CN101860013A - 马达保护装置 - Google Patents

Abstract

一种马达保护装置，连接在三相互感器、三相电机及主控制回路之间，由三相互感器电流检出和相序检出电路、电流量程分解电路、马达相电流输出电路、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路、显示设定电路、PTC保护接口电路、看门狗电路、继电器输出电路、微控器SOC及电源接口电路组成。本发明对三相电机的运行环境和状态进行实时监控和保护，可对相序错误、断相、三相不平衡、过热等情况进行检测，从而防止电机烧毁事故的发生，避免经济损失。

Description

马达保护装置

技术领域

本发明涉及用于监控电机的运行环境和状态，防止电机发生烧毁的马达保护装置。

背景技术

在现代工业中，电动机作为一种拖动机械，成为所有动力机械的基础，随着科学技术的不断进步和工艺控制的不断完善，迫切需要开发和完善电动机的控制和保护设备，从而实现对生产过程和大型机械的故障诊断和集中控制。特别是使用大电流三相电动机的应用场合，由于电机本身的价值较大，对其运行环境和状态要求实时监控和保护，对相序错误、断相、三相不平衡、过热等情况进行检测，防止电机烧毁事故的发生，避免经济损失。

发明内容

针对上述问题，申请人提供一种马达保护装置，可用于监控电机的运行环境和状态，防止电机发生烧毁事故。

本发明的技术方案如下：

一种马达保护装置，连接在三相互感器、三相电机及主控制回路之间，由三相互感器电流检出和相序检出电路、电流量程分解电路、马达相电流输出电路、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路、显示设定电路、PTC保护接口电路、看门狗电路、继电器输出电路、微控器SOC及电源接口电路组成；

三相互感器电流检出和相序检出电路：与三相互感器、电流量程分解电路及马达相电流输出电路连接，用于实时检测马达运行电流值，生成用于缺相、相电流检测、三相的平衡度、加载状态监控的直流电压信号，以及用于判别相序状态的相序信号，同时提供看门狗电路的时钟信号源；

电流量程分解电路：与三相互感器电流检出和相序检出电路及微控器SOC连接，用于将三相互感器电流检出和相序检出电路送来的三相直流电压信号分别经各自的1:1的通道和3:1的衰减通道，产生出正常值信号和衰减值信号，用于对正常电流、过电流、堵转电流值进行检测；

马达相电流输出电路：与三相互感器电流检出和相序检出电路及外部用电系统连接；用于将三相互感器电流检出和相序检出电路送来的其中一相电流放大输出，并对应0～5V的输出量程规格，供外部用电系统采集；

防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路：与微控器SOC及三相互感器连接，用于当供电电压跌落或互感器连接电缆在未接状态时，复位微控器SOC，避免继电器有异常输出；

显示设定电路：与微控器SOC连接，提供可以设置额定电流数值的设定开关和显示各信息的数码LED；

PTC保护接口电路：与微控器SOC及三相电机连接，用于检测三相电机内每个正温度系数热敏电阻的电阻值，判断是否有电动机绕组超过规定温度；

看门狗电路：与微控器SOC及继电器输出电路连接，接收微控器SOC从三相互感器电流检出和相序检出电路收到的相序输出作为其内部计数芯片的时钟输入信号，每计满8个20ms的方波就锁定计数芯片并令继电器输出电路为关断状态，当看门狗电路的输出清零引脚有高电平输入时，解除计数芯片的锁定状态；

继电器输出电路：与微控器SOC、看门狗电路及主控制回路连接，用于主控制回路的开关控制；

微控器SOC：与电流量程分解电路、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路、显示设定电路、PTC保护接口电路、看门狗电路及继电器输出电路连接，为计算及控制的核心。

电源接口电路，与外电源连接，为上述所有用电设备供电。

本发明的有益技术效果是：

本发明对三相电机的运行环境和状态进行实时监控和保护，可对相序错误、断相、三相不平衡、过热等情况进行检测，从而防止电机烧毁事故的发生，避免经济损失。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明内部具体结构图(第一部分)。

图3是本发明内部具体结构图(第二部分)。

图4是触发电流值曲线图。

图5是相电流和模拟电压输出对应图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明进行具体说明。

如图1所示，本发明D连接在三相互感器A、三相电机B及主控制回路C之间，由三相互感器电流检出和相序检出电路1、电流量程分解电路2、马达相电流输出电路3、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路4、显示设定电路5、PTC保护接口电路6、看门狗电路7、继电器输出电路8、微控器SOC 9及电源接口电路10组成。图1中各模块电路可用市售商品。

