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趙波¹，胡景泰²，黃文濤³

（1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801；2. 上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 ，200063；3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰 214405）

摘 要：為了彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器行業(yè)沒有完全模塊式產(chǎn)品的空白，給出一種模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3T的主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方法。按照功能進(jìn)行模塊劃分，各模塊利用內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過內(nèi)部總線進(jìn)行模塊供電。給出主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方法、典型硬件原理圖，指出設(shè)計(jì)中所要注意的事項(xiàng)。給出各種環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)，最后進(jìn)一步給出了產(chǎn)品采用的抗干擾處理措施，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的正確性和合理性，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念更符合未來市場(chǎng)的需求

關(guān)鍵詞：ARD3T 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 模塊

the design principle of ARD3T motor protector and measurement modules

ZHAO Bo¹, HU Jing-tai ², HUANG Wen-tao ³

(1.ShanghaiAcrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. JiangsuAcrel 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

中圖分類號(hào)：       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：       文章編號(hào)：

0         引言

目前市場(chǎng)中各類電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置種類繁多，從簡(jiǎn)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(dú)立模塊化的產(chǎn)品較少，尤其是國(guó)內(nèi)電動(dòng)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(guó)內(nèi)電動(dòng)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(chǎng)所需要進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)要拆除主體單元，或通過調(diào)換新產(chǎn)品的方式來實(shí)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(shí)，需要拆除整個(gè)產(chǎn)品，這樣不利于現(xiàn)場(chǎng)使用。

ARD3T是模塊式產(chǎn)品，有如下幾種模塊：測(cè)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(cè)量模塊組成基本模塊，實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，添加刪除模塊后，直接對(duì)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(cè)量模塊的設(shè)計(jì)原理。

1         主體、測(cè)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(duì)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(cè)量電路、故障記錄等。可提供的編程功能有：對(duì)開關(guān)量輸入、輸出編程、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、真值表、各種起動(dòng)方式、保護(hù)動(dòng)作、4～20mA變送輸出等。

測(cè)量模塊完成電流、電壓、剩余電流測(cè)量，將測(cè)量結(jié)構(gòu)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線發(fā)送給主體。測(cè)量模塊電流測(cè)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(shí)，采用一體式互感器模塊（互感器安裝于測(cè)量模塊內(nèi)部），大于100A時(shí)采用外置式電流互感器+測(cè)量模塊。

2         主體、測(cè)量模塊設(shè)計(jì)原理介紹

2.1        主體、測(cè)量模塊產(chǎn)品特點(diǎn)

常規(guī)電動(dòng)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(jí)電流互感器，直接將互感器二次側(cè)信號(hào)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(jì)簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)時(shí)，原產(chǎn)品額定電流設(shè)定不能滿足要求時(shí)，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(dòng)機(jī)保護(hù)器僅能對(duì)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(shí)器、計(jì)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(dòng)方式，不可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)起動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)定。

模塊式的ARD3T產(chǎn)品主體與測(cè)量模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接，測(cè)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(dòng)識(shí)別測(cè)量模塊種類，主體模塊檢測(cè)到測(cè)量模塊有故障時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示。在實(shí)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(shí)，只需更換ARD3T測(cè)量模塊，主體模塊不必更改，新的測(cè)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(cè)量模塊本身帶有CPU單元和信號(hào)采樣處理電路，用于完成電參數(shù)的測(cè)量。主體和測(cè)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(cè)量模塊間沒有通過連接線連接時(shí)，測(cè)量模塊與主體接口不會(huì)產(chǎn)生高壓危險(xiǎn)。

與常規(guī)電動(dòng)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(dòng)控制外，還包括各類報(bào)警輸出、脫扣輸出、計(jì)數(shù)器輸出、定時(shí)器輸出、真值表輸出、通訊輸出等，可以通過可編程功能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的電機(jī)操作。ARD3T主體同時(shí)帶有：保護(hù)模式、直接起動(dòng)、雙向起動(dòng)、星三角起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、雙速單繞組起動(dòng)、雙速雙繞組起動(dòng)等起動(dòng)方式，通過液晶或上位機(jī)配置軟件可以直接在不同起動(dòng)方式間切換，更符合現(xiàn)場(chǎng)使用需求。ARD3T主體帶有模塊擴(kuò)展接口，現(xiàn)場(chǎng)人員通過簡(jiǎn)單的外部接線即可實(shí)現(xiàn)模塊功能擴(kuò)展。

2.2        主體、測(cè)量模塊硬件原理

根據(jù)主體、測(cè)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(cè)量電路、通訊處理電路、CPU單元等；測(cè)量模塊上必須具備電壓、電流、剩余電流采樣電路、信號(hào)處理電路、CPU單元、通訊電路等。主體、測(cè)量模塊硬件框圖如圖1、圖2所示。

