ard3t智能电动机保护器主体与测量模块设计原理20110718(修改版) 2

ard3t智能电动机保护器主体与测量模块设计原理20110718(修改版) 2 ARD3T智能电动机保护器主体与测量模块设计原理 温刚 摘 要:为了弥补国内电动机保护器行业没有完全模块式产品的空白，给出一种模块式电动机保护器ARD3T的主体、测量 模块设计方法。按照功能进行模块划分，各模块利用内部数据总线进行数据传输，通过内部总线进行模块供电。给出主体、 测量模块设计方法、典型硬件原理图，指出设计中所要注意的事项。给出各种环境下的测试数据，最后进一步给出了产品采 用的抗干扰处理措施，测试结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明设计的正确性和合理性，产品的设计思想、设计理念更符合未来市场的需求 关键词:ARD3T 电动机保护器 模块 the design principle of ARD3T motor protector and measurement modules 123ZHAO Bo, HU Jing-tai , HUANG Wen-tao (1.Shanghai Acrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. Jiangsu Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405,China) Abstract: To full in the gap that the domestic motor protector industry has not fully modular products, this gives the main body and measurement module design method of ARD3T motor protector. ARD3T consists of several modules, Which are divided according to the product function. Each module uses internal data bus ro ralize data transmission and power supply. Design methods and typical hardware schematics of the mail body and measurement module are proposed,and the precautions in the design are pointed out. Test data under varous environments are given,and anti-jamming measures used by the product are provided further at the end of this paper.The test results show the correctness and rationality of the design method.The design concept is more in line with future needs of the market. Key words: ARD3T,motor protector;module 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: 量模块、温度模块、模拟量模块、通讯模块、开0 引言 关量模块、显示模块、主体模块。由主体和测量 目前市场中各类电动机保护装置种类繁多，模块组成基本模块，实现基本的测量、保护、控 从简单的电子式热继电器到高端的多功能、智能制功能，其它模块作为选配模块，由基本模块加 化、网络化产品，但独立模块化的产品较少，尤选配模块实现复杂功能，添加删除模块后，直接 其是国内电动机保护器生产厂家没有真正意义上对产品组态即可投入使用，不需返厂，利于生产 的模块式产品。通常国内电动机保护器将全部功使用，本文主要介绍主体、测量模块的设计原理。 能集中在主体内，这类产品的功能模块是线路板1 主体、测量模块功能介绍 式模块，只适用于工厂内部生产使用，在使用场 所需要进行功能扩展时要拆除主体单元，或通过主体模块是ARD3T的大脑，协调各模块工作， 调换新产品的方式来实现功能扩展，如果线路板对各模块的信息进行分析、判断、处理。主体带 上某一功能发生故障需要进行维修时，需要拆除有的硬件资源有:开关量输入、开关量输出、 整个产品，这样不利于现场使用。 Rs485通讯电路、PTC测量电路、故障记录等。 ARD3T是模块式产品，有如下几种模块:测可提供的编程功能有:对开关量输入、输出编程、 定时器、计数器、真值表、各种起动方式、保护开关量输入、开关量输出可编程功能除常规的运动作、4,20mA变送输出等。 动控制外，还包括各类报警输出、脱扣输出、计 测量模块完成电流、电压、剩余电流测量，数器输出、定时器输出、真值表输出、通讯输出将测量结构通过内部数据总线发送给主体。测量等，可以通过可编程功能实现较复杂的电机操模块电流测量范围为0.4A至800A，电压为作。