淺談ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)原理

趙波1　周中1　黃少杰2

（1江陰安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405；2廣州造紙股份有限公司，廣東 廣州 510281）

    摘 要：本文著重介紹ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的具體設(shè)計(jì)方法，給出硬件原理圖和軟件流程圖。文章按照產(chǎn)品的各硬件功能模塊進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明，介紹硬件功能模塊時(shí)，對(duì)硬件功能模塊原理圖進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合各種實(shí)際應(yīng)用的情況說(shuō)明此處硬件是怎樣設(shè)計(jì)的，為什么這樣設(shè)計(jì)以及這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。通常電動(dòng)機(jī)保護(hù)器工作的條件比較惡劣，為使產(chǎn)品性能方面更加穩(wěn)定可靠，需要使用一些抗干擾措施，文中介紹的這些抗干擾措施在實(shí)際使用中被證明是成功的。

    0　 引言

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正向基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的智能型方向發(fā)展。我公司設(shè)計(jì)的ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器立足于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，是具有智能保護(hù)和可通信功能的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。產(chǎn)品系列電流范圍齊全，產(chǎn)品系列額定電流范圍1.6～800A；可測(cè)量的電流范圍寬，可以達(dá)到10倍電機(jī)額定電流；采用先進(jìn)的軟件算法和可靠的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、斷相、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、過(guò)壓、欠壓等故障進(jìn)行有效判斷和可靠保護(hù)，過(guò)載保護(hù)采用計(jì)算分析當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的熱容量的方法，根據(jù)熱容情況判斷電動(dòng)機(jī)的過(guò)載狀態(tài)，此種方法可以最大發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力；配有可編程開(kāi)關(guān)量輸入、繼電器輸出，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主站對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遙信監(jiān)視和直接起動(dòng)、自耦降壓、星-三角等起動(dòng)方式；帶有標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口ModBus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

    1　 硬件設(shè)計(jì)

    ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器用H8/3687FP單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能。在硬件方面主要由三相電流信號(hào)采樣、漏電流采樣、電壓信號(hào)采樣、鍵盤(pán)接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成，下面分別對(duì)其中的關(guān)鍵部分作簡(jiǎn)要介紹。

    1.1 信號(hào)采集單元

    ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用交流采樣算法計(jì)算被測(cè)信號(hào)。采樣方式是按一定周期（稱(chēng)為采樣周期）連續(xù)實(shí)時(shí)采樣被測(cè)信號(hào)一個(gè)完整的波形（對(duì)于正弦波只需采樣半個(gè)周期即可），然后將采樣得到的離散信號(hào)進(jìn)行真有效值運(yùn)算，從而得到被測(cè)信號(hào)的真有效值，這樣就避免了被測(cè)信號(hào)波形畸變對(duì)采樣值的影響。

    信號(hào)采集單元的功能取樣、整流、放大互感器二次測(cè)的輸出信號(hào)，將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可處理的信號(hào)。ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中處理三相電流信號(hào)、剩余電流信號(hào)、電壓信號(hào)的信號(hào)采集放大電路原理都相同，現(xiàn)以一路電流信號(hào)采集放大電路為例說(shuō)明電路工作原理。

圖1　信號(hào)采集放大電路

    信號(hào)采集放大電路如圖1所示。在圖中二極管A1、A7是雙向二極管，對(duì)后級(jí)電路起到過(guò)壓保護(hù)作用。當(dāng)輸入的信號(hào)在正常范圍內(nèi)，A1、A7不起作用，當(dāng)輸入信號(hào)超出正常范圍（或有脈沖干擾信號(hào)出現(xiàn)）時(shí)，A1、A7導(dǎo)通，防止超出后級(jí)電路端口范圍的信號(hào)進(jìn)入后級(jí)電路，破壞后級(jí)A/D電路。CR1為取樣電阻，將從CT1輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13組成同相放大電路將電壓信號(hào)放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。

    圖1中LM324采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達(dá)到5V充分利用A/D轉(zhuǎn)換提高顯示精度。圖1中通過(guò)運(yùn)放將輸入信號(hào)進(jìn)行分檔處理，小信號(hào)從P1.0輸出大信號(hào)從P1.1輸出。這樣處理是因?yàn)椋弘妱?dòng)機(jī)保護(hù)器要處理的電流范圍很寬（要從電動(dòng)機(jī)1倍額定電流到10倍額定電流），分檔處理可以提高測(cè)量精度。

    1.2 I/O單元

    開(kāi)關(guān)量輸入處理電路如圖2所示。電路開(kāi)關(guān)量由IN1～I(xiàn)N7輸入，通過(guò)光藕后產(chǎn)生IS1～I(xiàn)S7，并行信號(hào)IS1～I(xiàn)S7輸入到74HC165，通過(guò)74HC165將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)傳送給CPU。電阻R11～R18起到限流作用保護(hù)光耦中的二極管不被損壞。RS1～RS8是上拉電阻與電容CS～CS8配合使用既可以穩(wěn)定光耦輸出電平又可以在上電時(shí)對(duì)光耦起到保護(hù)作用。

圖2　開(kāi)關(guān)量輸入電路

    繼電器控制電路如圖3所示。JDQ1～JDQ4與CPU連接，三極管QJ11～QJ14的供電電壓是+5V，三極管QJ1～QJ4的供電電壓是+24V。現(xiàn)以QJ11，QJ1這路控制電路來(lái)說(shuō)明電路工作原理，當(dāng)CPU輸出高電平時(shí)三極管QJ11不導(dǎo)通，OUT11不會(huì)輸出電流光藕不會(huì)導(dǎo)通，JT1也輸出高電平，QJ1不會(huì)導(dǎo)通繼電器不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)CPU輸出低電平時(shí)三極管QJ11導(dǎo)通，OUT1輸出高電平使光耦導(dǎo)通， JT1變?yōu)榈碗娖剑�三極管QJ1導(dǎo)通OUT1輸出低電平使繼電器發(fā)生動(dòng)作。圖3中二極管DJ1～DJ4作為繼電器續(xù)流二極管。

圖3　繼電器控制電路

    控制輸出部分可采用機(jī)電式繼電器或固體繼電器。前者價(jià)格便宜，市場(chǎng)產(chǎn)品豐富，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路也比較簡(jiǎn)單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生“火花”，嚴(yán)重時(shí)可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時(shí)應(yīng)將繼電器盡量遠(yuǎn)離單片機(jī)并靠近儀表的輸出端口。另外，在繼電器線(xiàn)圈兩端應(yīng)并聯(lián)續(xù)流二極管，否則在繼電器線(xiàn)圈斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，從而破壞電路。固態(tài)繼電器具有壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，無(wú)火花等特點(diǎn)，本產(chǎn)品中考慮到產(chǎn)品的可靠性要求采用固態(tài)繼電器。