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电动机保护器模块化

已有 314 次阅读2011-12-16 14:53 |个人分类:行业论文| 关键词:

摘  要: 本文通过介绍江苏安科瑞电器制造有限公司开发的ARD3T模块式智能电动机保护器,在企业自身和客户使用上所具有的优势,进一步介绍模块式电动机保护器的设计思想,技术难点及设计时所遇到的一些问题及处理方法。


关键词:电动机保护器模块化 内部总线 可编程


0    引言
智能电动机保护器发展至今,存在两种发展趋势,一种是:多种功能集成在一个壳体内;另一种是:根据功能划分模块,通过模块拼装满足各种要求。多种功能在一个壳体内的方式,可以减少开发前期的投入,开发周期短,从短期内来看,对企业有利。功能模块化,开发前期投入多,相对前种方式开发周期会变长,但成功后,后期产品维护方便,可以消除因功能多少引起生产紊乱,产品使用者进行产品升级或改造时产生停产等不利因素。

1   模块式电动机保护器的优势

1.1   对企业自身的优势
客户的需求是多样化的,产品使用环境不同、实际生产工艺不同,造成客户对产品的需求往往有所不同,同一类产品功能不同,会引起生产厂家生产上的不同,库存管理、分类不同,加大企业自身生产负担。模块式电动机保护器,各模块功能明确,方便生产,利于存储。企业将最基本的保护功能作为基本模块,其它高级保护、控制、通讯功能作为选配模块,这样在客户需要不同功能时,在基本模块基础上添加对应模块即可,通过搭积木方式实现不同功能的产品。在面对客户多样化需求时,优势是不言而喻的。

1.2   对使用者的优势
模块式电动机保护器适用范围广,使用者根据自身需要选取产品,使用者只需要常规过载、断相等常规保护功能时选取基本模块即可。需要带有全面保护和控制功能,选取基本模块和所需的模块进行组合。需要带有全面保护、控制、通讯、管理分析功能时,选取基本模块加多个模块进行组合。
模块式电动机保护器灵活性高,使用者在设计初期选用了基本模块,而实际生产中发现需要更多功能时,添加模块即可。当使用者遇到系统、功能升级或改造,而引起设备升级、变动时,添加、删减对应的功能模块即可完成技术改造,不必担心造成停产等影响。
模块式电动机保护器可靠性高,在使用中如遇到保护器出现故障,模块式电动机保护器会自动报出具体模块故障,使用者只需更换故障模块,不影响其它模块。


2    模块式电动机保护器的设计思想

要进行模块式电动机保护器设计,首先要明确产品使用环境,模块种类,以及划分的依据。

2.1   产品使用环境
作为保护类产品,要明确产品的正常工作环境。根据标准,环境温度可选位为:-10 ℃ ~+55 ℃,此温度可以满足绝大多数产品的使用环境;大气压力为:80 kPa~110 kPa(海拔2000 m以下);相对湿度为:最湿月的月平均相对湿度为90%,同时该月的平均最低温度为25 ℃,并且在产品上不应出现凝露;使用环境不应有腐蚀、破坏绝缘的气体及导电介质,对于使用环境内有火灾、爆炸危险的介质、产品应有防爆措施。户内产品的使用环境应有防御雨、雪、风、沙的设施。供电电源:额定电压AC 220V,交流电源额定电压为额定值的85%~110%。

2.2   控制功能
标准中对电动机保护器控制功能描述如下:“可具备对电动机进行直接起动、可逆(双向)控制、各种减压起动和双速控制的控制功能”。由此可见标准将控制功能作为非标配功能处理,实际客户使用时可以只将保护器当作保护元件使用,模块式电动机保护器作为可编程产品,可以通过编程功能自由实现的起动有:保护模式、直接起动/全压起动、星三角起动、自耦降压起动、可逆起动、双速起动,变频器配合使用、软起动器配合使用等起动方式。
除各种常规起动方式外,模块式电动保护器还带有两种自起动功能,自起动功能如下:
a)带有运行中的电动机因失压或欠压停车,当电源恢复到允许自起动电压值后,执行立即自起动、延时自起动、禁止自起动的功能。
b)带有不考虑停车间隔时间的长短,产品可根据掉电前产品记忆的电动机运行情况实现自起动功
能。

