摘 要： 本文通過介紹上海新米兰体育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(ye) 自身和客戶使用上所具有的優(you) 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。---模塊式電動機保護器設計思想
關(guan) 鍵詞：電動機保護器模塊化 內(nei) 部總線 可編程
0 引言
智能電動機保護器發展至今，存在兩(liang) 種發展趨勢,一種是：多種功能集成在一個(ge) 殼體(ti) 內(nei) ;另一種是：根據功能劃分模塊，通過模塊拚裝滿足各種要求。多種功能在一個(ge) 殼體(ti) 內(nei) 的方式，可以減少開發前期的投入，開發周期短，從(cong) 短期內(nei) 來看，對企業(ye) 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(hui) 變長，但成功後，後期產(chan) 品維護方便，可以消除因功能多少引起生產(chan) 紊亂(luan) ，產(chan) 品使用者進行產(chan) 品升級或改造時產(chan) 生停產(chan) 等不利因素。
1 模塊式電動機保護器的優(you) 勢
1.1 對企業(ye) 自身的優(you) 勢
客戶的需**多樣化的，產(chan) 品使用環境不同、實際生產(chan) 工藝不同，造成客戶對產(chan) 品的需求往往有所不同，同一類產(chan) 品功能不同，會(hui) 引起生產(chan) 廠家生產(chan) 上的不同，庫存管理、分類不同，加大企業(ye) 自身生產(chan) 負擔。模塊式電動機保護器，各模塊功能明確，方便生產(chan) ，利於(yu) 存儲(chu) 。企業(ye) 將基本的保護功能作為(wei) 基本模塊，其它**保護、控製、通訊功能作為(wei) 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(chan) 品。在麵對客戶多樣化需求時，優(you) 勢是不言而喻的。
1.2 對使用者的優(you) 勢
模塊式電動機保護器適用範圍廣，使用者根據自身需要選取產(chan) 品，使用者隻需要常規過載、斷相等常規保護功能時選取基本模塊即可。需要帶有**保護和控製功能，選取基本模塊和所需的模塊進行組合。需要帶有**保護、控製、通訊、管理分析功能時，選取基本模塊加多個(ge) 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(chan) 中發現需要更多功能時，添加模塊即可。當使用者遇到係統、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(chan) 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(hui) 自動報出具體(ti) 模塊故障，使用者隻需更換故障模塊，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(chan) 品使用環境，模塊種類，以及劃分的依據。
2.1 產(chan) 品使用環境
作為(wei) 保護類產(chan) 品，要明確產(chan) 品的正常工作環境。根據標準，環境溫度可選位為(wei) ：-10 ℃ ～+55 ℃，此溫度可以滿足絕大多數產(chan) 品的使用環境;大氣壓力為(wei) ：80 kPa～110 kPa(海拔2000 m以下);相對濕度為(wei) ：濕月的月平均相對濕度為(wei) 90%，同時該月的平均溫度為(wei) 25 ℃，並且在產(chan) 品上不應出現凝露;使用環境不應有腐蝕、破壞絕緣的氣體(ti) 及導電介質，對於(yu) 使用環境內(nei) 有火災、爆炸危險的介質、產(chan) 品應有防爆措施。戶內(nei) 產(chan) 品的使用環境應有防禦雨、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(wei) 額定值的85%～110%。
2.2 控製功能
標準中對電動機保護器控製功能描述如下：“可具備對電動機進行直接起動、可逆(雙向)控製、各種減壓起動和雙速控製的控製功能”。由此可見標準將控製功能作為(wei) 非標配功能處理，實際客戶使用時可以隻將保護器當作保護元件使用，模塊式電動機保護器作為(wei) 可編程產(chan) 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(liang) 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，當電源恢複到允許自起動電壓值後，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(chan) 品可根據掉電前產(chan) 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(chan) 品著火危險防護
工業(ye) 類產(chan) 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(yan) 酷等級為(wei) 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(guan) 量輸入、輸出;工藝連鎖;各類保護功能;通訊組網等功能。從(cong) 上述功能描述上看，功能可總結為(wei) ：電參數測量;溫度測量;模擬量輸入輸出;對電機保護、控製;通訊功能幾方麵。
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(guan) 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(guan) 量輸入、開關(guan) 量輸出功能、對外通訊組網、時鍾、故障記錄、PTC測量等功能。開關(guan) 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。電流範圍為(wei) 0.4A至800A，電壓為(wei) 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，通常可以達到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(chan) 品中使用，效果很好。