主控制回路C控制三相电(A/B/C)经三相互感器A到达三相电机B，主控制回路C中的交流接触器1KM受控于输出继电器触点KM和后续的开关组合，用于启停三相电机B。其控制方法同现有技术。

本发明D所要调控的输出仅为继电器输出，其余连接线都为监控输入。

下面结合图2和图3，说明本发明内部各部分的结构：

如图2所示，三相互感器电流检出和相序检出电路1：与三相互感器A、电流量程分解电路2及马达相电流输出电路3连接。三相电流A/B/C经各自的A/B/C互感器检出电路实时检测三相电机B的运行电流值。A/B/C每一路都经全桥整流和100R取样电阻R7/R13生成直流电压信号，分别为Va、Vb、Vc，用于缺相、相电流检测、三相的平衡度、加载状态等监控输入。另外，A、B相的L、N信号，经三极管TR3检出正相过零点翻转的相序信号A-ph、B-ph，用于判别三相的相序状态，其中A-ph还作为看门狗电路7的时钟信号源(见图3)。

如图2所示，电流量程分解电路2：与三相互感器电流检出和相序检出电路1及微控器SOC 9连接。Va、Vb、Vc信号经各自的1:1通道和3:1衰减通道，产生出正常值信号Van、Vbn、Vcn和衰减值信号Vao、Vbo、Vco，用于对正常电流、过电流、堵转电流等值进行检测。

如图2所示，马达相电流输出电路3：与三相互感器电流检出和相序检出电路连接1。C相电流的输出Vc，经运放U2B的同相放大后输出，并对应0～5V的输出量程规格，供系统采集。超量程的部分由稳压二极管DZ2进行限幅。

如图2所示，防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路4：与微控器SOC 9及三相互感器A连接。互感器连接电缆连接图1中的三相互感器A及本发明D，三相互感器A的互感器接插件的7、8两脚内部短接。本发明D的互感器接插件的7、8两脚分别连接电源+24和防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路4的PWR脚。当供电电压跌落或互感器连接电缆在未接状态时，防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路4的运放比较电路复位微控器SOC 9，避免继电器有异常输出。

如图3所示，显示设定电路5：与微控器SOC 9连接。提供一个可以设置的“MUST HOLD”额定电流数值的设定DIP开关和显示各信息的数码LED。

如图3所示，PTC保护接口电路6：与微控器SOC 9及三相电机B连接。其具有的温度保护功能是通过将三个正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)Rt1、Rt2、Rt3安装到三相电机B的每相绕组中。PTC保护接口电路6检测每一个PTC热敏电阻的电阻值，来判断是否有电动机绕组超过规定温度。如果PTC热敏电阻的电阻值超过保护触发阻值，将立即切断输出继电器。当电动机绕组温度下降到允许的范围内，PTC热敏电阻的阻值也下降到保护复位阻值后，可以关断电源，然后上电，此时超温报警将取消。

如图3所示，看门狗电路7：与微控器SOC 9及继电器输出电路8连接。，三相互感器电流检出和相序检出电路1的相序输出A-ph通过微控器SOC 9作为看门狗电路7的计数芯片U8A、U8B的时钟输入信号，20ms的方波输入到计数芯片U8A、U8B的时钟输入脚，计数芯片U8A、U8B计满8个20ms的方波(即160ms)后计数芯片U8A、U8B的6、8脚就会分别有一个“1”电平输出，二极管D28和二极管D29将计数芯片U8A、U8B的两个QD输出“1”进行逻辑的“或”处理，一并驱动三极管TR7和三极管TR5，分别关断计数芯片U8A、U8B的计数输入和继电器输出电路8的驱动三极管TR4的基极，这样看门狗电路7的计数芯片U8A、U8B将不再有计数脉冲的输入，导致计数芯片的锁定和继电器输出电路8的继电器为关断状态，除非计数芯片U8A、U8B的输出清零引脚有“1”高电平输入时，才将解除其锁定状态，同时继电器输出电路8的继电器恢复到由信号名为“OUT”线的控制状态。要想让看门狗电路7一直不出现锁定的事故发生，只要在每个160ms的时间内对计数芯片U8A、U8B的2、12引脚(输出清零)有“1”高电平的输入，即可防止看门狗电路7的锁定发生。微控器SOC 9的控制信号线“DIS-CS”，为看门狗电路7的喂狗清零脉冲输出。计数芯片U8A、U8B的输出清零引脚分别工作在喂狗清零脉冲的正负电平状态下，为保证在“DIS-CS”电平不翻转的状态下(即微控器SOC 9不正常时)，也能保护异常输出的发生。

如图3所示，继电器输出电路8：与微控器SOC 9、看门狗电路7及主控制回路C连接；用于开关控制。

如图2、图3所示，微控器SOC 9：与电流量程分解电路2、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路4、显示设定电路5、PTC保护接口电路6、看门狗电路7及继电器输出电路8连接，为控制核心。

