ARD3T智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器主體與測(cè)量模塊設(shè)計(jì)原理

趙波¹，胡景泰²，黃文濤³
（1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801；2. 上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，
上海 ，200063；3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）

摘 要：為了彌補(bǔ)國內(nèi)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器行業(yè)沒有完全模塊式產(chǎn)品的空白，給出一種模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3T的主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方法。按照功能進(jìn)行模塊劃分，各模塊利用內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過內(nèi)部總線進(jìn)行模塊供電。給出主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方法、典型硬件原理圖，指出設(shè)計(jì)中所要注意的事項(xiàng)。給出各種環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)，最后進(jìn)一步給出了產(chǎn)品采用的抗干擾處理措施，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的正確性和合理性，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念更符合未來市場(chǎng)的需求

0 引言
        目前市場(chǎng)中各類電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置種類繁多，從簡(jiǎn)單的電子式熱繼電器到高端的多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品，但獨(dú)立模塊化的產(chǎn)品較少，尤其是國內(nèi)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器生產(chǎn)廠家沒有真正意義上的模塊式產(chǎn)品。通常國內(nèi)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器將全部功能集中在主體內(nèi)，這類產(chǎn)品的功能模塊是線路板式模塊，只適用于工廠內(nèi)部生產(chǎn)使用，在使用場(chǎng)所需要進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)要拆除主體單元，或通過調(diào)換新產(chǎn)品的方式來實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，如果線路板上某一功能發(fā)生故障需要進(jìn)行維修時(shí)，需要拆除整個(gè)產(chǎn)品，這樣不利于現(xiàn)場(chǎng)使用。
        ARD3T是模塊式產(chǎn)品，有如下幾種模塊：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、主體模塊。由主體和測(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，添加刪除模塊后，直接對(duì)產(chǎn)品組態(tài)即可投入使用，不需返廠，利于生產(chǎn)使用，本文主要介紹主體、測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)原理。
1  主體、測(cè)量模塊功能介紹
        主體模塊是ARD3T的大腦，協(xié)調(diào)各模塊工作，對(duì)各模塊的信息進(jìn)行分析、判斷、處理。主體帶有的硬件資源有：開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、Rs485通訊電路、PTC測(cè)量電路、故障記錄等?？商峁┑木幊坦δ苡校簩?duì)開關(guān)量輸入、輸出編程、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、真值表、各種起動(dòng)方式、保護(hù)動(dòng)作、4～20mA變送輸出等。
        測(cè)量模塊完成電流、電壓、剩余電流測(cè)量，將測(cè)量結(jié)構(gòu)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線發(fā)送給主體。測(cè)量模塊電流測(cè)量范圍為0.4A至800A，電壓為AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流為50mA～5A、3A～30A。電機(jī)電流小于等于100A時(shí)，采用一體式互感器模塊（互感器安裝于測(cè)量模塊內(nèi)部），大于100A時(shí)采用外置式電流互感器+測(cè)量模塊。

