模塊式電動機保護器設計思想
摘 要： 本文通過介紹上海安科瑞電氣股份有限公司開發的ARD3T模塊式智能電動機保護器，在企業自身和客戶使用上所具有的優勢，進一步介紹模塊式電動機保護器的設計思想，技術難點及設計時所遇到的一些問題及處理方法。
關鍵詞：電動機保護器 模塊化 內部總線 可編程
Abstract:
Key words:
中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：
0 引言
智能電動機保護器發展至今，存在兩種發展趨勢,一種是：多種功能集成在一個殼體內;另一種是：根據功能劃分模塊，通過模塊拼裝滿足各種要求。多種功能在一個殼體內的方式，可以減少開發前期的投入，開發周期短，從短期內來看，對企業有利。功能模塊化，開發前期投入多，相對前種方式開發周期會變長，但成功后，后期產品維護方便，可以消除因功能多少引起生產紊亂，產品使用者進行產品升級或改造時產生停產等不利因素。
1 模塊式電動機保護器的優勢
1.1 對企業自身的優勢
客戶的需求是多樣化的，產品使用環境不同、實際生產工藝不同，造成客戶對產品的需求往往有所不同，同一類產品功能不同，會引起生產廠家生產上的不同，庫存管理、分類不同，加大企業自身生產負擔。模塊式電動機保護器，各模塊功能明確，方便生產，利于存儲。企業將最基本的保護功能作為基本模塊，其它高級保護、控制、通訊功能作為選配模塊，這樣在客戶需要不同功能時，在基本模塊基礎上添加對應模塊即可，通過搭積木方式實現不同功能的產品。在面對客戶多樣化需求時，優勢是不言而喻的。
1.2 對使用者的優勢
模塊式電動機保護器適用范圍廣，使用者根據自身需要選取產品，使用者只需要常規過載、斷相等常規保護功能時選取基本模塊即可。需要帶有全面保護和控制功能，選取基本模塊和所需的模塊進行組合。需要帶有全面保護、控制、通訊、管理分析功能時，選取基本模塊加多個模塊進行組合。
模塊式電動機保護器靈活性高，使用者在設計初期選用了基本模塊，而實際生產中發現需要更多功能時，添加模塊即可。當使用者遇到系統、功能升級或改造，而引起設備升級、變動時，添加、刪減對應的功能模塊即可完成技術改造，不必擔心造成停產等影響。
模塊式電動機保護器可靠性高，在使用中如遇到保護器出現故障，模塊式電動機保護器會自動報出具體模塊故障，使用者只需更換故障模塊，不影響其它模塊。
2 模塊式電動機保護器的設計思想
要進行模塊式電動機保護器設計，首先要明確產品使用環境，模塊種類，以及劃分的依據。
2.1 產品使用環境
作為保護類產品，要明確產品的正常工作環境。根據標準，環境溫度可選位為：-10 ℃ ～+55 ℃，此溫度可以滿足絕大多數產品的使用環境;大氣壓力為：80 kPa～110 kPa(海拔2000 m以下);相對濕度為：最濕月的月平均相對濕度為90%，同時該月的平均最低溫度為25 ℃，并且在產品上不應出現凝露;使用環境不應有腐蝕、破壞絕緣的氣體及導電介質，對于使用環境內有火災、爆炸危險的介質、產品應有防爆措施。戶內產品的使用環境應有防御雨、雪、風、沙的設施。供電電源：額定電壓AC 220V，交流電源額定電壓為額定值的85%～110%。
2.2 控制功能
標準中對電動機保護器控制功能描述如下：“可具備對電動機進行直接起動、可逆(雙向)控制、各種減壓起動和雙速控制的控制功能”。由此可見標準將控制功能作為非標配功能處理，實際客戶使用時可以只將保護器當作保護元件使用，模塊式電動機保護器作為可編程產品，可以通過編程功能自由實現的起動有：保護模式、直接起動/全壓起動、星三角起動、自耦降壓起動、可逆起動、雙速起動，變頻器配合使用、軟起動器配合使用等起動方式。
除各種常規起動方式外，模塊式電動保護器還帶有兩種自起動功能，自起動功能如下：
