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ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

瀏覽次數(shù):1434更新日期:2013-09-23

 

姚 波 陸偉青 
( 上海安科瑞電氣有限公司  上海嘉定 201801)

 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*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,大的方便了系統(tǒng)巡視和檢修維護(hù)。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(cè)量需求,更換不同量程的電流互感器。

圖 6

2.8  軟件設(shè)計(jì)
  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(hù)子程序、計(jì)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(hù)子程序流程圖,見圖8。

圖 7

圖 8

3  功能簡(jiǎn)介
  ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)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)、2(2~100A)、100A(2~100A)、250A(63A~250A)、800A(250A~800A)五個(gè)測(cè)量檔位。實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(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)。并能在此基礎(chǔ)上增加各種附加功能,主要有:
  1)遠(yuǎn)程起動(dòng)功能:由上位機(jī)通過通訊控制保護(hù)器的起動(dòng)繼電器,來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
  2)報(bào)警功能:當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí),在還未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的脫扣時(shí)間前進(jìn)行報(bào)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(hù)器檢測(cè)得到的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給后臺(tái)主控設(shè)備,方便工作人員及時(shí)了解電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。
  4)漏電保護(hù):開放漏電保護(hù)監(jiān)測(cè)功能,當(dāng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)漏電情況時(shí),及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)的供電電源。
  5)開關(guān)量輸入:用于監(jiān)測(cè)外部開關(guān)的分合狀態(tài),也可按客戶要求進(jìn)行起、??刂啤?br />  6)事件記錄:記錄保護(hù)器的zui近8次脫扣動(dòng)作產(chǎn)生的時(shí)間和原因,方便維護(hù)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(hào)。
 

4  典型應(yīng)用
  圖9為采用直接啟動(dòng)接線方式的ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器典型應(yīng)用圖。用戶可通過按動(dòng)外部啟動(dòng)按鈕SB2或通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制保護(hù)器的啟動(dòng)繼電器來啟動(dòng)電機(jī)。其控制方式為:當(dāng)啟動(dòng)按鈕SB2按下或遠(yuǎn)程啟動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)。此時(shí),松開SB2或啟動(dòng)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(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)。一旦電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后,保護(hù)器就對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)后,ARD2保護(hù)器的脫扣繼電器動(dòng)作,常閉觸點(diǎn)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?dòng)機(jī)的供電,使電動(dòng)機(jī)停車。

圖 9  

  圖10為電動(dòng)機(jī)采用Y—?轉(zhuǎn)換啟動(dòng)接線方式的ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器典型應(yīng)用圖。在圖5中,時(shí)間繼電器KT的觸頭狀態(tài)為吸引線圈失電時(shí)的狀態(tài),即“常態(tài)”。當(dāng)啟動(dòng)按鈕SB2或遠(yuǎn)程啟動(dòng)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(shí),時(shí)間繼電器KT吸引線圈通電,由于延時(shí)作用,它的觸頭不立即動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行星型連接降壓?jiǎn)?dòng)狀態(tài),同時(shí)KM3的互鎖觸頭斷開,使接觸器KM2的吸引線圈不能通電,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于Y型供電方式。當(dāng)時(shí)間繼電器KT的延時(shí)時(shí)間到,時(shí)間繼電器KT的延時(shí)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(shí)時(shí)間繼電器KT的延時(shí)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(dòng)機(jī)供電方式改為?型連接,進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí),KM2的互鎖觸頭斷開,使接觸器KM3吸引線圈不會(huì)通電。一旦電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后,保護(hù)器就對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)后,ARD2保護(hù)器的脫扣繼電器動(dòng)作,常閉觸點(diǎn)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?dòng)機(jī)的供電,使電動(dòng)機(jī)停車。

圖 10

5  選型注意
  在實(shí)際使用過程中,應(yīng)注意嚴(yán)格按照電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇保護(hù)器,防止人為放大和縮小保護(hù)范圍;避免由于量程太大或太小而造成的測(cè)量誤差,從而使保護(hù)器無法正常對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。
  由于ARD2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),所以在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)應(yīng)注意按出廠編號(hào)將保護(hù)器主體與互感器配對(duì)使用。但考慮到會(huì)有維修更換保護(hù)器或互感器的情況發(fā)生,因此只要保護(hù)器主體和互感器的產(chǎn)品型號(hào)一樣,可以任意配和使用,不會(huì)對(duì)測(cè)量保護(hù)產(chǎn)生影響。
  保護(hù)器的設(shè)計(jì)定位為替代熱繼電器,故保護(hù)器本身不提供對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制及各種起動(dòng)控制方式。對(duì)電動(dòng)機(jī)各種起動(dòng)控制方式的實(shí)現(xiàn)需要外部電路的支持。

6  結(jié)語
  ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的功能較多,能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)運(yùn)行中遇到的各種類型的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的報(bào)警顯示和脫扣動(dòng)作,能的防止電機(jī)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(dòng)機(jī)智能保護(hù)器,不但可以提高工藝控制的準(zhǔn)確性、科學(xué)性,降低事故率,而且對(duì)于提高電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì),也能起到積的推動(dòng)作用。

  文章來源于:《機(jī)床電器》2008年第3期。

參考文獻(xiàn)
[1] 上海安科瑞電氣有限公司,ARD2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器選型手冊(cè),2007。
[2] 中國(guó)電力出版社,電工與電子技術(shù),1999。

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