电源接口电路10，与外电源连接，并为上述所有用电设备供电。

本发明的工作说明：

为防止如转轴锁死等电流过载情况，本发明检测三相电机的每一个相线上的电流是否超过触发电流值。本发明的显示设定电路5中提供一个可以设置的“MUST HOLD”额定电流数值的DIP设定开关DIP-SW。“MUST HOLD”电流的设定方法：可以以2A为单位，在26A到360A的范围内根据实际负载电流自由设定。设定使用8位(SW1～SW8)DIP开关来进行。每一位开关代表一个电流值(权重值)。使用各开关的组合以达到要设定的“MUST HOLD”电流数。

下表1所示的开关位置是一个设定“MUST HOLD”电流数＝60A的例子：

表1

高位-低位	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
									开关号	8	7	6	5	4	3	2	1
权重值(A)	256	128	64	32	16	8	4	2
									32+16+8+4＝60A				ON	ON	ON	ON

如果在上电时，设定的“MUST HOLD”电流数不在有效范围内，将关断继电器输出电路8以切断马达供电的主控制回路C。在上电中，不能拨动DIP开关，如果检测到DIP开关位置有变化，装置也将关断继电器输出电路8。所以修改“MUST HOLD”电流数必须在断电情况下进行。DIP开关不在有效范围内或上电中有改变时，显示设定电路5的数码管显示错误号：“6”。

触发电流值曲线允许在通常启动(如三相Y-Δ切换等)中的大浪涌电流而不至于触发过电流报警。见表2以及图4的触发电流值曲线。

表2

负载率(x％)＝100％×负载电流÷MUST HOLD电流	典型过载触发时间(秒)
		112＜x＜124	25
125＜x＜149	8.0
		150＜x＜199	5.5

负载率(x％)＝100％×负载电流÷MUST HOLD电流	典型过载触发时间(秒)
		200＜x＜299	3.0
300＜x＜399	2.0
		x＞400	1.5

在进入运行状态后，对于电流不平衡保护有一个11秒的延迟时间，这段时间内允许短暂的电流不平衡，不会引起不平衡报警保护。

依据电机的各种运行状态我们定义如下：

1、马达电流：为检测的三相电流经计算后的平均电流值。

2、不平衡率：为检测的(相电流-马达电流)/马达电流×100％，取三相中的最大值。

3、加载状态：为马达电流达到或超过“MUST HOLD”电流数的65％时的运行状态。

4、部分加载状态：为马达电流在“MUST HOLD”电流数的40％到65％范围内时的运行状态。

5、不加载状态：为马达电流小于等于“MUST HOLD”电流数的39％时的运行状态。

使用设定的“MUST HOLD”电流数来决定当前电动机的上述运行状态：加载中，部分加载中或不加载中。使用下述的电流不平衡率来保护电动机。

6、加载状态不平衡：为在加载状态中，不平衡率超过17％时的保护报警状态，切断输出继电器。数码管显示错误号：“2”。

7、部分加载状态不平衡：为在部分加载状态中，不平衡率超过25％时的保护报警状态，切断输出继电器。数码管显示错误号：“3”。

8、不加载状态不平衡：为在不加载状态中，不平衡率超过50％时的保护报警状态，切断输出继电器。数码管显示错误号：“7”。

9、断线断相状态：为在任何以上三种运行状态中，不平衡率超过80％时的保护报警状态，切断输出继电器。数码管显示错误号：“8”。

不平衡保护的反应时间是1.5秒。断相保护的反应时间是0.5秒。

10、错相接线保护：

在进入运行状态后，检测三相电流的相序(使用A相和B相的电流互感器感应的信号)，如果检测发现相序倒序，将立即切断输出继电器。数码管显示错误号：“4”。错相接线保护的反映时间是：0.25秒。

使用电流互感器检测相线断相，错相和相序不平衡。当各类电流故障触发电流报警保护后，断电复位才进入正常动作方式，否则一直处于电流保护中。

11、超温报警保护：

温度保护功能使用三个正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)安装到三相电机B的每相绕组中。装置检测每一个PTC热敏电阻的电阻值，来检测是否有电动机绕组超过规定温度。如果PTC热敏电阻的电阻值超过保护触发阻值，将立即切断输出继电器。数码管显示错误号：“5”。超温保护的反映时间是1.0秒。

当电机绕组温度下降到允许的范围内，PTC热敏电阻的阻值也下降到保护复位阻值后，可以关断电源至少5秒钟，然后上电，此时超温报警将取消。因为PTC热敏电阻处于电机绕组的高温环境下，为了防止接线短路等情况，PTC热敏电阻的阻值过低也将引起超温报警。

