CN103401217B - 智能电动机保护器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自动化控制和电动机保护装置，公开了一种智能电动机保护器，包括电流采样电路、电源电路、电压采样电路、信号处理单元、中央处理单元和控制模块。本发明的优点在于，结构简洁，电流整定和采样精度高，可以在电机运行过程中实时显示电流值，具备过压、欠压、短路，三相不平衡保护以及远程通讯等多种功能，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制和电动机保护装置，特别涉及一种智能电动机保护器。
背景技术
电动机保护器的作用是给电机全面的保护控制，在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，电机会长时间地处于起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等方式的频繁切换状态中，此外，电机的运行要求越来越高，运行环境也越来越苛刻，对电动机的结构和质量提出了更高的要求。同时，由于电机与配套机械连在一起，当电机发生故障时，经常波及生产系，为了能够减少电机故障的发生，防患于未然，对电机实行有效的保护也是保证生产系统正常工作的一项重要任务。
目前市场上的电动机保护期为模拟电子式电动机保护器，存在整定精度不高、采样精度不高，功能单一，无法赋予电动机以具有多种保护功能于一体的全方位保护。随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠方向发展，纯粹模拟线路的电动机保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替，因此有必要设计一款能够克服上述缺陷，具有较高精度和多种保护功能的新型电动机保护器。
发明内容
本发明针对现有技术中精度不高，功能单一的缺点，提供了一种新型智能电动机保护器。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
智能电动机保护器，包括电流采样电路、电源电路、电压采样电路、信号处理单元、中央处理单元和控制模块，其中，电流采样电路使用电流传感器分别连接电动机的三根火线进行电流采样，电源电路的输出端连接电压采样电路，电流采样电路和电压采样电路的输出端连接信号处理单元，信号处理单元包括精密半波整流电路和运算放大器，精密半波整流电路对采样信号进行整流，运算放大器对整流后的采样信号进行放大，信号处理单元的输出端连接中央处理单元的采样端口，中央处理单元的输出端连接控制模块，控制模块用于控制继电器的开关状态以控制电动机的运行状态，中央处理单元采用STM8S105S4T6单片机。
作为优选，所述电源电路包括三端稳压二极管、光电耦合器、反激式单片开关电源芯片，其中，三端稳压二极管的阴极与光电耦合器的阴极相连接，光电耦合器的发射极与反激式单片开关电源芯片的控制极相连接，三端稳压二极管采用TL431，光电耦合器采用PC817，反激式单片开关电源芯片为TOP224YN芯片。
作为优选，还包括开关量输入电路、模拟量输出电路、显示单元和通讯模块，其中，开关量输入电路的输出端连接中央处理单元的开关量输入端，显示单元、模拟量输出电路和通讯模块分别与中央处理单元相连接，开关量输入电路用于继电器开关状态的监控和用户输入的电动机起动或者停止信号的输入，模拟量输出电路用于信号处理单元处理后的采样信号的输出，显示单元采用动态扫描的方式，循环显示电动机三相电流和电压的采样信号，通信模块采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，用于远程数字通讯、控制和监控。
作为优选，所述电流传感器为卡式结构。
智能电动机保护器采用高性能单片机STM8S105S4T6作为核心控制器件，该单片机是基于8位框架结构的微控制器，其CPU内核有6个内部寄存器，通过这些寄存器可高效地进行数据处理，单片机提供容量为16K字节的Flash程序存储器，内部集成真正的EEPROM数据存储器，可以达到30万次的擦写周期，具有强大的I/O功能，可以对电动机保护器的最近3次脱扣动作产生的故障代码进行记录，同时还拥有分立时钟源的独立看门狗。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