a)帶有運行中的電動機因失壓或欠壓停車，當電源恢復到允許自起動電壓值后，執行立即自起動、延時自起動、禁止自起動的功能。
b)帶有不考慮停車間隔時間的長短，產品可根據掉電前產品記憶的電動機運行情況實現自起動功
能。
2.3 保護功能
模塊式電動機保護器須具備如下保護功能：過載保護、斷相保護、堵轉保護、阻塞保護、欠載保
護、不平衡保護、起動超時保護、過壓保護、欠壓保護、欠功率保護、相序保護、單相接地保護、漏電保護、外部故障、工藝連鎖等多種保護功能。
2.4 產品著火危險防護
工業類產品需要具有不可燃燒的特性，選用的耐火材料應具有GB 4943-2001規定的V2及以
上阻燃等級，能承受GB/T 5169.5中嚴酷等級為20 s的針焰試驗。
2.5 模塊劃分
智能型電動機保護器具備如下功能：電流、電壓、功率、頻率等電參數測量;電機轉子、軸承溫度測量;電參數、溫度值的變送輸出;開關量輸入、輸出;工藝連鎖;各類保護功能;通訊組網等功能。從上述功能描述上看，功能可總結為：電參數測量;溫度測量;模擬量輸入輸出;對電機保護、控制;通訊功能幾方面。
采用按功能劃分模塊的方式，可以劃分出如下幾種模塊：電參數測量模塊、溫度模塊、模擬量模塊、通訊模塊、開關量模塊、顯示模塊、CPU單元幾種。
2.6 模塊功能
各模塊功能如下：
CPU單元負責協調各模塊工作，帶有開關量輸入、開關量輸出功能、對外通訊組網、時鐘、故障記錄、PTC測量等功能。開關量輸入、輸出可以自由編程設定功能。可以實現直接起動、雙向起動、雙速起動、自耦降壓起動、星三角起動等多種起動。CPU單元是模塊式電動機保護器必備模塊。
測量模塊測量實現電流、電壓測量。電流范圍為0.4A至800A，電壓為AC220V、AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流50mA～5A。測量用電流互感器需要選取保護級電流互感器，保護級電流互感器相對測量級電流互感器過載能力強，通�？梢赃_到10倍過載不飽和。目前,市場上常用的保護級電流互感器，精度可以達到0.5級，在保護類產品中使用，效果很好。電機電流小于等于100A時，采用一體式模塊互感器，當大于100A采用外置式電流互感器。電動保護器的過載、斷相、堵轉、過壓、欠壓、欠功率等保護功能都是通過對電參數的分析來實現的，測量模塊也是模塊式電動機保護器的必備模塊。
溫度模塊通過外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等傳感器實現溫度測量。可以使用溫度模塊，對電動機繞組、軸承的溫度溫度進行測量，通過實測的溫度值，執行溫度保護。還可以通過溫度模塊的測溫功能，對電動機的冷卻過程進行精確跟蹤，測出實際冷卻時間。溫度模塊可以外接三路溫度傳感器，可以通過一個溫度模塊同時對電機繞組、軸承進行測溫。
模擬量模塊可以實現模擬量輸入測量和模擬量變送輸出。模擬量輸入測量功能，可以被用在現場工藝連鎖保護、測量顯示等情況，模擬量輸入可接的設備包括：電力變送器、模擬信號變送器、轉速傳感器、角度傳感器、位置傳感器等設備，通過接收判斷上述設備的信號實現對應的工業操作。通過模擬量輸出功能，能將電參量、溫度、模擬量輸入等參數轉換為DCS或PLC所需要的模擬量輸出信號，由DCS或PLC執行相應的操作。
開關量模塊對CPU單元的開關量進行擴展，當CPU單元的開關量點數無法滿足使用者需求時，通過外加開關量模塊實現產品開關量點數擴展。
常用的現場總線有：MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等，通過外加通訊模塊實現與PROFIBUS、DEVICENET等通訊網絡進行通訊。采用專用通訊模塊來實現，產品在多種通訊網絡中使用，使的產品應有靈活性提到提高。
