、控制、通訊功能作為選配模塊，這樣在客戶需要不同功能時，在基本模塊基礎(chǔ)上添加對應(yīng)模塊即可，通過搭積木方式實現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品。在面對客戶多樣化需求時，優(yōu)勢是不言而喻的。

　　1.2 對使用者的優(yōu)勢

　　模塊式電動機保護器適用范圍廣，使用者根據(jù)自身需要選取產(chǎn)品，使用者只需要常規(guī)過載、斷相等常規(guī)保護功能時選取基本模塊即可。需要帶有全面保護和控制功能，選取基本模塊和所需的模塊進行組合。需要帶有全面保護、控制、通訊、管理分析功能時，選取基本模塊加多個模塊進行組合。

　　模塊式電動機保護器靈活性高，使用者在設(shè)計初期選用了基本模塊，而實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)需要更多功能時，添加模塊即可。當使用者遇到系統(tǒng)、功能升級或改造，而引起設(shè)備升級、變動時，添加、刪減對應(yīng)的功能模塊即可完成技術(shù)改造，不必擔心造成停產(chǎn)等影響。

　　模塊式電動機保護器可靠性高，在使用中如遇到保護器出現(xiàn)故障，模塊式電動機保護器會自動報出具體模塊故障，使用者只需更換故障模塊，不影響其它模塊。

　　2 模塊式電動機保護器的設(shè)計思想

　　要進行模塊式電動機保護器設(shè)計，首先要明確產(chǎn)品使用環(huán)境，模塊種類，以及劃分的依據(jù)。

　　2.1 產(chǎn)品使用環(huán)境

　　作為保護類產(chǎn)品，要明確產(chǎn)品的正常工作環(huán)境。根據(jù)標準，環(huán)境溫度可選位為：-10 ℃ ～+55 ℃，此溫度可以滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的使用環(huán)境;大氣壓力為：80 kPa～110 kPa(海拔2000 m以下);相對濕度為：最濕月的月平均相對濕度為90%，同時該月的平均最低溫度為25 ℃，并且在產(chǎn)品上不應(yīng)出現(xiàn)凝露;使用環(huán)境不應(yīng)有腐蝕、破壞絕緣的氣體及導電介質(zhì)，對于使用環(huán)境內(nèi)有火災(zāi)、爆炸危險的介質(zhì)、產(chǎn)品應(yīng)有防爆措施。戶內(nèi)產(chǎn)品的使用環(huán)境應(yīng)有防御雨、雪、風、沙的設(shè)施。供電電源：額定電壓AC 220V，交流電源額定電壓為額定值的85%～110%。

　　2.2 控制功能

　　標準中對電動機保護器控制功能描述如下：“可具備對電動機進行直接起動、可逆(雙向)控制、各種減壓起動和雙速控制的控制功能”。由此可見標準將控制功能作為非標配功能處理，實際客戶使用時可以只將保護器當作保護元件使用，模塊式電動機保護器作為可編程產(chǎn)品，可以通過編程功能自由實現(xiàn)的起動有：保護模式、直接起動/全壓起動、星三角起動、自耦降壓起動、可逆起動、雙速起動，變頻器配合使用、軟起動器配合使用等起動方式。

　　除各種常規(guī)起動方式外，模塊式電動保護器還帶有兩種自起動功能，自起動功能如下：

　　a)帶有運行中的電動機因失壓或欠壓停車，當電源恢復到允許自起動電壓值后，執(zhí)行立即自起動、延時自起動、禁止自起動的功能。

　　b)帶有不考慮停車間隔時間的長短，產(chǎn)品可根據(jù)掉電前產(chǎn)品記憶的電動機運行情況實現(xiàn)自起動功

　　能。

　　2.3 保護功能

　　模塊式電動機保護器須具備如下保護功能：過載保護、斷相保護、堵轉(zhuǎn)保護、阻塞保護、欠載保

　　護、不平衡保護、起動超時保護、過壓保護、欠壓保護、欠功率保護、相序保護、單相接地保護、漏電保護、外部故障、工藝連鎖等多種保護功能。

　　2.4 產(chǎn)品著火危險防護

　　工業(yè)類產(chǎn)品需要具有不可燃燒的特性，選用的耐火材料應(yīng)具有GB 4943-2001規(guī)定的V2及以

　　上阻燃等級，能承受GB/T 5169.5中嚴酷等級為20 s的針焰試驗。

　　2.5 模塊劃分

　　智能型電動機保護器具備如下功能：電流、電壓、功率、頻率等電參數(shù)測量;電機轉(zhuǎn)子、軸承溫度測量;電參數(shù)、溫度值的變送輸出;開關(guān)量輸入、輸出;工藝連鎖;各類保護功能;通訊組網(wǎng)等功能。從上述功能描述上看，功能可總結(jié)為：電參數(shù)測量;溫度測量;模擬量輸入輸出;對電機保護、控制;通訊功能幾方面。

