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模块式电动机保护器设计思想
点击次数：601 发布时间：2011/12/27
摘 要： 本文通过介绍上海安科瑞电气股份有限公司开发的ARD3T模块式智能电动机保护器，在企业自身和客户使用上所具有的优势，进一步介绍模块式电动机保护器的设计思想，技术难点及设计时所遇到的一些问题及处理方法。
关键词：电动机保护器模块化 内部总线 可编程
0 引言
智能电动机保护器发展至今，存在两种发展趋势,一种是：多种功能集成在一个壳体内；另一种是：根据功能划分模块，通过模块拼装满足各种要求。多种功能在一个壳体内的方式，可以减少开发前期的投入，开发周期短，从短期内来看，对企业有利。功能模块化，开发前期投入多，相对前种方式开发周期会变长，但成功后，后期产品维护方便，可以消除因功能多少引起生产紊乱，产品使用者进行产品升级或改造时产生停产等不利因素。
1 模块式电动机保护器的优势
1.1 对企业自身的优势
客户的需求是多样化的，产品使用环境不同、实际生产工艺不同，造成客户对产品的需求往往有所不同，同一类产品功能不同，会引起生产厂家生产上的不同，库存管理、分类不同，加大企业自身生产负担。模块式电动机保护器，各模块功能明确，方便生产，利于存储。企业将*基本的保护功能作为基本模块，其它高级保护、控制、通讯功能作为选配模块，这样在客户需要不同功能时，在基本模块基础上添加对应模块即可，通过搭积木方式实现不同功能的产品。在面对客户多样化需求时，优势是不言而喻的。
1.2 对使用者的优势
模块式电动机保护器适用范围广，使用者根据自身需要选取产品，使用者只需要常规过载、断相等常规保护功能时选取基本模块即可。需要带有全面保护和控制功能，选取基本模块和所需的模块进行组合。需要带有全面保护、控制、通讯、管理分析功能时，选取基本模块加多个模块进行组合。
模块式电动机保护器灵活性高，使用者在设计初期选用了基本模块，而实际生产中发现需要更多功能时，添加模块即可。当使用者遇到系统、功能升级或改造，而引起设备升级、变动时，添加、删减对应的功能模块即可完成技术改造，不必担心造成停产等影响。
模块式电动机保护器可靠性高，在使用中如遇到保护器出现故障，模块式电动机保护器会自动报出具体模块故障，使用者只需更换故障模块，不影响其它模块。
2 模块式电动机保护器的设计思想
要进行模块式电动机保护器设计，首先要明确产品使用环境，模块种类，以及划分的依据。
2.1 产品使用环境
作为保护类产品，要明确产品的正常工作环境。根据标准，环境温度可选位为：-10 ℃ ～+55 ℃，此温度可以满足绝大多数产品的使用环境；大气压力为：80 kPa～110 kPa（海拔2000 m以下）；相对湿度为：*湿月的月平均相对湿度为90%，同时该月的平均温度为25 ℃，并且在产品上不应出现凝露；使用环境不应有腐蚀、破坏绝缘的气体及导电介质，对于使用环境内有火灾、爆炸危险的介质、产品应有防爆措施。户内产品的使用环境应有防御雨、雪、风、沙的设施。供电电源：额定电压AC 220V，交流电源额定电压为额定值的85%～110%。
2.2 控制功能
标准中对电动机保护器控制功能描述如下：“可具备对电动机进行直接起动、可逆（双向）控制、各种减压起动和双速控制的控制功能”。由此可见标准将控制功能作为非标配功能处理，实际客户使用时可以只将保护器当作保护元件使用，模块式电动机保护器作为可编程产品，可以通过编程功能自由实现的起动有：保护模式、直接起动/全压起动、星三角起动、自耦降压起动、可逆起动、双速起动，变频器配合使用、软起动器配合使用等起动方式。
除各种常规起动方式外，模块式电动保护器还带有两种自起动功能，自起动功能如下：
a）带有运行中的电动机因失压或欠压停车，当电源恢复到允许自起动电压值后，执行立即自起动、延时自起动、禁止自起动的功能。
b）带有不考虑停车间隔时间的长短，产品可根据掉电前产品记忆的电动机运行情况实现自起动功
能。
2.3 保护功能
