ARD3T智能電動機保護器主體與測量模塊設計原理

0 引言
目前市場中各類電動機保護裝置種類繁多，從簡單的電子式熱繼電器到高端的多功能、智能化、網絡化產品，但獨立模塊化的產品較少，尤其是國內電動機保護器生產廠家沒有真正意義上的模塊式產品。通常國內電動機保護器將全部功能集中在主體內，這類產品的功能模塊是線路板式模塊，只適用于工廠內部生產使用，在使用場所需要進行功能擴展時要拆除主體單元，或通過調換新產品的方式來實現功能擴展，如果線路板上某一功能發生故障需要進行維修時，需要拆除整個產品，這樣不利于現場使用。
ARD3T是模塊式產品，有如下幾種模塊：測量模塊、溫度模塊、模擬量模塊、通訊模塊、開關量模塊、顯示模塊、主體模塊。由主體和測量模塊組成基本模塊，實現基本的測量、保護、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現復雜功能，添加刪除模塊后，直接對產品組態即可投入使用，不需返廠，利于生產使用，本文主要介紹主體、測量模塊的設計原理。
1 主體、測量模塊功能介紹
主體模塊是ARD3T的大腦，協調各模塊工作，對各模塊的信息進行分析、判斷、處理。主體帶有的硬件資源有：開關量輸入、開關量輸出、Rs485通訊電路、PTC測量電路、故障記錄等。可提供的編程功能有：對開關量輸入、輸出編程、定時器、計數器、真值表、各種起動方式、保護動作、4～20mA變送輸出等。
測量模塊完成電流、電壓、剩余電流測量，將測量結構通過內部數據總線發送給主體。測量模塊電流測量范圍為0.4A至800A，電壓為AC380V、AC660V，頻率45Hz～65Hz，漏電流為50mA～5A、3A～30A。電機電流小于等于100A時，采用一體式互感器模塊（互感器安裝于測量模塊內部），大于100A時采用外置式電流互感器+測量模塊。

2 主體、測量模塊設計原理介紹
2.1主體、測量模塊產品特點
常規電動機保護器產品的組成通常包括：互感器模塊、主體模塊、顯示模塊。互感器模塊為保護級電流互感器，直接將互感器二次側信號傳輸給主體模塊，電流采樣處理電路在主體模塊內部。這種處理方式設計簡單，但有以下不足：每種電流規格的互感器模塊和主體模塊是一一對應的，如果客戶更換了使用的電機或生產工藝有變動時，原產品額定電流設定不能滿足要求時，需要將互感器、主體兩部分返廠重新更換；互感器模塊出現故障后，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，二次側開路產生的高壓。大多數常規電動機保護器僅能對開關量輸入、開關量輸出進行編程，可編程功能較少，不帶有定時器、計數器、真值表功能，無法進行相關的編程，通常只帶有一種起動方式，不可以現場對起動方式進行設定。
模塊式的ARD3T產品主體與測量模塊通過內部數據總線連接，測量模塊供電來自內部數據總線，通過內部通訊協議主體可自動識別測量模塊種類，主體模塊檢測到測量模塊有故障時，自動發出報警提示。在實際使用因各種原因而需要更換電機，并且新電機的額定電流、功率等參數不在原保護器參數可設定范圍內時，只需更換ARD3T測量模塊，主體模塊不必更改，新的測量模塊與主體連接后，通過重新組態即可直接進行生產。測量模塊本身帶有CPU單元和信號采樣處理電路，用于完成電參數的測量。主體和測量模塊之間采用數字方式進行通信，信息傳送可靠，主體和測量模塊間沒有通過連接線連接時，測量模塊與主體接口不會產生高壓危險。
與常規電動機保護器相比，ARD3T主體模塊開關量輸入、開關量輸出可編程功能除常規的運動控制外，還包括各類報警輸出、脫扣輸出、計數器輸出、定時器輸出、真值表輸出、通訊輸出等，可以通過可編程功能實現較復雜的電機操作。ARD3T主體同時帶有：保護模式、直接起動、雙向起動、星三角起動、自耦降壓起動、雙速單繞組起動、雙速雙繞組起動等起動方式，通過液晶或上位機配置軟件可以直接在不同起動方式間切換，更符合現場使用需求。ARD3T主體帶有模塊擴展接口，現場人員通過簡單的外部接線即可實現模塊功能擴展。

