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郭浩1 李紅軍2 陸偉青3
（1. 郭浩，安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）
（2. 李紅軍，北方特種能源集團西安慶華 西安 710025）
（3. 陸偉青，安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）
摘要：采用Freescale公司Coldfire-V0架構內核的32位處理器MCF51EM256芯片，設計了一款高性能的ARD2L智能電動機保護器，并對該保護器的硬件和軟件設計方案進行詳細介紹。該保護器集眾多保護功能于一體，提高了電動機運行的可靠性，減少了因電動機運行故障帶來的經濟損失。
關鍵字：智能電動機保護器、MCF51EM256、ARD2L、保護時間
0 引言
現代工礦企業中，以電動機作為動力的比例占全部動力的90%以上，它們已是當今生產活動和日常生活中最主要的原動力和驅動裝置[1,2]，為此檢測與保護電動機的正常運行有著非常重要的意義。保護器經歷了熱繼電器、熔斷器、電磁式電流繼電器、模擬電子式電機保護器，最后發展到數字電子式電機保護器即當今的智能電機保護器。本文設計了一款針對電動機在運行過程中出現的起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等情況進行保護的ARD2L智能電動機保護器（以下簡稱ARD2L），可有效提高電動機運行的安全性，降低生產損失，是傳統熱繼電器的理想替代品[3]。
1 硬件設計
ARD2L的硬件電路包括主控芯片MCU，頻率信號、電流信號、零序電流信號采集電路，開關量輸入模塊，繼電器輸出模塊，變送輸出模塊，RS-485通訊接口，人機交互單元（狀態指示燈、數碼管/液晶顯示），硬件電路框圖如圖1所示。
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圖 1 ARD2L硬件電路框圖
1.1 主控芯片
MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構內核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內置256K的Flash、16K的RAM、4個獨立16位A/D通道、3路定時器、3路SCI通訊接口以及內置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價比。
1.2 電源
電源是設備能否正常、穩定、可靠工作的關鍵部分，ARD2L采用安科瑞的通用開關電源模塊。該模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。其輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％；電源輸入部分設計加入壓熱敏電阻、TVS管、防反接二極管等器件，對過壓、過流等有一定的保護作用，同時能使產品通過嚴酷的EMC測試。該模塊經現場實際使用，具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力[4]。
1.3 信號采集電路
信號采集電路負責采集電流信號、頻率信號和零序電流信號。其中，電流信號采用互感器隔離輸入，將交流信號抬高后送入CPU進行軟件差分運算，電流采樣電路如圖2所示。以A相6.3A規格為例，采用的電流互感器變比為100A：20mA，5P10保護型。該方案電流測量在1.2倍范圍內達到0.5S精度，在8倍范圍內滿足5S精度，而其過載能力按8倍計算，即給互感器加上50.4A電流，通過取樣電阻R1的電流為10.08mA，兩端電壓為0.886V。同時，給采樣信號抬高電壓UREF=1.2V，使交流信號的幅值大于零，便于A/D采樣；在電路的輸出端加入限壓二極管，使輸入電壓限制在3.3V以下，能對A/D采樣通道起到很好的保護作用。
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圖2 電流采樣電路圖
頻率采樣電路如圖3所示。該電路采用MCP6002雙運放進行兩級放大，初級放大倍數較小，且在初級與次級之間進行濾波處理，次級運放將交流信號整形為方波信號，通過邊沿觸發方式捕捉，然后在CPU內部計算測量頻率。
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圖3 頻率采樣電路圖
1.4人機交互界面
人機交互界面的顯示采用數碼管或液晶兩，用戶可以根據實際需要選擇顯示方式，輸入采用按鍵方式。其中，數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路采用74HC595和三極管構成；液晶顯示采用拓普威公司LM12832BCW的128點陣中文液晶，其數據傳輸采用SPI串口，可極大地節省CPU資源。同時，LED和LCD顯示采用同一個SPI接口控制，使得兩種顯示方式可以通用。
1.5 控制模塊
控制模塊主要由開關量輸入、輸出組成，如圖4所示。其中，開關量輸入用于監測斷路器、接觸器的開關狀態和采集現場的工業聯鎖狀態，也可根據客戶要求用于電動機的起停控制；開關量輸出主要用于輸出脫扣信號、報警信號和遠程起/停信號。
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圖4 開關量輸入輸出電路
1.6 通訊/變送模塊
通訊模塊采用RS-485模塊Modbus RTU通訊規約，能實現遙測、遙控、遙信等功能。而變送是將我們需要的電流信號轉換為DC 4~20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統，實現電動機運行的遠程監控。
2 軟件設計
ARD2L的軟件設計主要采用嵌入式C語言，其中保護器軟件設計包括每次上電系統配置的初始化，按鍵寄存器復位，判斷顯示單元是數碼還是液晶，繼電器置位初始狀態，A/D采樣初始化以及電參量的計算與保護等。軟件的主函數如下：
void main(void)
{
DisableInterrupts;
MCU_initi(); //CPU初始化
if(_RES==0) //判斷是數碼管或液晶顯示
led_or_lcd=0;
else
{
led_or_lcd=1;
PTBDD_PTBDD2=1;
PTDDD_PTDDD4=1;
lcd_init2();
}
recover_FIRSTFLAG(); //恢復內存校表數據
if(FIRSTFLAG!=0x1234){init_flash();}
else recover_byte();
initi_uart2();
relay_all_initi(); //繼電器至位初始狀態
EnableInterrupts //啟動中斷
Vref_init();
sampling_init(); //AD采樣初始化
for(;;)
{
__RESET_WATCHDOG();
if(over_flag==1) //計算及保護
{
over_flag=0;
measure_ABC();
protect();
sent(); // 變送輸出
}
measure_frequency_a(); // 測頻
rtc_time_deal();
warning_deal();
trouble_deal();
program1(); // 繼電器可編程處理
event_deal();
