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摘 要： 本文通過介紹上海安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ARD3T模塊式智能電動機(jī)保護(hù)器，在企業(yè)自身和客戶使用上所具有的優(yōu)勢，進(jìn)一步介紹模塊式電動機(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)所遇到的一些問題及處理方法。
關(guān)鍵詞：電動機(jī)保護(hù)器模塊化 內(nèi)部總線 可編程
0 引言
智能電動機(jī)保護(hù)器發(fā)展至今，存在兩種發(fā)展趨勢,一種是：多種功能集成在一個殼體內(nèi)；另一種是：根據(jù)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(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)來看，對企業(yè)有利。功能模塊化，開發(fā)前期投入多，相對前種方式開發(fā)周期會變長，但成功后，后期產(chǎn)品維護(hù)方便，可以消除因功能多少引起生產(chǎn)紊亂，產(chǎn)品使用者進(jìn)行產(chǎn)品升級或改造時(shí)產(chǎn)生停產(chǎn)等不利因素。
1 模塊式電動機(jī)保護(hù)器的優(yōu)勢
1.1 對企業(yè)自身的優(yōu)勢
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，造成客戶對產(chǎn)品的需求往往有所不同，同一類產(chǎn)品功能不同，會引起生產(chǎn)廠家生產(chǎn)上的不同，庫存管理、分類不同，加大企業(yè)自身生產(chǎn)負(fù)擔(dān)。模塊式電動機(jī)保護(hù)器，各模塊功能明確，方便生產(chǎn)，利于存儲。企業(yè)將zui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)上添加對應(yīng)模塊即可，通過搭積木方式實(shí)現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品。在面對客戶多樣化需求時(shí)，優(yōu)勢是不言而喻的。
1.2 對使用者的優(yōu)勢
模塊式電動機(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。需要帶有全面保護(hù)和控制功能，選取基本模塊和所需的模塊進(jìn)行組合。需要帶有全面保護(hù)、控制、通訊、管理分析功能時(shí)，選取基本模塊加多個模塊進(jìn)行組合。
模塊式電動機(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)、功能升級或改造，而引起設(shè)備升級、變動時(shí)，添加、刪減對應(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，模塊式電動機(jī)保護(hù)器會自動報(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 模塊式電動機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)思想
要進(jìn)行模塊式電動機(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)；相對濕度為：zui濕月的月平均相對濕度為90%，同時(shí)該月的平均zui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)中對電動機(jī)保護(hù)器控制功能描述如下：“可具備對電動機(jī)進(jìn)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(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，模塊式電動機(jī)保護(hù)器作為可編程產(chǎn)品，可以通過編程功能自由實(shí)現(xiàn)的起動有：保護(hù)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(guī)起動方式外，模塊式電動保護(hù)器還帶有兩種自起動功能，自起動功能如下：
a)帶有運(yùn)行中的電動機(jī)因失壓或欠壓停車，當(dāng)電源恢復(fù)到允許自起動電壓值后，執(zhí)行立即自起動、延時(shí)自起動、禁止自起動的功能。
b)帶有不考慮停車間隔時(shí)間的長短，產(chǎn)品可根據(jù)掉電前產(chǎn)品記憶的電動機(jī)運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)自起動功
能。
2.3 保護(hù)功能
模塊式電動機(jī)保護(hù)器須具備如下保護(hù)功能：過載保護(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)、起動超時(shí)保護(hù)、過壓保護(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，能承受GB/T 5169.5中嚴(yán)酷等級為20 s的針焰試驗(yàn)。
2.5 模塊劃分
智能型電動機(jī)保護(hù)器具備如下功能：電流、電壓、功率、頻率等電參數(shù)測量；電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承溫度測量；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)測量；溫度測量；模擬量輸入輸出；對電機(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、對外通訊組網(wǎng)、時(shí)鐘、故障記錄、PTC測量等功能。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、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(jī)保護(hù)器*模塊。
測量模塊測量實(shí)現(xiàn)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～。測量用電流互感器需要選取保護(hù)級電流互感器，保護(hù)級電流互感器相對測量級電流互感器過載能力強(qiáng)，通常可以達(dá)到10倍過載不飽和。目前,市場上常用的保護(hù)級電流互感器，精度可以達(dá)到0.5級，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)，采用一體式模塊互感器，當(dāng)大于100A采用外置式電流互感器。電動保護(hù)器的過載、斷相、堵轉(zhuǎn)、過壓、欠壓、欠功率等保護(hù)功能都是通過對電參數(shù)的分析來實(shí)現(xiàn)的，測量模塊也是模塊式電動機(jī)保護(hù)器的*模塊。
