0　 引言

　　由于生產(chǎn)自動化及各種自動控制,、順序控制設(shè)備的出現(xiàn)，要求電機經(jīng)常運行在頻繁的起動,、制動,、正反轉(zhuǎn)、間歇以及變負荷等方式,，電機的運行要求越來越高,，運行環(huán)境也越來越苛刻，同時,，由于電機與配套機械連在一起,，當(dāng)電機發(fā)生故障時，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統(tǒng),。因此,，對電機實行有效的保護是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項重要任務(wù)。
　　本文將要介紹的是ARD2型電動機保護器的經(jīng)濟,、簡潔的設(shè)計方法和應(yīng)用,。該型保護器主要用于對電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測，并針對電動機在生產(chǎn)運行過程中出現(xiàn)的啟動超時,、欠壓,、過壓、欠載,、過載,、短路、堵轉(zhuǎn)/阻塞、斷相,、不平衡,、剩余電流（接地/漏電）等故障進行保護，使電動機不至于因為以上原因而導(dǎo)致?lián)p壞,，從而使生產(chǎn)遭受損失,，采用ARD2電動機保護器能有效提高電動機運行的安全性，降低生產(chǎn)損失,，是傳統(tǒng)熱繼電器的理想替代品。

1　 技術(shù)指標
　　ARD2型智能電動機保護器的技術(shù)指標見表1,。

 表 1

2　 設(shè)計方法
　　目前市場上綜合型的智能電動機保護器的設(shè)計主要采用交流采樣方式+高性能單片機的方案,，采用該設(shè)計方法的電動機保護器測量參數(shù)多、測量精度高,、能夠提供更完善的保護功能,，但是采用此設(shè)計方法的成本較高，銷售價格也高,，在只需要對電動機提供過載,、斷相等基本常見故障保護的場合沒有性價比可言。因此采用一種設(shè)計簡單,、功能能夠滿足基本保護要求,、主要用于替代熱繼電器的智能電動機保護器將會有很大的市場。ARD2型保護器就是一款設(shè)計簡潔,，保護功能較多,，能夠滿足大多數(shù)電動機保護要求的經(jīng)濟型的智能電動機保護器。
　　ARD2型智能電動機保護器采用低成本的設(shè)計方案,，整體系統(tǒng)由信號處理單元,、中央處理單元、電源模塊,、人機交互單元,、人機界面、控制模塊,、通訊接口模塊等構(gòu)成,，裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1

2.1  信號處理單元
　　信號處理單元采用整流放大濾波電路,，見圖2,，該電路能將采樣得到的交流信號整流成直流信號，由CPU片內(nèi)AD進行轉(zhuǎn)換計算,。

 圖 2

　　圖中IC1為運算放大器LM324,，采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達到5V充分利用A/D轉(zhuǎn)換提高顯示精度。IC1將采樣得到的信號進行兩級放大處理,，提高了信號的采樣精度,，保證了信號的線性度。
2.2  中央處理單元
　　中央處理單元選用MOTOROLA公司的第一款基于高度節(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機,，該單片機片上資源豐富,，抗干擾能力突出。內(nèi)含32K字節(jié)用戶程序空間,，片上集成2K的RAM,，支持BDM片上調(diào)試功能，片內(nèi)集成看門狗電路,，片上集成8通道10位AD,。外部擴展了鐵電存儲器，用于存儲一些重要的參數(shù),，即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數(shù)據(jù),。
　　CPU對采樣信號進行處理計算，根據(jù)測量得到的電流,、電壓值與預(yù)先設(shè)定的各種保護數(shù)值進行對比,，由此來判斷電動機的運行狀態(tài)是否正常，是否需要進行保護,。中央處理單元電路見圖3,。

