CN102790378A - 一种智能型电机保护器及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种智能型电机保护器及其保护方法，由输入端口、信号及电源处理单元、中央处理单元、功率控制输出单元、输出端口和人机交互单元组成，信号及电源处理单元包含电流信号处理电路、电压信号处理电路和电源模块，中央处理单元包含模数转换器、微处理器和存储器，微处理器的故障保护控制信号和晃电再启动信号输出端通过所述的功率控制输出单元连接到输出端口。本发明的电机保护方法，包含电压电流采样输入，过电流短路保护，过负荷保护，低压保护和晃电再启动保护步骤。具备高可靠性和快速性，控制灵活，使电机保护不仅能在电机过流、过负荷、失压等故障状态下可靠动作，而且还能在电网晃电状态下自动恢复运行。

Description

一种智能型电机保护器及其保护方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及用于低压三相异步电机控制系统的电机保护装置及其保护方法。

背景技术

传统的电机保护装置是依赖空气开关、熔断器、热继电器为保护元件。其中，空气开关、熔断器用于电机短路保护，热继电器用于电机过载保护。空气开关虽然能快速切断短路电流，但其电流判断能力并不很精确，常常会发生越级跳闸事故，扩大了事故范围。熔断器很容易造成电机因断相运行而损坏电机，不是一种理想的保护元件。热继电器功能单一，灵敏度低、误差大、稳定性差。所有这些缺陷将造成电机保护不可靠，容易损坏电机包括影响正常生产。

随着电子技术的块速发展，各类电子型电机保护器相继面世，取代了电磁控制技术，提高了电机运行的可靠性。电机保护器给电机提供了各种异常状态下的电气保护，能在电机出现过流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、及三相不平衡状态时采取不同的保护措施。目前典型的电机保护器如中国实用新型专利《电机保护器》(中国专利号ZL02212481.0)，该实用新型将电流互感器二次线路及继电器线圈接到保护装置内，将继电器辅助接点接到电机交流接触器控制回路内。然后通过对电流互感器输出电流的检测，通过数字逻辑电路实现控制继电器的辅助接点的开闭，继而控制电机的运行。此类技术虽能实现过流以及缺相保护，但无法对三相电压瞬时波动即电网晃电提供防护。因为，当电网电压瞬时波动、电源电压过低时，交流接触器因线圈失压而跳闸，电机将会突然停止运行，这会给连续性生产企业带来经济损失，甚至会引发企业的安全事故。此外数字逻辑电路还存在着电路结构复杂，易受干扰，可靠性差的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有电机保护技术的不足，提供一种能识别电机各类故障，包括电网晃电故障，并能快速、可靠地采取相应措施的智能型电机保护器。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种智能型电机保护器，由输入端口、信号及电源处理单元、中央处理单元、功率控制输出单元、输出端口和人机交互单元组成，输入端口通过信号及电源处理单元连接到中央处理单元，中央控制单元通过功率控制输出单元连接到输出端口，人机交互单元连接到中央处理单元，其特征在于，所述的信号及电源处理单元包含电流信号处理电路、电压信号处理电路和电源模块，所述中央处理单元包含模数转换器、微处理器和存储器，微处理器的故障保护控制信号和晃电再启动信号输出端通过所述的功率控制输出单元连接到输出端口。

本发明的智能型电机保护器的一种较佳的技术方案是所述的电流信号处理电路、电压信号处理电路由整流滤波电路和电平转换电路组成，输入端口电路接入的交流电流和电压信号通过整流滤波电路转换为直流信号，输送到电平转换电路，调整为模数转换器的输入电平传送到中央处理单元。

所述的模数转换器采用多路输入模数转换芯片，电流信号处理电路及电压信号处理电路提供的三相电流和三相电压模拟量信号连接到数模转换器的模拟输入端，数模转换器的数字量输出端连接到微处理器的数据输入端口。

所述的微处理器为16位或32位嵌入式微处理器。

所述的人机交互单元包括数据显示电路、状态指示电路和操作控制电路组成，所述的数据显示电路为LED或LCD显示器，所述的操作控制电路为按键式或触摸式键盘，所述的状态指示电路为LED指示灯，人机交换单元直接或者通过键盘显示接口电路连接到微处理器。

所述的电源模块包含超级电容滤波电路或者备用电池，能够在外部电源晃电时断电状态下维持中央处理单元供电至最大晃电恢复时间。

所述的功率控制输出单元为至少包含一组常闭触点和一组常开触点的电子型功率继电器，所述的常闭触点通过输出端口连接到电机的交流接触器线圈回路，当电机发生过电流或过负荷或低电压或电网晃电等事故时，微处理器产生的故障保护控制信号控制常闭触点由闭合转换为断开切断电机电源；当电网晃电电压恢复后，微处理器产生的晃电再启动信号控制常开触点由断开转换为闭合，给电机提供再启动电源。

