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模塊式電動機保護器設計思想

江蘇安科瑞電器制造有限公司2011年12月26日 11:19 點擊:1383

摘  要: 本文通過介紹上海安科瑞電氣股份有限公司開發的ARD3T模塊式智能電動機保護器,在企業自身和客戶使用上所具有的優勢,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。
 
 
關鍵詞:電動機保護器模塊化 內部總線 可編程
 
 
0    引言
智能電動機保護器發展至今,存在兩種發展趨勢,一種是:多種功能集成在一個殼體內;另一種是:根據功能劃分模塊,通過模塊拼裝滿足各種要求。多種功能在一個殼體內的方式,可以減少開發前期的投入,開發周期短,從短期內來看,對企業有利。功能模塊化,開發前期投入多,相對前種方式開發周期會變長,但成功后,后期產品維護方便,可以消除因功能多少引起生產紊亂,產品使用者進行產品升級或改造時產生停產等不利因素。

 

1   模塊式電動機保護器的優勢
 
1.1   對企業自身的優勢
客戶的需求是多樣化的,產品使用環境不同、實際生產工藝不同,造成客戶對產品的需求往往有所不同,同一類產品功能不同,會引起生產廠家生產上的不同,庫存管理、分類不同,加大企業自身生產負擔。模塊式電動機保護器,各模塊功能明確,方便生產,利于存儲。企業將最基本的保護功能作為基本模塊,其它高級保護、控制、通訊功能作為選配模塊,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品。在面對客戶多樣化需求時,優勢是不言而喻的。
 
1.2   對使用者的優勢
模塊式電動機保護器適用范圍廣,使用者根據自身需要選取產品,使用者只需要常規過載、斷相等常規保護功能時選取基本模塊即可。需要帶有全面保護和控制功能,選取基本模塊和所需的模塊進行組合。需要帶有全面保護、控制、通訊、管理分析功能時,選取基本模塊加多個模塊進行組合。
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,而實際生產中發現需要更多功能時,添加模塊即可。當使用者遇到系統、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自動報出具體模塊故障,使用者只需更換故障模塊,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,首先要明確產品使用環境,模塊種類,以及劃分的依據。
 
2.1   產品使用環境
作為保護類產品,要明確產品的正常工作環境。根據標準,環境溫度可選位為:-10 ℃ ~+55 ℃,此溫度可以滿足絕大多數產品的使用環境;大氣壓力為:80 kPa~110 kPa(海拔2000 m以下);相對濕度為:最濕月的月平均相對濕度為90%,同時該月的平均最低溫度為25 ℃,并且在產品上不應出現凝露;使用環境不應有腐蝕、破壞絕緣的氣體及導電介質,對于使用環境內有火災、爆炸危險的介質、產品應有防爆措施。戶內產品的使用環境應有防御雨、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額定值的85%~110%。
 
2.2   控制功能
標準中對電動機保護器控制功能描述如下:“可具備對電動機進行直接起動、可逆(雙向)控制、各種減壓起動和雙速控制的控制功能”。由此可見標準將控制功能作為非標配功能處理,實際客戶使用時可以只將保護器當作保護元件使用,模塊式電動機保護器作為可編程產品,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,當電源恢復到允許自起動電壓值后,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,產品可根據掉電前產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   產品著火危險防護
工業類產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中嚴酷等級為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;開關量輸入、輸出;工藝連鎖;各類保護功能;通訊組網等功能。從上述功能描述上看,功能可總結為:電參數測量;溫度測量;模擬量輸入輸出;對電機保護、控制;通訊功能幾方面。
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,帶有開關量輸入、開關量輸出功能、對外通訊組網、時鐘、故障記錄、PTC測量等功能。開關量輸入、輸出可以自由編程設定功能??梢詫崿F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。電流范圍為0.4A至800A,電壓為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??梢赃_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,在保護類產品中使用,效果很好。電機電流小于等于100A時,采用一體式模塊互感器,當大于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等傳感器實現溫度測量??梢允褂脺囟饶K,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精確跟蹤,測出實際冷卻時間。溫度模塊可以外接三路溫度傳感器,可以通過一個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、轉速傳感器、角度傳感器、位置傳感器等設備,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。
 