電機電流小於(yu) 等於(yu) 100A時，采用一體(ti) 式模塊互感器，當大於(yu) 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(chuan) 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跟蹤，測出實際冷卻時間。溫度模塊可以外接三路溫度傳(chuan) 感器，可以通過一個(ge) 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(chuan) 感器、角度傳(chuan) 感器、位置傳(chuan) 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(ye) 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(wei) 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(guan) 量模塊對CPU單元的開關(guan) 量進行擴展，當CPU單元的開關(guan) 量點數無法滿足使用者需求時，通過外加開關(guan) 量模塊實現產(chan) 品開關(guan) 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(yu) PROFIBUS、DEVICENET等通訊網絡進行通訊。采用專(zhuan) 用通訊模塊來實現，產(chan) 品在多種通訊網絡中使用，使的產(chan) 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、控製功能，其它模塊作為(wei) 選配模塊，由基本模塊加選配模塊實現複雜功能。
2.7 模塊互聯
模塊互聯直接影響到產(chan) 品的可靠性。數據交換的處理是產(chan) 品穩定工作的關(guan) 鍵，常用的通訊接口SPI、IIC、UART、CAN 等，都有自身的特點與(yu) 局限性。根據產(chan) 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，用於(yu) 模塊數據通訊處理。此套協議要帶有模塊識別、數據傳(chuan) 送、數據校驗、衝(chong) 突檢測、仲裁等功能。同時對傳(chuan) 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(chuan) 輸數據格式可以參考常規數據傳(chuan) 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(chuan) 輸要帶有校驗數據，可以采用CRC等校驗方式。
保護類產(chan) 品繼電器輸出是不能誤動作的，繼電器輸出通常用於(yu) 控製電機運行狀態或信號傳(chuan) 輸，一旦出現誤動，影響很大。誤動的原因有多種，不符合標準的規範而引起的誤動;產(chan) 品抗幹擾性不好，受到幹擾引起誤動。
作為(wei) 電動機保護器要符合《GB14048.4低壓開關(guan) 設備和控製設備 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(guan) 標準作為(wei) 設計依據，這樣可以減少功能上的偏差帶來的誤動。
由於(yu) 產(chan) 品抗幹擾性能不好而產(chan) 生的誤動，對設計者有很大的考驗。幹擾的傳(chuan) 播途徑有很多種，產(chan) 品供電電源，空間電磁信號，連接線耦合等，強幹擾會(hui) 引起產(chan) 品死機等工作狀態不正常。常規使用看門狗來保證產(chan) 品死機後自動複位的方法，在保護類產(chan) 品中並不完全適用，通過看門狗進行複位時，繼電器會(hui) 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(chan) 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(ye) 經驗豐(feng) 富的工程師參與(yu) 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(ge) 平台，對硬件平台寫(xie) 入不同的程序(是指由客戶編製的程序)，執行不同的功能。部分可編程功能可見圖1～圖5。
4 模塊式電動機保護器研發中遇到的問題及解決(jue)
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(nei) 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(jue) 此問題。
環境試驗時，發現會(hui) 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，重新設計更正後可以通過環境試驗。
EMC測試時，靜電間接放電試驗會(hui) 引起芯片複位，對測量儀(yi) 表可以判為(wei) 合格，但保護類產(chan) 品不能出現這樣的誤動。經反複分析、測試、驗證後發現電路設計中存在一定問題，原設計在其它產(chan) 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(nei) 同行中屬於(yu) 開創，填補了國內(nei) 同行產(chan) 品在此領域的空白。模塊式電動機保護器，集測量、保護、控製、通訊於(yu) 一身，產(chan) 品性能**可靠，可以對電動機實施可靠的保護。可以方便的替代老式熱繼電器、溫度繼電器等傳(chuan) 統的電動機保護產(chan) 品，可以通過和接觸器、斷路器配合實現對電動機的控製、保護等功能。可以方便的接入PLC、DCS係統。
模塊式電動機保護器可以作為(wei) MCC核心器件使用，簡化設計，原需要通過PLC加外部傳(chuan) 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。並且模塊式產(chan) 品帶有一定的可編程能力，可以作為(wei) 設備級的中心控製器。模塊式電動機保護器產(chan) 品如圖6所示。
文章來源於(yu) ：《電機與(yu) 控製應用》2011年第9期。
參考文獻
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作者簡介：
師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為(wei) 智能建築供配電監控係統
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