摘  要： 本文通過(guò)介紹江蘇安科瑞電器制造有限公司開發(fā)的ARD3T模塊式智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，在企業(yè)自身和客戶使用上所具有的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)步介紹模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)思想，技術(shù)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的些問(wèn)題及處理方法。


關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)保護(hù)器模塊化 內(nèi)部總線 可編程


0    引言
智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器發(fā)展至今，存在兩種發(fā)展趨勢(shì),種是：多種功能集成在個(gè)殼體內(nèi)；另種是：根據(jù)功能劃分模塊，通過(guò)模塊拼裝滿足各種要求。多種功能在個(gè)殼體內(nèi)的方式，可以減少開發(fā)前期的投入，開發(fā)周期短，從短期內(nèi)來(lái)看，對(duì)企業(yè)有利。功能模塊化，開發(fā)前期投入多，相對(duì)前種方式開發(fā)周期會(huì)變長(zhǎng)，但成功后，后期產(chǎn)品維護(hù)方便，可以因功能多少引起生產(chǎn)紊亂，產(chǎn)品使用者進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)或改造時(shí)產(chǎn)生停產(chǎn)等不利因素。

1   模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的優(yōu)勢(shì)

1.1   對(duì)企業(yè)自身的優(yōu)勢(shì)
客戶的需求是多樣化的，產(chǎn)品使用環(huán)境不同、實(shí)際生產(chǎn)工藝不同，造成客戶對(duì)產(chǎn)品的需求往往有所不同，同類產(chǎn)品功能不同，會(huì)引起生產(chǎn)廠家生產(chǎn)上的不同，庫(kù)存管理、分類不同，加大企業(yè)自身生產(chǎn)負(fù)擔(dān)。模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，各模塊功能明確，方便生產(chǎn)，利于存儲(chǔ)。企業(yè)將基本的保護(hù)功能作為基本模塊，其它保護(hù)、控制、通訊功能作為選配模塊，這樣在客戶需要不同功能時(shí)，在基本模塊基礎(chǔ)上添加對(duì)應(yīng)模塊即可，通過(guò)搭積木方式實(shí)現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品。在面對(duì)客戶多樣化需求時(shí)，優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。

1.2   對(duì)使用者的優(yōu)勢(shì)
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用范圍廣，使用者根據(jù)自身需要選取產(chǎn)品，使用者只需要常規(guī)過(guò)載、斷相等常規(guī)保護(hù)功能時(shí)選取基本模塊即可。需要帶有保護(hù)和控制功能，選取基本模塊和所需的模塊進(jìn)行組合。需要帶有保護(hù)、控制、通訊、管理分析功能時(shí)，選取基本模塊加多個(gè)模塊進(jìn)行組合。
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器靈活性高，使用者在設(shè)計(jì)初期選用了基本模塊，而實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)需要更多功能時(shí)，添加模塊即可。當(dāng)使用者遇到系統(tǒng)、功能升級(jí)或改造，而引起設(shè)備升級(jí)、變動(dòng)時(shí)，添加、刪減對(duì)應(yīng)的功能模塊即可完成技術(shù)改造，不必?fù)?dān)心造成停產(chǎn)等影響。
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可靠性高，在使用中如遇到保護(hù)器出現(xiàn)故障，模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器會(huì)自動(dòng)報(bào)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(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)思想

要進(jìn)行模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)，首先要明確產(chǎn)品使用環(huán)境，模塊種類，以及劃分的依據(jù)。

