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安科瑞 鮑靜君
摘要：本文介紹了一種以ARM為核心的智能電動機(jī)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(jī)故障保護(hù)算法軟件。市場應(yīng)用表明，該電動機(jī)保護(hù)器能夠保證電動機(jī)的可靠運行。
關(guān)鍵詞：簡易型；電動機(jī)保護(hù)器；ARM
0、引言
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)保護(hù)功能，為解決上述問題，研制一種符合標(biāo)準(zhǔn)并且高性價比的電動機(jī)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(jī)保護(hù)器。
1、設(shè)計依據(jù)及功能
簡易型低壓電動機(jī)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GB19582.1、GB19582.2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5A、25A、100A。
2、硬件方案
簡易型電動機(jī)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。介紹了信號處理單元和控制模塊。
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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0~3.3V信號內(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。
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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。
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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。
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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(jī)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(jī)三相電流值、三相電壓值、剩余電流值計算當(dāng)前電動機(jī)的電流值和電壓值，隨后判斷當(dāng)前電動機(jī)的運行狀態(tài)，當(dāng)電動機(jī)此時為運行狀態(tài)時，執(zhí)行電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)供電，使電動機(jī)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。先判斷是否接收到上位機(jī)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(jī)地址，若是本機(jī)地址，向上位機(jī)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(jī)裝置數(shù)量較多，選用簡易型電動機(jī)保護(hù)器來對現(xiàn)場電動機(jī)設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)，既能使電動機(jī)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(jī)保護(hù)控制回路，取代熱繼電器等作為電動機(jī)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(jī)設(shè)備控制的自動化，使水泥廠大型設(shè)備的電動機(jī)得到了有效保護(hù)和控制。
5、結(jié)語
隨著電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)保護(hù)器，對電動機(jī)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。
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