2 主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)原理介紹
        2.1主體、測(cè)量模塊產(chǎn)品特點(diǎn)
        常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品的組成通常包括：互感器模塊、主體模塊、顯示模塊?；ジ衅髂K為保護(hù)級(jí)電流互感器，直接將互感器二次側(cè)信號(hào)傳輸給主體模塊，電流采樣處理電路在主體模塊內(nèi)部。這種處理方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但有以下不足：每種電流規(guī)格的互感器模塊和主體模塊是一一對(duì)應(yīng)的，如果客戶更換了使用的電機(jī)或生產(chǎn)工藝有變動(dòng)時(shí)，原產(chǎn)品額定電流設(shè)定不能滿足要求時(shí)，需要將互感器、主體兩部分返廠重新更換；互感器模塊出現(xiàn)故障后，主體無法給出提示；互感器模塊沒有與主體連接或連接不可靠，二次側(cè)開路產(chǎn)生的高壓。大多數(shù)常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器僅能對(duì)開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出進(jìn)行編程，可編程功能較少，不帶有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、真值表功能，無法進(jìn)行相關(guān)的編程，通常只帶有一種起動(dòng)方式，不可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)起動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)定。
        模塊式的ARD3T產(chǎn)品主體與測(cè)量模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接，測(cè)量模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，通過內(nèi)部通訊協(xié)議主體可自動(dòng)識(shí)別測(cè)量模塊種類，主體模塊檢測(cè)到測(cè)量模塊有故障時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示。在實(shí)際使用因各種原因而需要更換電機(jī)，并且新電機(jī)的額定電流、功率等參數(shù)不在原保護(hù)器參數(shù)可設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，只需更換ARD3T測(cè)量模塊，主體模塊不必更改，新的測(cè)量模塊與主體連接后，通過重新組態(tài)即可直接進(jìn)行生產(chǎn)。測(cè)量模塊本身帶有CPU單元和信號(hào)采樣處理電路，用于完成電參數(shù)的測(cè)量。主體和測(cè)量模塊之間采用數(shù)字方式進(jìn)行通信，信息傳送可靠，主體和測(cè)量模塊間沒有通過連接線連接時(shí)，測(cè)量模塊與主體接口不會(huì)產(chǎn)生高壓危險(xiǎn)。 
        與常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器相比，ARD3T主體模塊開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出可編程功能除常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制外，還包括各類報(bào)警輸出、脫扣輸出、計(jì)數(shù)器輸出、定時(shí)器輸出、真值表輸出、通訊輸出等，可以通過可編程功能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的電機(jī)操作。ARD3T主體同時(shí)帶有：保護(hù)模式、直接起動(dòng)、雙向起動(dòng)、星三角起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、雙速單繞組起動(dòng)、雙速雙繞組起動(dòng)等起動(dòng)方式，通過液晶或上位機(jī)配置軟件可以直接在不同起動(dòng)方式間切換，更符合現(xiàn)場(chǎng)使用需求。ARD3T主體帶有模塊擴(kuò)展接口，現(xiàn)場(chǎng)人員通過簡(jiǎn)單的外部接線即可實(shí)現(xiàn)模塊功能擴(kuò)展。

        2.2主體、測(cè)量模塊硬件原理
        根據(jù)主體、測(cè)量模塊的功能可知：主體模塊硬件上必須能提供如下功能：電源、開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、PTC測(cè)量電路、通訊處理電路、CPU單元等；測(cè)量模塊上必須具備電壓、電流、剩余電流采樣電路、信號(hào)處理電路、CPU單元、通訊電路等。主體、測(cè)量模塊硬件框圖如圖1、圖2所示。

圖1 主體硬件框圖

Fig.1 main module hardware block diagram

     圖2 測(cè)量模塊硬件框圖

Fig.2 measurement module hardware block diagram

        ARD3T模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，即整個(gè)產(chǎn)品供電全部來源于主體的電源部分，主體電源穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品的可靠性。開關(guān)電源具有效率高、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目采用開關(guān)電源作為主體電源，電源采用PI公司的TENY系列芯片。
        主體開關(guān)量輸入用于外接起動(dòng)、停止等控制按鈕或作為工藝連鎖使用，現(xiàn)場(chǎng)布線時(shí)如將控制線同動(dòng)力線綁接在一起或線纜鋪設(shè)時(shí)不注意分層處理，連接線過長(zhǎng)且不使用屏蔽電纜，都會(huì)容易引起開關(guān)量輸入信號(hào)的誤動(dòng)作，直接影響生產(chǎn)的安全可靠。為此設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入電路時(shí)，要有相應(yīng)的抗干擾處理措施，使電路有強(qiáng)抗干擾能力，ARD3T開關(guān)量輸入信號(hào)電路見圖3所示，電阻R71、R94為限流電阻同時(shí)通電容C31組成第一級(jí)濾波電路，根據(jù)濾波要求計(jì)算電阻、電容參數(shù)，二極管D1為TVS管，有兩中作用：一是用于誤接保護(hù)；另一是作為第二級(jí)濾波使用。U12為光耦用于信號(hào)隔離，電容C35為光耦后級(jí)的濾波電容，可以消除高頻脈沖信號(hào)，進(jìn)一步保證對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)檢測(cè)的正確性。