　　采用按功能劃分模塊的方式，可以劃分出如下幾種模塊：電參數(shù)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、CPU單元幾種。

　　2.6 模塊功能

　　各模塊功能如下：

　　CPU單元負責協(xié)調(diào)各模塊工作，帶有開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出功能、對外通訊組網(wǎng)、時鐘、故障記錄、PTC測量等功能。開關(guān)量輸入、輸出可以自由編程設(shè)定功能。可以實現(xiàn)直接起動、雙向起動、雙速起動、自耦降壓起動、星三角起動等多種起動。CPU單元是模塊式電動機保護器必備模塊。

　　測量模塊測量實現(xiàn)電流、電壓測量。電流范圍為0.4A至800A，電壓為AC220V、AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流50mA～5A。測量用電流互感器需要選取保護級電流互感器，保護級電流互感器相對測量級電流互感器過載能力強，通常可以達到10倍過載不飽和。目前,市場上常用的保護級電流互感器，精度可以達到0.5級，在保護類產(chǎn)品中使用，效果很好。電機電流小于等于100A時，采用一體式模塊互感器，當大于100A采用外置式電流互感器。電動保護器的過載、斷相、堵轉(zhuǎn)、過壓、欠壓、欠功率等保護功能都是通過對電參數(shù)的分析來實現(xiàn)的，測量模塊也是模塊式電動機保護器的必備模塊。

　　溫度模塊通過外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等傳感器實現(xiàn)溫度測量。可以使用溫度模塊，對電動機繞組、軸承的溫度溫度進行測量，通過實測的溫度值，執(zhí)行溫度保護。還可以通過溫度模塊的測溫功能，對電動機的冷卻過程進行精確跟蹤，測出實際冷卻時間。溫度模塊可以外接三路溫度傳感器，可以通過一個溫度模塊同時對電機繞組、軸承進行測溫。

　　模擬量模塊可以實現(xiàn)模擬量輸入測量和模擬量變送輸出。模擬量輸入測量功能，可以被用在現(xiàn)場工藝連鎖保護、測量顯示等情況，模擬量輸入可接的設(shè)備包括：電力變送器、模擬信號變送器、轉(zhuǎn)速傳感器、角度傳感器、位置傳感器等設(shè)備，通過接收判斷上述設(shè)備的信號實現(xiàn)對應(yīng)的工業(yè)操作。通過模擬量輸出功能，能將電參量、溫度、模擬量輸入等參數(shù)轉(zhuǎn)換為DCS或PLC所需要的模擬量輸出信號，由DCS或PLC執(zhí)行相應(yīng)的操作。

　　開關(guān)量模塊對CPU單元的開關(guān)量進行擴展，當CPU單元的開關(guān)量點數(shù)無法滿足使用者需求時，通過外加開關(guān)量模塊實現(xiàn)產(chǎn)品開關(guān)量點數(shù)擴展。

　　常用的現(xiàn)場總線有：MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等，通過外加通訊模塊實現(xiàn)與PROFIBUS、DEVICENET等通訊網(wǎng)絡(luò)進行通訊。采用專用通訊模塊來實現(xiàn)，產(chǎn)品在多種通訊網(wǎng)絡(luò)中使用，使的產(chǎn)品應(yīng)有靈活性提到提高。

　　由CPU單元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)復雜功能。

　　2.7 模塊互聯(lián)

　　模塊互聯(lián)直接影響到產(chǎn)品的可靠性。數(shù)據(jù)交換的處理是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，常用的通訊接口SPI、IIC、UART、CAN 等，都有自身的特點與局限性。根據(jù)產(chǎn)品實際功能、特點，選用合理的通訊接口。通過選定的通訊接口進行模塊互聯(lián)。

