CN101593965A - 带电能计量功能的智能低压电机保护器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供电或配电的电路系统，尤其是一种带电能计量功能的智能低压电机保护器，由主机模块和与此主机模块相连接的通信网络，RS－232接口、显示模块所组成，主机模块由总线板，测量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和电源继电器子板所组成。CPU子板为高速，高可靠性的数据处理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板光电隔离器与继电器、RS－485接口、4－20mADC电流模拟信号输出接口、CAN接口、RS－232接口相连接。测量插件为数据采集芯片ADE7758及精密小型互感器，显示单元由显示模块及相关器件组成。本发明在实现对低压供配电回路的电机进行保护的同时，计量了该回路设备消耗的电能。

Description

带电能计量功能的智能低压电机保护器

技术领域

本发明涉及供电或配电的电路装置或系统，尤其是一种带电能计量功能的智能低压电机保护器。

背景技术

目前，为了保证低压供配电系统的电机安全稳定运行，预防电机在使用中烧毁或引发重大安全事故，低压供配电系统的电机配电回路大都安装了智能低压电机保护器。现在的电机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护。控制器对前端采集的电压、电流信号数据计算，根据计算出的实时数据，对过压、欠压、过流、断相、电流不平衡等多种故障现象进行判别处理，对电机实行保护和故障报警。有的还具有远程通信功能，可在PC机上实现对多台联网的电机实现在线综合监视与控制。电机保护器按照功能主要划分为数据采集计算模块、保护模块、通信模块、人机接口模块。

随着国民经济的飞速发展，电力能源的短缺已成为全国的普遍形势，“限电”已经成为绝大多数企业面临的实际情况，电力短缺要求企业对负荷进行更严格的控制，对电力消耗进行更有效的监控。因此，对低压供配电系统的电机配电回路的电能消耗进行监控计量也被很多企业提到议事日程上来，每一回路再安装一台电能表是解决问题的一种方式。电能表是主要以单片机作为控制器，控制器对前端采集的电压、电流信号数据计算，计算出电能消耗。电能表按照功能主要划分为数据采集计算模块、通信模块、人机接口模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种带电能计量功能的智能低压电机保护器，在实现对低压供配电回路的电机进行保护的同时，也计量了该回路设备消耗的电能。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于由主机模块和与此主机模块相连接的通信网络，通过RS-232接口与主模块连接的显示单元所组成，所述的主机模块由总线板，插接在此总线板上的测量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和电源继电器子板所组成，所述的通信网络与远程上位机监控机和远程抄表装置相连接。

所述的CPU子板为高速，高可靠性的数据处理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板的PTC脚通过光电隔离器与继电器相连接、SCII脚通过光电隔离器与RS-485接口、MSCAN脚通过光电隔离器与CAN接口、SCI0脚通过光电隔离器与RS-232接口相连接，IIC脚与4-20mADC电流模拟信号输出接口相连接，SPI脚与前端采集子板相连接，一个开关电源与此CPU子板相连接。

所述的CPU子板通过AD5321模件与4-20mA.DC电流模拟信号输出接口相连接。

所述的CPU子板通过MAX485模件与RS-485接口相连接，通过PCA82c251模件与CAN接口相连接，通过MAX232模件与RS-232接口相连接。

所述的测量插件为数据采集芯片ADE7758，此数据采集芯片ADE7758分别与精密小型电压互感器、精密小型电流互感器相连接，此精密小型互感器与前置信号处理电路相连接。

所述的显示单元由MC681HC980AZ32显示模块，与此显示模块相连接的开关电源、与此显示模块的KB0-4脚相连接的键盘、与此显示模块的PTD、PTB脚相连接的LCD、与此显示模块的PTF0-4脚相连接的报警指示灯，通过和光电隔离器与此显示模块SCI脚相连接的MAX232模块所组成，此MAX232模块通过RS-232接口与主机模块相连接。