圖3 開關(guān)量輸入電路

Fig.3 Switching input circuit

主體開關(guān)量輸出用于控制接觸器、中間繼電器、信號(hào)輸出（運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)等），開關(guān)量輸出信號(hào)的正確性同樣影響著生產(chǎn)的可靠性。設(shè)計(jì)開關(guān)量輸出電路時(shí)，首先選好繼電器，通常我們最關(guān)心的參數(shù)有：觸點(diǎn)負(fù)載、最大切換電壓、最大切換功率、最大切換電流、浪涌電壓、介電電壓等。這些參數(shù)在技術(shù)手冊(cè)上都可以查到，但手冊(cè)上給出的“觸點(diǎn)負(fù)載”通常指的是純阻性負(fù)載，實(shí)際使用中的負(fù)載以感性居多，帶感性負(fù)載時(shí)觸點(diǎn)容量需要乘以相應(yīng)的降容系數(shù)才是我們所需要的數(shù)值，如果無法知道確切的降容系數(shù)，可以通過繼電器試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。ARD3T開關(guān)量輸出電路如圖4所示，圖4中C44、C20、R10、R11組成濾波、限流電路，防止外部干擾引起繼電器輸出誤動(dòng)作，同時(shí)R10、R11組成分壓電路同樣可以吸收小的脈沖干擾信號(hào)；D6為續(xù)流二極管，用于釋放繼電器關(guān)斷時(shí)線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)。

        ARD3T主體帶有RS485通訊電路，通訊協(xié)議為MODBUS，通訊電路原理如圖5所示，本電路的巧妙之處在于數(shù)據(jù)收發(fā)直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節(jié)省CPU資源簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。RS485通訊電路設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)通訊最高波特率選取光耦，最高波特率為38400時(shí)，通常選

圖4 開關(guān)量輸出電路

Fig.4 Switching output circuit

        取6N137、TLP115等高速光耦。最高波特率為9600/19200時(shí)，可以使用TLP181等常規(guī)光耦，但要注意電阻值R56、R6、R3、R4的參數(shù)匹配，否則在高低溫測(cè)試時(shí)，通訊線長(zhǎng)度為1200米時(shí)，通訊可靠性將降低。                        

圖5 通訊電路

Fig.5 Communication circuit

        測(cè)量模塊作為ARD3T必備模塊之一，負(fù)責(zé)完成電流、電壓、剩余電流、頻率、功率的測(cè)量，并及時(shí)的將計(jì)算結(jié)果通過內(nèi)部總線傳送給主體模塊。測(cè)量模塊采用交流采樣的真有效值算法完成對(duì)電流、電壓、剩余電流的測(cè)量，真有效值在信號(hào)有畸變的情況下可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

        電流、電壓、剩余電流測(cè)量都是對(duì)模擬信號(hào)的測(cè)量，硬件設(shè)計(jì)中原理是相同的，都有以下組成：信號(hào)采樣電路、濾波電路、信號(hào)放大電路、A/D電路。電流信號(hào)采樣通過互感器進(jìn)行隔離，通過取樣電阻取電流互感器二次側(cè)信號(hào)，電壓信號(hào)是通過電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，取樣電阻需要選取精度高、溫漂系數(shù)好的金屬膜電阻。濾波和信號(hào)放大電路一起構(gòu)成了信號(hào)處理電路，鑒于RC低通濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、能耐受較大過載和浪涌沖擊等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)中濾波電路采用了RC低通濾波電路。RC濾波電路濾除的信號(hào)頻率與采樣頻率有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率一半以上的信號(hào)濾除。

測(cè)量模塊信號(hào)處理電路見圖6所示。圖中RB5為取樣電阻，完成信號(hào)采樣，R15、C19組成RC濾波；Q3為保護(hù)電路，防止大信號(hào)輸入，引起后極芯片損壞，U3B實(shí)現(xiàn)信號(hào)反向放大，輸出信號(hào)給后極AD使用。