模块式电动机保护器须具备如下保护功能：过载保护、断相保护、堵转保护、阻塞保护、欠载保
护、不平衡保护、起动超时保护、过压保护、欠压保护、欠功率保护、相序保护、单相接地保护、漏电保护、外部故障、工艺连锁等多种保护功能。
2.4 产品着火危险防护
工业类产品需要具有不可燃烧的特性，选用的耐火材料应具有GB 4943-2001规定的V2及以
上阻燃等级，能承受GB/T 5169.5中严酷等级为20 s的针焰试验。
2.5 模块划分
智能型电动机保护器具备如下功能：电流、电压、功率、频率等电参数测量；电机转子、轴承温度测量；电参数、温度值的变送输出；开关量输入、输出；工艺连锁；各类保护功能；通讯组网等功能。从上述功能描述上看，功能可总结为：电参数测量；温度测量；模拟量输入输出；对电机保护、控制；通讯功能几方面。
采用按功能划分模块的方式，可以划分出如下几种模块：电参数测量模块、温度模块、模拟量模块、通讯模块、开关量模块、显示模块、CPU单元几种。
2.6 模块功能
各模块功能如下：
CPU单元负责协调各模块工作，带有开关量输入、开关量输出功能、对外通讯组网、时钟、故障记录、PTC测量等功能。开关量输入、输出可以自由编程设定功能。可以实现直接起动、双向起动、双速起动、自耦降压起动、星三角起动等多种起动。CPU单元是模块式电动机保护器必备模块。
测量模块测量实现电流、电压测量。电流范围为0.4A至800A，电压为AC220V、AC380V、AC660V，频率45Hz～65Hz，漏电流50mA～5A。测量用电流互感器需要选取保护级电流互感器，保护级电流互感器相对测量级电流互感器过载能力强，通常可以达到10倍过载不饱和。目前,市场上常用的保护级电流互感器，精度可以达到0.5级，在保护类产品中使用，效果很好。电机电流小于等于100A时，采用一体式模块互感器，当大于100A采用外置式电流互感器。电动保护器的过载、断相、堵转、过压、欠压、欠功率等保护功能都是通过对电参数的分析来实现的，测量模块也是模块式电动机保护器的必备模块。
温度模块通过外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等传感器实现温度测量。可以使用温度模块，对电动机绕组、轴承的温度温度进行测量，通过实测的温度值，执行温度保护。还可以通过温度模块的测温功能，对电动机的冷却过程进行精确跟踪，测出实际冷却时间。温度模块可以外接三路温度传感器，可以通过一个温度模块同时对电机绕组、轴承进行测温。
模拟量模块可以实现模拟量输入测量和模拟量变送输出。模拟量输入测量功能，可以被用在现场工艺连锁保护、测量显示等情况，模拟量输入可接的设备包括：电力变送器、模拟信号变送器、转速传感器、角度传感器、位置传感器等设备，通过接收判断上述设备的信号实现对应的工业操作。通过模拟量输出功能，能将电参量、温度、模拟量输入等参数转换为DCS或PLC所需要的模拟量输出信号，由DCS或PLC执行相应的操作。
开关量模块对CPU单元的开关量进行扩展，当CPU单元的开关量点数无法满足使用者需求时，通过外加开关量模块实现产品开关量点数扩展。
常用的现场总线有：MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等，通过外加通讯模块实现与PROFIBUS、DEVICENET等通讯网络进行通讯。采用专用通讯模块来实现，产品在多种通讯网络中使用，使的产品应有灵活性提到提高。
由CPU单元和测量模块组成基本模块，实现基本的测量、保护、控制功能，其它模块作为选配模块，由基本模块加选配模块实现复杂功能。
2.7 模块互联
模块互联直接影响到产品的可靠性。数据交换的处理是产品稳定工作的关键，常用的通讯接口SPI、IIC、UART、CAN 等，都有自身的特点与局限性。根据产品实际功能、特点，选用合理的通讯接口。通过选定的通讯接口进行模块互联。
3 模块式电动机保护器技术难点