2.1   產(chǎn)品使用環(huán)境
作為保護(hù)類產(chǎn)品，要明確產(chǎn)品的正常工作環(huán)境。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度可選位為：-10 ℃ ～+55 ℃，此溫度可以滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的使用環(huán)境；大氣壓力為：80 kPa～110 kPa（海拔2000 m以下）；相對(duì)濕度為：濕月的月平均相對(duì)濕度為90%，同時(shí)該月的平均低溫度為25 ℃，并且在產(chǎn)品上不應(yīng)出現(xiàn)凝露；使用環(huán)境不應(yīng)有腐蝕、破壞絕緣的氣體及導(dǎo)電介質(zhì)，對(duì)于使用環(huán)境內(nèi)有火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)的介質(zhì)、產(chǎn)品應(yīng)有防爆措施。戶內(nèi)產(chǎn)品的使用環(huán)境應(yīng)有防御雨、雪、風(fēng)、沙的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器控制功能描述如下：“可具備對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接起動(dòng)、可逆（雙向）控制、各種減壓起動(dòng)和雙速控制的控制功能”。由此可見標(biāo)準(zhǔn)將控制功能作為非標(biāo)配功能處理，實(shí)際客戶使用時(shí)可以只將保護(hù)器當(dāng)作保護(hù)元件使用，模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器作為可編程產(chǎn)品，可以通過(guò)編程功能自由實(shí)現(xiàn)的起動(dòng)有：保護(hù)模式、直接起動(dòng)/全壓起動(dòng)、星三角起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、可逆起動(dòng)、雙速起動(dòng)，變頻器配合使用、軟起動(dòng)器配合使用等起動(dòng)方式。
除各種常規(guī)起動(dòng)方式外，模塊式電動(dòng)保護(hù)器還帶有兩種自起動(dòng)功能，自起動(dòng)功能如下：
a）帶有運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)因失壓或欠壓停車，當(dāng)電源恢復(fù)到允許自起動(dòng)電壓值后，執(zhí)行立即自起動(dòng)、延時(shí)自起動(dòng)、禁止自起動(dòng)的功能。
b）帶有不考慮停車間隔時(shí)間的長(zhǎng)短，產(chǎn)品可根據(jù)掉電前產(chǎn)品記憶的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)功
能。

2.3   保護(hù)功能
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器須具備如下保護(hù)功能：過(guò)載保護(hù)、斷相保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、阻塞保護(hù)、欠載保
護(hù)、不平衡保護(hù)、起動(dòng)超時(shí)保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、欠功率保護(hù)、相序保護(hù)、單相接地保護(hù)、漏電保護(hù)、外部故障、工藝連鎖等多種保護(hù)功能。

2.4   產(chǎn)品著火危險(xiǎn)防護(hù)
工業(yè)類產(chǎn)品需要具有不可燃燒的特性，選用的耐火材料應(yīng)具有GB 4943-2001規(guī)定的V2及以
上阻燃等級(jí)，能承受GB/T 5169.5中嚴(yán)酷等級(jí)為20 s的針焰試驗(yàn)。

2.5   模塊劃分
智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具備如下功能：電流、電壓、功率、頻率等電參數(shù)測(cè)量；電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承溫度測(cè)量；電參數(shù)、溫度值的變送輸出；開關(guān)量輸入、輸出；工藝連鎖；各類保護(hù)功能；通訊組網(wǎng)等功能。從上述功能描述上看，功能可總結(jié)為：電參數(shù)測(cè)量；溫度測(cè)量；模擬量輸入輸出；對(duì)電機(jī)保護(hù)、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(shù)測(cè)量模塊、溫度模塊、模擬量模塊、通訊模塊、開關(guān)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊工作，帶有開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出功能、對(duì)外通訊組網(wǎng)、時(shí)鐘、故障記錄、PTC測(cè)量等功能。開關(guān)量輸入、輸出可以自由編程設(shè)定功能?？梢詫?shí)現(xiàn)直接起動(dòng)、雙向起動(dòng)、雙速起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、星三角起動(dòng)等多種起動(dòng)。CPU單元是模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器*模塊。
測(cè)量模塊測(cè)量實(shí)現(xiàn)電流、電壓測(cè)量。電流范圍為0.4A至800A，電壓為AC220V、AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流50mA～。測(cè)量用電流互感器需要選取保護(hù)級(jí)電流互感器，保護(hù)級(jí)電流互感器相對(duì)測(cè)量級(jí)電流互感器過(guò)載能力強(qiáng)，通常可以達(dá)到10倍過(guò)載不飽和。目前,市場(chǎng)上常用的保護(hù)級(jí)電流互感器，精度可以達(dá)到0.5級(jí)，在保護(hù)類產(chǎn)品中使用，效果很好。電機(jī)電流小于等于100A時(shí)，采用體式模塊互感器，當(dāng)大于100A采用外置式電流互感器。電動(dòng)保護(hù)器的過(guò)載、斷相、堵轉(zhuǎn)、過(guò)壓、欠壓、欠功率等保護(hù)功能都是通過(guò)對(duì)電參數(shù)的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量模塊也是模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的*模塊。