本发明的智能型电机保护器的一种更好的技术方案是所述的智能型电机保护器，其特征在于所述常闭触点与停止按钮和交流接触器辅助触头串联后接通交流接触器线圈；所述的常开触点与停止按钮串联后接通交流接触器线圈，将交流接触器辅助触头剔除出控制回路。

本发明的另一个目的是提供一种用于所述的智能电机保护器的使用计算机程序控制实现电动机保护的方法，解决数字逻辑电路硬件控制电路复杂，可靠性差的问题。本发明解决上述技术问题的方法包含以下步骤：

a)通过电流互感器对电机电流进行采样，并通过电流信号处理电路处理采样信号使其适合数模转换电路的输入要求；通过电压互感器对电源电压进行采样，并通过电压信号处理电路处理采样信号使其适合数模转换电路的输入要求；通过模数转换器将采样信号转换为数字信号输入到微处理器；

b)依据“逻辑或”关系判断各相电流是否超出短路保护整定值，如果任何一相的电流超出短路保护整定值，立即发出故障保护控制信号，快速切断电源；

c)依据“逻辑与”关系判断各相电流是否超出过负荷保护整定值，如果各相电流都超出过负荷保护整定值，启动过负荷状态计时，计时超出过负荷延时时间后，发出故障保护控制信号，切断电机电源；

d)依据“逻辑与”关系判断各相电压是否低于低电压保护整定值，如果各相电压都低于低电压保护整定值，启动低压状态记时，计时超出低电压延时时间后，发出故障保护控制信号，切断电机电源；

e)依据“逻辑或”关系判断各相电压是否达到电网晃电恢复电压整定值，如果任何一相的电压达到电网晃电恢复电压整定值，判断是否为晃电恢复状态，如果是晃电恢复状态，发出电网晃电再启动信号，重新启动电机。

本发明的用于智能型电机保护器的使用计算机程序实现电动机保护的方法的进一步改进的方案还包含以下步骤：

f)通过数据显示电路显示菜单状态、参数整定值或检测值；

g)通过状态显示电路显示电动机保护器的工作状态；

h)接收操作控制电路的输入，执行菜单选择、参数设定、参数设定确认或电机保护器动作后的复位操作。

i)保存经确认的参数整定值至非易失存储器，作为比较判断和保护控制的基准。

本发明的有益效果是：

1.通过采用微机控制技术使电机保护实现了电磁控制技术以及电子控制技术无法比拟的动作可靠性和快速性。

2.通过采用人机交换单元使电机保护特性实现了能按照不同的电网特性、负载特性作出相应的修订，无需更换控制元器件。

3.通过采用应用计算机程序控制的方法，使电机保护不仅能在电机过流、过负荷、失压等故障状态下可靠动作，而且还能在电网晃电状态下迅速自动地恢复运行。

4.由于本发明的智能型电机保护器采用常闭触点作为故障保护控制输出，即使因电机保护器自身故障断电，被保护的电机仍然能够正常启动运行，这一特点进一步提高了电力拖动系统整体的可靠性。

综上，本发明的电机保护器是集电机测量、控制、保护和管理为一体的新一代智能保护设备，具有安装维修方便、参数调节方便、脱扣动作快、消耗功率小、使用寿命长、制造成本低廉等特点。

附图说明

图1是本发明的智能型电机保护器的硬件结构框图，

图2是本发明的智能型电机保护器的保护程序逻辑框图，

图3是本发明的智能型电机保护器的电机控制连接原理图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的智能型电机保护器硬件结构图如图1所示，输入端口1、信号及电源处理单元2、中央处理单元3、功率控制输出单元5、输出端口6和人机交互单元4组成，其特征在于信号及电源处理单元包含电流信号处理电路、电压信号处理电路和电源模块，所述中央处理单元包含模数转换器、微处理器和存储器，微处理器的故障保护控制信号和晃电再启动信号输出端通过所述的功率控制输出单元连接到输出端口。

在本实施例中，输入端口1直接焊接在信号及电源处理单元2控制板上，信号及电源处理单元2与中央处理单元3通过14芯数据线连接，中央处理单元3与人机交换单元4通过20针插拔式接插件连接，功率控制输出单元5和输入端口6直接焊接在中央处理单元3控制板上。