溫度模塊通過外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測量?？梢允褂脺囟饶K，對電動機(jī)繞組、軸承的溫度溫度進(jìn)行測量，通過實(shí)測的溫度值，執(zhí)行溫度保護(hù)。還可以通過溫度模塊的測溫功能，對電動機(jī)的冷卻過程進(jìn)行跟蹤，測出實(shí)際冷卻時(shí)間。溫度模塊可以外接三路溫度傳感器，可以通過一個溫度模塊同時(shí)對電機(jī)繞組、軸承進(jìn)行測溫。
模擬量模塊可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場工藝連鎖保護(hù)、測量顯示等情況，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，通過接收判斷上述設(shè)備的信號實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的工業(yè)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(shù)轉(zhuǎn)換為DCS或PLC所需要的模擬量輸出信號，由DCS或PLC執(zhí)行相應(yīng)的操作。
開關(guān)量模塊對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)無法滿足使用者需求時(shí)，通過外加開關(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)場總線有：MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等，通過外加通訊模塊實(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單元和測量模塊組成基本模塊，實(shí)現(xiàn)基本的測量、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。通過選定的通訊接口進(jìn)行模塊互聯(lián)。
3 模塊式電動機(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)議要帶有模塊識別、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、沖突檢測、仲裁等功能。同時(shí)對傳輸數(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)或信號傳輸，一旦出現(xiàn)誤動，影響很大。誤動的原因有多種，不符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范而引起的誤動；產(chǎn)品抗干擾性不好，受到干擾引起誤動。
作為電動機(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)電式接觸器和電動機(jī)起動器》和《JB/T10736—2007低壓電動機(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的誤動。
由于產(chǎn)品抗干擾性能不好而產(chǎn)生的誤動，對設(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，連接線耦合等，強(qiáng)干擾會引起產(chǎn)品死機(jī)等工作狀態(tài)不正常。常規(guī)使用看門狗來保證產(chǎn)品死機(jī)后自動復(fù)位的方法，在保護(hù)類產(chǎn)品中并不*適用，通過看門狗進(jìn)行復(fù)位時(shí)，繼電器會出現(xiàn)瞬間工作狀態(tài)跳變，很可能造成誤動作。
可編程邏輯功能，使用者對產(chǎn)品需求多種多樣，將使用者的要求分好類，通過上位機(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的建立，通過時(shí)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(zhí)行不同的功能。部分可編程功能可見圖1～圖5。
4 模塊式電動機(jī)保護(hù)器研發(fā)中遇到的問題及解決
模塊式電動機(jī)保護(hù)器在研發(fā)、測試中曾遇到如下問題：
通過內(nèi)部總線進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，某些模塊數(shù)據(jù)錯誤，分析硬件、協(xié)議發(fā)現(xiàn)出問題的模塊在收發(fā)處理時(shí)引起錯誤操作，對收發(fā)處理部分重新更改，解決此問題。
環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)模塊出錯，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)更正后可以通過環(huán)境試驗(yàn)。
EMC測試時(shí)，靜電間接放電試驗(yàn)會引起芯片復(fù)位，對測量儀表可以判為合格，但保護(hù)類產(chǎn)品不能出現(xiàn)這樣的誤動。經(jīng)反復(fù)分析、測試、驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)中存在一定問題，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，對電路進(jìn)行更正，可以有效通過靜電測試。
5 結(jié)束語
模塊式電動機(jī)保護(hù)器是國家*項(xiàng)目，設(shè)計(jì)思想新穎，在國內(nèi)同行中屬于*，*了國內(nèi)同行產(chǎn)品在此領(lǐng)域的空白。模塊式電動機(jī)保護(hù)器，集測量、保護(hù)、控制、通訊于一身，產(chǎn)品性能安全可靠，可以對電動機(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)的電動機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，可以通過和接觸器、斷路器配合實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制、保護(hù)等功能?？梢苑奖愕慕尤隤LC、DCS系統(tǒng)。
模塊式電動機(jī)保護(hù)器可以作為MCC核心器件使用，簡化設(shè)計(jì)，原需要通過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機(jī)保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)。并且模塊式產(chǎn)品帶有一定的可編程能力，可以作為設(shè)備級的中心控制器。模塊式電動機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品如圖6所示。
文章來源于：《電機(jī)與控制應(yīng)用》2011年第9期。
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