安科瑞 鮑靜君
摘要：本文介紹了一種以ARM為核心的智能電動機保護器，設計了相關信號處理電路、顯示電路、I/O控制電路及通信電路，編寫了相關電動機故障保護算法軟件。市場應用表明，該電動機保護器能夠保證電動機的可靠運行。
關鍵詞：簡易型；電動機保護器；ARM
0、引言
隨著電子技術的不斷發展，電動機保護器正朝著智能化、數字化、綜合化的方向發展。目前，市場上常規的綜合型電動機保護器大都具備了比較齊全的保護功能，但體積較大、安裝不便且價格十分昂貴，這使得綜合型電動機保護器的推廣受到很大局限。在采礦場所，受到現場空間限制，且只需要基本的電動機保護功能，為解決上述問題，研制一種符合標準并且高性價比的電動機保護器很有必要。本文以ARM為處理器，開發了一款經濟實用的簡易型低壓電動機保護器。
1、設計依據及功能
簡易型低壓電動機保護器包括以下功能：
（1）基本保護功能：斷相、啟動超時、反時限過載、接地、三相不平衡、堵轉、阻塞、短路、過壓等保護功能，符合GB14048.4、GB14048.6等標準。
（2）選配保護功能：可選配外部故障、漏電、定時限過載、欠載、欠壓等保護功能，符合GB14048.4、GB14048.6等標準。
（3）測量和通信功能：可測量三相電流、剩余電流、三相電壓；具有RS485通信接口，采用Modbus通信協議，通信符合GB19582.1、GB19582.2標準。
（4）DI/DO、變送輸出功能：支持2路DI、4路DO；支持1路4~20mA變送輸出。
（5）安裝方式：采用導軌安裝或螺絲固定安裝，3種額定電流規格分別為5A、25A、100A。
2、硬件方案
簡易型電動機保護器采用低成本設計方案，整個系統由中央處理單元、電源模塊、信號處理單元、按鍵模塊、顯示模塊、I/O控制模塊、變送輸出模塊、通訊模塊等構成，系統硬件結構如圖1所示。介紹了信號處理單元和控制模塊。
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圖1系統硬件結構圖
2.1信號處理單元
信號處理單元電路如圖2所示，經過基準電壓信號Vref將傳感器檢測的信號抬升，限定在0~3.3V信號內，輸入中央處理單元，實現交流采樣。為保證交流采樣的精度，采用了分檔處理交流信號的方式，在輸入大信號時，信號經過抬升并濾波后直接進入CPU進行采樣處理；在輸入小信號時，信號抬升后需經過運算放大器信放大并濾波后進入CPU進行采樣處理。
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圖2信號處理單元電路
2.2控制模塊
控制模塊由開關量輸入和繼電器輸出構成。開關量輸入采用保護器內部提供的15V電源供電，并采用光耦隔離來增強開關量輸入抗干擾性和滿足保護器工頻耐壓的要求，開關量輸入用于外部開關狀態的監測。繼電器輸出采用性能穩定可靠、使用壽命長的繼電器。繼電器輸出電路示意圖如圖3所示，為了增強抗干擾的要求，采用光耦進行隔離，ULN2003A可以輸出500mA電流，可承受50V電壓，內部集成的續流二極管為繼電器線圈斷電瞬間產生的較高感應電壓提供了續流回路，繼電器輸出用于故障脫扣、故障報警和遠程起動等信號的輸出。
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圖3繼電器輸出電路
3、軟件方案
保護器的主程序流程圖如圖4所示，主要包括A/D采樣、計算顯示、基本保護、按鍵處理、I/O控制、變送輸出及通信等程序。主程序采用模塊化設計，具有可移植性強的特點。
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圖4主程序流程
主程序經過初始化后，執行A/D采樣程序。在A/D采樣程序中對電動機三相電流、三相電壓、剩余電流進行采樣，采樣周期結束后，根據采樣得到的電動機三相電流值、三相電壓值、剩余電流值計算當前電動機的電流值和電壓值，隨后判斷當前電動機的運行狀態，當電動機此時為運行狀態時，執行電動機保護子程序。
在保護子程序中，根據采樣計算得到的電流值電壓值判斷電動機是否有故障發生，若*發生則返回主程序，若有故障發生時，判斷發生哪種類型電動機故障，執行相應的故障處理，并將故障類型在保護器界面上顯示。
保護子程序執行后，進入顯示值計算子程序，計算三相電流、平均電流、三相電壓及剩余電流等參數顯示值。顯示值計算子程序執行后，進入按鍵處理子程序，實現人機交互。
按鍵處理子程序執行后，進入顯示子程序。在沒有按鍵處理時，顯示電動機當前平均電流值；在有按鍵處理時，顯示與按鍵功能相對應的參數值。當電動機發生故障時，顯示相應故障碼及故障報警脫口指示燈。
顯示子程序執行后，進入I/O控制程序，在電動機發生故障時，控制繼電器輸出常閉觸點脫扣斷開，切斷電動機供電，使電動機停車。I/O控制程序執行后，進入變送輸出子程序，可選擇三相電流、平均電流、三相電壓、頻率中任一參數轉換成4~20mA模擬信號輸出。
變送輸出子程序執行結束后，進入通信子程序。先判斷是否接收到上位機發送的命令數據，接收到命令數據后，根據標準Modbus協議判斷命令中地址碼是否為保護器本機地址，若是本機地址，向上位機回送相應的參數數據。
4、應用實例
某水泥廠由于水泥生產流程復雜，電動機裝置數量較多，選用簡易型電動機保護器來對現場電動機設備進行有效保護，既能使電動機充分發揮其過載能力，又能提高電力拖動系統的可靠性和生產過程的連續性。水泥廠采用保護器用于電動機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動機的過載保護和控制元件，并且利用通訊技術，實現了水泥生產中電動機設備控制的自動化，使水泥廠大型設備的電動機得到了有效保護和控制。
5、結語
隨著電動機保護器的應用，市場對產品的需求在不斷地變化。針對市場對經濟型電動機保護器的需求，研發了一款經濟實用的簡易型電動機保護器。簡易型保護器是以ARM為核心的智能化、數字化電動機保護器，對電動機發生起動超時、過載、斷相、欠載、不平衡、堵轉、阻塞、短路、過壓、欠壓等故障時進行實時保護，保證了工業設備能夠安全可靠地運行。
文章來源：《電氣時代》2017年12期。
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