CN102664386A - 电动机保护器机芯及其保护方法 - Google Patents

Abstract

电动机保护器机芯，该保护器机芯包括：控制装置、检测装置、信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置、输出继电器装置与开关电源装置；信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置以及输出继电器装置与控制装置连接，信号调理装置及相序检测装置与检测装置连接；开关电源装置为保护器提供直流电源。通过检测装置、信号调理装置及相序检测装置对电动机的工作电流信号进行变换，控制装置依据热过载、相序等保护种类的各自算法对输出继电器装置和显示面板装置控制，达到保护和现场显示的目的，从远程和近程对保护器工作参数实时配置和监视，达到故障智能控制和诊断的目的。

Description

电动机保护器机芯及其保护方法

技术领域

本发明涉及低压电器领域，尤其涉及一种电动机保护器机芯，还涉及电动机保护方法。

背景技术

电动机的使用几乎渗透到各个行业，确保其正常运行十分重要，但在实际使用中造成电动机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，做好电动机的保护对提高生产效率和经济效益，保证安全生产具有重要意义。现有电动机保护器存在智能化程度低、保护功能少等缺点，不具备远程通信功能，不能满足对电机的全面保护、保护参数实时修改以及网络化控制系统发展的要求。

发明内容

针对现有电动机保护器保护功能少等不足，本发明要解决的技术问题在于提供一种智能化程度高、具备远程通信功能的电动机保护器的机芯，本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种电动机保护方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：一种电动机保护器机芯，该保护器机芯包括：控制装置、检测装置、信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置、输出继电器装置与开关电源装置；信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置以及输出继电器装置与控制装置连接，信号调理装置及相序检测装置与检测装置连接；开关电源装置与控制装置、检测装置、信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置以及输出继电器装置连接，为保护器提供直流电源。

近程串口装置，通过串口电缆连接至计算机，利用专用的计算机监控界面软件完成保护器与计算机的近程串口通信；远程DeviceNet通信装置通过通信电缆连接至现场总线进行DeviceNet总线通信。

显示面板装置，设有指示保护器的脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯，脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯均与控制装置相连，接受控制装置输出信号对显示面板设有的LED指示灯闪烁控制，指示保护器脱扣、报警状态以及DeviceNet总线工作状态表征保护器的工作状态。

控制装置，是装有软件程序的单片机微控制器芯片构成的单片机系统控制装置，作为电动机保护器核心控制与运算部件与其他各个装置相连接，根据各种输入信号进行数学运算与逻辑运算最终得出对应输出信号，控制各功能单元装置完成电动机保护器的整体控制与保护功能。 

检测装置，将监测到的电动机工作电流信号变换为控制装置能够判断和处理的电压信号。

信号调理装置，作为信号采集与变换部件接受检测装置的输出信号，与控制装置相连，提供用于对电动机各相工作电流有效值进行计算的信号；

 相序检测装置，同样作为信号采集与变换部件，与检测装置中用于监测电动机电流信号的传感器输出信号相连，提供反映电动机三相工作电流相位的脉冲信号。

输出继电器装置，接受控制装置的输出通断信号，对电动机主回路进行脱扣控制。

远程DeviceNet通信装置，与控制装置相连，实现DeviceNet通信协议以及与控制装置的数据交换。

近程串口装置，以RS232方式连接计算机与保护器，使保护器与运行于计算机上的配套开发的监控界面软件通信。

开关电源装置，以DeviceNet总线供电方式给保护器的其他装置提供直流电源。

本发明提供的电动机保护器，是一种电子式和智能型电动机保护器，有别于以熔断器、热继电器为主的传统电机保护装置，克服熔断器主要用于短路保护和热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差，保护不可靠的缺陷。

本发明在精确检测电动机工作电流有效值基础上，实现对电动机热过载、相电流不平衡、缺相、相序、接地故障、堵转、欠载、失速的一系列电动机多功能保护，同时配置DeviceNet（设备网现场总线）和串口通信接口，从远程和近程对保护器进行工作参数配置、实时监控保护器工作情况以及发生故障后的智能诊断。本发明灵敏度高，可靠性高，功能多，调试方便，可通过两种通信方式实现工业计算机对电动机运行参数的显示，保护动作后故障种类一目了然，极大地方便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。