2.2主體、測量模塊硬件原理
根據主體、測量模塊的功能可知：主體模塊硬件上必須能提供如下功能：電源、開關量輸入電路、開關量輸出電路、PTC測量電路、通訊處理電路、CPU單元等；測量模塊上必須具備電壓、電流、剩余電流采樣電路、信號處理電路、CPU單元、通訊電路等。主體、測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 測量模塊硬件框圖

Fig.2 measurement module hardware block diagram

ARD3T模塊供電來自內部數據總線，即整個產品供電全部來源于主體的電源部分，主體電源穩定性決定了產品的可靠性。開關電源具有效率高、適用范圍寬等優點，本項目采用開關電源作為主體電源，電源采用PI公司的TENY系列芯片。
主體開關量輸入用于外接起動、停止等控制按鈕或作為工藝連鎖使用，現場布線時如將控制線同動力線綁接在一起或線纜鋪設時不注意分層處理，連接線過長且不使用屏蔽電纜，都會容易引起開關量輸入信號的誤動作，直接影響生產的安全可靠。為此設計開關量輸入電路時，要有相應的抗干擾處理措施，使電路有強抗干擾能力，ARD3T開關量輸入信號電路見圖3所示，電阻R71、R94為限流電阻同時通電容C31組成第一級濾波電路，根據濾波要求計算電阻、電容參數，二極管D1為TVS管，有兩中作用：一是用于誤接保護；另一是作為第二級濾波使用。U12為光耦用于信號隔離，電容C35為光耦后級的濾波電容，可以消除高頻脈沖信號，進一步保證對開關量輸入信號檢測的正確性。

圖3 開關量輸入電路

Fig.3 Switching input circuit

主體開關量輸出用于控制接觸器、中間繼電器、信號輸出（運行信號、故障信號等），開關量輸出信號的正確性同樣影響著生產的可靠性。設計開關量輸出電路時，首先選好繼電器，通常我們最關心的參數有：觸點負載、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。這些參數在技術手冊上都可以查到，但手冊上給出的“觸點負載”通常指的是純阻性負載，實際使用中的負載以感性居多，帶感性負載時觸點容量需要乘以相應的降容系數才是我們所需要的數值，如果無法知道確切的降容系數，可以通過繼電器試驗進行實測。ARD3T開關量輸出電路如圖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作，同時R10、R11組成分壓電路同樣可以吸收小的脈沖干擾信號；D6為續流二極管，用于釋放繼電器關斷時線圈產生的自感電動勢。

ARD3T主體帶有RS485通訊電路，通訊協議為MODBUS，通訊電路原理如圖5所示，本電路的巧妙之處在于數據收發直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節省CPU資源簡化程序設計。RS485通訊電路設計時要根據通訊最高波特率選取光耦，最高波特率為38400時，通常選

圖4 開關量輸出電路

Fig.4 Switching output circuit

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

圖5 通訊電路

Fig.5 Communication circuit

測量模塊作為ARD3T必備模塊之一，負責完成電流、電壓、剩余電流、頻率、功率的測量，并及時的將計算結果通過內部總線傳送給主體模塊。測量模塊采用交流采樣的真有效值算法完成對電流、電壓、剩余電流的測量，真有效值在信號有畸變的情況下可以保證測量的準確性。

