淺談ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器-ARD2型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該保護(hù)器將眾多保護(hù)功能集于一體，針對(duì)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中會(huì)遇到的多種故障進(jìn)行保護(hù)，使電機(jī)在各種故障條件下不會(huì)產(chǎn)生損壞，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，減少由于電動(dòng)機(jī)的故障問題帶來的生產(chǎn)損失。
關(guān)鍵字：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，ARD2型，保護(hù)功能，經(jīng)濟(jì)型

0　 引言
由于生產(chǎn)自動(dòng)化及各種自動(dòng)控制、順序控制設(shè)備的出現(xiàn)，要求電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、間歇以及變負(fù)荷等方式，電機(jī)的運(yùn)行要求越來越高，運(yùn)行環(huán)境也越來越苛刻，同時(shí)，由于電機(jī)與配套機(jī)械連在一起，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，對(duì)電機(jī)實(shí)行有效的保護(hù)是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。
本文將要介紹的是ARD2型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。該型保護(hù)器主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并針對(duì)電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的啟動(dòng)超時(shí)、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(jìn)行保護(hù)，使電動(dòng)機(jī)不至于因?yàn)橐陨显蚨鴮?dǎo)致?lián)p壞，從而使生產(chǎn)遭受損失，采用ARD2電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能有效提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(biāo)
ARD2型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的技術(shù)指標(biāo)見表1。

 表 1

2　 設(shè)計(jì)方法
目前市場(chǎng)上綜合型的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)主要采用交流采樣方式+高性能單片機(jī)的方案，采用該設(shè)計(jì)方法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量精度高、能夠提供更完善的保護(hù)功能，但是采用此設(shè)計(jì)方法的成本較高，銷售價(jià)格也高，在只需要對(duì)電動(dòng)機(jī)提供過載、斷相等基本常見故障保護(hù)的場(chǎng)合沒有性價(jià)比可言。因此采用一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功能能夠滿足基本保護(hù)要求、主要用于替代熱繼電器的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器將會(huì)有很大的市場(chǎng)。ARD2型保護(hù)器就是一款設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，保護(hù)功能較多，能夠滿足大多數(shù)電動(dòng)機(jī)保護(hù)要求的經(jīng)濟(jì)型的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。
ARD2型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用低成本的設(shè)計(jì)方案，整體系統(tǒng)由信號(hào)處理單元、中央處理單元、電源模塊、人機(jī)交互單元、人機(jī)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(hào)處理單元
信號(hào)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(hào)整流成直流信號(hào)，由CPU片內(nèi)AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。

 圖 2

　　圖中IC1為運(yùn)算放大器LM324，采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達(dá)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(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大處理，提高了信號(hào)的采樣精度，保證了信號(hào)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(jī)，該單片機(jī)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(kuò)展了鐵電存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一些重要的參數(shù)，即使以后升級(jí)程序也不會(huì)丟失先前的重要數(shù)據(jù)。
CPU對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，根據(jù)測(cè)量得到的電流、電壓值與預(yù)先設(shè)定的各種保護(hù)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，由此來判斷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，是否需要進(jìn)行保護(hù)。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(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
2.4  人機(jī)交互單元
人機(jī)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(shí)際需要進(jìn)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(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)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(cè)外部開關(guān)狀態(tài)，也可根據(jù)客戶要求用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制；開關(guān)量輸出主要用于輸出報(bào)警信號(hào)、脫扣信號(hào)和遠(yuǎn)程起動(dòng)信號(hào)。

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(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能，見圖5。

 圖 5

2.7  整體設(shè)計(jì)
保護(hù)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(shí)將帶顯示的保護(hù)主體部分嵌入式的安裝在開關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內(nèi)，這樣既簡(jiǎn)化了柜內(nèi)接線、又方便了系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控，同時(shí)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(yùn)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(hù)?；ジ衅鞑糠植捎肈IN35導(dǎo)軌式安裝方式，方能夠按照用戶的測(cè)量需求，更換不同量程的電流互感器。