由CPU單元和測量模塊組成基本模塊，實現基本的測量、保護、控制功能，其它模塊作為選配模塊，由基本模塊加選配模塊實現復雜功能。
2.7 模塊互聯
模塊互聯直接影響到產品的可靠性。數據交換的處理是產品穩定工作的關鍵，常用的通訊接口SPI、IIC、UART、CAN 等，都有自身的特點與局限性。根據產品實際功能、特點，選用合理的通訊接口。通過選定的通訊接口進行模塊互聯。
3 模塊式電動機保護器技術難點
可靠的通訊協議，用于模塊數據通訊處理。此套協議要帶有模塊識別、數據傳送、數據校驗、沖突檢測、仲裁等功能。同時對傳輸數據格式做好規定，即起始位、停止位、數據位、檢驗位，數據校驗等。傳輸數據格式可以參考常規數據傳輸模式，起始位1位，數據位8位/7位，停止位1位/2位，校驗位1位，檢驗位可以選擇奇、偶校驗。數據傳輸要帶有校驗數據，可以采用CRC等校驗方式。
保護類產品繼電器輸出是不能誤動作的，繼電器輸出通常用于控制電機運行狀態或信號傳輸，一旦出現誤動，影響很大。誤動的原因有多種，不符合標準的規范而引起的誤動;產品抗干擾性不好，受到干擾引起誤動。
作為電動機保護器要符合《GB14048.4低壓開關設備和控制設備 機電式接觸器和電動機起動器》和《JB/T10736—2007低壓電動機保護器》等標準的要求，設計者以相關標準作為設計依據，這樣可以減少功能上的偏差帶來的誤動。
由于產品抗干擾性能不好而產生的誤動，對設計者有很大的考驗。干擾的傳播途徑有很多種，產品供電電源，空間電磁信號，連接線耦合等，強干擾會引起產品死機等工作狀態不正常。常規使用看門狗來保證產品死機后自動復位的方法，在保護類產品中并不完全適用，通過看門狗進行復位時，繼電器會出現瞬間工作狀態跳變，很可能造成誤動作。
可編程邏輯功能，使用者對產品需求多種多樣，將使用者的要求分好類，通過上位機配置軟件進行功能編程。需要有行業經驗豐富的工程師參與需求功能庫的建立，通過時盡量在硬件上做到通用化，即硬件采用一個平臺，對硬件平臺寫入不同的程序(是指由客戶編制的程序)，執行不同的功能。部分可編程功能可見圖1～圖5。
圖1 可編程DI
圖2 可編程DO
圖3 可編程計數器
圖4 可編程定時器
圖5 可編程真值表
4 模塊式電動機保護器研發中遇到的問題及解決
模塊式電動機保護器在研發、測試中曾遇到如下問題：
通過內部總線進行互聯時，某些模塊數據錯誤，分析硬件、協議發現出問題的模塊在收發處理時引起錯誤操作，對收發處理部分重新更改，解決此問題。
環境試驗時，發現會出現模塊出錯，經分析發現使用的電路中有元件性能達不到技術指標，重新設計更正后可以通過環境試驗。
EMC測試時，靜電間接放電試驗會引起芯片復位，對測量儀表可以判為合格，但保護類產品不能出現這樣的誤動。經反復分析、測試、驗證后發現電路設計中存在一定問題，原設計在其它產品中可以正常工作，但在此處參數上不完全相符，對電路進行更正，可以有效通過靜電測試。
5 結束語
模塊式電動機保護器是國家科技部項目，設計思想新穎，在國內同行中屬于首創，填補了國內同行產品在此領域的空白。模塊式電動機保護器，集測量、保護、控制、通訊于一身，產品性能安全可靠，可以對電動機實施可靠有效的保護�？梢苑奖愕奶娲鲜綗崂^電器、溫度繼電器等傳統的電動機保護產品，可以通過和接觸器、斷路器配合實現對電動機的控制、保護等功能�？梢苑奖愕慕尤隤LC、DCS系統。
模塊式電動機保護器可以作為MCC核心器件使用，簡化設計，原需要通過PLC加外部傳感器、變送器才能實現的功能，現在可以交給模塊式電動機保護器來實現。并且模塊式產品帶有一定的可編程能力，可以作為設備級的中心控制器。模塊式電動機保護器產品如圖6所示。
圖6 模塊式電動機保護器產品
文章來源于：《電機與控制應用》2011年第9期。
參考文獻
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