getkey();
DI_read();
reset(); // 復位
lamp_deal();
stat(); // 統計總運行時間、停車時間
display(); // 測量數據和保護事件顯示
}
}
ARD2L的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護處理程序、各種通訊協議處理程序等，部分程序流程如圖5。
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圖 5 主程序流程圖（部分）
3 測試結果與精度驗證
3.1電流準確度測試結果
電流準確度測試源采用南京丹迪克的DK-34B1交流采樣變送器，其中對基波的測試是通過加40%畸變率的3次諧波進行的。表1測試了6.3A規格的ARD2L智能電動機保護器三相電流的有效值與基波值，由表中數據可看出，ARD2L智能電動機保護器在10%~120%Ie測量范圍內的精度滿足0.5級，Ie為電機額定功率[5]。
表1 ARD2L智能電機保護器三相電流測試結果
|
指標
|
標準值
|
6.3A規格
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|
A相
|
B相
|
C相
|
|
有效值
|
基波
|
有效值
|
基波
|
有效值
|
基波
|
|
電流
|
0.63
|
0.62
|
0.59
|
0.64
|
0.59
|
0.62
|
0.58
|
|
6.3
|
6.29
|
5.91
|
6.31
|
5.92
|
6.29
|
5.89
|
|
7.56
|
7.54
|
7.05
|
7.55
|
7.06
|
7.54
|
7.03
|
3.2保護時間測試結果
ARD2L智能電機保護器具備起動超時、過載、欠載、短路、斷相、不平衡、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等保護功能，根據JB/T 10736-2007標準進行了保護時間測試，見表2。
表2 ARD2L保護時間測試結果
起動超時：
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
10.0
|
999.9
|
|
第一次
|
0.110
|
9.950
|
993.882
|
|
第二次
|
0.117
|
9.965
|
993.859
|
|
第三次
|
0.119
|
9.961
|
993.872
|
阻塞保護：脫扣域值（250%）
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
5.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.122
|
5.031
|
596.455
|
|
第二次
|
0.128
|
5.037
|
596.458
|
|
第三次
|
0.134
|
5.043
|
596.431
|
欠載保護：脫扣域值（50%）
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
5.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.130
|
5.012
|
596.401
|
|
第二次
|
0.134
|
4.996
|
5.96.393
|
|
第三次
|
0.129
|
5.015
|
596.349
|
不平衡保護：脫扣域值（30%）
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
5.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.126
|
5.003
|
596.400
|
|
第二次
|
0.131
|
5.009
|
596.362
|
|
第三次
|
0.121
|
5.007
|
596.354
|
接地/漏電保護：脫扣域值（80%或30mA）
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
0.5
|
600.0
|
|
第一次
|
0.117
|
0.519
|
596.444
|
|
第二次
|
0.124
|
0.528
|
596.432
|
|
第三次
|
0.135
|
0.517
|
596.416
|
短路保護：脫扣域值（500%）
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
10.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.135
|
9.973
|
596.564
|
|
第二次
|
0.133
|
9.969
|
596.472
|
|
第三次
|
0.136
|
9.967
|
596.526
|
斷相保護：
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
1.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.124
|
1.036
|
596.456
|
|
第二次
|
0.138
|
1.033
|
596.382
|
|
第三次
|
0.132
|
1.035
|
596.179
|
外部故障：
|
脫扣延時（S）
|
0.1
|
5.0
|
600.0
|
|
第一次
|
0.126
|
4.976
|
595.711
|
|
第二次
|
0.112
|
4.989
|
595.801
|
|
第三次
|
0.124
|
4.988
|
595.836
|
由表2可知，該保護器滿足脫扣延時保護時間誤差為±10%或100mS的精度要求[6]。
4 典型應用
采用直接起動模式的ARD2L智能電動機保護器接線如圖6所示。其中，電機的起停是通過現場按鈕來控制的(保護器本身不控制電機起停），接觸器KM的吸引線圈串進脫扣繼電器的常閉觸點。通電后，按下起動按鈕SF 時，KM吸引線圈得電，使KM主觸頭閉合，電動機開始工作；按下停車按鈕SS時，KM吸引線圈失電，使KM主觸點釋放，電機停止工作。遠程起動必須要由上位機來控制，保護器本身不控制。
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圖6 ARD2L電機保護器直接起動模式接線圖
5 結束語
本文采用EM256設計了一款高性能、多功能的ARD2L智能電機保護器，并對其電源、信號采集、輸入輸出控制等硬件電路進行了詳細介紹，通過軟件主函數和流程圖分析了保護器運行過程。電流準確度與保護時間的測試結果表明，該保護器具有優異的測量與保護功能。
文章來源：《電工技術》2014年 第3期
參考文獻：
[1] 馬新軍，電機保護器設計，碩士學位論文，東北大學，2005.
[2] 丁金磊，基于ARM的電動機綜合保護器裝置設計，碩士學位論文，2008.
[3] 安科瑞電氣股份有限公司，ARD2智能電動機保護器選型手冊，2013.
[4] 任志程，周中，電力電測數字儀表原理與應用指南，中國電力出版社，2007.
[5] ARD3系列智能電動機保護器，上海市企業標準，Q/TDEI 27-2011
[6] JB/T 10736-2007 低壓電動機保護器.
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