可靠的通讯协议，用于模块数据通讯处理。此套协议要带有模块识别、数据传送、数据校验、冲突检测、仲裁等功能。同时对传输数据格式做好规定，即起始位、停止位、数据位、检验位，数据校验等。传输数据格式可以参考常规数据传输模式，起始位1位，数据位8位/7位，停止位1位/2位，校验位1位，检验位可以选择奇、偶校验。数据传输要带有校验数据，可以采用CRC等校验方式。
保护类产品继电器输出是不能误动作的，继电器输出通常用于控制电机运行状态或信号传输，一旦出现误动，影响很大。误动的原因有多种，不符合标准的规范而引起的误动；产品抗干扰性不好，受到干扰引起误动。
作为电动机保护器要符合《GB14048.4低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器》和《JB/T10736—2007低压电动机保护器》等标准的要求，设计者以相关标准作为设计依据，这样可以减少功能上的偏差带来的误动。
由于产品抗干扰性能不好而产生的误动，对设计者有很大的考验。干扰的传播途径有很多种，产品供电电源，空间电磁信号，连接线耦合等，强干扰会引起产品死机等工作状态不正常。常规使用看门狗来保证产品死机后自动复位的方法，在保护类产品中并不完全适用，通过看门狗进行复位时，继电器会出现瞬间工作状态跳变，很可能造成误动作。
可编程逻辑功能，使用者对产品需求多种多样，将使用者的要求分好类，通过上位机配置软件进行功能编程。需要有行业经验丰富的工程师参与需求功能库的建立，通过时尽量在硬件上做到通用化，即硬件采用一个平台，对硬件平台写入不同的程序（是指由客户编制的程序），执行不同的功能。部分可编程功能可见图1～图5。
4 模块式电动机保护器研发中遇到的问题及解决
模块式电动机保护器在研发、测试中曾遇到如下问题：
通过内部总线进行互联时，某些模块数据错误，分析硬件、协议发现出问题的模块在收发处理时引起错误操作，对收发处理部分重新更改，解决此问题。
环境试验时，发现会出现模块出错，经分析发现使用的电路中有元件性能达不到技术指标，重新设计更正后可以通过环境试验。
EMC测试时，静电间接放电试验会引起芯片复位，对测量仪表可以判为合格，但保护类产品不能出现这样的误动。经反复分析、测试、验证后发现电路设计中存在一定问题，原设计在其它产品中可以正常工作，但在此处参数上不完全相符，对电路进行更正，可以有效通过静电测试。
5 结束语
模块式电动机保护器是国家科技部项目，设计思想新颖，在国内同行中属于首创，填补了国内同行产品在此领域的空白。模块式电动机保护器，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。可以方便的替代老式热继电器、温度继电器等传统的电动机保护产品，可以通过和接触器、断路器配合实现对电动机的控制、保护等功能。可以方便的接入PLC、DCS系统。
模块式电动机保护器可以作为MCC核心器件使用，简化设计，原需要通过PLC加外部传感器、变送器才能实现的功能，现在可以交给模块式电动机保护器来实现。并且模块式产品带有一定的可编程能力，可以作为设备级的中心控制器。模块式电动机保护器产品如图6所示。
文章来源于：《电机与控制应用》2011年第9期。
参考文献
[1] GB14048.4-2003 低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器[S].
[2] JB/T10736-2007 低压电动机保护器[S].
[3] 佟为民，赵志衡.一种微机式电动机综合保护器的研制[J].低压电器，2003，（3）：20-23.
TONG Wei-min, ZHAO Zhi-heng. Study of an Integrative Motor Protector Based on Microcontroller[J]. Low Voltage Aparatus,2003, （3）: 20-23.
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