所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之间采用各自的SPI接口进行联接。

本发明的带电能计量功能的智能低压电机保护器通过网络通信的方式，可实现远程上位机监控和远程抄表功能；显示单元采用RS-232接口与主模块连接，用户可以通过显示模块就地查看对电机实时测量的数据、电能计量值，报警情况和修改设定参数。

主机单元分三个插板，即CPU子板，前端采集子板和电源继电器子板。这三个子板平行的插入底板的总线插槽中完成整个低压电机保护器主机系统的连接。

测量部分由精密小型互感器接入，采集三相电流和三相电压。通过前置信号处理电路和数据采集芯片ADE7758，从中获取电压、电流、频率、相位、功率、电能等多种实时测量数据。控制部分以高速，高可靠性的MC9S12D64为核心，完成数据处理和通信任务。RS-232为标准配置，同时也可以根据用户需求，另外安装一个通信选件如RS-485，4-20mA.DC电流信号输出。电源采用高频开关电源，采取了多项电磁兼容性保护措施，使得仪器更加节能，更能适应恶劣的电源环境。

系统工作原理是：

ADE7758的采集模块可分为电流电压的A/D转换以及电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率的DSP计算。至于各部分的增益及偏差寄存器是用来校正ADE7758的输出精度的，可通过仪表校准步骤完成这些寄存器的配置。

(1)电流有效值：在周期连续信号的情况下，电流有效值可定义为

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{N}{\∫}_0^{\mathrm{NT}}{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$

在实际应用中，是按时间间隔对信号取样，这时，求积分相当于对离散量的累加，于是公式可写成

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

ADE7758芯片中集成了电流有效值的获取路径，电流有效值保存在无符号32位寄存器中(AIRMS、BIRMS、CIRMS)，LFP3是一个低通滤波器，去除高频干扰，AIRMSOS是A相电流有效值偏差修正寄存器，在表校准时可编程。

(2)电压有效值：定义如同电流有效值，在离散系统中

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}^2\left(n\right)}$

在ADE7758中，电压有效值的采集模块也有相应的电压有效值寄存器(AVRMS，BVRMS，CVRMS)。

(3)有功功率：

电压和电流的瞬时值可表示为

$i\left(t\right)=\sqrt{2}\×I_{\mathrm{RMS}}\×\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

其中：V_RMS是电压有效值

I_RMS是电流有效值

所以，瞬时功率

p(t)＝v(t)×i(t)

则：平均功率即有功功率或实功率

(4)无功功率：无功功率的计算是将电流向后移90°相位，公式定义如下：

$i\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{RMS}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

$i^{\′}\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{RMS}}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

其中：V_RMS为电压有效值，I_RMS为电流有效值，

为电压超前于电流的相位角。

瞬时无功功率

q(t)＝v(t)×i′(t)

所以，无功功率

上式中，T为信号的周期。

ADE7758中无功功率累积计算的实现如同有功功率部分。

(5)视在功率：视在功率是用来表示某些电气设备容量的，在数值上等于电压与电流有效值的乘积。

S＝V_RMS×I_RMS

也可写成

$S=\sqrt{P^2+Q^2}$

上式中，P为有功功率，Q是无功功率。

(6)功率因数：功率因数定义为

是电压超前电流的相位角。有下列关系：

设计上ADE7758SPI接口与MC9S12D64的SPI接口相连，ADE7758采集计算后，与MC9S12D64进行SPI通信，将计算数据发送给MC9S12D64。MC9S12D64完成电机保护、电量存储、数据上传等功能。由于采用了三相电能表而专门研制的专用ASIC，保证了带电能计量功能的智能低压电机保护器的电机参数测量和电机保护功能实现的同时，还保证了对该低压供配电回路的电能测量功能的实现，而且具有电能计量精度高、可靠性高的优点。

