ARD3T智能電動機(jī)保護(hù)器主體與測量模塊設(shè)計原理
0 引言
目前市場中各類電動機(jī)保護(hù)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(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品，但獨立模塊化的產(chǎn)品較少，尤其是國內(nèi)電動機(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，在使用場所需要進(jìn)行功能擴(kuò)展時要拆除主體單元，或通過調(diào)換新產(chǎn)品的方式來實現(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，需要拆除整個產(chǎn)品，這樣不利于現(xiàn)場使用。
ARD3T是模塊式產(chǎn)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(guān)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(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現(xiàn)復(fù)雜功能，添加刪除模塊后，直接對產(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、測量模塊的設(shè)計原理。
1 主體、測量模塊功能介紹
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測量電路、故障記錄等?？商峁┑木幊坦δ苡校簩﹂_關(guān)量輸入、輸出編程、定時器、計數(shù)器、真值表、各種起動方式、保護(hù)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(jié)構(gòu)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線發(fā)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(jī)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(nèi)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(shè)計原理介紹
2.1主體、測量模塊產(chǎn)品特點
常規(guī)電動機(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。互感器模塊為保護(hù)級電流互感器，直接將互感器二次側(cè)信號傳輸給主體模塊，電流采樣處理電路在主體模塊內(nèi)部。這種處理方式設(shè)計簡單，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)工藝有變動時，原產(chǎn)品額定電流設(shè)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(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)電動機(jī)保護(hù)器僅能對開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出進(jìn)行編程，可編程功能較少，不帶有定時器、計數(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方式，不可以現(xiàn)場對起動方式進(jìn)行設(shè)定。
模塊式的ARD3T產(chǎn)品主體與測量模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接，測量模塊供電來自內(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(fā)出報警提示。在實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，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(tài)即可直接進(jìn)行生產(chǎn)。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(shù)的測量。主體和測量模塊之間采用數(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(chǎn)生高壓危險。
與常規(guī)電動機(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)動控制外，還包括各類報警輸出、脫扣輸出、計數(shù)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(xiàn)較復(fù)雜的電機(jī)操作。ARD3T主體同時帶有：保護(hù)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(jī)配置軟件可以直接在不同起動方式間切換，更符合現(xiàn)場使用需求。ARD3T主體帶有模塊擴(kuò)展接口，現(xiàn)場人員通過簡單的外部接線即可實現(xiàn)模塊功能擴(kuò)展。
2.2主體、測量模塊硬件原理
根據(jù)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(guān)量輸入電路、開關(guān)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。
ARD3T模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，即整個產(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，本項目采用開關(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、停止等控制按鈕或作為工藝連鎖使用，現(xiàn)場布線時如將控制線同動力線綁接在一起或線纜鋪設(shè)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(guān)量輸入信號的誤動作，直接影響生產(chǎn)的安全可靠。為此設(shè)計開關(guān)量輸入電路時，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(jù)濾波要求計算電阻、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(jìn)一步保證對開關(guān)量輸入信號檢測的正確性。
2.3 ARD3T電流、電壓測量數(shù)據(jù)
使用2.2中測量電路測量到的電壓、電流數(shù)據(jù)見表1、表2所示，測試時為驗證電路的可靠性測試環(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(jié)果同儀器輸出參數(shù)進(jìn)行比對可知：測量模塊在測試的各種環(huán)境、各類信號下都可以保證測量的準(zhǔn)確性。
|
測試環(huán)境條件 |
數(shù)據(jù)類型 |
儀器輸出參數(shù) | |||
|
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 | |
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