低压电动机保护器的选型技巧

摘 本文重点介绍ARD电机保护器的具体设计方法，给出硬件原理图和软件流程图。本文根据产品的硬件功能模块进行了解释。在介绍硬件功能模块时，详细分析了硬件功能模块的原理图，并解释了硬件是如何设计的，以及为什么这些设计的优缺点。通常电动机保护器工作的条件比较恶劣，为使产品性能方面更加稳定可靠，需要使用一些抗干扰措施，文中介绍的这些抗干扰措施在实际使用中被证明是成功的。

关键词：电机保护器；ARD三、保护功能；ModBus

0 引言

随着电子技术的发展，电机保护器正朝着基于现场总线的智能方向发展。我们公司设计的ARD3基于国内先进水平的电机保护器，是具有智能保护和通信功能的电机保护器。产品系列电流范围齐全，产品系列额定电流范围1.6～800A;可测电流范围宽，电机额定电流可达10倍；采用先进的软件算法和可靠的硬件设计，有效判断和保护电机过载、断相、三相不平衡、堵塞、堵塞、过压、欠压等故障。根据热容量判断电机的过载状态，充分发挥电机的过载能力；配备可编程开关量输入和继电器输出，实现远程主站电机运行状态的遥信监控和直接启动、自耦合降压、星三角形启动；标准RS-485接口ModBus通信协议实现计算机联网。

1 硬件设计

ARD3电动机保护器用H8/3687FP单片机实现电机的保护功能。在硬件方面，主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等组成。以下是关键部分的简要介绍：

1.1 信号采集单元

ARD3电机保护器采用交流采样算法计算被测信号。采样方法是根据一定周期（称为采样周期）连续实时采样被测信号的完整波形（正弦波只需采样半个周期），然后计算采样得到的离散信号的真实有效值，以获得被测信号的真实有效值，避免被测信号波形畸变对采样值的影响。

信号采集单元的功能大互感器二次测量的输出信号，将信号转换为单片机可处理的信号。ARD三相电流信号、剩余电流信号信号、剩余电流信号和电压信号的信号采集和放大电路原理相同。现在以一路电流信号采集和放大电路为例。

如图1所示。二极管在图中A1、A七是双向二极管，对后电路起到过压保护作用。当输入信号在正常范围内时，A1、A当输入信号超过正常范围（或脉冲干扰信号）时，7不起作用，A1、A7导通，防止超出后电路端口范围的信号进入后电路，破坏后电路A/D电路。CR一是取样电阻，将从CT输出的电流信号转换为电压信号。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13组成同相放大电路，放大电压信号，输入A/D转换电路。

图1中LM324采用双电源供电，可保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换以提高显示精度。在图1中，输入信号通过运放进行分档处理，小信号从P1.输出大信号从P1.1输出。这种处理是因为电机保护器处理的电流范围很宽（从电机额定电流的1倍到额定电流的10倍），分级处理可以提高测量精度。

1.2 I/O单元

如图2所示。电路开关量由IN1～IN7输入，通过光藕产生IS1～IS7，并行信号IS1～IS7输入到74HC165，通过74HC165将并行信号转换为串行信号CPU。电阻R11～R光耦中的二极管不受损坏，起到限流作用。RS1～RS8.上拉电阻和电容CS～CS8配合使用不仅可以稳定光耦输出电平，还可以在上电时保护光耦。

如图3所示，继电器控制电路。JDQ1～JDQ4与CPU连接，三极管QJ11～QJ供电电压为14 5V，三极管QJ1～QJ4的供电电压是 24V。现以QJ11，QJ当这个控制电路解释电路的工作原理时CPU平时输出高电三极管QJ11不导通，OUT11不输出电流光藕不会导通，JT还输出高电平，QJ不会导通继电器不会动作。当CPU平时输出低电三极管QJ11导通，OUT输出高电平使光耦导通， JT1变为低电平，三极管QJ1导通OUT输出低电平使继电器移动。图3中二极管DJ1～DJ四是继电器续流二极管。