開關量模塊對CPU單元的開關量進行擴展,當CPU單元的開關量點數無法滿足使用者需求時,通過外加開關量模塊實現產品開關量點數擴展。
 
常用的現場總線有:MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等,通過外加通訊模塊實現與PROFIBUS、DEVICENET等通訊網絡進行通訊。采用專用通訊模塊來實現,產品在多種通訊網絡中使用,使的產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。
 
2.7    模塊互聯
    模塊互聯直接影響到產品的可靠性。數據交換的處理是產品穩定工作的關鍵,常用的通訊接口SPI、IIC、UART、CAN 等,都有自身的特點與局限性。根據產品實際功能、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,用于模塊數據通訊處理。此套協議要帶有模塊識別、數據傳送、數據校驗、沖突檢測、仲裁等功能。同時對傳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。傳輸數據格式可以參考常規數據傳輸模式,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。數據傳輸要帶有校驗數據,可以采用CRC等校驗方式。
保護類產品繼電器輸出是不能誤動作的,繼電器輸出通常用于控制電機運行狀態或信號傳輸,一旦出現誤動,影響很大。誤動的原因有多種,不符合標準的規范而引起的誤動;產品抗干擾性不好,受到干擾引起誤動。
 
作為電動機保護器要符合《GB14048.4低壓開關設備和控制設備 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,設計者以相關標準作為設計依據,這樣可以減少功能上的偏差帶來的誤動。
 
由于產品抗干擾性能不好而產生的誤動,對設計者有很大的考驗。干擾的傳播途徑有很多種,產品供電電源,空間電磁信號,連接線耦合等,強干擾會引起產品死機等工作狀態不正常。常規使用看門狗來保證產品死機后自動復位的方法,在保護類產品中并不完全適用,通過看門狗進行復位時,繼電器會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。需要有行業經驗豐富的工程師參與需求功能庫的建立,通過時盡量在硬件上做到通用化,即硬件采用一個平臺,對硬件平臺寫入不同的程序(是指由客戶編制的程序),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
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,解決此問題。
 
環境試驗時,發現會出現模塊出錯,經分析發現使用的電路中有元件性能達不到技術指標,重新設計更正后可以通過環境試驗。
 
EMC測試時,靜電間接放電試驗會引起芯片復位,對測量儀表可以判為合格,但保護類產品不能出現這樣的誤動。經反復分析、測試、驗證后發現電路設計中存在一定問題,原設計在其它產品中可以正常工作,但在此處參數上不完全相符,對電路進行更正,可以有效通過靜電測試。
 
 
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,在國內同行中屬于首創,填補了國內同行產品在此領域的空白。模塊式電動機保護器,集測量、保護、控制、通訊于一身,產品性能安全可靠,可以對電動機實施可靠有效的保護??梢苑奖愕奶娲鲜綗崂^電器、溫度繼電器等傳統的電動機保護產品,可以通過和接觸器、斷路器配合實現對電動機的控制、保護等功能??梢苑奖愕慕尤隤LC、DCS系統。
 
模塊式電動機保護器可以作為MCC核心器件使用,簡化設計,原需要通過PLC加外部傳感器、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。并且模塊式產品帶有一定的可編程能力,可以作為設備級的中心控制器。模塊式電動機保護器產品如圖6所示。
 
 
 
文章來源于:《電機與控制應用》2011年第9期。
 
 
參考文獻
[1]  GB14048.4-2003 低壓開關設備和控制設備 機電式接觸器和電動機起動器[S].
[2]  JB/T10736-2007 低壓電動機保護器[S].
[3]  佟為民,趙志衡.一種微機式電動機綜合保護器的研制[J].低壓電器,2003,(3):20-23.
TONG Wei-min, ZHAO Zhi-heng. Study of an Integrative Motor Protector Based on Microcontroller[J]. Low Voltage Aparatus,2003, (3): 20-23.
 
 
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(來源: 江蘇安科瑞電器制造有限公司


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