ARD3T智能电动机保护器主体与测量模块设计原理

0 引言
目前市场中各类电动机保护装置种类繁多，从简单的电子式热继电器到高端的多功能、智能化、网络化产品，但独立模块化的产品较少，尤其是国内电动机保护器生产厂家没有真正意义上的模块式产品。通常国内电动机保护器将全部功能集中在主体内，这类产品的功能模块是线路板式模块，只适用于工厂内部生产使用，在使用场所需要进行功能扩展时要拆除主体单元，或通过调换新产品的方式来实现功能扩展，如果线路板上某一功能发生故障需要进行维修时，需要拆除整个产品，这样不利于现场使用。
ARD3T是模块式产品，有如下几种模块：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、主体模块。由主体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，添加删除模块后，直接对产品组态即可投入使用，不需返厂，利于生产使用，本文主要介绍主体、测量模块的设计原理。
1 主体、测量模块功能介绍
主体模块是ARD3T的大脑，协调各模块工作，对各模块的信息进行分析、判断、处理。主体带有的硬件资源有：开关量输入、开关量输出、Rs485通讯电路、PTC测量电路、故障记录等。可提供的编程功能有：对开关量输入、输出编程、定时器、计数器、真值表、各种起动方式、保护动作、4～20mA变送输出等。
测量模块完成电流、电压、剩余电流测量，将测量结构通过内部数据总线发送给主体。测量模块电流测量范围为0.4A至800A，电压为AC380V、AC660V，频率45Hz～65Hz，漏电流为50mA～5A、3A～30A。电机电流小于等于100A时，采用一体式互感器模块（互感器安装于测量模块内部），大于100A时采用外置式电流互感器+测量模块。

2 主体、测量模块设计原理介绍
2.1主体、测量模块产品特点
常规电动机保护器产品的组成通常包括：互感器模块、主体模块、显示模块。互感器模块为保护级电流互感器，直接将互感器二次侧信号传输给主体模块，电流采样处理电路在主体模块内部。这种处理方式设计简单，但有以下不足：每种电流规格的互感器模块和主体模块是一一对应的，如果客户更换了使用的电机或生产工艺有变动时，原产品额定电流设定不能满足要求时，需要将互感器、主体两部分返厂重新更换；互感器模块出现故障后，主体无法给出提示；互感器模块没有与主体连接或连接不可靠，二次侧开路产生的高压。大多数常规电动机保护器仅能对开关量输入、开关量输出进行编程，可编程功能较少，不带有定时器、计数器、真值表功能，无法进行相关的编程，通常只带有一种起动方式，不可以现场对起动方式进行设定。
模块式的ARD3T产品主体与测量模块通过内部数据总线连接，测量模块供电来自内部数据总线，通过内部通讯协议主体可自动识别测量模块种类，主体模块检测到测量模块有故障时，自动发出报警提示。在实际使用因各种原因而需要更换电机，并且新电机的额定电流、功率等参数不在原保护器参数可设定范围内时，只需更换ARD3T测量模块，主体模块不必更改，新的测量模块与主体连接后，通过重新组态即可直接进行生产。测量模块本身带有CPU单元和信号采样处理电路，用于完成电参数的测量。主体和测量模块之间采用数字方式进行通信，信息传送可靠，主体和测量模块间没有通过连接线连接时，测量模块与主体接口不会产生高压危险。
与常规电动机保护器相比，ARD3T主体模块开关量输入、开关量输出可编程功能除常规的运动控制外，还包括各类报警输出、脱扣输出、计数器输出、定时器输出、真值表输出、通讯输出等，可以通过可编程功能实现较复杂的电机操作。ARD3T主体同时带有：保护模式、直接起动、双向起动、星三角起动、自耦降压起动、双速单绕组起动、双速双绕组起动等起动方式，通过液晶或上位机配置软件可以直接在不同起动方式间切换，更符合现场使用需求。ARD3T主体带有模块扩展接口，现场人员通过简单的外部接线即可实现模块功能扩展。