本发明解决上述第二个技术问题采取的技术方案如下：一种电动机保护方法，包括如下步骤：

a.通过检测装置获得电动机电流信号并输入信号调理装置，信号调理装置将电动机电流信号变换成与电流信号呈线性关系的电压信号；

 b.控制装置对步骤a采样获得的电压信号进行计算得到电动机工作电流的有效值，根据电动机热模型以及参数整定方法，计算热积累，以及运算相电流不平衡、缺相、接地故障、堵转、欠载、失速算法，得到相应的控制信号，满足脱扣条件时，向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号；

c. 检测装置输出信号给相序检测装置，得到反映电动机三相工作电流相序的脉冲信号，控制装置接受相序检测装置信号，与固定相序信号比较，判断相序正反，反序则向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号，相序保护的信号独立，但和其他保护种类一样都是控制装置识别、控制；

d.显示面板装置利用LED控制信号控制LED灯，显示脱扣或报警类型；

e.远程DeviceNet通信装置接受来自DeviceNet总线的报文，解析后把请求数据送到控制装置，控制装置根据请求生成应答数据，发送给远程DeviceNet通信装置，远程DeviceNet通信装置封装生成发送报文，并发送至DeviceNet总线；

 f.近程串口装置实时接受、响应计算机监控界面软件请求；

g.通过开关电源装置对DeviceNet总线上电源变换，为系统提供所需电源。

利用本发明的装置和方法，高精度实现了对三相异步电动机的多种保护功能，同时开发了DeviceNet总线和串口通信接口，实现远、近程工作参数配置和监控以及发生故障原因的智能诊断。

附图说明

图1是电动机保护器的结构；

图2是微控制器过程处理流程图；

图3是回形结构铁芯；

图4是通信装置与控制装置的接口方式。

图中：1—控制装置，2—检测装置，21—霍尔传感器，22—回形铁芯，3—信号调理装置，4—相序检测装置，5—近程串口装置,6—远程DeviceNet通信装置，7—显示面板装置，8—输出继电器装置,9—开关电源装置。 

具体实施方式

如图1所示：为了达到电动机多功能保护、工作参数实时配置监控以及智能诊断的目的，本发明提供了一种电动机保护器机芯，该保护器机芯包括：控制装置1、检测装置2、信号调理装置3、相序检测装置4、近程串口装置5、远程DeviceNet通信装置6、显示面板装置7、输出继电器装置8与开关电源装置9；信号调理装置3、相序检测装置4、近程串口装置5、远程DeviceNet通信装置6、显示面板装置7以及输出继电器装置8与控制装置1连接，信号调理装置3及相序检测装置4与检测装置1连接，开关电源装置9与控制装置1、检测装置2、信号调理装置3、相序检测装置4、近程串口装置5、远程DeviceNet通信装置6、显示面板装置7以及输出继电器装置8连接，为保护器提供直流电源。保护器采用总线供电方式，开关电源装置9对总线24V电压进行变换，生成系统所需各种电压。

检测装置2、信号调理装置3和相序检测装置4均为三通道。

检测装置包括霍尔传感器21与铁芯22，参见图3：铁芯22是回形铁芯，霍尔传感器21与回形铁芯22通过磁路连接，电动机工作电流导线穿过回形铁芯，从而产生磁场，霍尔传感器21把电磁信号转换成电压信号输入到信号调理装置3和相序检测装置4，然后发送至控制装置1，提供反映电动机三相工作电流相位的脉冲信号，控制装置1分别对电动机三路工作电流信号进行运算和处理。

显示面板装置，设有指示保护器的脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯，脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯均与控制装置相连，接受控制装置输出信号对显示面板设有的LED指示灯闪烁控制，指示保护器脱扣、报警状态以及DeviceNet总线工作状态表征保护器的工作状态。