本发明的带电能计量功能的智能低压电机保护器采用数据采集计算与控制器相互分离的工作模式。对前端采集的电压、电流信号的测量计算工作由为三相电能表而专门研制的专用ASIC完成。智能低压电机保护器的保护模块、通信模块、人机接口模块的功能工作由另一块MCU控制器完成。

我们采用ADE7758作为数据采集计算的专用ASIC，采用MC9S12D64芯片作为MCU控制器。二者之间采用各自的SPI接口进行相互通信。MC9S12D64是Motorola公司的专用于工业控制的芯片。MC9S12D64是一个16位的MCU，它是以HCS12CPU为内核，内部含有64K的FLASH EEPROM，4K的RAM，1K的EEPROM，2个SCI异步串行通信口，1个同步串行口SPI，8通道的增强型输入捕捉输出比较定时器，2个8通道10bit ADC，一个8通道的PWM模块，一个MSCAN12，以及一个IIC总线。它可运行在单片模式下或扩展模式下，由于其独特的分页机制，CPU可以访问到超过64K的空间。内部含有PLL模块，最大可倍频到内核50MHz，总线25M Hz的时钟频率。它利用其SPI接口完成与ADE7758通信工作，将采集计算数据存储到内存区，对过压、欠压、过流、断相、电流不平衡等多种故障现象进行判别处理，对电机实行保护和故障报警。同时利用该芯片的SCI异步串行通信口，采用RS232/RS485通信方式与上位机或操作配置器进行通信。

ADE7758是ADI公司为三相电能表而专门研制的专用ASIC，它将6通道模拟通道、ADC转换器和专用计算的DSP集成一体，完成周期电压、电流有效值、有功和无功的累积值(功率、电能)，通过外部辅助的数字计算可完成电网全部电量参数的测量，ADE7758的测量精度等级可达到在1000∶1的0.1％精度；它支持三相三线制、三相四线制等美国ANSIC12.10标准三相电机的接法，片内集成高精度的基准和温度测量单元。采用标准的SPI完成同外围MCU(即MC9S12D64)接口，通过SPI可实现对ADE7758的编程配置、电量数据的采集、校准等多种功能，完成了系统中计量要求的低成本、系统简洁、测量精度高、可靠性高的要求。芯片内集成了温度传感器，有利于在不同环境下的温度补偿。

利用ADE7758在完成智能低压电机保护器的数据采集计算工作的同时，也完成了电能测量工作。这使智能低压电机保护器在实现原有功能的情况下，实现了电能测量功能。

本发明的有益效果是：

本发明在实现对低压供配电回路的电机进行保护的同时，也计量了该回路设备消耗的电能。企业为实现低压供配电系统的电机配电回路的电能消耗进行监控计量时不需要再另外添加安装电能表，帮助企业节约成本、减少投资本。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，按照本发明的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于由主机模块I和与此主机模块相连接的通信网络，通过RS-232接口与主机模块I连接的显示单元II所组成，所述的主机模块I由总线板，插接在此总线板上的测量插件4即前端采集子板、控制插件即CPU子板8和通信插件和电源继电器子板所组成，所述的通信网络与远程上位机监控机和远程抄表装置相连接。

所述的CPU子板8为高速，高可靠性的数据处理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板8的PTC脚通过光电隔离器10与继电器11相连接、SCII脚通过光电隔离器10与RS-485接口15、MSCAN脚通过光电隔离器10与CAN接口16相连接、SCI0脚通过光电隔离器10与RS-232接口17相连接，IIC脚与4-20mADC电流模拟信号输出接口6相连接，SPI脚与前端采集子板4相连接，一个开关电源9与此CPU子板8相连接。

所述的CPU子板8通过AD5321模件7与4-20mA.DC电流模拟信号输出接口6相连接。

所述的CPU子板8通过MAX485模件12与RS-485接口15相连接，通过PCA82C251模件13与CAN接口16相连接，通过MAX232模件14与RS-232接口17相连接。