電流、電壓、剩余電流測量都是對模擬信號的測量，硬件設計中原理是相同的，都有以下組成：信號采樣電路、濾波電路、信號放大電路、A/D電路。電流信號采樣通過互感器進行隔離，通過取樣電阻取電流互感器二次側信號，電壓信號是通過電阻分壓的方式實現信號采集，取樣電阻需要選取精度高、溫漂系數好的金屬膜電阻。濾波和信號放大電路一起構成了信號處理電路，鑒于RC低通濾波電路具有結構簡單、可靠性高、能耐受較大過載和浪涌沖擊等優點，電路設計中濾波電路采用了RC低通濾波電路。RC濾波電路濾除的信號頻率與采樣頻率有關，設計時將采樣頻率一半以上的信號濾除。

測量模塊信號處理電路見圖6所示。圖中RB5為取樣電阻，完成信號采樣，R15、C19組成RC濾波；Q3為保護電路，防止大信號輸入，引起后極芯片損壞，U3B實現信號反向放大，輸出信號給后極AD使用。

測量模塊測量的電流、電壓頻率通常都是工頻頻率，當頻率有偏離工頻頻率時仍按工頻頻率進行測量會引起較大測量誤差，為此ARD3T測量模塊采用頻率跟蹤技術進行頻率自動跟蹤，可跟蹤范圍為45Hz～65Hz，頻率跟蹤的基礎是頻率測量，頻率測量可以分為軟件測頻、硬件測頻兩種方法，硬件測頻最常用的方法是硬件鎖相環，軟件測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算法，正交去調制法等。各種測頻方法都有其自身的特點，ARD3T測頻是通過硬件上使用滯回比較器，軟件上對滯回比較器輸出計時的方法來實現頻率測量。在純正弦波的信號時，測頻容易實現，但有諧波干擾時仍保證頻率測量的準確性有一定的難度，ARD3T測頻的硬件電路帶有滯回比較功能，可以保證頻率測量的準確性。

圖6 測量信號處理電路

Fig.6 Signal acquisition amplifier

2.3 ARD3T電流、電壓測量數據
使用2.2中測量電路測量到的電壓、電流數據見表1、表2所示，測試時為驗證電路的可靠性測試環境分為常溫常濕（+25℃，60%濕度）、低溫（-20℃）、高溫高濕（+65℃，95%濕度），三種環境溫度，信號分為工頻無諧波的純正弦信號、工頻有諧波的信號、45Hz/65正弦信號、45Hz/65有諧波信號，將各種情況下的測量結果同儀器輸出參數進行比對可知：測量模塊在測試的各種環境、各類信號下都可以保證測量的準確性。

表1 測量模塊實測數據1

Tab.1 measured data 1 measurement module

測試環境條件	數據類型	儀器輸出參數
		I=25A U=380V F=50Hz 諧波無	I=100A U=380V F=50Hz 諧波無	I=100A U=380V F=45Hz 諧波無	I=25A U=380V F=65Hz 諧波無
+25℃，60%濕度	Ia	25.00	100.0	100.0	25.00
	Ib	25.00	99.9	99.9	25.00
	Ic	24.98	100.0	100.0	24.98
	Uab	379.9	379.9	379.8	380.0
	Ubc	379.8	379.8	379.8	379.8
	Uca	380.0	380.0	380.0	380.0
+65℃，95%濕度	Ia	24.92	99.9	99.9	24.93
	Ib	24.92	99.8	99.8	24.93
	Ic	24.93	99.9	99.9	24.93
	Uab	379.9	380.0	379.9	379.9
	Ubc	380.0	379.8	379.8	379.8
	Uca	379.8	380.0	380.0	380.0
-20℃	Ia	25.17	100.1	100.1	25.16
	Ib	25.16	100.2	100.1	25.16
	Ic	25.15	100.2	100.1	25.16
	Uab	381.6	381.8	381.6	381.8
	Ubc	381.7	381.7	381.6	381.8
	Uca	381.6	381.5	381.6	381.8

表2 測量模塊實測數據2

Tab.1 measured data 2 measurement module

測試環境條件	數據類型	儀器輸出參數
		I=25A； U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=45Hz	I=25A U=380V F=65Hz
		諧波（1-31次組合，最大40%）
+25℃，60%濕度	Ia	24.98	100.0	100.0	25.00
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