ARD3T主体同时带有:保护模式、直接起动、AC380V、AC660V，频率45Hz,65Hz，漏电流为双向起动、星三角起动、自耦降压起动、双速单50mA,5A、3A,30A。电机电流小于等于100A时，绕组起动、双速双绕组起动等起动方式，通过液采用一体式互感器模块(互感器安装于测量模块晶或上位机配置软件可以直接在不同起动方式内部)，大于100A时采用外置式电流互感器+测间切换，更符合现场使用需求。ARD3T主体带有量模块。 模块扩展接口，现场人员通过简单的外部接线即 可实现模块功能扩展。 2 主体、测量模块设计原理介绍 2.2 主体、测量模块硬件原理 2.1 主体、测量模块产品特点 根据主体、测量模块的功能可知:主体模块 常规电动机保护器产品的组成通常包括:互硬件上必须能提供如下功能:电源、开关量输入感器模块、主体模块、显示模块。互感器模块为电路、开关量输出电路、PTC测量电路、通讯处保护级电流互感器，直接将互感器二次侧信号传理电路、CPU单元等;测量模块上必须具备电压、输给主体模块，电流采样处理电路在主体模块内电流、剩余电流采样电路、信号处理电路、CPU部。这种处理方式设计简单，但有以下不足:每单元、通讯电路等。主体、测量模块硬件框图如种电流规格的互感器模块和主体模块是一一对图1、图2所示。 应的，如果客户更换了使用的电机或生产工艺有通讯处理变动时，原产品额定电流设定不能满足要求时， 需要将互感器、主体两部分返厂重新更换;互感 器模块出现故障后，主体无法给出提示;互感器PTC测量模块没有与主体连接或连接不可靠，二次侧开路电AC/DC220VCPU单元源产生的高压。大多数常规电动机保护器仅能对开开关量输入关量输入、开关量输出进行编程，可编程功能较 少，不带有定时器、计数器、真值表功能，无法 进行相关的编程，通常只带有一种起动方式，不开关量输出可以现场对起动方式进行设定。 图1 主体硬件框图 模块式的ARD3T产品主体与测量模块通过内 Fig.1 main module hardware block diagram 部数据总线连接，测量模块供电来自内部数据总 线，通过内部通讯协议主体可自动识别测量模块 种类，主体模块检测到测量模块有故障时，自动通讯处理 发出报警提示。在实际使用因各种原因而需要更 换电机，并且新电机的额定电流、功率等参数不 在原保护器参数可设定范围内时，只需更换 电流、电ARD3T测量模块，主体模块不必更改，新的测量信号压、剩余电CPU单元处理模块与主体连接后，通过重新组态即可直接进行流采样电路 生产。测量模块本身带有CPU单元和信号采样处图2 测量模块硬件框图 理电路，用于完成电参数的测量。主体和测量模Fig.2 measurement module hardware block diagram 块之间采用数字方式进行通信，信息传送可靠， 主体和测量模块间没有通过连接线连接时，测量ARD3T模块供电来自内部数据总线，即整个模块与主体接口不会产生高压危险。 产品供电全部来源于主体的电源部分，主体电源与常规电动机保护器相比，ARD3T主体模块 稳定性决定了产品的可靠性。开关电源具有效率以吸收小的脉冲干扰信号;D6为续流二极管，用高、适用范围宽等优点，本项目采用开关电源作 于释放继电器关断时线圈产生的自感电动势。 ARD3T主体带有RS485通讯电路，通讯协议为主体电源，电源采用PI公司的TENY系列芯片。 为MODBUS，通讯电路原理如图5所示，本电路的主体开关量输入用于外接起动、停止等控制 巧妙之处在于数据收发直接由硬件来控制，不用按钮或作为工艺连锁使用，现场布线时如将控制 CPU参与控制，这样可以节省CPU资源简化程序线同动力线绑接在一起或线缆铺设时不注意分层 设计。RS485通讯电路设计时要根据通讯最高波处理，连接线过长且不使用屏蔽电缆，都会容易 特率选取光耦，最高波特率为38400时，通常选 引起开关量输入信号的误动作，直接影响生产的DO_V+安全可靠。为此设计开关量输入电路时，要有相OUT2应的抗干扰处理措施，使电路有强抗干扰能力，D6LS1ARD3T开关量输入信号电路见图3所示，电阻R71、 R94为限流电阻同时通电容C31组成第一级滤波OUT1电路，根据滤波要求计算电阻、电容参数，二极 管D1为TVS管，有两中作用:一是用于误接保护;Q2R10DO1另一是作为第二级滤波使用。U12为光耦用于信 C44C20号隔离，电容C35为光耦后级的滤波电容，可以R11消除高频脉冲信号，进一步保证对开关量输入信 号检测的正确性。 VCC 图4 开关量输出电路 R71IN1R79Fig.4 Switching output circuit U12D1C31C35取6N137、TLP115等高速光耦。最高波特率为 R94ICOM9600/19200时，可以使用TLP181等常规光耦， 图3 开关量输入电路 但要注意电阻值R56、R6、R3、R4的参数匹配， Fig.3 Switching input circuit 否则在高低温测试时，通讯线长度为1200米时， 通讯可靠性将降低。 主体开关量输出用于控制接触器、中间继电 VCCC7接收器、信号输出(运行信号、故障信号等)，开关量OPTO3R443输出信号的正确性同样影响着生产的可靠性。