溫度模塊通過(guò)外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。可以使用溫度模塊，對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組、軸承的溫度溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)測(cè)的溫度值，執(zhí)行溫度保護(hù)。還可以通過(guò)溫度模塊的測(cè)溫功能，對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程進(jìn)行跟蹤，測(cè)出實(shí)際冷卻時(shí)間。溫度模塊可以外接三路溫度傳感器，可以通過(guò)個(gè)溫度模塊同時(shí)對(duì)電機(jī)繞組、軸承進(jìn)行測(cè)溫。

模擬量模塊可以實(shí)現(xiàn)模擬量輸入測(cè)量和模擬量變送輸出。模擬量輸入測(cè)量功能，可以被用在現(xiàn)場(chǎng)工藝連鎖保護(hù)、測(cè)量顯示等情況，模擬量輸入可接的設(shè)備包括：電力變送器、模擬信號(hào)變送器、轉(zhuǎn)速傳感器、角度傳感器、位置傳感器等設(shè)備，通過(guò)接收判斷上述設(shè)備的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的工業(yè)操作。通過(guò)模擬量輸出功能，能將電參量、溫度、模擬量輸入等參數(shù)轉(zhuǎn)換為DCS或PLC所需要的模擬量輸出信號(hào)，由DCS或PLC執(zhí)行相應(yīng)的操作。

開關(guān)量模塊對(duì)CPU單元的開關(guān)量進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)CPU單元的開關(guān)量點(diǎn)數(shù)無(wú)法滿足使用者需求時(shí)，通過(guò)外加開關(guān)量模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開關(guān)量點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展。

常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有：MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等，通過(guò)外加通訊模塊實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS、DEVICENET等通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。采用通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品在多種通訊網(wǎng)絡(luò)中使用，使的產(chǎn)品應(yīng)有靈活性提到提高。

由CPU單元和測(cè)量模塊組成基本模塊，實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)量、保護(hù)、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(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。

2.7    模塊互聯(lián)
    模塊互聯(lián)直接影響到產(chǎn)品的可靠性。數(shù)據(jù)交換的處理是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，常用的通訊接口SPI、IIC、UART、CAN 等，都有自身的特點(diǎn)與局限性。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際功能、特點(diǎn)，選用合理的通訊接口。通過(guò)選定的通訊接口進(jìn)行模塊互聯(lián)。


3   模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器技術(shù)難點(diǎn)

可靠的通訊協(xié)議，用于模塊數(shù)據(jù)通訊處理。此套協(xié)議要帶有模塊識(shí)別、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、沖突檢測(cè)、仲裁等功能。同時(shí)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)格式做好規(guī)定，即起始位、停止位、數(shù)據(jù)位、檢驗(yàn)位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。傳輸數(shù)據(jù)格式可以參考常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸模式，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位/7位，停止位1位/2位，校驗(yàn)位1位，檢驗(yàn)位可以選擇奇、偶校驗(yàn)。數(shù)據(jù)傳輸要帶有校驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以采用CRC等校驗(yàn)方式。
保護(hù)類產(chǎn)品繼電器輸出是不能誤動(dòng)作的，繼電器輸出通常用于控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)或信號(hào)傳輸，旦出現(xiàn)誤動(dòng)，影響很大。誤動(dòng)的原因有多種，不符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范而引起的誤動(dòng)；產(chǎn)品抗干擾性不好，受到干擾引起誤動(dòng)。