2.3   保护功能
模块式电动机保护器须具备如下保护功能:过载保护、断相保护、堵转保护、阻塞保护、欠载保
护、不平衡保护、起动超时保护、过压保护、欠压保护、欠功率保护、相序保护、单相接地保护、漏电保护、外部故障、工艺连锁等多种保护功能。

2.4   产品着火危险防护
工业类产品需要具有不可燃烧的特性,选用的耐火材料应具有GB 4943-2001规定的V2及以
上阻燃等级,能承受GB/T 5169.5中严酷等级为20 s的针焰试验。

2.5   模块划分
智能型电动机保护器具备如下功能:电流、电压、功率、频率等电参数测量;电机转子、轴承温度测量;电参数、温度值的变送输出;开关量输入、输出;工艺连锁;各类保护功能;通讯组网等功能。从上述功能描述上看,功能可总结为:电参数测量;温度测量;模拟量输入输出;对电机保护、控制;通讯功能几方面。
采用按功能划分模块的方式,可以划分出如下几种模块:电参数测量模块、温度模块、模拟量模块、通讯模块、开关量模块、显示模块、CPU单元几种。

2.6   模块功能
各模块功能如下:
CPU单元负责协调各模块工作,带有开关量输入、开关量输出功能、对外通讯组网、时钟、故障记录、PTC测量等功能。开关量输入、输出可以自由编程设定功能。可以实现直接起动、双向起动、双速起动、自耦降压起动、星三角起动等多种起动。CPU单元是模块式电动机保护器必备模块。
测量模块测量实现电流、电压测量。电流范围为0.4A至800A,电压为AC220V、AC380V、AC660V,频率45Hz~65Hz,漏电流50mA~5A。测量用电流互感器需要选取保护级电流互感器,保护级电流互感器相对测量级电流互感器过载能力强,通常可以达到10倍过载不饱和。目前,市场上常用的保护级电流互感器,精度可以达到0.5级,在保护类产品中使用,效果很好。电机电流小于等于100A时,采用一体式模块互感器,当大于100A采用外置式电流互感器。电动保护器的过载、断相、堵转、过压、欠压、欠功率等保护功能都是通过对电参数的分析来实现的,测量模块也是模块式电动机保护器的必备模块。

温度模块通过外接PT100、PT1000、Cu50、PTC/NTC等传感器实现温度测量。可以使用温度模块,对电动机绕组、轴承的温度温度进行测量,通过实测的温度值,执行温度保护。还可以通过温度模块的测温功能,对电动机的冷却过程进行精确跟踪,测出实际冷却时间。温度模块可以外接三路温度传感器,可以通过一个温度模块同时对电机绕组、轴承进行测温。

模拟量模块可以实现模拟量输入测量和模拟量变送输出。模拟量输入测量功能,可以被用在现场工艺连锁保护、测量显示等情况,模拟量输入可接的设备包括:电力变送器、模拟信号变送器、转速传感器、角度传感器、位置传感器等设备,通过接收判断上述设备的信号实现对应的工业操作。通过模拟量输出功能,能将电参量、温度、模拟量输入等参数转换为DCS或PLC所需要的模拟量输出信号,由DCS或PLC执行相应的操作。

开关量模块对CPU单元的开关量进行扩展,当CPU单元的开关量点数无法满足使用者需求时,通过外加开关量模块实现产品开关量点数扩展。

常用的现场总线有:MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、CANBUS等,通过外加通讯模块实现与PROFIBUS、DEVICENET等通讯网络进行通讯。采用专用通讯模块来实现,产品在多种通讯网络中使用,使的产品应有灵活性提到提高。