　　3 模塊式電動機保護器技術(shù)難點

　　可靠的通訊協(xié)議，用于模塊數(shù)據(jù)通訊處理。此套協(xié)議要帶有模塊識別、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)校驗、沖突檢測、仲裁等功能。同時對傳輸數(shù)據(jù)格式做好規(guī)定，即起始位、停止位、數(shù)據(jù)位、檢驗位，數(shù)據(jù)校驗等。傳輸數(shù)據(jù)格式可以參考常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸模式，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位/7位，停止位1位/2位，校驗位1位，檢驗位可以選擇奇、偶校驗。數(shù)據(jù)傳輸要帶有校驗數(shù)據(jù)，可以采用CRC等校驗方式。

　　保護類產(chǎn)品繼電器輸出是不能誤動作的，繼電器輸出通常用于控制電機運行狀態(tài)或信號傳輸，一旦出現(xiàn)誤動，影響很大。誤動的原因有多種，不符合標準的規(guī)范而引起的誤動;產(chǎn)品抗干擾性不好，受到干擾引起誤動。

　　作為電動機保護器要符合《GB14048.4低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 機電式接觸器和電動機起動器》和《JB/T10736—2007低壓電動機保護器》等標準的要求，設(shè)計者以相關(guān)標準作為設(shè)計依據(jù)，這樣可以減少功能上的偏差帶來的誤動。

　　由于產(chǎn)品抗干擾性能不好而產(chǎn)生的誤動，對設(shè)計者有很大的考驗。干擾的傳播途徑有很多種，產(chǎn)品供電電源，空間電磁信號，連接線耦合等，強干擾會引起產(chǎn)品死機等工作狀態(tài)不正常。常規(guī)使用看門狗來保證產(chǎn)品死機后自動復位的方法，在保護類產(chǎn)品中并不完全適用，通過看門狗進行復位時，繼電器會出現(xiàn)瞬間工作狀態(tài)跳變，很可能造成誤動作。

　　可編程邏輯功能，使用者對產(chǎn)品需求多種多樣，將使用者的要求分好類，通過上位機配置軟件進行功能編程。需要有行業(yè)經(jīng)驗豐富的工程師參與需求功能庫的建立，通過時盡量在硬件上做到通用化，即硬件采用一個平臺，對硬件平臺寫入不同的程序(是指由客戶編制的程序)，執(zhí)行不同的功能。部分可編程功能可見圖1～圖5。

　　圖1 可編程DI

圖2 可編程DO

　　圖3 可編程計數(shù)器

圖4 可編程定時器

圖5 可編程真值表

　　4 模塊式電動機保護器研發(fā)中遇到的問題及解決

　　模塊式電動機保護器在研發(fā)、測試中曾遇到如下問題：

　　通過內(nèi)部總線進行互聯(lián)時，某些模塊數(shù)據(jù)錯誤，分析硬件、協(xié)議發(fā)現(xiàn)出問題的模塊在收發(fā)處理時引起錯誤操作，對收發(fā)處理部分重新更改，解決此問題。

　　環(huán)境試驗時，發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)模塊出錯，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)使用的電路中有元件性能達不到技術(shù)指標，重新設(shè)計更正后可以通過環(huán)境試驗。

　　EMC測試時，靜電間接放電試驗會引起芯片復位，對測量儀表可以判為合格，但保護類產(chǎn)品不能出現(xiàn)這樣的誤動。經(jīng)反復分析、測試、驗證后發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計中存在一定問題，原設(shè)計在其它產(chǎn)品中可以正常工作，但在此處參數(shù)上不完全相符，對電路進行更正，可以有效通過靜電測試。

　　5 結(jié)束語

　　模塊式電動機保護器是國家科技部項目，設(shè)計思想新穎，在國內(nèi)同行中屬于首創(chuàng)，填補了國內(nèi)同行產(chǎn)品在此領(lǐng)域的空白。模塊式電動機保護器，集測量、保護、控制、通訊于一身，產(chǎn)品性能安全可靠，可以對電動機實施可靠有效的保護。可以方便的替代老式熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動機保護產(chǎn)品，可以通過和接觸器、斷路器配合實現(xiàn)對電動機的控制、保護等功能。可以方便的接入PLC、DCS系統(tǒng)。

　　模塊式電動機保護器可以作為MCC核心器件使用，簡化設(shè)計，原需要通過PLC加外部傳感器、變送器才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以交給模塊式電動機保護器來實現(xiàn)。并且模塊式產(chǎn)品帶有一定的可編程能力，可以作為設(shè)備級的中心控制器。模塊式電動機保護器產(chǎn)品如圖6所示。

　　圖6 模塊式電動機保護器產(chǎn)品

　　文章來源于：《電機與控制應(yīng)用》2011年第9期。

　　參考文獻

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