具有多种保护功能，可以对电动机进行过流、堵转、三相电流不平衡、断相、过压、欠压、接地、欠载、短路等多种故障保护。除此之外，还具有设定功能，可以设定电动机保护器的额定电流、欠压值、过压值、脱扣等级代号、三相电流不平衡率、堵转电流倍数、接地电流值、电流互感器变比系数值、欠载电流与整定电流百分比、欠载动作时间、通讯地址等多种设定，简化了调整过程，提高了保护器的兼容性，令电动机保护器可以在多种电动机上得到应用，测量精度高、线性好、故障分辨准确可靠、抗干扰能力强。
整机采用模块化结构，其中电流传感器与保护器的其他部分分体安装，便于实际应用。
进一步地，采用高清数码LED显示，显示单元可以循环显示A、B、C三相电流值，保护状态时过流、过压、欠压、接地值记忆显示，以及设置状态时显示各故障字符及设定值等多种直观的显示输出，人机界面更为友好。
通讯模块具有4-20mA电流输出接口和RS485通讯接口(支持Modbus-rtu通讯协议)，实现了与上位机(PC)之间的数字信号传送，，一台上位机(PC)可以同时与多达255台电动机保护器进行通讯，并对其进行远程实时监控和参数设定，便于自动化管理。
此外，采用片内存储技术，掉电后设定参数保存记忆，勿须再设定，中央处理单元还可以记录电动机保护器的最近3次脱扣动作产生的故障代码，方便维护人员查看和检修。
电流传感器采用卡式结构，安装勿须拆卸主回路，提高现场安装效率。
附图说明
图1为实施例1所述中央处理单元的电路图。
图2为实施例1所述模拟量输出电路的电路图。
图3为实施例1所述电流检测电路的电路图。
图4为实施例1所述零序检测电路的电路图。
图5为实施例1所述电压采样电路的电路图。
图6为实施例1所述显示单元的电路图。
图7为实施例1所述电源电路的电路图。
图8为实施例1所述开关量输入电路的电路图。
图9为实施例1所述电动机保护器的结构示意图。
图10为实施例1所述继电器控制电路的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
智能电动机保护器，如图9所示，包括电流采样电路1、电源电路2、电压采样电路3、信号处理单元4、中央处理单元5和控制模块6，其中，电流采样电路1使用电流传感器7分别连接电动机的三根火线进行电流采样，电源电路2的输出端连接电压采样电路3，电流采样电路1和电压采样电路3的输出端连接信号处理单元4，信号处理单元4包括精密半波整流电路和运算放大器，精密半波整流电路对采样信号进行整流，运算放大器对整流后的采样信号进行放大，信号处理单元4的输出端连接中央处理单元5的采样端口，中央处理单元5的输出端连接控制模块6，控制模块6用于控制继电器的开关状态以控制电动机的运行状态，中央处理单元5采用STM8S105S4T6单片机。
其中中央处理单元5的电路图如图1所示，22、23号引脚连接控制模块6，控制继电器的开关状态。单片机的24号引脚为PWM端口与模拟量输出电路9的输入端相连接，用于传输模拟量信号。25号引脚为PP1端口，连接开关量输入电路8的输出端，用于外部开关量信号的输入。27号引脚为SCLK端口，用于连接数据输入时钟。30号引脚为MOSI接口。37、39-41、44号引脚为LED输出端，连接显示单元10的U2芯片的1-5号引脚。42、43号引脚为TXD、RXD端口，连接通讯模块11，用于通讯信号传输。19-21号引脚连接电流采样电路1的输出端，用于三相电流的采样信号的输入，18号引脚连接零序检测电路的输出端，用于零序电流的采样信号的输入，17号端口连接电压采样电路3的输出端，用于电动机的电压采样信号的输入。