圖1 主體硬件框圖

Fig.1 main module hardware block diagram

圖2 測(cè)量模塊硬件框圖

Fig.2 measurement module hardware block diagram

ARD3T模塊供電來自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，即整個(gè)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(diǎn)，本項(xiàng)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(dòng)、停止等控制按鈕或作為工藝連鎖使用，現(xiàn)場(chǎng)布線時(shí)如將控制線同動(dòng)力線綁接在一起或線纜鋪設(shè)時(shí)不注意分層處理，連接線過長(zhǎng)且不使用屏蔽電纜，都會(huì)容易引起開關(guān)量輸入信號(hào)的誤動(dòng)作，直接影響生產(chǎn)的安全可靠。為此設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入電路時(shí)，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(hào)電路見圖3所示，電阻R71、R94為限流電阻同時(shí)通電容C31組成第一級(jí)濾波電路，根據(jù)濾波要求計(jì)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(jí)濾波使用。U12為光耦用于信號(hào)隔離，電容C35為光耦后級(jí)的濾波電容，可以消除高頻脈沖信號(hào)，進(jìn)一步保證對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)檢測(cè)的正確性。

圖3 開關(guān)量輸入電路

Fig.3 Switching input circuit

主體開關(guān)量輸出用于控制接觸器、中間繼電器、信號(hào)輸出（運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)等），開關(guān)量輸出信號(hào)的正確性同樣影響著生產(chǎn)的可靠性。設(shè)計(jì)開關(guān)量輸出電路時(shí)，首先選好繼電器，通常我們最關(guān)心的參數(shù)有：觸點(diǎn)負(fù)載、最大切換電壓、最大切換功率、最大切換電流、浪涌電壓、介電電壓等。這些參數(shù)在技術(shù)手冊(cè)上都可以查到，但手冊(cè)上給出的“觸點(diǎn)負(fù)載”通常指的是純阻性負(fù)載，實(shí)際使用中的負(fù)載以感性居多，帶感性負(fù)載時(shí)觸點(diǎn)容量需要乘以相應(yīng)的降容系數(shù)才是我們所需要的數(shù)值，如果無法知道確切的降容系數(shù)，可以通過繼電器試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。ARD3T開關(guān)量輸出電路如圖4所示，圖4中C44、C20、R10、R11組成濾波、限流電路，防止外部干擾引起繼電器輸出誤動(dòng)作，同時(shí)R10、R11組成分壓電路同樣可以吸收小的脈沖干擾信號(hào)；D6為續(xù)流二極管，用于釋放繼電器關(guān)斷時(shí)線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)。

ARD3T主體帶有RS485通訊電路，通訊協(xié)議為MODBUS，通訊電路原理如圖5所示，本電路的巧妙之處在于數(shù)據(jù)收發(fā)直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節(jié)省CPU資源簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。RS485通訊電路設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)通訊最高波特率選取光耦，最高波特率為38400時(shí)，通常選

圖4 開關(guān)量輸出電路

Fig.4 Switching output circuit

取6N137、TLP115等高速光耦。最高波特率為9600/19200時(shí)，可以使用TLP181等常規(guī)光耦，但要注意電阻值R56、R6、R3、R4的參數(shù)匹配，否則在高低溫測(cè)試時(shí)，通訊線長(zhǎng)度為1200米時(shí)，通訊可靠性將降低。                        

圖5 通訊電路

Fig.5 Communication circuit

測(cè)量模塊作為ARD3T必備模塊之一，負(fù)責(zé)完成電流、電壓、剩余電流、頻率、功率的測(cè)量，并及時(shí)的將計(jì)算結(jié)果通過內(nèi)部總線傳送給主體模塊。測(cè)量模塊采用交流采樣的真有效值算法完成對(duì)電流、電壓、剩余電流的測(cè)量，真有效值在信號(hào)有畸變的情況下可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

電流、電壓、剩余電流測(cè)量都是對(duì)模擬信號(hào)的測(cè)量，硬件設(shè)計(jì)中原理是相同的，都有以下組成：信號(hào)采樣電路、濾波電路、信號(hào)放大電路、A/D電路。電流信號(hào)采樣通過互感器進(jìn)行隔離，通過取樣電阻取電流互感器二次側(cè)信號(hào)，電壓信號(hào)是通過電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，取樣電阻需要選取精度高、溫漂系數(shù)好的金屬膜電阻。濾波和信號(hào)放大電路一起構(gòu)成了信號(hào)處理電路，鑒于RC低通濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、能耐受較大過載和浪涌沖擊等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)中濾波電路采用了RC低通濾波電路。RC濾波電路濾除的信號(hào)頻率與采樣頻率有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率一半以上的信號(hào)濾除。