本实施例中，输入端口1和输出端口6采用型号为JIEKE2EDG-14插拔式接插件，其额定电压为380V，额定电流为5A，用于本发明电机保护器与外部电气元器件的连接。采用插拔式接插件方式是为了便于检修需要，当电机保护器内部发生故障需要检查维修时，只要拔出插件即可取下相应单元控制板，无需拆除外部连接线路，由于输入端口1、输出端口6与信号及电源处理单元2及中央处理单元3控制板之间的端子是一一对应的，故无外部线路拆装前后有可能发生的接线错误之忧。

信号及电源处理单元2由电流信号处理电路201、电压信号处理电路202、电源模块203组成。其中，电流信号处理电路201、电压信号处理电路202由整流滤波电路和电平转换电路组成，输入端口电路接入的交流电流和电压信号通过整流滤波电路转换为直流信号，输送到电平转换电路。电平转换电路采用精密电阻分压电路和稳压二极管过电压保护电路，电平转换电路把整流滤波电路输出的直流信号调整为模数转换器的输入电平，传送到中央处理单元3，以保证中央处理单元3处理的正确性和可靠性。

电源模块203采用高频开关式直流电源模块，参考型号为JXD5-05H12-WFCI，输入电压为85V～220V交流电源，输出电压分别为5V及12V。用于将交流220V电源隔离并降压后作为电机保护器所需的两路低压直流电源。其中5V直流电源供电流信号处理电路201及电压信号处理电路202和中央处理单元3使用，12V直流电源供功率控制输出电源5及人机交换单元4使用。为保证晃电保护程序能够可靠运行，电源模块203应能够在外部电源晃电时断电状态下维持中央处理单元3供电至最大晃电恢复时间。一种较好的解决方案是配置超级电容滤波电路或者备用电池。

本实施例的中央处理单元3由模数转换器301、微处理器302、随机存取存储器303、闪速存储器304。其中，模数转换器301型号为美国模拟器件公司的AD7927芯片，电压模数为12位，具有低电源、低功耗、高速、高精度等优点，用于将由电流信号处理电路201及电压信号处理电路202提供的三相电流和三相电压模拟量信号通过采样、保持、量化以及编码后转换为数字信号，以提供微处理器302运算处理。

微处理器302型号为IV-SEP3203F50芯片，该芯片内嵌了英国ARM公司提供的ARM7TDMI处理器内核ARM7TDMI处理器内核包含了32位RISC处理器构架、32*8硬件乘法器，主频75MHz。此外，微处理器302还包含了零等待静态存储器SRAM，用于存放电流、电压、延时时间等保护参数定值代码与数据；外部存储器接口控制器EMI，用于与随机存取存储器303、闪速存储器304连接；通用定时器TIMER用于保护延时控制；串行外设接口SPI用于人机交互单元4的双向数据通讯，AC97C控制器端口用于支持功率控制输出单元5操作。该嵌入式处理器具有低功耗、低成本、精度高的优点。

随机存取存储器303用于电流、电压检测数据的存取，采用型号为IntelK4S641632H-TC60的存储芯片，该芯片可以直接访问任一个单个存储器单元并完成数据刷新，其判别地址、刷新序列、读取数据、再充电耗时为70纳秒。采用16M内存容量的目的是为了满足检测信号海量存储的需求。

闪速存储器304为程序存储器，芯片型号为TE28F160，存储容量为2MB，擦写次数为100000次，用于存储过电流、低电压、晃电再启动等保护判别程序。闪速存储器304还作为非易失存储器用于保存通过人机交互单元设定的参数整定值，以保证电机保护器断电停机时不丢失设定参数。

本实施例中的功率控制输出单元5采用了包含一组常闭触点和一组常开触点的电子型功率继电器，型号为JZC32F-SH-3RH12，线圈功率0.55W，触点切换电压250V AC，触点切换电流5A。其中，常闭触点501用于发生过电流、过负荷、低电压等事故时切断交流接触器线圈KM控制电源，输出继电器常开触点502用于电网晃电故障结束后接通交流接触器线圈KM控制电源。

所述人机交互单元4由数据显示电路401、状态指示电路402、操作控制电路403组成，用于实现人与微处理器302交互通讯。数据显示电路401采用四位数码显示管，用于显示菜单状态、参数整定值、检测值。状态指示电路402包含3个发光二级管，用于电机运行及电源状态及故障报警显示，正常时指示灯常亮，故障时指示灯闪烁。操作控制电路403包含5个触摸式按键，分别用于电机保护器动作后复归、菜单选择、参数设定递增、参数设定递减和参数设定确认。操作控制电路403是用来通过菜单操作方式，依据不同的保护对象和要求向保护器输入或修订过电流、晃电时间、延时动作时间等定值，并可查看各种保护信息及装置维护信息，控制数据显示电路401、状态指示电路402及中央处理单元3工作状态。

