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。
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。
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。
|
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 | |
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