圖 3

2.3  電源模塊
　　采用AC380V電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC220V～450V,，輸入頻率45Hz～60Hz,，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,，輸出紋波 <1％,，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓,、過流保護,。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性,、可靠性和抗干擾能力,。
2.4  人機交互單元
　　人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息,。用戶可根據(jù)實際需要進行設(shè)置,。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式,，其驅(qū)動電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成,。
2.5  控制模塊
　　控制模塊主要由開關(guān)量輸入,、輸出組成，見圖4,。開關(guān)量輸入用于監(jiān)測外部開關(guān)狀態(tài),，也可根據(jù)客戶要求用于電動機的起動、停止控制,；開關(guān)量輸出主要用于輸出報警信號,、脫扣信號和遠程起動信號。

圖 4

2.6  通訊接口模塊
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485,、Modbus RTU通訊規(guī)約,，能實現(xiàn)遙測、遙控,、遙信等功能,，見圖5。

 圖 5

2.7  整體設(shè)計
　　保護器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結(jié)構(gòu)如圖6,。該結(jié)構(gòu)非常適合安裝于抽屜式開關(guān)柜。安裝時將帶顯示的保護主體部分嵌入式的安裝在開關(guān)抽屜的活動面板內(nèi),，這樣既簡化了柜內(nèi)接線,、又方便了系統(tǒng)隨時調(diào)整、設(shè)定參數(shù)和顯示,、監(jiān)控,，同時數(shù)字化的顯示面板也增添了柜面的統(tǒng)一性和美觀性，使得配電室內(nèi)的設(shè)備運行情況及故障狀態(tài)一目了然,，極大的方便了系統(tǒng)巡視和檢修維護,。互感器部分采用DIN35導(dǎo)軌式安裝方式,，方能夠按照用戶的測量需求,，更換不同量程的電流互感器。

圖 6

2.8  軟件設(shè)計
　　本產(chǎn)品的主軟件流程圖如圖7所示,，主程序包括A/D子程序,、保護子程序、計算顯示子程序,、按鍵處理子程序,、通訊子程序等子程序，由于程序內(nèi)容較多,，現(xiàn)只給出主程序流程和保護子程序流程圖,，見圖8。

圖 7

圖 8

3　 功能簡介
　　ARD2智能電動機保護器按額定工作電壓可分為AC380V,、AC220V,；按工作電流范圍來分可分為6.3A（1.6A～6.3A）、25A（25A～100A）、100A（25A～100A）,、250A（63A～250A）,、800A（250A～800A）五個測量檔位。實現(xiàn)對電動機運行中出現(xiàn)的啟動超時,、欠壓,、過壓、欠載,、過載,、短路、堵轉(zhuǎn)/阻塞,、斷相,、不平衡、剩余電流（接地/漏電）等故障進行保護,。并能在此基礎(chǔ)上增加各種附加功能,，主要有：
　　1）遠程起動功能：由上位機通過通訊控制保護器的起動繼電器，來實現(xiàn)遠程起動電動機,。
　　2）報警功能：當(dāng)電動機運行狀態(tài)出現(xiàn)故障時,，在還未達到預(yù)先設(shè)定的脫扣時間前進行報警提示。
　　3）通訊功能：RS-485通訊功能,，能夠通過通訊接口將保護器檢測得到的電動機運行的各種參數(shù)實時傳送給后臺主控設(shè)備,，方便工作人員及時了解電動機的工作狀態(tài)。
　　4）漏電保護：開放漏電保護監(jiān)測功能,，當(dāng)電動機的運行環(huán)境出現(xiàn)漏電情況時,，及時切斷電動機的供電電源。
　　5）開關(guān)量輸入：用于監(jiān)測外部開關(guān)的分合狀態(tài),，也可按客戶要求進行起,、停控制,。
　　6）事件記錄：記錄保護器的最近8次脫扣動作產(chǎn)生的時間和原因,，方便維護人員查看和檢修。
　　7）4～20mA模擬量輸出：提供直流4～20mA電流信號,。
 

