［摘要］：介绍一款经济型智能电动机保护器-ARD2型的设计与应用，该保护器将众多保护功能集于一体，针对电动机在实际使用中会遇到的多种故障进行保护，使电机在各种故障条件下不会产生损坏，提高电动机运行的可靠性，减少由于电动机的故障问题带来的生产损失。
0 引言
由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，要求电机经常运行在频繁的起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等方式，电机的运行要求越来越高，运行环境也越来越苛刻，同时，由于电机与配套机械连在一起，当电机发生故障时，经常波及生产系统。因此，对电机实行有效的保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。
本文将要介绍的是ARD2型电动机保护器的经济、简洁的设计方法和应用。该型保护器主要用于对电动机运行状态的监测，并针对电动机在生产运行过程中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地 /漏电）等故障进行保护，使电动机不至于因为以上原因而导致损坏，从而使生产遭受损失，采用ARD2电动机保护器能有效提高电动机运行的安全性，降低生产损失，是传统热继电器的理想替代品。
1技术指标
ARD2型智能电动机保护器的技术指标见表1。
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技术参数 |
技术指标 |
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保护器辅助电源 |
AC220V/AC380V，功耗8VA |
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电机额定工作电压 |
AC380V，50HZ |
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电动机额定工作电流 |
6.3A（1.6A-6.3A） |
采用小型专用电流互感器检测模块 |
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25A（6.3A-25A） |
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100A（25A-100A） |
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250A（63A-250A） |
采用专用互感器 |
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800A（250A-800A） |
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开关量输出 |
3路，AC250V、3A；DC30V、3A ; |
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开关量输入 |
4路，光耦隔离 |
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通讯 |
RS485 Modbus协议 |
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SOE事件记录 |
8个事件记录 |
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环境 |
工作温度： |
-10ºC～65ºC |
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贮存温度 |
-30ºC～80ºC |
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相对湿度 |
5﹪～95﹪不结露 |
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海拔 |
≤2000m |
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污染等级 |
2级 |
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防护等级 |
IP20 |
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安装类别 |
III级 |
2 设计方法
目前市场上综合型的智能电动机保护器的设计主要采用交流采样方式+高性能单片机的方案，采用该设计方法的电动机保护器测量参数多、测量精度高、能够提供更完善的保护功能，但是采用此设计方法的成本较高，销售价格也高，在只需要对电动机提供过载、断相等基本常见故障保护的场合没有性价比可言。因此采用一种设计简单、功能能够满足基本保护要求、主要用于替代热继电器的智能电动机保护器将会有很大的市场。ARD2型保护器就是一款设计简洁，保护功能较多，能够满足大多数电动机保护要求的经济型的智能电动机保护器。
ARD2型智能电动机保护器采用低成本的设计方案，整体系统由信号处理单元、中央处理单元、电源模块、人机交互单元、人机界面、控制模块、通讯接口模块等构成，装置硬件结构如图1所示。
图 1
2.1 信号处理单元
信号处理单元采用整流放大滤波电路，见图2，该电路能将采样得到的交流信号整流成直流信号，由CPU片内AD进行转换计算。
图 2
图中IC1为运算放大器LM324，采用双电源供电，这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。IC1将采样得到的信号进行两级放大处理，提高了信号的采样精度，保证了信号的线性度。
2.2 中央处理单元
中央处理单元选用MOTOROLA公司的第一款基于高度节能型S08核的器件 MC9S08AW32高性能单片机，该单片机片上资源丰富，抗干扰能力突出。内含32K字节用户程序空间，片上集成2K的RAM，支持BDM片上调试功能，片内集成看门狗电路，片上集成8通道10位AD。外部扩展了铁电存储器，用于存储一些重要的参数，即使以后升级程序也不会丢失先前的重要数据。
CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断电动机的运行状态是否正常，是否需要进行保护。中央处理单元电路见图3。
图 3
2.3 电源模块
采用AC380V电源模块。该电源模块输入电压为AC220V～450V，输入频率45Hz～60Hz，输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％，转换效率≥75％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
2.4 人机交互单元
人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。
2.5 控制模块
控制模块主要由开关量输入、输出组成，见图4。开关量输入用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制；开关量输出主要用于输出报警信号、脱扣信号和远程起动信号。
图 4
2.6 通讯接口模块
通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图5。
图 5
2.7 整体设计
保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构如图6。该结构非常适合安装于抽屉式开关柜。安装时将带显示的保护主体部分嵌入式的安装在开关抽屉的活动面板内，这样既简化了柜内接线、又方便了系统随时调整、设定参数和显示、监控，同时数字化的显示面板也增添了柜面的统一性和美观性，使得配电室内的设备运行情况及故障状态一目了然，极大的方便了系统巡视和检修维护。互感器部分采用DIN35导轨式安装方式，方能够按照用户的测量需求，更换不同量程的电流互感器。
图 6
2.8 软件设计
本产品的主软件流程图如图7所示，主程序包括A/D子程序、保护子程序、计算显示子程序、按键处理子程序、通讯子程序等子程序，由于程序内容较多，现只给出主程序流程和保护子程序流程图，见图8。
图 7
图 8
3 功能简介
ARD2智能电动机保护器按额定工作电压可分为AC380V、AC220V；按工作电流范围来分可分为6.3A（1.6A～6.3A）、 25A（25A～100A）、100A（25A～100A）、250A（63A～250A）、800A（250A～800A）五个测量档位。实现对电动机运行中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）等故障进行保护。并能在此基础上增加各种附加功能，主要有：
1）远程起动功能：由上位机通过通讯控制保护器的起动继电器，来实现远程起动电动机。
2）报警功能：当电动机运行状态出现故障时，在还未达到预先设定的脱扣时间前进行报警提示。
3）通讯功能：RS-485通讯功能，能够通过通讯接口将保护器检测得到的电动机运行的各种参数实时传送给后台主控设备，方便工作人员及时了解电动机的工作状态。
4）漏电保护：开放漏电保护监测功能，当电动机的运行环境出现漏电情况时，及时切断电动机的供电电源。
5）开关量输入：用于监测外部开关的分合状态，也可按客户要求进行起、停控制。
6）事件记录：记录保护器的最近8次脱扣动作产生的时间和原因，方便维护人员查看和检修。
7）4～20mA模拟量输出：提供直流4～20mA电流信号。
4 典型应用
图9为采用直接启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。用户可通过按动外部启动按钮SB2或通过上位机远程控制保护器的启动继电器来启动电机。其控制方式为：当启动按钮SB2按下或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM的吸引线圈处于通电状态，使接触器KM的主触头和自锁触头KM闭合，启动电动机。此时，松开SB2或启动继电器7、8断开后接触器KM的吸引线圈还是处于通电状态，主触头和自锁触头KM仍旧处于闭合状态，电动机处于通电状态。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。
图 9
图10为电动机采用Y—∆转换启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。在图5中，时间继电器KT的触头状态为吸引线圈失电时的状态，即“常态”。当启动按钮SB2或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM1线圈通电，使KM1的主触头和自锁触头KM1闭合，同时，时间继电器KT吸引线圈通电，由于延时作用，它的触头不立即动作，于是接触器KM3线圈通电，接于主回路中的KM3的主触头闭合，电动机进行星型连接降压启动状态，同时 KM3的互锁触头断开，使接触器KM2的吸引线圈不能通电，电动机运行于Y型供电方式。当时间继电器KT的延时时间到，时间继电器KT的延时断开常闭触头断开，使接触器KM3吸引线圈断电，主触头KM3断开，同时时间继电器KT的延时闭合常开触头闭合，接触器KM2的吸引线圈通电，主触头KM2闭合，电动机供电方式改为∆型连接，进入正常运行状态。与此同时，KM2的互锁触头断开，使接触器KM3吸引线圈不会通电。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。
图 10
5选型注意
在实际使用过程中，应注意严格按照电动机的额定电流来选择保护器，防止人为放大和缩小保护范围；避免由于量程太大或太小而造成的测量误差，从而使保护器无法正常对电动机进行保护。
由于ARD2保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构，所以在现场使用时应注意按出厂编号将保护器主体与互感器配对使用。但考虑到会有维修更换保护器或互感器的情况发生，因此只要保护器主体和互感器的产品型号一样，可以任意配和使用，不会对测量保护产生影响。
保护器的设计定位为替代热继电器，故保护器本身不提供对电动机的起动、停止控制及各种起动控制方式。对电动机各种起动控制方式的实现需要外部电路的支持。
6 结语
ARD2智能电动机保护器的功能较多，能够对电动机运行中遇到的各种类型的故障进行准确的报警显示和脱扣动作，能有效的防止电机意外烧毁的发生，能为用户节约大量的资金，是热继电器的理想替代产品。因此，广泛采用电动机智能保护器，不但可以提高工艺控制的准确性、科学性，降低事故率，而且对于提高电气控制系统的自动化水平和发展国民经济，也能起到积极的推动作用。