專利名稱：智能電機保護儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于電機的保護裝置。
背景技術：
電動機作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設及人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要，而在使用中造成電機燒毀甚至引發(fā)重大安全事故的事件屢見不鮮。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數(shù)千萬度，電動機燒毀的數(shù)量達20萬臺次以上，容量約0.4億千瓦，因維修所耗的電磁線約5000萬公斤，修理費達20億元，而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個無法估量的巨大數(shù)目。因此做好電動機的保護具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益及保證安全生產(chǎn)的重要意義。
電機在礦山、冶金、電力和石油化工等領域的應用非常普遍，而且保障其正常運行至關重要，電機保護器可應用于這些領域的供配電系統(tǒng)。
從時間上劃分，電動機保護器的發(fā)展大致可劃分為三代第一代是以傳統(tǒng)的機電式繼電器為主，包括熔斷器、熱繼電器、電動機保護用自動開關及雙金屬片式溫度繼電器等。
熔斷器是最古老、最簡單、最廉價的保護電器。它的主要缺點在于只適用于電動機的短路保護，而不能用于電動機的過載保護。在保護三相異步電動機時，也常常由于某一相熔斷器熔體熔斷而造成三相異步電動機斷相運行。故IEC(國際電工委員會)規(guī)定，凡安裝熔斷器的場合，必須加設斷相保護。
熱繼電器作為傳統(tǒng)的電動機保護裝置已有80多年歷史。在結構和性能上經(jīng)歷了3～4代日臻完善的發(fā)展過程。它是利用電流流過熱元件時的熱效應引起雙金屬片彎曲使機構動作的。其優(yōu)點是結構簡單、價格低廉、使用方便、有較好的反時限特性。比較適合于恒定負載、連續(xù)運行情況下的過載保護。但是，若用來保護頻繁起動或重載起動以及發(fā)生過多次短時過載的電動機，保護效果欠佳。另外，只能對電動機的過載實現(xiàn)保護，不具備短路保護(由于存在熱慣性)，斷相保護的可靠性要受異步電動機負載率的影響。近年來，國內(nèi)外不斷開發(fā)出具有斷相保護功能的三極熱繼電器，在一定程度上改善了斷相保護的效果。熱繼電器保護的準確度較差，一是由于保護特性有一定的分散性，且不太穩(wěn)定，二是對環(huán)境溫度、機械振動等環(huán)境因素比較敏感。熱繼電器盡管存在著許多不足之處，但由于其成本低，使用簡便，目前在小型電動機的保護中仍被廣泛地選用。
電動機保護用自動開關是一種具有過載和短路保護等保護功能的電動機保護裝置，一定程度上可取代熔斷器和熱繼電器的組合。它最突出的特點是在進行短路保護時不會造成異步電動機的斷相運行，并且分斷后的停機時間短。第一代電動機保護用自動開關中的電動機過載保護仍采用雙金屬片結構，存在著與熱繼電器相同的弊端。
雙金屬片式溫度繼電器是一種埋置在電動機繞組中，直接反映電動機溫度的保護裝置。從理論上講，溫度保護是提高電動機可靠性最直接、最有效的方法，對任何原因造成的繞組溫度過高均能實現(xiàn)有效的保護。因此，特別適用于由于通風不良、環(huán)境溫度過高、起動次數(shù)過于頻繁、變動或沖擊性負載等原因引起的電動機過熱保護。但是，由于其體積較大，安裝工藝比較復雜，動作緩慢、返回時間長，不適合在小型電動機中使用。
第二代是采用電子元件和中小規(guī)模集成電路的電子式電動機保護器。它包括電子式電動機綜合保護器及電子式溫度繼電器等等。電子式電動機保護裝置是隨著電子技術的迅速發(fā)展應運而生。
電子式電動機綜合保護裝置是由電子元器件組成，基本上無可動部件(故稱靜止型)，不存在機械誤差和磨損。因此，動作速度快、精度和靈敏度高，壽命較長，耐沖擊和振動，整定簡便。我國這種裝置的研制始于20世紀80年代，到20世紀90年代初期，一批保護原理各異、性能良好、價格較低廉的產(chǎn)品已陸續(xù)研制、生產(chǎn)并開始推廣應用。雖然各種電子式保護裝置的原理各不相同，但一般均具有過載、斷相、短路、三相不平衡等多種保護功能。電子式保護裝置從總體上來看，其性能價格比已接近或優(yōu)于傳統(tǒng)的機電式保護裝置。早期因價格過于昂貴的束縛也隨著電子元器件價格的降低而逐漸消失。迄今為上被保護對象也已從以大、中型電機為主轉變?yōu)橐詾閿?shù)眾多的中、小型電動機為主?？梢灶A料它在中、小型電機保護領域的應用勢頭不會減弱。由于電子式電動機綜合保護裝置屬于純硬件電路結構，各種功能(特別是它的保護特性)都是由相應的硬件電路實現(xiàn)的。所以，仍存在著擴展功能不夠靈活，保護特性不易改變，靈敏度及電流的整定范圍受到硬件的限制和電動機運行狀態(tài)的監(jiān)控不夠完善等一些缺陷。