所述的测量插件4为数据采集芯片ADE7758，此数据采集芯片ADE7758与精密小型电压互感器3、精密小型电流互感器2分别相连接。这两个互感器分别与电动机1的三相电压、三相电流相连接。

所述的显示单元II由MC681HC980AZ32显示模块22，与此显示模块22相连接的开关电源18、与此显示模块22的KB0-4脚相连接的键盘25、与此显示模块22的PTD、PTB脚相连接的LCD24、与此显示模块22的PTF0-4脚相连接的报警指示灯20，通过和光电隔离器21与此显示模块SCI脚相连接的MAX23219模块19所组成，此MAX23219模块19通过RS-232接口17与主机模块I相连接。

所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之间采用各自的SPI接口5进行联接。

本发明的带电能计量功能的智能低压电机保护器通过网络通信的方式，可实现远程上位机监控和远程抄表功能；显示单元采用RS-232接口与主模块连接，用户可以通过显示单元就地查看对电机实时测量的数据、电能计量值，报警情况和修改设定参数。

主机单元分三个插板，即CPU子板，前端采集子板和电源继电器子板。这三个子板平行的插入底板的总线插槽中完成整个低压电机保护器主机系统的连接。

测量部分由精密小型互感器接入，采集三相电流和三相电压。通过前置信号处理电路和数据采集芯片ADE7758，从中获取电压、电流、频率、相位、功率、电能等多种实时测量数据。控制部分以高速，高可靠性的MC9S12D64为核心，完成数据处理和通信任务。RS-232为标准配置，同时也可以根据用户需求，另外安装一个通信选件如RS-485，4-20mA.DC电流信号输出。电源采用高频开关电源，采取了多项电磁兼容性保护措施，使得仪器更加节能，更能适应恶劣的电源环境。

Claims (7)

1、一种带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于由主机模块和与此主机模块相连接的通信网络，通过RS-232接口与主模块连接的显示单元所组成，所述的主机模块由总线板，插接在此总线板上的测量插件即前端采集子板、控制插件即CPU子板和通信插件和电源继电器子板所组成，所述的通信网络与远程上位机监控机和远程抄表装置相连接。

2、根据权利要求1所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的CPU子板为高速，高可靠性的数据处理和通信模件MC9S12D64，此CPU子板的PTC脚通过光电隔离器与继电器相连接、SCII脚通过光电隔离器与RS-485接口、MSCAN脚通过光电隔离器与CAN接口、SCI0脚通过光电隔离器与RS-232接口相连接，IIC脚与4-20mADC电流模拟信号输出接口相连接，SPI脚与前端采集子板相连接，一个开关电源与此CPU子板相连接。

3、根据权利要求1所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的CPU子板通过AD5321模件与4-20mA.DC电流模拟信号输出接口相连接。

4、根据权利要求1所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的CPU子板通过MAX485模件与RS-485接口相连接，通过PCA82c251模件与CAN接口相连接，通过MAX232模件与RS-232接口相连接。

5、根据权利要求1所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的测量插件为数据采集芯片ADE7758，此数据采集芯片ADE7758分别与精密小型电压互感器、精密小型电流互感器相连接，此精密小型互感器与前置信号处理电路相连接，这两个互感器分别与电动机的三相电压、三相电流相连接。

6、根据权利要求3所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的显示单元由MC681HC980AZ32显示模块，与此显示模块相连接的开关电源、与此显示模块的KB0-4脚相连接的键盘、与此显示模块的PTD、PTB脚相连接的LCD、与此显示模块的PTF0-4脚相连接的报警指示灯，通过光电隔离器与此显示模块的SCI脚相连接的MAX232模块所组成，此MAX232模块通过RS-232接口与主机模块连接。

7、根据权利要求1所述的带电能计量功能的智能低压电机保护器，其特征在于所述的ADE7758和MC9S12D64芯片之间采用各自的SPI接口进行联接。

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