2.2主体、测量模块硬件原理
根据主体、测量模块的功能可知：主体模块硬件上必须能提供如下功能：电源、开关量输入电路、开关量输出电路、PTC测量电路、通讯处理电路、CPU单元等；测量模块上必须具备电压、电流、剩余电流采样电路、信号处理电路、CPU单元、通讯电路等。主体、测量模块硬件框图如图1、图2所示。

图1 主体硬件框图

Fig.1 main module hardware block diagram

图2 测量模块硬件框图

Fig.2 measurement module hardware block diagram

ARD3T模块供电来自内部数据总线，即整个产品供电全部来源于主体的电源部分，主体电源稳定性决定了产品的可靠性。开关电源具有效率高、适用范围宽等优点，本项目采用开关电源作为主体电源，电源采用PI公司的TENY系列芯片。
主体开关量输入用于外接起动、停止等控制按钮或作为工艺连锁使用，现场布线时如将控制线同动力线绑接在一起或线缆铺设时不注意分层处理，连接线过长且不使用屏蔽电缆，都会容易引起开关量输入信号的误动作，直接影响生产的安全可靠。为此设计开关量输入电路时，要有相应的抗干扰处理措施，使电路有强抗干扰能力，ARD3T开关量输入信号电路见图3所示，电阻R71、R94为限流电阻同时通电容C31组成第一级滤波电路，根据滤波要求计算电阻、电容参数，二极管D1为TVS管，有两中作用：一是用于误接保护；另一是作为第二级滤波使用。U12为光耦用于信号隔离，电容C35为光耦后级的滤波电容，可以消除高频脉冲信号，进一步保证对开关量输入信号检测的正确性。

图3 开关量输入电路

Fig.3 Switching input circuit

主体开关量输出用于控制接触器、中间继电器、信号输出（运行信号、故障信号等），开关量输出信号的正确性同样影响着生产的可靠性。设计开关量输出电路时，首先选好继电器，通常我们最关心的参数有：触点负载、最大切换电压、最大切换功率、最大切换电流、浪涌电压、介电电压等。这些参数在技术手册上都可以查到，但手册上给出的“触点负载”通常指的是纯阻性负载，实际使用中的负载以感性居多，带感性负载时触点容量需要乘以相应的降容系数才是我们所需要的数值，如果无法知道确切的降容系数，可以通过继电器试验进行实测。ARD3T开关量输出电路如图4所示，图4中C44、C20、R10、R11组成滤波、限流电路，防止外部干扰引起继电器输出误动作，同时R10、R11组成分压电路同样可以吸收小的脉冲干扰信号；D6为续流二极管，用于释放继电器关断时线圈产生的自感电动势。

ARD3T主体带有RS485通讯电路，通讯协议为MODBUS，通讯电路原理如图5所示，本电路的巧妙之处在于数据收发直接由硬件来控制，不用CPU参与控制，这样可以节省CPU资源简化程序设计。RS485通讯电路设计时要根据通讯最高波特率选取光耦，最高波特率为38400时，通常选

图4 开关量输出电路

Fig.4 Switching output circuit

取6N137、TLP115等高速光耦。最高波特率为9600/19200时，可以使用TLP181等常规光耦，但要注意电阻值R56、R6、R3、R4的参数匹配，否则在高低温测试时，通讯线长度为1200米时，通讯可靠性将降低。

图5 通讯电路

Fig.5 Communication circuit

测量模块作为ARD3T必备模块之一，负责完成电流、电压、剩余电流、频率、功率的测量，并及时的将计算结果通过内部总线传送给主体模块。测量模块采用交流采样的真有效值算法完成对电流、电压、剩余电流的测量，真有效值在信号有畸变的情况下可以保证测量的准确性。