所述电源电路2如图7所示，包括三端稳压二极管U5、光电耦合器U4、反激式单片开关电源芯片U2，还包括高频变压器EPC19，其中，三端稳压二极管U5的3脚与光电耦合器U4的阴极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极之间还串联有一个100R的电阻R1，三端稳压二极管U5采用TL431，三端稳压二极管U5的1脚和3脚之间串联有一个104电容。光电耦合器采用PC817芯片，其1脚串联有一个100R的电阻，4脚连接高效整流二极管HER206的阴极，高效整流二极管HER206的阳极连接EPC19的反馈绕组，反馈绕组的另一端连接电容C15的阴极，电容C15的阳极连接U2的1脚，该反馈绕组的另一端与U4的4脚之间还串联有一个电容C12；反激式单片开关电源芯片U2为TOP224YN芯片，其3脚连接EPC19的主绕组，EPC19的主绕组两个引脚之间设置有高效整流二极管HER206和瞬态抑制二极管P6KE200CA，高效整流二极管HER206的阴极与瞬态抑制二极管P6KE200CA的阴极相连接。采用开关电源，主绕组的输入电压为AC185V～265V，EPC19还设有4组次级绕组，次级绕组的11脚连接高效整流二极管D2的阳极，D2的阴极与次级绕组的10脚之间并联有电容C5以及C10，D2的阳极输出供继电器使用的+12V输出电压。次级绕组9脚连接高效整流二极管D3的阳极，D3采用HER206，D3的阴极与EPC19的8脚之间并联有电容C6以及三端稳压集成电路U3，U3采用L7805芯片，EPC19的8脚连接U3的接地端，D3的阳极连接U3的输入端，U3的输出端与接地端之间并联电容C7以及C11，U3的输出端输出供通讯电路使用的5V电压。次级绕组的5脚连接高效整流二极管D5的阳极，D5采用HER206，D5的阴极与次级绕组的6脚之间并联有电容C8、C9以及C14，D5的阴极串联一个电感L2后作为向CPU、LM324芯片供电的+5V输出电压。EPC19的7脚连接高效整流二极管D6的阴极，EPC19的6脚与D6的阳极之间并联电容C18以及C13，D6的阳极作为向LM324芯片供电的-5V输出电压。EPC19的7脚连接高效整流二极管D7的阳极，D6以及D7均采用HER206，D7的阴极依次串联200R电阻R5和51K电阻R6后，作为电压采样电路的采样电压VA。分为多路输出电压有：+5V(单片机、数字电路、运放供电)，-5V(LM324集成运放供电)，+12V(继电器单独供电)，VC5V(通讯电路单独供电)，VA(电压采样)。该电路利用输出电压与TL431构成的基准电压比较，通过光电耦合器PC817二极管--三极管的电流变化去控制TOP管的C极，从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。
电流采样电路1如图3所示，在电动机的三相火线上分别接有电流传感器7，电流感应器7构成了信号检测部分，其输入输出保持线性关系。选用的电流变比为5000：1，即100A/20ma,精度为0.5级，原边额定工作电流为100A，由于A/D转换器需要输入的是电压信号，所以对于电流形成电路，需在互感器的输出端并联一个采样电阻R1将电流信号转变为电压信号。其中，电流传感器7输出感应信号经过半波整流和放大后进入单片机IA、IB、IC输入端，其中的半波整流电路和放大电路构成信号处理单元4。电流采样电路1还包括一个零序检测电路，如图4所示，电流传感器CTK的感应信号经过整流后进入单片机的IO输入端。
电压检测电路3如图5所示，从电源电路2引出的采样电压VA经过放大进入单片机的U-AD输入端，其中的放大电路也是信号处理单元4的一部分。
控制模块6包括继电器控制电路，如图10所示，单片机的K1、K2端口连接光电耦合器U7的K极，光电耦合器U7采用P181，其A极与电源电路2的+5V输出电压相连接，A极域K极之间并联有2K的电阻R48和电容C15，C极连接电源电路2的+16V的继电器供电电压，E极连接K1-1端口，输出开关量至继电器，控制继电器的开关状态，继而控制电动机的启动和停止，达到保护电动机的目的，同时，也可以用于输出报警信号、脱扣信号和远程起动信号。