電子式溫度繼電器是一種將溫度傳感器埋置于電機繞組內(nèi)，借助于電子裝置對電機繞組溫度進行保護的一種電動機保護電器。溫度傳感器多采用溫度系數(shù)大、靈敏度高、體積小和具有明顯的開關特性正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻。由于傳感器安置在電動機內(nèi)部溫升較高的部位，直接反映電動機內(nèi)部的溫度。因此，從理論上講，電子式溫度繼電器可以保護由各種原因引起的繞組溫度過高的電機。然而，由于溫度傳感器存在著熱慣性(盡管西門子公司宣稱其生產(chǎn)的PTC熱敏電阻的時間常數(shù)已低于2秒，在起動、堵轉及短路時存在著一定的保護滯后。另外，安裝位置的復雜性(至今未見有繞組溫度最高點的確切描述)、保護溫度選擇的不確定性和傳感器維護的困難，使得其應用受到一定的限制。
第三代是采用微處理器的智能型電動機保護器。進入80年代以來，微電子技術的發(fā)展和應用對電動機保護在原理上的概念更新、裝置上的結構變革、性能上的完善、功能上的擴展等方面起著強大的推動作用。微處理器技術進入電動機保護領域后，使基于微處理器的電動機保護裝置具有了優(yōu)異的保護特性、完善的功能擴展和智能化的監(jiān)視與控制。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外一些著名的電器公司紛紛推出以為微處理器為核心的智能化電機保護器。如德國SIEMENS公司的3UB1系列繼電器、日本FUJI公司的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器、英國GEC-ALSHOM公司的GEMSTART智能控制繼電器。國內(nèi)也有許多單位在進行研制(如上海電器科學研究所，南京自動化研究所等)。各類產(chǎn)品型號各異、名稱不同，但其核心功能大體上有基本的保護功能、自檢、自診斷、故障參數(shù)(如故障值、故障類型等)的記憶、保護參數(shù)的整定(包括保護方式的選擇，保護特性的改變等)等。進入20世紀90年代以來，由于微機通訊技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，國外一些公司又提出了兼有監(jiān)控、保護功能的智能化保護器。它能與中央控制系統(tǒng)進行雙向通訊，形成監(jiān)控、保護與信息網(wǎng)絡，也能監(jiān)視電動機各種運行參數(shù)，不但能測量當前數(shù)據(jù)，并能對過去的運行參數(shù)及故障情況做出統(tǒng)計，幫助操作人員做出決策定以減少線路和設備的停機和維修時間。但這些設備通常結構復雜，價格昂貴，難于在國內(nèi)推廣應用，而在這一方面國內(nèi)的電機保護器的發(fā)展比較欠缺，而且國內(nèi)市場上的電機保護器普遍存在穩(wěn)定性差、測量精度低等缺點。
實用新型內(nèi)容針對上述存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種智能電機保護儀，該保護儀不僅測量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，而且組網(wǎng)方式靈活，保護種類齊全。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型一種智能電機保護儀包括數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊、通信模塊、人機接口模塊；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集三相交流電參量，然后把所采集的數(shù)據(jù)結果計算后寫入指定的保持寄存器中，采集的數(shù)據(jù)包括1)A、B、C三相電壓以及電流有效值，2)A、B、C三相分別的有功功率以及無功功率，3)交流電頻率，4)本次運行所消耗的電量；計算的數(shù)據(jù)有1)根據(jù)A、B、C三相的各自有功功率以及無功功率