设R1161RXD2M5V计开关量输出电路时，首先选好继电器，通常我M5VR12们最关心的参数有:触点负载、最大切换电压、M5VC14V4GND24C1BIC3最大切换功率、最大切换电流、浪涌电压、介电收发控制18EROVCCR1727REDO/RI485-2B36电压等。这些参数在技术手册上都可以查到，但R133DEDO/RI485-2A45R18DIGNDVCCGND24R5R14手册上给出的“触点负载”通常指的是纯阻性负GND242CM5V发送V21B载，实际使用中的负载以感性居多，带感性负载OPTO41C86ER6时触点容量需要乘以相应的降容系数才是我们所343TXD2 需要的数值，如果无法知道确切的降容系数，可 图5 通讯电路 以通过继电器试验进行实测。ARD3T开关量输出 Fig.5 Communication circuit 电路如图4所示，图4中C44、C20、R10、R11 组成滤波、限流电路，防止外部干扰引起继电器测量模块作为ARD3T必备模块之一，负责完输出误动作，同时R10、R11组成分压电路同样可成电流、电压、剩余电流、频率、功率的测量， 并及时的将计算结果通过内部总线传送给主体 模块。测量模块采用交流采样的真有效值算法完C19L3R15R16SIG1ISIG_IB1成对电流、电压、剩余电流的测量，真有效值在R34信号有畸变的情况下可以保证测量的准确性。 R29RB5Q3C18电流、电压、剩余电流测量都是对模拟信号 VCC的测量，硬件设计中原理是相同的，都有以下组VCC6_U3BR217SIG2L4SIG_IB2成:信号采样电路、滤波电路、信号放大电路、5+I_COM A/D电路。电流信号采样通过互感器进行隔离， 图6 测量信号处理电路 通过取样电阻取电流互感器二次侧信号，电压信 Fig.6 Signal acquisition amplifier 号是通过电阻分压的方式实现信号采集，取样电 阻需要选取精度高、温漂系数好的金属膜电阻。 2.3 ARD3T电流、电压测量数据 滤波和信号放大电路一起构成了信号处理电路， 使用2.2中测量电路测量到的电压、电流数鉴于RC低通滤波电路具有结构简单、可靠性高、 据见表1、表2所示，测试时为验证电路的可靠能耐受较大过载和浪涌冲击等优点，电路设计中 性测试环境分为常温常湿(+25?，60%湿度)、滤波电路采用了RC低通滤波电路。RC滤波电路 低温(-20?)、高温高湿(+65?，95%湿度)，滤除的信号频率与采样频率有关，设计时将采样 三种环境温度，信号分为工频无谐波的纯正弦信频率一半以上的信号滤除。 号、工频有谐波的信号、45Hz/65正弦信号、测量模块信号处理电路见图6所示。图中RB5 45Hz/65有谐波信号，将各种情况下的测量结果为取样电阻，完成信号采样，R15、C19组成RC同仪器输出参数进行比对可知:测量模块在测试滤波;Q3为保护电路，防止大信号输入，引起后的各种环境、各类信号下都可以保证测量的准确极芯片损坏，U3B实现信号反向放大，输出信号性。 给后极AD使用。 表1 测量模块实测数据1 测量模块测量的电流、电压频率通常都是工Tab.1 measured data 1 measurement module 频频率，当频率有偏离工频频率时仍按工频频率 进行测量会引起较大测量误差，为此ARD3T测量仪器输出参数 数模块采用频率跟踪技术进行频率自动跟踪，可跟测试I=25A I=100A I=100A I=25A 据踪范围为45Hz,65Hz，频率跟踪的基础是频率测环境U=380V U=380V U=380V U=380V 类量，频率测量可以分为软件测频、硬件测频两种条件 F=50Hz F=50Hz F=45Hz F=65Hz 型 方法，硬件测频最常用的方法是硬件锁相环，软谐波无 谐波无 谐波无 谐波无 件测频常用的方法有最小二乘法、牛顿类算法、Ia 25.00 100.0 100.0 25.00 离散卡尔曼滤波算法，离散傅氏算法及其改进算Ib 25.00 99.9 99.9 25.00 +25法，正交去调制法等。各种测频方法都有其自身Ic 24.98 100.0 100.0 24.98 ?，的特点，ARD3T测频是通过硬件上使用滞回比较60%Uab 379.9 379.9 379.8 380.0 器，软件上对滞回比较器输出计时的方法来实现湿度 Ubc 379.8 379.8 379.8 379.8 频率测量。在纯正弦波的信号时，测频容易实现，Uca 380.0 380.0 380.0 380.0 但有谐波干扰时仍保证频率测量的准确性有一Ia 24.92 99.9 99.9 24.93 定的难度，ARD3T测频的硬件电路带有滞回比较Ib 24.92 99.8 99.8 24.93 +65功能，可以保证频率测量的准确性。 Ic 24.93 99.9 99.9 24.93 ?， 95%Uab 379.9 380.0 379.9 379.9 湿度 Ubc 380.0 379.8 379.8 379.8 Uca 379.8 380.0 380.0 380.0 Ia 25.17 100.1 100.1 25.16 -20 ? Ib 25.16 100.2 100.1 25.16 Ic 25.15 100.2 100.1 25.16 Uca 381.5 381.7 381.6 381.6 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 3 ARD3T主体、测量模块抗干扰措施 ARD3T主体、测量模块中设计时，采用了多 种软硬件抗干扰处理措施。