进一步地，本实施例所述的智能电动机保护器还包括开关量输入电路8、模拟量输出电路9、显示单元10和通讯模块11，其中，开关量输入电路8的输出端连接中央处理单元5的开关量输入端，显示单元10、模拟量输出电路9和通讯模块11分别与中央处理单元5相连接，开关量输入电路8用于继电器开关状态的监控和用户输入的电动机起动或者停止信号的输入，模拟量输出电路9用于信号处理单元4处理后的采样信号的输出，显示单元10采用动态扫描的方式，循环显示电动机三相电流和电压的采样信号，通讯模块11采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，用于远程数字通讯、控制和监控。
开关量输入电路8如图8所示，包括型号为P181的光电耦合器U16，其C极连接单片机的PP1端口，用于开关量的输入。用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制。
模拟量输出电路9如图2所示，其中光电耦合器U9采用P181，其A极输入端连接单片机的PWM端口，K极输入端接地，C极输出端连接三极管的集电极，E极输出端连接三极管Q1的B极。三端稳压二极管U5采用TL431，三端稳压二极管U5的阴极连接光电耦合器U9的C极，阳极与参考极、阴极与参考极之间分别串联有2K电阻R59、R60。三极管Q1的集电极连接运算放大器U3A的阳极输入端，运算放大器U3A采用LM358，运算放大器U3A的输出端串联2个100K电阻R31、32，56K电阻R62和10K电阻R26后，与运算放大器U3B、U4A的阳极输入端相连接，运算放大器U3B、U4A采用LM358，运算放大器U3B地阴极输入端和输出端之间串联200K的电阻R29，其输出端输出电位信号。运算放大器U4A的阴极输入端连接三极管Q3的发射基，运算放大器U4A的输出端连接三极管Q3的基极，三极管Q3采用8050，其集电极连接放大运算器U4B的阳极输入端，运算放大器U4B采用LM358，其阴极输入端连接三极管Q2的集电极，其输出端连接三极管Q2的基极，三极管Q2采用S8550。
显示单元10如图6所示，采用LED数码显示和按键输入，系统采用四位一体LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在设置状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。
所述电流传感器7采用卡式结构，便与连接电动机的三相火线。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种智能电动机保护器，其特征在于，包括电流采样电路(1)、电源电路(2)、电压采样电路(3)、信号处理单元(4)、中央处理单元(5)和控制模块(6)，其中，电流采样电路(1)使用电流传感器(7)分别连接电动机的三根火线进行电流采样，电源电路(2)的输出端连接电压采样电路(3)，电流采样电路(1)和电压采样电路(3)的输出端连接信号处理单元(4)，信号处理单元(4)包括精密半波整流电路和运算放大器，精密半波整流电路对采样信号进行整流，运算放大器对整流后的采样信号进行放大，信号处理单元(4)的输出端连接中央处理单元(5)的采样端口，中央处理单元(5)的输出端连接控制模块(6)，控制模块(6)用于控制继电器的开关状态以控制电动机的运行状态，中央处理单元(5)采用STM8S105S4T6单片机；所述电源电路(2)包括三端稳压二极管U5、光电耦合器U4、反激式单片开关电源芯片U2，还包括高频变压器BB1，高频变压器BB1的1脚连接电压正极，反激式单片开关电源芯片U2的1脚连接电压的负极，三端稳压二极管U5的3脚与光电耦合器U4的负极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极之间还串联电阻R1，三端稳压二极管U5的1脚和3脚之间串联电容C17，三端稳压二极管U5的1脚串联电阻R2，电阻R2的另一端连接电压+AV，光电耦合器U4的4脚连接高效整流二极管D4的负极，高效整流二极管D4的正极连接高频变压器BB1的反馈绕组的4脚，高频变压器BB1的反馈绕组的3脚连接N线，电容C15的正极连接反激式单片开关电源芯片U2的1脚，电容C15的负极连接N线，高效整流二极管D4的负极和光电耦合器U4的4脚之间连接电容C12的一端，电容C12的另一端连接N线；反激式单片开关电源芯片U2的3脚连接高频变压器BB1的主绕组的2脚，U2的2脚连接电源