計算出整體的有功功率以及無功功率，2)功率因數(shù)；所述保護模塊用于由所述數(shù)據(jù)采集模塊所得數(shù)據(jù)根據(jù)設定條件判斷出是否已經(jīng)達到保護條件，當達到保護條件則根據(jù)當前保護的保護類型推動相應的繼電器(報警繼電器、保護繼電器)以及主機的故障指示燈動作，同時在保護狀態(tài)寄存器相應的位中寫入保護狀態(tài)，所述保護狀態(tài)寄存器包括三相中每一相的報警保護以及繼電器保護；所述通信模塊用于所述保護模塊與上位機或所述人機接口模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸；所述人機接口模塊包括顯示單元和鍵盤操作單元，鍵盤操作單元用于設定參數(shù)，顯示單元用于實時數(shù)據(jù)顯示和保護類別顯示。
進一步地，所述數(shù)據(jù)采集模塊采用集成芯片ADE7758，所述保護模塊采用MC9S12D64工業(yè)控制芯片。
進一步地，所述通信模塊包括RS-232、RS-485、CAN(控制器局域網(wǎng))和4-20mA模擬輸出通信口。
進一步地，各所述通信口與所述保護模塊之間設置有光電芯片隔離。
本實用新型具有如下優(yōu)點1)測量精度高在電機采樣的設計上，本系統(tǒng)采用了專用集成芯片ADE7758。ADE7758是ADI公司為三相電能表而專門研制的專用ASIC(特定用途集成電路)，它將6通道模擬通道、ADC轉換器和專用計算的DSP集成一體，完成周期電壓、電流有效值、有功和無功的累積值(功率、電能)，通過外部輔助的數(shù)字計算可完成電網(wǎng)全部電量參數(shù)的測量，ADE7758的測量精度等級可達到在1000∶1的0.1％精度；它支持三相三線制、三相四線制等美國ANSIC12.10標準三相電機的接法，片內(nèi)集成高精度的基準和溫度測量單元。采用標準的SPI(串行外設接口)完成同外圍MCU(微控制單元)接口，通過SPI可實現(xiàn)對ADE7758的編程配置、電量數(shù)據(jù)的采集、校準等多種功能，完成了系統(tǒng)中計量要求的低成本、系統(tǒng)簡潔、測量精度高、可靠性高的要求。芯片內(nèi)集成了溫度傳感器，有利于在不同環(huán)境下的溫度補償。與現(xiàn)有的模擬采集電路相比，本設計具有采集精度高(三相電壓、電流等的數(shù)據(jù)采集精度優(yōu)于0.5％等級)、抗干擾性強、硬件實現(xiàn)簡單、維護容易等諸多優(yōu)點；2)系統(tǒng)穩(wěn)定性強由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較苛刻，因此需要電機保護器具有較強的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)從芯片的選擇到系統(tǒng)的實現(xiàn)，都保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。主機部分的MCU采用Motorola公司的MC9S12D64這款專用于工業(yè)控制的芯片。顯示單元的MCU MC68HC908AZ32也是Motorola公司的一款工業(yè)級微處理器。各通信接口與MCU之間都經(jīng)過了光電芯片隔離，以保護最小控制系統(tǒng)的安全；3)組網(wǎng)方式靈活本系統(tǒng)設計采用了多種通信模塊(可選擇安裝)基于RS-485的MODBUS協(xié)議和基于CAN的DEVICENET協(xié)議進行多臺電機網(wǎng)絡組態(tài)監(jiān)控保護，以及4-20mA模擬量遠程輸出。MODBUS協(xié)議在工業(yè)通信上應用比較廣泛；DEVICENET協(xié)議是工業(yè)通信協(xié)議發(fā)展中的新技術，是一種穩(wěn)定、高速(最高通信波特率可達到1M bps)的通信協(xié)議。由于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾程度不盡相同，本系統(tǒng)采用多種通信波特率，具體可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行選擇設定并自動保存；4)保護種類齊全本系統(tǒng)考慮到了會造成電機燒毀的各種異常情況，包括過壓、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等。而且過壓比、欠壓比、過流比、保護時間等參數(shù)可以根據(jù)電機情況自由設定，有效地保護電機安全運行。


圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為人機接口模塊的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1、2所示，本實用新型包括數(shù)據(jù)采集模塊1、保護模塊2、通信模塊3、人機接口模塊4；其中，數(shù)據(jù)采集模塊1用于采集三相交流電參量，然后把所采集的數(shù)據(jù)結果計算后寫入指定的保持寄存器中，數(shù)據(jù)采集模塊1采用集成芯片ADE7758，數(shù)據(jù)采集模塊1主要是保護模塊2定時從專用集成芯片ADE7758中讀取各種采集到的三相交流電參量，然后把所采集的數(shù)據(jù)寫入某一指定的保持寄存器中，采集的數(shù)據(jù)有1)A、B、C三相電壓以及電流有效值，2)A、B、C三相分別的有功功率以及無功功率，3)交流電頻率，4)本次運行所消耗的電量；計算的數(shù)據(jù)有1)根據(jù)A、B、C三相的各自有功功率以及無功功率計算出整體的有功功率以及無功功率，2)功率因數(shù)；性能要求要求間隔20ms查詢計算一組數(shù)據(jù)；此模塊中含有一個電機啟動正常運行以及停止狀態(tài)判斷的功能，把判斷所得結果寫入電機狀態(tài)寄存器中；保護模塊2采用MC9S 12D64工業(yè)控制芯片，
保護模塊2是由數(shù)據(jù)采集模塊1所得數(shù)據(jù)根據(jù)以下標準判斷出是否已經(jīng)達到保護條件，當達到保護條件則根據(jù)當前保護的保護類型推動相應的繼電器6(報警繼電器、保護繼電器)以及故障指示燈7動作，同時在保護狀態(tài)寄存器相應的位中寫入保護狀態(tài)；保護狀態(tài)寄存器應該包括三相中每一相的報警保護以及繼電器6保護；保護定義①過壓比(任意一相電壓實時值-額定電壓)/額定電壓過壓比默認值20％，過壓默認持續(xù)時間30秒，保護類型報警，受保護設備正常運行中過壓故障持續(xù)發(fā)生30秒，系統(tǒng)進行報警保護；②欠壓比(額定電壓-任意一相電壓實時值)/額定電壓，欠壓比默認值20％，欠壓默認持續(xù)時間30秒，系統(tǒng)啟動期間，如果發(fā)生欠壓，則繼電器動作，禁止設備起動，受保護設備正常運行期間如果發(fā)生欠壓故障持續(xù)30秒，此時報警，但不發(fā)生保護動作；③過流比任意一相電流實時值/額定電流，過流比默認值1.2，保護類型保護，當某一相電流小于過流比時為正常，當某一相電流等于過流比時，持續(xù)120秒，繼電器動作，進行保護，當某一相過流比大于3時，持續(xù)時間5秒，繼電器動作，進行保護。當某相電流過流比在Ig(設定參數(shù)中的過流比)至3之間，持續(xù)時間遵循反時限規(guī)則，T＝120-115(I-Ig)/1.8，式中T表示持續(xù)時間，I是電流實時值與額定電流之比，Ig是設定的過流比參數(shù)，④不平衡Ip任意一相電流與三相平均電流之差的絕對值與平均電流之比。
不平衡默認值50％，保護類型報警，不平衡默認設定時間30秒，當不平衡持續(xù)時間達到設定時間，進行報警；⑤斷相任意一相實時值電流為0則認為是斷相，斷相默認設定時間60秒，
保護類型保護，斷相分為電機啟動時斷相、電機正常運行時斷相，啟動時斷相持續(xù)2秒時間進行繼電器保護，運行狀態(tài)斷相發(fā)生達到設定時間則進行繼電器保護；保護儀在進行報警保護判斷時，要有一定智能。如判斷斷相要和電機沒啟動、互感器壞及保護儀通道故障區(qū)別開；判斷過流要和保護儀通道故障區(qū)別開等；通信模塊3包括RS-232、RS-485、CAN以及4-20mA模擬輸出四個通信口，RS-232口本口作為從口具有三種功能，1)與操作面板連接，2)與RS-485口具有同樣的作用，能夠通過PC機或者手抄器(顯示單元)顯示保護儀的設置值、實時值以及設置保護儀的系統(tǒng)參數(shù)，3)通過與PC機配合，完成對ADE7758的校驗工作；RS-485口本口采用標準MODBUS協(xié)議的RTU模式，用以同上位機進行通信，通信內(nèi)容包括傳送保護儀的電機運行的實時值、保護儀的設置值、報警記錄、保護狀態(tài)寄存器值以及控制繼電器的開關狀態(tài)；CAN口本口應用DEVICENET協(xié)議與上位機通信，作用同RS-485；4-20mA模擬輸出口本口可將電機的電壓、電流等參數(shù)轉換成4-20mA的電流進行