測(cè)量模塊信號(hào)處理電路見圖6所示。圖中RB5為取樣電阻，完成信號(hào)采樣，R15、C19組成RC濾波；Q3為保護(hù)電路，防止大信號(hào)輸入，引起后極芯片損壞，U3B實(shí)現(xiàn)信號(hào)反向放大，輸出信號(hào)給后極AD使用。

測(cè)量模塊測(cè)量的電流、電壓頻率通常都是工頻頻率，當(dāng)頻率有偏離工頻頻率時(shí)仍按工頻頻率進(jìn)行測(cè)量會(huì)引起較大測(cè)量誤差，為此ARD3T測(cè)量模塊采用頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤，可跟蹤范圍為45Hz～65Hz，頻率跟蹤的基礎(chǔ)是頻率測(cè)量，頻率測(cè)量可以分為軟件測(cè)頻、硬件測(cè)頻兩種方法，硬件測(cè)頻最常用的方法是硬件鎖相環(huán)，軟件測(cè)頻常用的方法有最小二乘法、牛頓類算法、離散卡爾曼濾波算法，離散傅氏算法及其改進(jìn)算法，正交去調(diào)制法等。各種測(cè)頻方法都有其自身的特點(diǎn)，ARD3T測(cè)頻是通過硬件上使用滯回比較器，軟件上對(duì)滯回比較器輸出計(jì)時(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。在純正弦波的信號(hào)時(shí)，測(cè)頻容易實(shí)現(xiàn)，但有諧波干擾時(shí)仍保證頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性有一定的難度，ARD3T測(cè)頻的硬件電路帶有滯回比較功能，可以保證頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖6 測(cè)量信號(hào)處理電路

Fig.6 Signal acquisition amplifier

2.3        ARD3T電流、電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

使用2.2中測(cè)量電路測(cè)量到的電壓、電流數(shù)據(jù)見表1、表2所示，測(cè)試時(shí)為驗(yàn)證電路的可靠性測(cè)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(hào)分為工頻無諧波的純正弦信號(hào)、工頻有諧波的信號(hào)、45Hz/65正弦信號(hào)、45Hz/65有諧波信號(hào)，將各種情況下的測(cè)量結(jié)果同儀器輸出參數(shù)進(jìn)行比對(duì)可知：測(cè)量模塊在測(cè)試的各種環(huán)境、各類信號(hào)下都可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

表1 測(cè)量模塊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1

Tab.1 measured data 1 measurement module

表2 測(cè)量模塊實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2

Tab.1 measured data 2 measurement module

3         ARD3T主體、測(cè)量模塊抗干擾措施

ARD3T主體、測(cè)量模塊中設(shè)計(jì)時(shí)，采用了多種軟硬件抗干擾處理措施。硬件中在電源部分設(shè)計(jì)有共模電感、X電容、差模電感組成的濾波器電路，通過該電路可以使產(chǎn)品通過4級(jí)電快速脈沖群試驗(yàn)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)有專用的浪涌保護(hù)電路，可以保證產(chǎn)品通過4級(jí)浪涌測(cè)試；開關(guān)量輸入處添加必要的濾波電路可以有效地防止干擾信號(hào)引起的開關(guān)量誤導(dǎo)通；信號(hào)處理芯片管腳處加入合理的保護(hù)電路，防止異常信號(hào)造成芯片損壞；信號(hào)處理電路處設(shè)計(jì)合理的濾波電路有效的衰減了高頻干擾引起的測(cè)量誤差；測(cè)量軟件中加入數(shù)字濾波技術(shù)，可以很好的保證測(cè)量準(zhǔn)確性。

4         結(jié)束語

隨著電動(dòng)機(jī)保護(hù)器使用的普及，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求在不斷變化，產(chǎn)品的研發(fā)要著眼于未來市場(chǎng)的發(fā)展，ARD3T電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是在總結(jié)市場(chǎng)發(fā)展方向，結(jié)合本身原產(chǎn)品的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上而推出的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、功能可靠，更符合未來市場(chǎng)的需求。ARD3T電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在實(shí)際使用中不僅可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，還可替代各種指針式電量表、信號(hào)燈、電量變送器等常規(guī)元件，還可以作為MCC的核心元件完成一定的邏輯運(yùn)算，簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)控制電路，在現(xiàn)場(chǎng)可任意添加、刪除產(chǎn)品模塊，使用方便，更符合未來市場(chǎng)需求。

文章來源于：《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制》2012年12期。

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作者簡(jiǎn)介：

趙波 (1982-), 男，工程師，本科，從事電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器研究

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