控制装置1安装有高性能单片机微控制器芯片，实现实时完成电动机工作电流有效值，计算热积累，以及运算相电流不平衡、缺相、接地故障、堵转、欠载、失速等各种计算任务。

一种电动机保护方法，包括如下步骤：

a.通过检测装置2获得电动机电流信号并输入信号调理装置3，信号调理装置3将电动机电流信号变换成与电流信号呈线性关系的电压信号；

b.控制装置1对步骤a采样获得的电压信号进行计算得到电动机工作电流的有效值，根据电动机热模型以及参数整定方法，计算热积累，以及运算相电流不平衡、缺相、接地故障、堵转、欠载、失速算法，得到相应的控制信号，满足脱扣条件时，向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号；对主电路进行脱扣和报警保护以及对应的显示；

c. 检测装置2输出信号给相序检测装置4，得到反映电动机三相工作电流相序的脉冲信号，控制装置1接受相序检测装置4信号，与固定相序信号比较，判断相序正反，反序则向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号，相序保护的信号独立，但和其他保护种类一样都是控制装置识别、控制；

d.显示面板装置利用LED控制信号控制LED灯，显示脱扣或报警类型；

e.远程DeviceNet通信装置6接受来自DeviceNet总线的报文，并对报文解析，解析后把请求数据送到控制装置，控制装置根据请求生成应答数据，发送给远程DeviceNet通信装置，远程DeviceNet通信装置接受到外部DeviceNet总线上各种报文，获得的信息提交至控制装置1，控制装置1生成数据提交给DeviceNet通信装置6，DeviceNet通信装置6封装报文并发送至DeviceNet总线；

f.近程串口装置实时接受、响应计算机监控界面软件请求；对请求报文进行RS232电平变换，提交至控制装置1，控制装置1得到响应报文提交给近程串口装置5，近程串口装置5进行RS232电平变换后发送出去；

g.通过开关电源装置对DeviceNet总线上电源变换，以此为系统提供所需电源。

图2是本发明实施方式的微控制器过程处理流程：首先，单片机微控制器芯片对信号调理装置的输出信号采样，即采样调理信号，分别计算三相电流的有效值；此后根据配置参数执行保护种类算法，判断是否有某种故障发生，如果有故障发生，执行对应的保护动作及显示；如果无故障发生，则不执行对应的保护动作及显示；当有通信请求时执行远、近程通信报文处理。

如果某种脱扣故障发生，则输出控制信号给输出继电器装置，输出继电器装置执行脱扣报警动作，切断主回路对电动机保护，并输出控制信号给显示面板装置，由显示面板装置的LED指示灯颜色及闪烁次数提示故障种类；单片机微控制器芯片保存电动机保护参数以及电动机工作监视参数，当远程DeviceNet通信装置和近程串口装置有通信要求时，按照通信协议及接口方式正确的处理报文；通过远、近程通信查询相关参数以及显示面板装置上指示灯提示可以方便的对故障发生原因诊断。

对电动机工作电流有效值的测量。根据电动机保护范围的要求，通过调整铁芯导磁材料（高导磁取向硅钢片）的片数和结构设计铁芯，确保在保护范围工作区内实现线性关系，同时根据保护范围对霍尔传感器参数编程，权衡计算精度和处理器负荷，控制装置对信号调理装置输出信号按一定采样周期采样，计算有效值。为了消除随机误差干扰，对数据进行最小二乘处理，实验验证能使电流有效值计算精度控制在1.5%以内。

热过载保护基于电动机的热模型，同时考虑发热和散热以及负序的影响，热状态积累具有热记忆功能，过载曲线满足电动机过载的反时限特征。

相序保护在电动机启动时刻进行，控制装置捕捉相序检测装置生的三路脉冲信号上或下跳沿到来的前后顺序，判定电动机工作电流是否反序。           

其他保护在精确检测电流有效值基础上，通过常用算法实现。

图4是远程DeviceNet通信装置与控制装置的接口方式。远程DeviceNet通信装置为了减轻控制装置负荷，独立实现DeviceNet从站协议，与控制装置通过中断和串行方式完成数据交换。