本发明提供了一种用于所述的智能电机保护器的使用计算机程序控制实现电动机保护的方法，保护控制程序的逻辑功能框图参见图2，主要包含以下步骤：

a)通过电流互感器CT对电机电流Ia、Ib和Ic进行采样，并通过电流信号处理电路201处理采样信号使其适合数模转换电路的输入要求；通过电压互感器PT对电源电压Ua、Ub和Uc进行采样，并通过电压信号处理电路202处理采样信号使其适合数模转换电路301的输入要求；通过模数转换器301将采样信号转换为数字信号输入到微处理器302；

b)依据“逻辑或”关系判断相Ia、Ib和Ic电流是否超出短路保护整定值d1，如果任何一相的电流超出短路保护整定值d1，立即发出故障保护控制信号使常闭触点501断开，快速切断电机电源；

c)依据“逻辑与”关系判断各相电流Ia、Ib和Ic是否超出过负荷保护整定值d2，如果各相电流都超出过负荷保护整定值d2，启动过负荷状态计时，计时超出过负荷延时时间d6后，发出故障保护控制信号使常闭触点501断开，切断电机电源；

d)依据“逻辑与”关系判断各相电压Ua、Ub和Uc是否低于低电压保护整定值d3，如果各相电压都低于低电压保护整定值d3，启动低压状态记时，计时超出低电压延时时间d7后，发出故障保护控制信号使常闭触点501断开，切断电机电源；

e)依据“逻辑或”关系判断各相电压Ua、Ub和Uc是否达到电网晃电恢复电压整定值d4，如果任何一相的电压达到电网晃电恢复电压整定值d4且电压恢复时间Thf未超出晃电恢复时间整定值d5，则判定为晃电恢复状态，启动晃电恢复计时，计时超出晃电恢复时间d8后，发出电网晃电再启动信号使常开触点502闭合，重新启动电机。

本发明的用于智能型电机保护器的使用计算机程序实现电动机保护的方法的进一步改进的方案还包含以下步骤：

f)通过数据显示电路401显示菜单状态、参数整定值或检测值；

g)通过状态显示电路显示电动机保护器的工作状态；

h)接收操作控制电路的输入，执行菜单选择、参数设定、参数设定确认或电机保护器动作后的复位操作。

i)保存经确认的参数整定值至非易失存储器304，作为比较判断和保护控制的基准。

本发明的智能型电机保护器的电机控制连接原理图入图3所示，本发明电机保护器的外部接线为，输入端口1的电流检测信号端子Ia、Ib、Ic与电流互感器CT二次输出线Ia、Ib、Ic连接、输入端口1的电压检测信号端子Ua、Ub、Uc与电压互感器二次输出线Ua、Ub、Uc连接，输入端口1的电源端子L与熔断器RD的右侧端子d连接，与输出端口6相接的功率控制输出单元5之常闭触点501及502的上端a与停止按钮SA2右端连接，输出继电器常闭触点501下端与交流接触器辅助触头KM2左端b连接，而输出继电器常闭触点502下端与交流接触器辅助触头KM2右端c连接。连接特点为，输出继电器常闭触点501与停止按钮SA2与交流接触器辅助触头KM2串联后接通流接触器线圈KM。输出继电器常开触点502与停止按钮SA2串联后接通交流接触器线圈KM，从而将交流接触器辅助触头KM2剔除出控制回路。

电机运行时交流接触器线圈KM控制电路的路径为：电源L--断路器DL--熔断器RD--停止按钮SA2--常闭触点501--交流接触器辅助触头KM2--交流接触器线圈KM--零线N

上述电路在电机正常运行时是导通的，当电机发生过电流、过负荷或电网低电压故障时，智能型电机保护器动作，功率控制输出单元5之常闭触点501断开，交流接触器线圈KM失电，交流接触器主触头KM1、交流接触器辅助触头KM2相继断开，以切断故障电流，保护电网及电机安全。

当电网发生晃电时，在电网低电压阶段，交流接触器线圈KM因电网低电压失电，电机靠惯性减速运转。但在电网电压瞬间恢复后，智能型电机保护器再次发出指令，功率控制输出单元5之常开触点502闭合，恢复了电机供电。此时，电机运行时交流接触器线圈KM控制电路的路径为：电源L--断路器DL--熔断器RD--停止按钮SA2--常开触点502--交流接触器线圈KM--零线N