遠程傳輸；人機接口模塊4包括LCD8(數(shù)據(jù)顯示和保護類別顯示)、鍵盤9和芯片10；數(shù)據(jù)顯示包括雙行循環(huán)顯示，按AB線電壓、電流，BC線電壓、電流，CA線電壓、電流，有功功率、無功功率，功率因數(shù)、頻率，電量順序顯示，每次顯示停留1秒；保護類別顯示包括保護類別顯示有兩種情況，當相應保護類型為報警時，指示燈作閃爍狀點亮，保護類型為繼電器保護時指示燈為常亮狀態(tài)；通過鍵盤9的參數(shù)設置包括互感器比、額定電壓、額定電流、過壓比、欠壓比、過流比、電流不平衡、斷相時間、電機啟動時間、通信地址(主機存放實時數(shù)據(jù)供RS-485訪問)、RS-232波特率)2400pbs，4800pbs，9600pbs，19200pbs四種)、RS-485波特率(2400pbs，4800pbs，9600pbs，19200pbs四種)、CAN波特率(125Mpbs，250Mpbs，500Mpbs三種)、保護使能、通信使能(0通信禁止，1RS-485，2CAN)、模擬輸出使能，此外，還可以鍵盤操作清除繼電器保護。
圖1、2中，保護模塊2的MCU芯片通過SCI(串行通訊接口)0組成RS-232通信接口，通過SCI1組成RS-485通信，通過MSCAN組成CAN通信接口，通過IIC組成4-20mA的模擬輸出接口，繼電器部分是通過兩個通用I/O口控制，通信接口部分都經(jīng)過光電隔離處理，數(shù)據(jù)采集模塊1的ASIC芯片完成三相電壓電流等實時數(shù)據(jù)的采集并通過SPI與主MCU交換數(shù)據(jù)，人機接口模塊4的MCU芯片10通過SCI與主機進行RS-232通信，一組通用I/O口完成鍵盤9、LCD8等的控制。
權利要求1.一種智能電機保護儀，其特征在于，包括互感器、數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊、通信模塊和人機接口模塊，所述互感器、數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊、通信模塊和人機接口模塊依次相連；其中，所述人機接口模塊包括用于實時數(shù)據(jù)顯示和保護類別顯示的顯示單元和用于設定參數(shù)的鍵盤操作單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種智能電機保護儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊采用集成芯片ADE7758，所述保護模塊采用MC9S12D64工業(yè)控制芯片。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種智能電機保護儀，其特征在于，所述通信模塊包括RS-232、RS-485、CAN和4-20mA模擬輸出通信口。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種智能電機保護儀，其特征在于，各所述通信口與所述保護模塊之間設置有光電芯片隔離。
專利摘要本實用新型公開了一種智能電機保護儀，包括數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊、通信模塊、人機接口模塊；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集三相交流電參量，然后把所采集的數(shù)據(jù)結果計算后寫入指定的保持寄存器中，所述保護模塊用于由所述數(shù)據(jù)采集模塊所得數(shù)據(jù)根據(jù)設定條件判斷出是否已經(jīng)達到保護條件，所述通信模塊用于所述保護模塊與上位機或所述人機接口模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸，所述人機接口模塊包括顯示單元和鍵盤操作單元，鍵盤操作單元用于設定參數(shù)，顯示單元用于實時數(shù)據(jù)顯示和保護類別顯示。本實用新型不僅測量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，而且組網(wǎng)方式靈活，保護種類齊全。
文檔編號H02H7/08GK2896634SQ20062000148
公開日2007年5月2日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權日2006年1月24日
發(fā)明者張石, 鮑喜榮 申請人:東北大學