电流、电压、剩余电流测量都是对模拟信号的测量，硬件设计中原理是相同的，都有以下组成：信号采样电路、滤波电路、信号放大电路、A/D电路。电流信号采样通过互感器进行隔离，通过取样电阻取电流互感器二次侧信号，电压信号是通过电阻分压的方式实现信号采集，取样电阻需要选取精度高、温漂系数好的金属膜电阻。滤波和信号放大电路一起构成了信号处理电路，鉴于RC低通滤波电路具有结构简单、可靠性高、能耐受较大过载和浪涌冲击等优点，电路设计中滤波电路采用了RC低通滤波电路。RC滤波电路滤除的信号频率与采样频率有关，设计时将采样频率一半以上的信号滤除。

测量模块信号处理电路见图6所示。图中RB5为取样电阻，完成信号采样，R15、C19组成RC滤波；Q3为保护电路，防止大信号输入，引起后极芯片损坏，U3B实现信号反向放大，输出信号给后极AD使用。

测量模块测量的电流、电压频率通常都是工频频率，当频率有偏离工频频率时仍按工频频率进行测量会引起较大测量误差，为此ARD3T测量模块采用频率跟踪技术进行频率自动跟踪，可跟踪范围为45Hz～65Hz，频率跟踪的基础是频率测量，频率测量可以分为软件测频、硬件测频两种方法，硬件测频最常用的方法是硬件锁相环，软件测频常用的方法有最小二乘法、牛顿类算法、离散卡尔曼滤波算法，离散傅氏算法及其改进算法，正交去调制法等。各种测频方法都有其自身的特点，ARD3T测频是通过硬件上使用滞回比较器，软件上对滞回比较器输出计时的方法来实现频率测量。在纯正弦波的信号时，测频容易实现，但有谐波干扰时仍保证频率测量的准确性有一定的难度，ARD3T测频的硬件电路带有滞回比较功能，可以保证频率测量的准确性。

图6 测量信号处理电路

Fig.6 Signal acquisition amplifier

2.3 ARD3T电流、电压测量数据
使用2.2中测量电路测量到的电压、电流数据见表1、表2所示，测试时为验证电路的可靠性测试环境分为常温常湿（+25℃，60%湿度）、低温（-20℃）、高温高湿（+65℃，95%湿度），三种环境温度，信号分为工频无谐波的纯正弦信号、工频有谐波的信号、45Hz/65正弦信号、45Hz/65有谐波信号，将各种情况下的测量结果同仪器输出参数进行比对可知：测量模块在测试的各种环境、各类信号下都可以保证测量的准确性。

表1 测量模块实测数据1

Tab.1 measured data 1 measurement module

测试环境条件	数据类型	仪器输出参数
		I=25A U=380V F=50Hz 谐波无	I=100A U=380V F=50Hz 谐波无	I=100A U=380V F=45Hz 谐波无	I=25A U=380V F=65Hz 谐波无
+25℃，60%湿度	Ia	25.00	100.0	100.0	25.00
	Ib	25.00	99.9	99.9	25.00
	Ic	24.98	100.0	100.0	24.98
	Uab	379.9	379.9	379.8	380.0
	Ubc	379.8	379.8	379.8	379.8
	Uca	380.0	380.0	380.0	380.0
+65℃，95%湿度	Ia	24.92	99.9	99.9	24.93
	Ib	24.92	99.8	99.8	24.93
	Ic	24.93	99.9	99.9	24.93
	Uab	379.9	380.0	379.9	379.9
	Ubc	380.0	379.8	379.8	379.8
	Uca	379.8	380.0	380.0	380.0
-20℃	Ia	25.17	100.1	100.1	25.16
	Ib	25.16	100.2	100.1	25.16
	Ic	25.15	100.2	100.1	25.16
	Uab	381.6	381.8	381.6	381.8
	Ubc	381.7	381.7	381.6	381.8
	Uca	381.6	381.5	381.6	381.8

表2 测量模块实测数据2

Tab.1 measured data 2 measurement module

测试环境条件	数据类型	仪器输出参数
		I=25A； U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=50Hz	I=100A U=380V F=45Hz	I=25A U=380V F=65Hz
		谐波（1-31次组合，最大40%）
+25℃，60%湿度	Ia	24.98	100.0	100.0	25.00
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