測(cè)量模塊測(cè)量的電流、電壓頻率通常都是工頻頻率，當(dāng)頻率有偏離工頻頻率時(shí)仍按工頻頻率進(jìn)行測(cè)量會(huì)引起較大測(cè)量誤差，為此ARD3T測(cè)量模塊采用頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤，可跟蹤范圍為45Hz～65Hz，頻率跟蹤的基礎(chǔ)是頻率測(cè)量，頻率測(cè)量可以分為軟件測(cè)頻、硬件測(cè)頻兩種方法，硬件測(cè)頻最常用的方法是硬件鎖相環(huán)，軟件測(cè)頻常用的方法有最小二乘法、牛頓類算法、離散卡爾曼濾波算法，離散傅氏算法及其改進(jìn)算法，正交去調(diào)制法等。各種測(cè)頻方法都有其自身的特點(diǎn)，ARD3T測(cè)頻是通過硬件上使用滯回比較器，軟件上對(duì)滯回比較器輸出計(jì)時(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。在純正弦波的信號(hào)時(shí)，測(cè)頻容易實(shí)現(xiàn)，但有諧波干擾時(shí)仍保證頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性有一定的難度，ARD3T測(cè)頻的硬件電路帶有滯回比較功能，可以保證頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖6 測(cè)量信號(hào)處理電路

Fig.6 Signal acquisition amplifier

        2.3 ARD3T電流、電壓測(cè)量數(shù)據(jù)
        使用2.2中測(cè)量電路測(cè)量到的電壓、電流數(shù)據(jù)見表1、表2所示，測(cè)試時(shí)為驗(yàn)證電路的可靠性測(cè)試環(huán)境分為常溫常濕（+25℃，60%濕度）、低溫（-20℃）、高溫高濕（+65℃，95%濕度），三種環(huán)境溫度，信號(hào)分為工頻無諧波的純正弦信號(hào)、工頻有諧波的信號(hào)、45Hz/65正弦信號(hào)、45Hz/65有諧波信號(hào)，將各種情況下的測(cè)量結(jié)果同儀器輸出參數(shù)進(jìn)行比對(duì)可知：測(cè)量模塊在測(cè)試的各種環(huán)境、各類信號(hào)下都可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

 3 ARD3T主體、測(cè)量模塊抗干擾措施

        ARD3T主體、測(cè)量模塊中設(shè)計(jì)時(shí)，采用了多種軟硬件抗干擾處理措施。硬件中在電源部分設(shè)計(jì)有共模電感、X電容、差模電感組成的濾波器電路，通過該電路可以使產(chǎn)品通過4級(jí)電快速脈沖群試驗(yàn)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)有專用的浪涌保護(hù)電路，可以保證產(chǎn)品通過4級(jí)浪涌測(cè)試；開關(guān)量輸入處添加必要的濾波電路可以有效地防止干擾信號(hào)引起的開關(guān)量誤導(dǎo)通；信號(hào)處理芯片管腳處加入合理的保護(hù)電路，防止異常信號(hào)造成芯片損壞；信號(hào)處理電路處設(shè)計(jì)合理的濾波電路有效的衰減了高頻干擾引起的測(cè)量誤差；測(cè)量軟件中加入數(shù)字濾波技術(shù)，可以很好的保證測(cè)量準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語
        隨著電動(dòng)機(jī)保護(hù)器使用的普及，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求在不斷變化，產(chǎn)品的研發(fā)要著眼于未來市場(chǎng)的發(fā)展，ARD3T電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是在總結(jié)市場(chǎng)發(fā)展方向，結(jié)合本身原產(chǎn)品的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上而推出的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、功能可靠，更符合未來市場(chǎng)的需求。ARD3T電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中不僅可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，還可替代各種指針式電量表、信號(hào)燈、電量變送器等常規(guī)元件，還可以作為MCC的核心元件完成一定的邏輯運(yùn)算，簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)控制電路，在現(xiàn)場(chǎng)可任意添加、刪除產(chǎn)品模塊，使用方便，更符合未來市場(chǎng)需求。

文章來源于：《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制》2012年12期。

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作者簡(jiǎn)介：

  趙波 (1982-), 男，工程師，本科，從事電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器研究.