硬件中在电源部分设 计有共模电感、X电容、差模电感组成的滤波器 电路，通过该电路可以使产品通过4级电快速脉 冲群试验;产品设计有专用的浪涌保护电路，可 以保证产品通过4级浪涌测试;开关量输入处添表2 测量模块实测数据2 加必要的滤波电路可以有效地防止干扰信号引起Tab.1 measured data 2 measurement module 的开关量误导通;信号处理芯片管脚处加入合理 仪器输出参数 的保护电路，防止异常信号造成芯片损坏;信号数测试I=25A; I=100A I=100A I=25A 处理电路处设计合理的滤波电路有效的衰减了高据环境U=380V U=380V U=380V U=380V 频干扰引起的测量误差;测量软件中加入数字滤类条件 F=50Hz F=50Hz F=45Hz F=65Hz 波技术，可以很好的保证测量准确性。 型 谐波(1-31次组合，最大40%) 4 结束语 Ia 24.98 100.0 100.0 25.00 Ib 25.00 99.9 99.9 25.00 随着电动机保护器使用的普及，市场对产品+25 的需求在不断变化，产品的研发要着眼于未来市Ic 24.98 100.0 100.0 24.98 ?， 场的发展，ARD3T电动机保护器是在总结市场发60%Uab 380.1 380.0 379.9 380.0 展方向，结合本身原产品的特点的基础上而推出湿度 Ubc 380.0 380.0 379.9 379.9 的，产品设计思想、设计理念先进、功能可靠，Uca 380.1 380.1 380.0 380.1 更符合未来市场的需求。ARD3T电动机保护器在Ia 24.92 99.8 99.8 24.91 实际使用中不仅可以替热继电器、温度继电器等Ib 24.92 99.8 99.8 24.91 +65 传统的电动机保护产品，还可替代各种指针式电Ic 24.93 99.9 99.9 24.91 ?， 量表、信号灯、电量变送器等常规元件，还可以95%Uab 380.1 380.0 379.9 380.0 作为MCC的核心元件完成一定的逻辑运算，简化湿度 Ubc 380.0 380.0 379.9 379.9 电动机控制电路，在现场可任意添加、删除产品Uca 380.1 380.0 380.0 380.0 模块，使用方便，更符合未来市场需求。 Ia 25.15 100.2 100.1 25.17 文章来源于:《电力系统保护与控制》2012Ib 25.16 100.2 100.2 25.15 -20年12期。 Ic 25.15 100.2 100.1 25.15 ? Uab 381.5 381.7 381.6 381.6 Ubc 381.7 381.7 381.8 381.6 [1] 孙莉.电力系统软件测频的改进方法[J].继电器，M otor protection equipment research based on 2006，(19):38-41 P89LPC952microcontroller [J]. Power System SUN Li. An improved method of frequency Protection and Control 2009, (2): 73-75. measurement for power system[J].Relay, 2006, (19): [3] 黄玉春.电力谐波对电能计量影响的分析与探讨[J].38-41. 电力系统保护与控制，2009，(10):123-124 [2] 戴光武，都洪基，贾磊，章柯.基于P89LPC952单片HUANG Yu—chun. Analysis and discussion of 机的电动机保护装置研究[J].电力系统保护与控制，power harmonics influencing the electric energy 2009，(2):73-75. computation[J]. Power System Protection and Control DAI Guang—WH, DU Hongdi , JIA Lei,ZHANG Ke. 2009, (10): 123-124. [4] 丁菊霞，张华俊，张秀峰.一种改进的无锁相环三相 电路谐波电流检测方法[J]. 电力系统保护与控制， 2009，(24):41-45 DING Ju(xia ，ZHANG Hua-un ，ZHANG Xiu-fen. An improved method without PLL on harmonics detection [J]. Power System Protection and Control 2009, (24): 41-45. 作者简介: 温刚 男～ 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师～本科～从事电动机保护控制器 研究,E-mail:1958665290@qq.com