由CPU单元和测量模块组成基本模块,实现基本的测量、保护、控制功能,其它模块作为选配模块,由基本模块加选配模块实现复杂功能。

2.7    模块互联
    模块互联直接影响到产品的可靠性。数据交换的处理是产品稳定工作的关键,常用的通讯接口SPI、IIC、UART、CAN 等,都有自身的特点与局限性。根据产品实际功能、特点,选用合理的通讯接口。通过选定的通讯接口进行模块互联。


3   模块式电动机保护器技术难点

可靠的通讯协议,用于模块数据通讯处理。此套协议要带有模块识别、数据传送、数据校验、冲突检测、仲裁等功能。同时对传输数据格式做好规定,即起始位、停止位、数据位、检验位,数据校验等。传输数据格式可以参考常规数据传输模式,起始位1位,数据位8位/7位,停止位1位/2位,校验位1位,检验位可以选择奇、偶校验。数据传输要带有校验数据,可以采用CRC等校验方式。
保护类产品继电器输出是不能误动作的,继电器输出通常用于控制电机运行状态或信号传输,一旦出现误动,影响很大。误动的原因有多种,不符合标准的规范而引起的误动;产品抗干扰性不好,受到干扰引起误动。

作为电动机保护器要符合《GB14048.4低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器》和《JB/T10736—2007低压电动机保护器》等标准的要求,设计者以相关标准作为设计依据,这样可以减少功能上的偏差带来的误动。

由于产品抗干扰性能不好而产生的误动,对设计者有很大的考验。干扰的传播途径有很多种,产品供电电源,空间电磁信号,连接线耦合等,强干扰会引起产品死机等工作状态不正常。常规使用看门狗来保证产品死机后自动复位的方法,在保护类产品中并不完全适用,通过看门狗进行复位时,继电器会出现瞬间工作状态跳变,很可能造成误动作。

可编程逻辑功能,使用者对产品需求多种多样,将使用者的要求分好类,通过上位机配置软件进行功能编程。需要有行业经验丰富的工程师参与需求功能库的建立,通过时尽量在硬件上做到通用化,即硬件采用一个平台,对硬件平台写入不同的程序(是指由客户编制的程序),执行不同的功能。部分可编程功能可见图1~图5。






4   模块式电动机保护器研发中遇到的问题及解决
模块式电动机保护器在研发、测试中曾遇到如下问题:
通过内部总线进行互联时,某些模块数据错误,分析硬件、协议发现出问题的模块在收发处理时引起错误操作,对收发处理部分重新更改,解决此问题。

环境试验时,发现会出现模块出错,经分析发现使用的电路中有元件性能达不到技术指标,重新设计更正后可以通过环境试验。

EMC测试时,静电间接放电试验会引起芯片复位,对测量仪表可以判为合格,但保护类产品不能出现这样的误动。经反复分析、测试、验证后发现电路设计中存在一定问题,原设计在其它产品中可以正常工作,但在此处参数上不完全相符,对电路进行更正,可以有效通过静电测试。


5   结束语
模块式电动机保护器是国家科技部项目,设计思想新颖,在国内同行中属于首创,填补了国内同行产品在此领域的空白。模块式电动机保护器,集测量、保护、控制、通讯于一身,产品性能安全可靠,可以对电动机实施可靠有效的保护。可以方便的替代老式热继电器、温度继电器等传统的电动机保护产品,可以通过和接触器、断路器配合实现对电动机的控制、保护等功能。可以方便的接入PLC、DCS系统。

模块式电动机保护器可以作为MCC核心器件使用,简化设计,原需要通过PLC加外部传感器、变送器才能实现的功能,现在可以交给模块式电动机保护器来实现。并且模块式产品带有一定的可编程能力,可以作为设备级的中心控制器。模块式电动机保护器产品如图6所示。




文章来源于:《电机与控制应用》2011年第9期。


参考文献
[1]  GB14048.4-2003 低压开关设备和控制设备 机电式接触器和电动机起动器[S].
[2]  JB/T10736-2007 低压电动机保护器[S].
[3]  佟为民,赵志衡.一种微机式电动机综合保护器的研制[J].低压电器,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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