保护触发阻值：＞13±3KΩ超过1秒；

保护复位阻值：＜3.25±0.5KΩ后撤销保护；

短路保护阻值：＜20±5Ω超过1秒。

12、运行状态最小电流：

电流设定范围正确，温度传感器在复位阻值以内，输出继电器将吸合。根据控制回路的差异，电机可能并不运转。当检测到任何的相线电流都小于5AAC时，将持续不断的显示设定的“MUST HOLD”电流数，此时，本发明不处于运行监控状态，即不会有不平衡/断线或过载或错相等电流报警保护。当检测到电机的任意一相电流超过5AAC时，进入运行监控状态，数码管停止显示“MUST HOLD”电流数，开始各项电流故障报警监控(不平衡/断线或过载或错相等)，数码管一个笔画接一个笔画地持续走马灯方式显示“0”；DIP开关改动(“6”)和温度报警(“5”)持续监控，不需要满足相电流超过5A AC的条件。

“MUST HOLD”电流数的显示方式：“HAxxx”五个字符循环显示，其中xxx是DIP开关*2倍设定的“MUST HOLD”电流数。范围是“026”-“360”，其他设定则显示错误号“6”。每个字符显示0.5秒然后空白0.5秒，五个字符显示完毕后空白1秒，一个周期是六秒左右。

本发明提供一个和相线电流在0～360A范围内成比例的，线性极好的0-5VDC电压输出。见表3以及图5的相电流和模拟电压输出对应图。

表3

	最小	典型	最大
				电流(A)	-4％	Vo	+2％
0	0.000	0.002	0.002
				40	0.564	0.587	0.599
80	1.104	1.150	1.173
				120	1.644	1.712	1.747
160	2.186	2.277	2.323
				200	2.722	2.835	2.892

	最小	典型	最大
				240	3.261	3.397	3.465
280	3.798	3.956	4.035
				320	4.337	4.517	4.608
360	4.869	5.072	5.173

从表3以及图5可知，在0～360A的电流范围内，输出电压与电流成比例，线性极好，电压输出为0～5V DC。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下，可以做出其他改进和变化。

Claims (1)

1.一种马达保护装置，连接在三相互感器、三相电机及主控制回路之间，其特征在于：由三相互感器电流检出和相序检出电路、电流量程分解电路、马达相电流输出电路、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路、显示设定电路、PTC保护接口电路、看门狗电路、继电器输出电路、微控器SOC及电源接口电路组成；

三相互感器电流检出和相序检出电路：与三相互感器、电流量程分解电路及马达相电流输出电路连接，用于实时检测马达运行电流值，生成用于缺相、相电流检测、三相的平衡度、加载状态监控的直流电压信号，以及用于判别相序状态的相序信号，同时提供看门狗电路的时钟信号源；

电流量程分解电路：与三相互感器电流检出和相序检出电路及微控器SOC连接，用于将三相互感器电流检出和相序检出电路送来的三相直流电压信号分别经各自的1∶1的通道和3∶1的衰减通道，产生出正常值信号和衰减值信号，用于对正常电流、过电流、堵转电流值进行检测；

马达相电流输出电路：与三相互感器电流检出和相序检出电路及外部用电系统连接；用于将三相互感器电流检出和相序检出电路送来的其中一相电流放大输出，并对应0～5V的输出量程规格，供外部用电系统采集；

防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路：与微控器SOC及三相互感器连接，用于当供电电压跌落或互感器连接电缆在未接状态时，复位微控器SOC，避免继电器有异常输出；

显示设定电路：与微控器SOC连接，提供可以设置额定电流数值的设定开关和显示各信息的数码LED；

PTC保护接口电路：与微控器SOC及三相电机连接，用于检测三相电机内每个正温度系数热敏电阻的电阻值，判断是否有电动机绕组超过规定温度；

看门狗电路：与微控器SOC及继电器输出电路连接，接收微控器SOC从三相互感器电流检出和相序检出电路收到的相序输出作为其内部计数芯片的时钟输入信号，每计满8个20ms的方波就锁定计数芯片并令继电器输出电路为关断状态，当看门狗电路的输出清零引脚有高电平输入时，解除计数芯片的锁定状态；

继电器输出电路：与微控器SOC、看门狗电路及主控制回路连接，用于主控制回路的开关控制；

微控器SOC：与电流量程分解电路、防互感器电缆虚接电源跌落复位和SOC调试电路、显示设定电路、PTC保护接口电路、看门狗电路及继电器输出电路连接，为计算及控制的核心。

电源接口电路，与外电源连接，为上述所有用电设备供电。

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