的负端，主绕阻的1脚连接电源的正端，高频变压器BB1的主绕组的1脚和2脚之间设置有高效整流二极管D1和瞬态抑制二极管V1，所述高效整流二极管D1的正极连接高频变压器BB1的主绕阻的2脚，高效整流二极管D1的负极连接瞬态抑制二极管V1的负极相连接，瞬态抑制二极管V1的正极连接高频变压器BB1的主绕组的1脚，高频变压器BB1设有4组次级绕组，高频变压器BB1的次级绕组的11脚连接高效整流二极管D2的正极，高效整流二极管D2的负极与高频变压器BB1的次级绕组的10脚之间并联有电容C5和电容C10，电容C5的正极连接高效整流二极管D2的负极，电容C5的负极连接高频变压器BB1的次级绕组的10脚，高效整流二极管D2的正极输出供继电器使用的+12V输出电压，次级绕组的9脚连接高效整流二极管D3的正极，高效整流二极管D3的负极与高频变压器BB1的8脚之间并联有电容C6以及三端稳压集成电路U3，电容C6的正极连接次级绕组的9脚，电容C6的负极连接次级绕组的8脚，高频变压器BB1的8脚连接三端稳压集成电路U3的2脚，高效整流二极管D3的正极连接三端稳压集成电路U3的3脚，三端稳压集成电路U3的1脚与2脚之间并联电容C7以及电容C11，电容C7的正极连接三端稳压集成电路U3的1脚，电容C7连接三端稳压集成电路U3的2脚并且接地，三端稳压集成电路U3的输出端输出供通讯电路使用的5V电压，高频变压器BB1的次级绕组的5脚连接高效整流二极管D5的正极，高效整流二极管D5的负极与次级绕组的6脚之间并联有电容C8、电容C9以及电容C14，电容C8的正极连接高效整流二极管D5的负极，电容C8的负极连接电容C18的正极和连接高频变压器BB1的次级绕组的6脚，电容C9的正极连接电感L2的一端，电容C9的负极连接次级绕组的6脚，高效整流二极管D5的负极串联电感L2后输出电压+5V，高频变压器BB1的7脚连接高效整流二极管D6的负极，高频变压器BB1的6脚与高效整流二极管D6的正极之间分别并联电容C18以及电容C13，电容C18的正极连接次级绕组的6脚，电容C18的负极连接高压整流二极管D6的正极，高效整流二极管D6的正极则输出电压-5V，高压整流二极管D6的负极连接次级绕组的7脚，高频变压器BB1的7脚连接高效整流二极管D7的正极，高效整流二极管D7的负极依次串联电阻R5和电阻R6后，作为电压采样电路的采样电压VA；三端稳压二极管U5采用TL431，光电耦合器U4采用PC817，反激式单片开关电源芯片U2为TOP224YN芯片。
2.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于，所述电源电路(2)包括三端稳压二极管U5、光电耦合器U4、反激式单片开关电源芯片U2，其中，三端稳压二极管U5的阴极与光电耦合器的阴极相连接，光电耦合器U4的发射极与反激式单片开关电源芯片U2的控制极相连接，光电耦合器U4的集电极通过高效整流二极管连接高频变压器BB1的反馈绕组端，光电耦合器U4的三端稳压二极管U5采用TL431，光电耦合器U4采用PC817，反激式单片开关电源芯片U2为TOP224YN芯片阳极连接A相线，反激式单片开关电源芯片U2的漏极连接高频变压器BB1的主绕组的2脚。
3.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于，还包括开关量输入电路(8)、显示单元(10)和通讯模块(11)，其中，开关量输入电路(8)的输出端连接中央处理单元(5)的开关量输入端，显示单元(10)、通讯模块(11)分别与中央处理单元(5)相连接，开关量输入电路(8)用于继电器开关状态的监控和用户输入的电动机起动或者停止信号的输入，显示单元(10)采用动态扫描的方式，循环显示电动机三相电流和三相电压的采样信号，通讯模块(11)采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，用于远程数字通讯、控制和监控。
4.根据权利要求1所述的智能电动机保护器，其特征在于，所述电流传感器(7)为卡式结构。
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