DeviceNet报文分为显示报文和隐式报文，对显示报文采取下述方式完成数据交换：

（1）远程DeviceNet通信装置在DeviceNet通信中对接受报文解析，生成向控制装置请求报文；

（2）以下跳沿Request信号提醒控制装置，控制装置作出ACK响应后，远程DeviceNet通信装置6把数据以串行方式发送给控制装置1；

（3）控制装置生成响应报文数据以串行方式发送给远程DeviceNet通信装置6；

（4）远程DeviceNet通信装置按协议格式封装数据报发送给总线。对隐式报文采取下述方式完成数据交换：控制装置主动发送请求报文以串行方式发送给远程DeviceNet通信装置，远程DeviceNet通信装置生成响应报文以串行方式发送给控制装置。

近程串口装置配套使用计算机监控界面软件，在保护器未上DeviceNet总线的情况下，对保护器工作参数进行近程的配置、监视及故障诊断。

通过上述的方法，保护器对电动机进行热过载、相电流不平衡、缺相、相序、接地故障、堵转、欠载、失速一系列保护，从远程和近程对保护器进行工作参数配置、实时监控保护器工作情况以及发生故障后的智能诊断。

Claims (6)

1.一种电动机保护器机芯，其特征在于：该保护器机芯包括：控制装置、检测装置、信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置、输出继电器装置与开关电源装置；信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置以及输出继电器装置与控制装置连接，信号调理装置及相序检测装置与检测装置连接；开关电源装置与控制装置、检测装置、信号调理装置、相序检测装置、近程串口装置、远程DeviceNet通信装置、显示面板装置以及输出继电器装置连接，为保护器提供直流电源。

2.如权利要求1所述的一种电动机保护器机芯，其特征在于：检测装置、信号调理装置和相序检测装置为三组。

3.如权利要求1所述的一种电动机保护器机芯，其特征在于：检测装置包括霍尔传感器与回形铁芯，霍尔传感器与回形铁芯通过磁路连接。

4.如权利要求1、2或3所述的一种电动机保护器机芯，其特征在于：显示面板装置，设有指示保护器的脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯，脱扣LED指示灯、报警状态LED指示灯以及DeviceNet总线工作状态LED指示灯均与控制装置相连。

5.如权利要求5所述的一种电动机保护器机芯，其特征在于：控制装置装有单片机微控制器芯片，单片机微控制器芯片实时完成电动机工作电流有效值，计算热积累，以及运算相电流不平衡、缺相、接地故障、堵转、欠载、失速等各种计算任务。

6.一种电动机保护方法，包括如下步骤：

a.通过检测装置获得电动机电流信号并输入信号调理装置，信号调理装置将电动机电流信号变换成与电流信号呈线性关系的电压信号；

 b.控制装置对步骤a采样获得的电压信号进行计算得到电动机工作电流的有效值，根据电动机热模型以及参数整定方法，计算热积累，以及运算相电流不平衡、缺相、接地故障、堵转、欠载、失速算法，得到相应的控制信号，满足脱扣条件时，向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号；

c. 检测装置输出信号给相序检测装置，得到反映电动机三相工作电流相序的脉冲信号，控制装置接受相序检测装置信号，与固定相序信号比较，判断相序正反，反序则向输出继电器装置输出脱扣控制信号，断开电动机工作主回路，并向显示面板LED指示灯输出闪烁控制信号，相序保护的信号独立，但和其他保护种类一样都是控制装置识别、控制；

d.显示面板装置利用LED控制信号控制LED灯，显示脱扣或报警类型；

e.远程DeviceNet通信装置接受来自DeviceNet总线的报文，解析后把请求数据送到控制装置，控制装置根据请求生成应答数据，发送给远程DeviceNet通信装置，远程DeviceNet通信装置封装生成发送报文，并发送至DeviceNet总线；

 f.近程串口装置实时接受、响应计算机监控界面软件请求；

g.通过开关电源装置对DeviceNet总线上电源变换，为系统提供所需电源。

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