4　 典型應(yīng)用
　　圖9為采用直接啟動接線方式的ARD2智能電動機保護器典型應(yīng)用圖,。用戶可通過按動外部啟動按鈕SB2或通過上位機遠程控制保護器的啟動繼電器來啟動電機。其控制方式為：當(dāng)啟動按鈕SB2按下或遠程啟動繼電器7,、8閉合,，則接觸器KM的吸引線圈處于通電狀態(tài)，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭KM閉合,，啟動電動機,。此時,，松開SB2或啟動繼電器7、8斷開后接觸器KM的吸引線圈還是處于通電狀態(tài),，主觸頭和自鎖觸頭KM仍舊處于閉合狀態(tài),，電動機處于通電狀態(tài)。一旦電動機正常啟動后,，保護器就對電動機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測,，當(dāng)電動機出現(xiàn)故障狀態(tài)后，ARD2保護器的脫扣繼電器動作,，常閉觸點95,、96斷開，使接觸器KM的吸引線圈斷電,，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭的狀態(tài)由合變?yōu)榉?，切斷電動機的供電，使電動機停車,。

圖 9　　

　　圖10為電動機采用Y—?轉(zhuǎn)換啟動接線方式的ARD2智能電動機保護器典型應(yīng)用圖,。在圖5中，時間繼電器KT的觸頭狀態(tài)為吸引線圈失電時的狀態(tài),，即“常態(tài)”,。當(dāng)啟動按鈕SB2或遠程啟動繼電器7、8閉合,，則接觸器KM1線圈通電，使KM1的主觸頭和自鎖觸頭KM1閉合,，同時,，時間繼電器KT吸引線圈通電，由于延時作用,，它的觸頭不立即動作,，于是接觸器KM3線圈通電，接于主回路中的KM3的主觸頭閉合,，電動機進行星型連接降壓啟動狀態(tài),，同時KM3的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM2的吸引線圈不能通電,，電動機運行于Y型供電方式,。當(dāng)時間繼電器KT的延時時間到，時間繼電器KT的延時斷開常閉觸頭斷開,，使接觸器KM3吸引線圈斷電,，主觸頭KM3斷開，同時時間繼電器KT的延時閉合常開觸頭閉合,，接觸器KM2的吸引線圈通電,，主觸頭KM2閉合,，電動機供電方式改為?型連接，進入正常運行狀態(tài),。與此同時,，KM2的互鎖觸頭斷開，使接觸器KM3吸引線圈不會通電,。一旦電動機正常啟動后,，保護器就對電動機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)電動機出現(xiàn)故障狀態(tài)后,，ARD2保護器的脫扣繼電器動作,，常閉觸點95、96斷開,，使接觸器KM的吸引線圈斷電,，使接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭的狀態(tài)由合變?yōu)榉郑袛嚯妱訖C的供電,，使電動機停車,。

圖 10

5　 選型注意
　　在實際使用過程中，應(yīng)注意嚴格按照電動機的額定電流來選擇保護器,，防止人為放大和縮小保護范圍,；避免由于量程太大或太小而造成的測量誤差，從而使保護器無法正常對電動機進行保護,。
　　由于ARD2保護器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結(jié)構(gòu),，所以在現(xiàn)場使用時應(yīng)注意按出廠編號將保護器主體與互感器配對使用。但考慮到會有維修更換保護器或互感器的情況發(fā)生,，因此只要保護器主體和互感器的產(chǎn)品型號一樣,，可以任意配和使用，不會對測量保護產(chǎn)生影響,。
　　保護器的設(shè)計定位為替代熱繼電器,，故保護器本身不提供對電動機的起動、停止控制及各種起動控制方式,。對電動機各種起動控制方式的實現(xiàn)需要外部電路的支持,。

6　 結(jié)語
　　ARD2智能電動機保護器的功能較多，能夠?qū)﹄妱訖C運行中遇到的各種類型的故障進行準確的報警顯示和脫扣動作,，能有效的防止電機意外燒毀的發(fā)生,，能為用戶節(jié)約大量的資金，是熱繼電器的理想替代產(chǎn)品,。因此,，廣泛采用電動機智能保護器，不但可以提高工藝控制的準確性,、科學(xué)性,，降低事故率,，而且對于提高電氣控制系統(tǒng)的自動化水平和發(fā)展國民經(jīng)濟，也能起到積極的推動作用,。