上述电路中，因常开触点502在常态下是断开的，故在电网电压恢复前，上述电路未导通。但在电网电压瞬间恢复后，功率控制输出单元5常开触点502闭合，所述电路导通。交流触器线圈KM在输出继电器恢复受电，交流接触器主触头KM1闭合，电机瞬间恢复运转，保护生产秩序、经济效益及安全生产不受影响。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能型电机保护器，由输入端口、信号及电源处理单元、中央处理单元、功率控制输出单元、输出端口和人机交互单元组成，输入端口通过信号及电源处理单元连接到中央处理单元，中央控制单元通过功率控制输出单元连接到输出端口，人机交互单元连接到中央处理单元，其特征在于，

所述的信号及电源处理单元包含电流信号处理电路、电压信号处理电路和电源模块，所述中央处理单元包含模数转换器、微处理器和存储器，微处理器的故障保护控制信号和晃电再启动信号输出端通过所述的功率控制输出单元连接到输出端口。

2.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，

所述的电流信号处理电路、电压信号处理电路由整流滤波电路和电平转换电路组成，输入端口电路接入的交流电流和电压信号通过整流滤波电路转换为直流信号，输送到电平转换电路，调整为模数转换器的输入电平传送到中央处理单元。

3.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述的模数转换器为多路输入模数转换芯片，电流信号处理电路及电压信号处理电路提供的三相电流和三相电压模拟量信号连接到数模转换器的模拟输入端，数模转换器的数字量输出端连接到微处理器的数据输入端口。

4.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述的微处理器为16位或32位嵌入式微处理器。

5.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述的人机交互单元包括数据显示电路、状态指示电路和操作控制电路组成，所述的数据显示电路为LED或LCD显示器，所述的操作控制电路为按键式或触摸式键盘，所述的状态指示电路为LED指示灯，人机交换单元直接或者通过键盘显示接口电路连接到微处理器。

6.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述的电源模块包含超级电容滤波电路或者备用电池，能够在外部电源晃电时断电状态下维持中央处理单元供电至最大晃电恢复时间。

7.权利要求1所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述的功率控制输出单元为至少包含一组常闭触点和一组常开触点的电子型功率继电器，所述的常闭触点通过输出端口连接到电机的交流接触器线圈回路，当电机发生过电流或过负荷或低电压或电网晃电等事故时，微处理器产生的故障保护控制信号控制常闭触点由闭合转换为断开切断电机电源；当电网晃电电压恢复后，微处理器产生的晃电再启动信号控制常开触点由断开转换为闭合，给电机提供再启动电源。

8.权利要求7所述的智能型电机保护器，其特征在于，所述常闭触点与停止按钮和交流接触器辅助触头串联后接通交流接触器线圈；所述的常开触点与停止按钮串联后接通交流接触器线圈，将交流接触器辅助触头剔除出控制回路。

9.一种用于智能型电机保护器的使用计算机程序实现电动机保护的方法，其特征在于包含以下步骤：

a)通过电流互感器对电机电流进行采样，并通过电流信号处理电路处理采样信号使其适合数模转换电路的输入要求；通过电压互感器对电源电压进行采样，并通过电压信号处理电路处理采样信号使其适合数模转换电路的输入要求；通过模数转换器将采样信号转换为数字信号输入到微处理器；

b)依据“逻辑或”关系判断各相电流是否超出短路保护整定值，如果任何一相的电流超出短路保护整定值，立即发出故障保护控制信号，快速切断电机电源；

c)依据“逻辑与”关系判断各相电流是否超出过负荷保护整定值，如果各相电流都超出过负荷保护整定值，启动过负荷状态计时，计时超出过负荷延时时间后，发出故障保护控制信号，切断电机电源；

d)依据“逻辑与”关系判断各相电压是否低于低电压保护整定值，如果各相电压都低于低电压保护整定值，启动低压状态记时，计时超出低电压延时时间后，发出故障保护控制信号，切断电机电源；

e)依据“逻辑或”关系判断各相电压是否达到电网晃电恢复电压整定值，如果任何一相的电压达到电网晃电恢复电压整定值，判断是否为晃电恢复状态，如果是晃电恢复状态，发出电网晃电再启动信号，重新启动电机。

10.权利要求9所述的用于智能型电机保护器的使用计算机程序实现电动机保护的方法，其特征在于还包含以下步骤：

f)通过数据显示电路显示菜单状态、参数整定值或检测值；

g)通过状态显示电路显示电动机保护器的工作状态；

h)接收操作控制电路的输入，执行菜单选择、参数设定、参数设定确认或电机保护器动作后的复位操作；

i)保存经确认的参数整定值至非易失存储器，作为比较判断和保护控制的基准。

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