机电继电器或固体继电器可用于控制输出部分。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路相对简单，但可靠性和使用寿命有限，接触动作会产生火花，严重影响系统的正常运行。因此，在PCB继电器应尽可能远离单片机，并靠近仪器的输出端口。此外，继电器线圈两端应并联流二极管，否则继电器线圈断电时会产生较高的感应电压，从而损坏电路。固态继电器具有使用寿命长、性能稳定、无火花等特点。考虑到产品的可靠性，本产品采用固态继电器。

1.3 通讯单元

如图4所示，通信电路将实现。CPU串口输出电平转换到RS485电平。本电路的巧妙之处在于，数据收发直接由硬件控制，无需CPU参与控制可以节省CPU简化程序设计的资源。

1.4 CPU单元

CPU该单元是电机保护器的核心单元。信号采集、各种报警处理、通信功能、显示功能……都是由它完成的。本产品采用CPU芯片来自瑞萨H8/3687芯片，其功能如下：62条基本说明； RTC(实时钟可作为自由计数器使用)，SCI(异步或者时钟同步串行通信接口)2路，1路IIC接口，8路10位A/D，8位定时器2个(Timer B1,TimerV)，16位定时器1个(TimerZ)，看门狗定时器，14位PWM，45个I/O引脚(H8/3687N有43个I/O引脚)，包括8个可直接驱动LED大电流引脚(IOL=20mA,@VOL=1.5V)，片上复位电源POR电路、片上低压检测电路(LVD)。芯片有两种包装形式：LQFP-64(10mm×10mm)FP-64(14mm×14mm) 。该芯片有两种封装形式：LQFP-64(10mm×10mm)FP-64(14mm×14mm) 。CPU如图5所示。

因为A/D功能，IIC功能，RTC，定时器、看门狗等功能已集成到芯片中，因此CPU单元的外围电路非常简单，每个引脚只需要外部过滤电容器，以增加端口驱动能力和稳定信号。

2 软件设计

系统软件应完成三相电流、一路剩余电流、三路电压A/D，计算各种保护量、判断和处理保护功能、显示电压、电流、故障记录、按钮处理、通信、交付等功能。只有合理安排程序流程来完成这些功能，保护器才能可靠地工作。程序流程图如图6所示：

3 抗干扰措施

电机保护器作为置，电机保护器应具有很强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中，采取以下措施提高产品的抗干扰性：1硬件：增加电源部分EMC滤波器、高频变压器二次、初级高压电容器、输出部分过滤电路、信号采集部分过滤电路、信号处理芯片输入口端口保护电路、各芯片电源输入莲花电容器、继电器两端并联二极管、加光耦与CPU端口隔离；不使用CPU端口定义为输出状态；PCB板布局时，模拟部分和数字部分进行分区处理，模拟信号在模拟区域布线，数字信号在数字区域布线，两者不进入对方区域；布线时尽量加粗电源线和地线，信号线145o线，不走直角线；使用；CPU内部看门狗监控程序运行。软件方面：各种信号采集都采用软件滤波以提高采样值的准确性。2软件：软件滤波用于各种信号采集，以提高采样值的准确性。通过采取一系列措施，产品的抗干扰性大大提高，产品一次成功通过3C安全认证型式试验。

4 结论

ARD3电机保护器采用先进的设计方案，集测量、保护、控制、通信于一体，产品性能安全可靠，能够可靠有效地保护电机。ARD3在实际使用中，电机保护器可以完全取代传统的电机保护产品，如热继电器和温度继电器，并取代各种指针电表、信号灯、电力变送器等传统元件，简化电机控制电路，减少柜内电缆连接和现场施工。

2008年第五期《继电器》。

参考文献

[1] 任致程，周中.电力测量数字仪表原理及应用指南