作為電動(dòng)機(jī)保護(hù)器要符合《GB14048.4低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器》和《JB/T10736—2007低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)者以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，這樣可以減少功能上的偏差帶來(lái)的誤動(dòng)。

由于產(chǎn)品抗干擾性能不好而產(chǎn)生的誤動(dòng)，對(duì)設(shè)計(jì)者有很大的考驗(yàn)。干擾的傳播途徑有很多種，產(chǎn)品供電電源，空間電磁信號(hào)，連接線耦合等，強(qiáng)干擾會(huì)引起產(chǎn)品死機(jī)等工作狀態(tài)不正常。常規(guī)使用看門狗來(lái)保證產(chǎn)品死機(jī)后自動(dòng)復(fù)位的方法，在保護(hù)類產(chǎn)品中并不*適用，通過(guò)看門狗進(jìn)行復(fù)位時(shí)，繼電器會(huì)出現(xiàn)瞬間工作狀態(tài)跳變，很可能造成誤動(dòng)作。

可編程邏輯功能，使用者對(duì)產(chǎn)品需求多種多樣，將使用者的要求分好類，通過(guò)上位機(jī)配置軟件進(jìn)行功能編程。需要有行業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師參與需求功能庫(kù)的建立，通過(guò)時(shí)盡量在硬件上做到通用化，即硬件采用個(gè)平臺(tái)，對(duì)硬件平臺(tái)寫入不同的程序（是指由客戶編制的程序），執(zhí)行不同的功能。部分可編程功能可見圖1～圖5。

4   模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器研發(fā)中遇到的問(wèn)題及解決
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在研發(fā)、測(cè)試中曾遇到如下問(wèn)題：
通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，某些模塊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，分析硬件、協(xié)議發(fā)現(xiàn)出問(wèn)題的模塊在收發(fā)處理時(shí)引起錯(cuò)誤操作，對(duì)收發(fā)處理部分重新更改，解決此問(wèn)題。

環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)模塊出錯(cuò)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)使用的電路中有元件性能達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)，重新設(shè)計(jì)更正后可以通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)。

EMC測(cè)試時(shí)，靜電間接放電試驗(yàn)會(huì)引起芯片復(fù)位，對(duì)測(cè)量?jī)x表可以判為合格，但保護(hù)類產(chǎn)品不能出現(xiàn)這樣的誤動(dòng)。經(jīng)反復(fù)分析、測(cè)試、驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)中存在定問(wèn)題，原設(shè)計(jì)在其它產(chǎn)品中可以正常工作，但在此處參數(shù)上不*相符，對(duì)電路進(jìn)行更正，可以有效通過(guò)靜電測(cè)試。


5   結(jié)束語(yǔ)
模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是國(guó)家科技部項(xiàng)目，設(shè)計(jì)思想新穎，在同行中屬于*，*同行產(chǎn)品在此領(lǐng)域的空白。模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，集測(cè)量、保護(hù)、控制、通訊于身，產(chǎn)品性能安全可靠，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施可靠有效的保護(hù)?？梢苑奖愕奶娲鲜綗崂^電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，可以通過(guò)和接觸器、斷路器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制、保護(hù)等功能?？梢苑奖愕慕尤隤LC、DCS系統(tǒng)。

模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可以作為MCC核心器件使用，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，原需要通過(guò)PLC加外部傳感器、變送器才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以交給模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且模塊式產(chǎn)品帶有定的可編程能力，可以作為設(shè)備級(jí)的中心控制器。模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品如圖6所示。

文章來(lái)源于：《電機(jī)與控制應(yīng)用》2011年第9期。


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