淺談ARD系列智能電動機保護器設計原理

安科瑞 徐玉麗

（江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405）

 摘    要：介紹一款經濟型智能電動機保護器-ARD2型的設計與應用，該保護器將眾多保護功能集于一體，針對電動機在實際使用中會遇到的多種故障進行保護，使電機在各種故障條件下不會產生損壞，提高電動機運行的可靠性，減少由于電動機的故障問題帶來的生產損失。
關鍵字：電動機保護器，ARD2型，保護功能，經濟型

0　 引言
由于生產自動化及各種自動控制、順序控制設備的出現，要求電機經常運行在頻繁的起動、制動、正反轉、間歇以及變負荷等方式，電機的運行要求越來越高，運行環境也越來越苛刻，同時，由于電機與配套機械連在一起，當電機發生故障時，經常波及生產系統。因此，對電機實行有效的保護是保證生產系統正常工作的一項重要任務。
本文將要介紹的是ARD2型電動機保護器的經濟、簡潔的設計方法和應用。該型保護器主要用于對電動機運行狀態的監測，并針對電動機在生產運行過程中出現的啟動超時、欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉/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致損壞，從而使生產遭受損失，采用ARD2電動機保護器能有效提高電動機運行的安全性，降低生產損失，是傳統熱繼電器的理想替代品。

1　 技術指標
ARD2型智能電動機保護器的技術指標見表1。

 表 1

2　 設計方法
目前市場上綜合型的智能電動機保護器的設計主要采用交流采樣方式+高性能單片機的方案，采用該設計方法的電動機保護器測量參數多、測量精度高、能夠提供更完善的保護功能，但是采用此設計方法的成本較高，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計簡潔，保護功能較多，能夠滿足大多數電動機保護要求的經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計方案，整體系統由信號處理單元、中央處理單元、電源模塊、人機交互單元、人機界面、控制模塊、通訊接口模塊等構成，裝置硬件結構如圖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AD進行轉換計算。

 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。內含32K字節用戶程序空間，片上集成2K的RAM，支持BDM片上調試功能，片內集成看門狗電路，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，即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數據。
CPU對采樣信號進行處理計算，根據測量得到的電流、電壓值與預先設定的各種保護數值進行對比，由此來判斷電動機的運行狀態是否正常，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，輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，具有很高的穩定性、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，系統采用單排四位LED數碼管顯示各種信息。用戶可根據實際需要進行設置。在編程狀態下顯示菜單及參數。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。
2.5  控制模塊
控制模塊主要由開關量輸入、輸出組成，見圖4。開關量輸入用于監測外部開關狀態，也可根據客戶要求用于電動機的起動、停止控制；開關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通訊規約，能實現遙測、遙控、遙信等功能，見圖5。

 圖 5

2.7  整體設計
保護器采用主體模塊和電流互感器模塊分離的結構如圖6。該結構非常適合安裝于抽屜式開關柜。安裝時將帶顯示的保護主體部分嵌入式的安裝在開關抽屜的活動面板內，這樣既簡化了柜內接線、又方便了系統隨時調整、設定參數和顯示、監控，同時數字化的顯示面板也增添了柜面的統一性和美觀性，使得配電室內的設備運行情況及故障狀態一目了然，極大的方便了系統巡視和檢修維護。互感器部分采用DIN35導軌式安裝方式，方能夠按照用戶的測量需求，更換不同量程的電流互感器。